（机械电子工程专业论文）电磁离合器的温度场及热应力有限元分析.pdf

电磁离合器的温度场及热应力有限元分析摘要电磁离合器作为应用广泛的自动化执行元件，其正常工作时摩擦片的温度均控制在许用范围内，但当遇到过载、连续打滑等极端工况时，它产生大量的热如不能及时散发会使得摩擦片抱死、烧结及线圈过热烧毁，致使电磁离合器不能正常工作。电磁离合器的摩擦片温度场的分析目前己做了大量研究，但对整个电磁离合器的温度场及热应力分布还没有人系统分析研究过，也没有建立一套完整的研究体系。本文首先从电磁离合器的分类、结构和动作特性出发，分析其热源，应用传热学的知识，建立电磁离合器温度场的热平衡方程及边界条件，其次根据电磁离合器工作原理及其热传递过程对温度场的复杂边界条件，进行了适当的简化，由此建立了一个与实际工况相吻合的数学模型。采用有限元分析和理论计算相结合的手段，对电磁离合器的电磁力、各面换热系数和摩擦片结合产生的摩擦热量进行了分析计算，系统地分析了电磁离合器电磁力、温度场及热应力的大小和分布情况。通过改变电磁离合器工况，对温度场的影响情况进行了比较、分析，得出了有益的结论。本文的研究将为电磁离合器的设计及完善奠定基础，是电磁离合器传动系统生存、设计等所必需的设计基础条件。因此，电磁离合器温度场及热应力分布研究为合理的结构设计和冷却系统布置提供指导，具有重要的理论价值和实践意义。关键词：电磁离合器有限元温度场热应力f e ma n a l y s i sf o rt e m p e r a t u r ef i e l da n dh e a ts t r e s so fe l e c t r o m a g n e t i cc l u t c ha b s t r a c ta p p l i c a t i o no ft h ee l e c t r o m a g n e t i cc l u t c ha st h ei m p l e m e n t a t i o no faw i d er a n g eo fa u t o m a t i o nc o m p o n e n t s ，t h e i rn o r m a lw o r k f r i c t i o ni nt h et e m p e r a t u r ec o n t r o lo fa l la l l o w a b l er a n g e ，b u tw h e nf a c e do v e r l o a d ，s u c ha se x t r e m ec o n s e c u t i v es l i p p e r yc o n d i t i o n s ，i tg e n e r a t e dal o to fh e a ti ft h e yc a nn o tb et i m e l yd i s s e m i n a t i o n -l o c k i n gm a k e sf r i c t i o n ，s i n t e r i n ga n db u r n i n gc o i lo v e r h e a t i n g ，c a u s i n ge l e c t r o m a g n e t i cc l u t c hn o tw o r k i n g t h ee l e c t r o m a g n e t i cc l u t c hf r i c t i o n t e m p e r a t u r ef i e l da n a l y s i sh a sd o n eal o to fr e s e a r c h ，b u to nt h ee n t i r ee l e c t r o m a g n e t i cc l u t c ht e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e r m a ls t r e s sd i s t r i b u t i o ns y s t e ma n a l y s i sh a sn o te x a m i n e d ，n o rt h ee s t a b l i s h m e n to fac o m p r e h e n s i v er e s e a r c hs y s t e m t h i sp a p e rf i r s te l e c t r o m a g n e t i cc l u t c hf r o mt h ec l a s s i f i c a t i o n ，s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fa c t i o n ，a n a l y z ei t ss o u r c e so fh e a t ，h e a tt r a n s f e ra p p l i c a t i o no ft h ek n o w l e d g e ，t h ee s t a b l i s h m e n to ft h ee l e c t r o m a g n e t i cc l u t c ht e m p e r a t u r eh e a tb a l a n c ee q u a t i o na n db o u n d a r yc o n d i t i o n s ，f o l l o w e db yw o r ku n d e rt h ep r i n c i p l eo fe l e c t r o m a g n e t i cc l u t c ha n dh e a tt r a n s f e rp r o c e s so nt h et e m p e r a t u r ef i e l dc o m p l e xb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，t h ea p p r o p r i a t es i m p l i f i c a t i o n ，w h i c he s t a b l i s h e daw o r k i n gc o n d i t i o na n dt h ea c t u a lm a t c ht h em a t h e m a t i c a lm o d e l u s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no ft h em e a n so fc o m b i n i n gt h ee l e c t r o m a g n e t i cc l u t c ho fe l e c t r o m a g n e t i cf o r o e t h es u r f a c eh e a tt r a n s f o rt o e f f i c i e n to ff r i c t i o na n df r i c t i o n g e n e r a t e dh e a tc o m b i n a t i o nw a sa n a l y z e d ，t h es y s t e m a t i ca n a l y s i so ft h ee l e c t r o m a g n e t i cc l u t c he l e c t r o m a g n e t i cf o r c e ，t e m p e r a t u r ea n dh e a tt h es i z ea n dt h es t r e s sd i s t r i b u t i o n b yc h a n g i n gt h ee l e c t r o m a g n e t i cc l u t c hc o n d i t i o n s ，t h ei m p a c to ft h et e m p e r a t u r ef i e l dw e r ec o m p a r e d ，a n a l y s i s ，d r a wu s e f u lc o n c l u s i o n s t h i ss t u d ye l e c t r o m a g n e t i cc l u t c hf o rt h ed e s i g na n dl a yt h ef o u n d a t i o nf o rs o u n d ，e l e c t r o m a g n e t i cc l u t c hd r i v es y s t e mi sv i a b l e ，d e s i g n ，a n do t h e rn e c e s s a r yb a s i cc o n d i t i o n sf o rt h ed e s i g n t h e r e f o r e ，t h ee l e c t r o m a g n e t i cc l u t c ht e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e r m a ls t r e s sf o rt h er e a s o n a b l ed i s t r i b u t i o no ft h es t r u c t u r a ld e s i g no ft h ec o o l i n gs y s t e ml a y o u ta n dp r o v i d eg u i d a n c e ，h a v ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a lv a l u ea n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cc l u t c h ；f e m ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；h e a ts t r e s s插图清单图2 1电磁离合器的分类8图2 2多片干式电磁离合器一9图2 3单片干式带滑环电磁离合器1 0图2 4线圈旋转式多片摩擦式电磁离合器1 0图2 5线圈静止式多片摩擦式电磁离合器1 1图2 - 6电磁离合器动作特性曲线1 3图2 7离合器结合过程角速度变化图1 4图2 8滑移速度与力矩的关系1 4图2 9滑摩功率实验曲线一1 5图2 1 0 滑摩功理想曲线1 5图3 1微元平行六面体2 2图4 1常用温度场分析单元的形状、节点位置和坐标系3 4图4 - 2载荷一时间曲线显示3 5图5 1d l d 5 4 0 单片电磁离合器结构图4 0图5 2铁磁材料的磁滞回线4 0图5 3电磁离合器模型图4 0图5 4磁力线分布图4 0图5 5磁流密度矢量图4 1图5 - 6 节点磁流密度的等值线图4 l图5 7有限元分析流程图4 2图5 8摩擦副结构图4 4图5 - 9摩擦副结合截面图4 4图5 1 0 选择热分析有限元单元对话框4 6图5 1 1 定义材料属性对话框4 6图5 1 2 映射网格划分效果4 7图5 - 1 3 摩擦主动片温度分布图4 7图5 - 1 4 摩擦主动片温度沿轴向分布曲线4 8图5 1 5 摩擦从动片温度分布4 8图5 1 6 热应力施加的温度载荷4 9图5 1 7 从动片加载应力后的位移显示4 9图5 1 8 摩擦片轴向应力图5 0图5 1 9 摩擦片径向应力图一5 0表4 - 1表4 2表5 1表5 - 2表5 - 3表格清单电磁离合器使用状态的损耗发热2 8几种金属导热系数受温度的影响2 9d l d 5 4 0 ( 基型衔铁) 单片电磁离合器规格尺寸3 8工业纯铁的b h 表3 8离合器摩擦副材料属性表4 4独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金匿王些盔堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：李蟛够签字日期：哕年，切。罗日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解金飕王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定。有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金胆王业盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：钐侈签字日期：口7 年膨。7 日学位论文作者毕业后去向：工作单位：通讯地址：导师签名：签字醐：秒铆堋夕日电话：邮编：致谢本论文是在我的导师王勇副教授的精心指导和热情帮助下完成的。感谢导师王勇副教授在我就读研究生期间对我的学习、科研工作以及生活方面的帮助和关心，使我各项任务得以顺利完成，同时，导师渊博的知识、独到的见解、灵活的思路、严谨的治学态度、一丝不苟的科研作风、辛勤的指导和宽厚、随和的性格都给我留下了非常深刻的印象，使我在以后的工作、学习中受益多多。在此谨向我的导师致以最诚挚的谢意!感谢机械设计教研室的所有老师在我读研期间给予的诸多帮助，感谢他们给我无私的指导和帮助，并创造了许多必要条件和学习机会!在本论文研究过程中，我还得到了李露博士真诚帮助，在此也向她表示我衷心的感谢! 同时也感谢殷大澍、廖玉松、王小明、汝艳等同学的支持。另外，也感谢其他各位老师、同学、朋友对我的支持和鼓励。最后，对本文参考、引用文献的作者表示衷心的感谢。谨以此文献给一直关心、理解和支持我完成学业的家人!作者：李进梅2 0 0 7 年1 0 月第一章绪论1 1电磁离合器温度场及热应力的研究意义人类应用磁性材料的历史可上溯到公元前二百多年战国时期，那时人们就利用磁石指示南北的特性制成了指南工具一一司南。而对磁性的产生及电磁关系的机理的揭示则是近二百年的研究。从 8 2 0 年奥斯特发现电流磁效应到1 8 6 5年麦克斯韦依据前人的一系列发现和实验成果建立了第一个完整的电磁理论体系，电磁学得到长足的发展，并且仍指导着当今的电磁学理论与应用研究【1 】。随着磁性物理学对材料微观理化结构和相互作用机理的研究深入，磁性材料的设计和加工方式也得到改善，设计制造高性能的磁性机械装置也成为可能，而近代计算机技术、电子技术、控制理论的应用，促进了电磁学理论和实际应用的迸一步发展 2 j 。自1 9 世纪英国工业革命以来，机械已是人类进行生产和生活活动中必不可少的工具。磁力机械进入应用领域的历史并不长久，可近年来发展和研究却很迅猛。特别是自1 9 4 0 年英国人c h a r l e s 和g e o f f r e yh o w a r d 首次使用磁力驱动泵解决了输送危险性化工介质的泄露问题后，引发了一轮研究磁力传动技术的热潮。新型永磁材料稀土一钕铁硼的问世，加快了磁力传动机械的研究。近年来，像磁力联轴器、磁力轴承、磁力泵、电磁离合器、磁力离心泵及磁悬浮技术等的研究和应用已越来越广泛i ”。作为一种新型机械，磁力机械就是利用磁能产生的力和力矩，以无接触方式驱动或控制置于磁场中的执行构件，使其按确定的运动或动力要求动作的机器或机构1 4 。目前磁力机械的研究和应用日益广泛，但由于它涉及多门学科，而其工作特点和应用对设计精度和效率等方面又提出了较高的要求，故有必要作更深入的研究，为工程设计提供准确的理论基础。我国的磁力机械及其传动技术的研究应用起步较晚，8 0 年代以后开始产品的开发和研究。各类磁力传动器、磁力离心泵、电磁轴承、电磁离合器等产品规格较小，功率较大的还不能达到可靠使用，目前许多作了广泛研究，其中电磁离合器的研发和生产也随着国内工业整体水平的提高，特别是航天、航空、国防工业对各类机械零部件要求的进一步提高，其作为自动化执行元件，由于具有结构紧凑、寿命长、可靠性高等特性而得到机械行业的广泛关注，同时也迎来一个快速发展的契机。电磁离合器是磁力机械中的一种。它是利用电磁能的作用，使力矩从主动侧传动到从动侧，从而完成机械传动系统的连接和功能传递。电磁离合器是自动化控制的主要执行元件之一，可以在原动机旋转不中断的条件下用来控制传动链。如机床主轴的自动起动、停机( 制动) 、反向、变速、定位和进给系统中的切换等。由于电磁离合器具有体积小、结构紧凑、动作灵敏、稍耗功率小以及操作方便等优点，所以在近代技术申被广泛的应用。目前，对如何改进机床的结构，提高机床的工艺性能，并使之高速高效的自动化，而又经济地解决这一设计问题，那么合理地采用电磁离合器是具有很大的实际意义。近代各国所制造的许多自动机床中，已普遍采用电磁离合器。如自动车削机床、锤床、铣床、钻床及自动螺纹车床等。我国也愈来愈多的机床采用了电磁离合器，如c5 0 2 型立车、c 5 3 4 j 立式车床、转塔六角车床、六角自动车床、磨床以及组合机床等。近年来数控机床、程控机床和数控仿型机床还采用了快速电磁离合器。由于快速电磁离合器具有良好的动特性，所以把它应用在机械装置中，对实现机电一体化提高生产率和自动化水平有着非常重要意义3 。如在轧钢机、包装机、绕线机、纺织机、印刷机以及模拟设备都采用了电磁离合器。在一般企业中的机械设备也利用了电磁离合器来控制传动装置。例如以z 4 l 一1 2 a 多工位自动冷镦机的主传动中应用了快速电磁离合器，获得了良好效果，取消了空气压缩机站，减少了零件，节电很多，消除了噪音，减少了设备占地面积，避免厂因经常维修空气压缩机和气动部件所造成的停车。所以电磁离合器的广泛应用，对机械装置的自动化、高速化、集控化具有很大的经济意义。电磁离合器与常规机械相比有很明显的特点，如它结构紧凑，响应快速，寿命长久，操作简单，使用与维护方便，易于实现远距离集中操作和自动控制等，故用于运动控制和实现自动化方面尤为合适，是各种机械实现自动化最可靠和最经济的方案，目前广泛应用在纺织、印染、包装、食品、印刷、轻工、起重、汽车、精密机械、电机等机械产品和装置中，应用前景非常广阔。电磁离合器的优点是；第一，提供传动系统的机械性能。当传动系统使用电磁离合器后，可实现该系统的快速起动，快速制动及频繁的正反向控制。由于电动机与传动系统不直接连接，在起动或制动过程中，避免电动机出现过大的冲击电流；它能使传动系统获得较高的起动力矩。电动机的起动力矩通常为额定力矩的1 5 - - 2 倍，在电磁离合器作传动系统的起动过程中，可利用电动机的惯性能量来增加起动力矩。一般可增加到电动机额定力矩的2 5 3 倍。所以在传动系统的相同条件下，利用电磁离合器起动，能使电动机容量减小。除牙嵌式离合器外，其它型式的电磁离合器均可在较频繁地结合和脱开的场合下应用。电磁离合器利用电的控制方法，可调节电磁离合器的力矩上升时间，以实现传动系统的连续平滑起动。利用磁粉或转差式电磁离合器的力矩调节特性，可实现传动系统的精密调节。又可利用电磁离合器力矩与滑差速度无关的特性，在机械装置中实现恒张力控制。同时，电磁离合器能实现分支起动和多元化利用电动机的动力。电磁离合器与所传递的力矩相比，耗用的电能很小。第二，提高传动系统的操作性能。电磁离合器可实现集中控制与远距离操纵，能简化操作程序，减少操作时间，容易实现控制自动化。第三，操作安全和具有道载保护减少误操作和误动作，提高操作安全性，除牙嵌式离舍器外，其它型式的电磁2离合器都有过载保护作用。第四，维护方便，控制简单。它的缺点是：第一，剩磁严重影响离合器的动特性。第二，使用中有关部件会被不同程度的磁化，吸引铁屑影晌传动系统寿命和精度。第三，电磁离合器使用中的发热是避免不了的，结合功过大，在传动系统中的位置不当或散热不良，会影响传动系统的精度，甚至线圈烧毁。例如摩擦片电磁离合器启动负荷时，由于摩擦片间产生摩擦而发热，如果摩擦热过大时，将导致摩擦片产生异常摩擦，或将摩擦片烧损，或由于热变形而不能动作。为避免这些情况出现，保证系统正常运转，需要对电磁离合器温度场及热应力作深入研究。本文从此出发研究电磁离合器的温度场及热应力分布，为电磁离合器的设计体系的完善奠定基础”1 。1 2电磁离合器温度场及热应力研究现状电磁离合器温升问题涉及到摩擦学、传热学、机械传动理论和计算技术等多学科领域，长期以来国内外专家和工程技术人员及生产商对电磁离合器的温升比较重视，也进行了深入的研究与分析。运动产生摩擦。由摩擦引起的磨损、润滑、材料与能源消耗等一系列摩擦学问题普遍存在，电磁离合器更是如此。摩擦学是研究摩擦、磨损、润滑及三者之间的关系的多学科交叉科学，融基础知识和应用技术于一体。摩擦产生热，有了热源，热量总是自发地不可逆地从高温物体传向低温物体，热传递随之产生。热传递过程的作用机理是由传热学阐述的。传热学是研究热量传递规律的科学。传热学广泛应用于生产技术领域。能源、化工、冶金、动力机械等部门采用的换热器等设备都要大量地运用传热学知识。电气工业中部件温升的控制，电子工业中电子元件的散热，温度场的测算和控制都与传热学密不可分。因此在进行温度场研究时，摩擦学和传热学是分析计算的理论基础1 7 1 1 8 1 。长久以来，国内外许多专家学者在离合器摩擦片的温度方面进行了大量的研究。离合器结构的发展经历了上百年，融合了几代人的智慧和心血才达到现今的地步。其设计理论也从传统的机械、力学领域深入到热、电、材料、控制等众多学科领域。电磁离合器的闯世已有六十多年，生产和研究较早的是日本，1 9 6 6 年年产l o 万台左右，到1 9 9 2 年产量超过5 0 0 万台。我国电磁离合器的应用和生产已有4 0 年历史，对电磁离合器的理论研究也随之得到发展。国内外许多专家学者在电磁离合器的热分析方面进行了大量的研究：早期的上海7 l l 研究所的孙华琴、董建福通过对摩擦离合器接合过程的分析f 9 】，提出了摩擦片在接合过程中的传热物理模型，并根据该模型建立了摩擦片温度场的微分方程，然后利用拉氏变换法解该方程，得出了接合过程中摩擦片温度场的解析解及达到最高温度的时间计算公式；其后有解放军理工大学工程兵工程学院周建钊、高亚明分析了主离合器工作时的热传导过程【l o 】，给出了热传导数学模型和温升表达式，并用数值解法求解，得出摩擦片的温度变化规律；张学勇、刘沃野、王平、杨通强利用能量原理和热力学方法，给出了摩擦离合器圆盘摩擦片温升的理论公式，从一定程度上满足了计算机仿真的需要【1 l 】：武汉理工大学王营、曹献坤等人进行了盘式制动器摩擦片的温度场研究f 1 2 1 ；罗庆生、韩宝玲研究了汽车摩擦片摩擦热分布规律【1 3 】；徐州工程兵指挥学院霍晓强、刘安进行了湿式换挡离合器摩擦副瞬态温度场的仿真研究等【1 4 】【1 ”。现有的资料中，基本上都是对电磁离合器摩擦片的温度分析，熟源也主要指摩擦热，不够完整和准确。本文从电磁离合器的电磁力研究着手，对摩擦片进行热分析，还要指出磁轭线圈也会产生热损，并对线圈的绝缘性产生影响，湿式离合器还有空转扭矩发热，线圈损耗，机械系统的轴承损耗都是它的热源，会影响摩擦片内部应力分布，影响它的工作稳定性，过度温升还会使摩擦片烧损，或热变形，不能动作。因此本文的研究具有较大的理论意义和实践价值。1 3电磁离合器温度场及热应力研究方法电磁离合器是现行广泛采用的自动化控制主要执行元件之一，可以在原动机旋转不中断的条件下控制传动链，如机床主轴的自动启动、反向、变速、定位和进给系统中的切换等。而电磁离合器在工作过程中，利用电磁能作用，实现机械传动系统的功能传递的过程中，由于各种原因伴随有大量的热量产生，将引起工作部件的温度持续升高，使得电磁离合器中使用的金属材料强度和非金属材料的绝缘性能下降，性能下降的各部件反过来又影响能量转换效率，造成恶性循环；而过度温升还会引起结构部件产生热变形又影响约束精度及系统动态性能，甚至使部件失效，从而无法保证系统的正常工作。因此，防止电磁离合器工作过程中的过度温升是机械系统可靠工作的前提。电磁离合器发热与热传递过程复杂，影响因素较多，为确保整个机械系统的工作可靠性，需要了解和掌握温度场分布和变化规律，准确地反应离合器各部件热量的获取、热梯度，热流密度及热应力分布，以便在结构设计中调整各参数，提高安全性和可靠性。现行的电磁离合器应用中热计算方法是：干式离合器只考虑结合功产生的摩擦热；湿式离合器除结合功产生摩擦热以外，还有空转扭矩发热，线圈损耗，机械系统的轴承损耗等。现行计算方法均属估算，准确性不够，使用温度场分析法考虑铜损、摩擦热等可以给出温度场较准确分布，为电磁离合器的设计和使用提供理论依据。温度场热分析计算中，根据区域的离散方式、方程的离散方式及方程的求解方法的不同分为多种方法，应用较广泛的是解析解法、近似分析解法、数值解法、比拟解法、作图法等。使用最多的有分析解法和数值解法1 1 “。分析解法求出的解是精确解或称为理论解。但它的局限性在于只能解出少数性质比较简单的方程，且几何形状相当规则的情况。在工程和科技领域内，对于许多实用物理和力学问题，给出它们的数学模型，即其遵循的常微分方程4或偏微分方程和相应的定解条件，由于方程的非线性性质，或由于求解域的几何形状或边界条件的复杂性，理论解是无法得到的。电磁离合器在工作时，摩擦片的结合功转化成热及线圈的热损对离合器的温度场的影响相当复杂，一般来说，不满足线性关系，因此在进行温度分布求解时，它的理论解是理想状态，实际此时可以采用数值方法求解。从方法上，数值解法主要可分为两大类。一类是有限差分法，它的特点是直接求解基本方程和相应定解条件的近似解。有限差分法的求解步骤是：将求解域划分为网格，然后在网格的节点上用差分方程来近似微分方程，然后利用线性代数方法求解线性方程组，获取各节点的温度值。当网格分得越细，近似的温度分布就越接近于真实的温度分布，近似解的精度也就得到提高。该方法数学概率直观，表达简单，主要适用于结构网格。特别是求解方程建立于固体在空间的坐标系的流体力学问题，在流体力学领域，至今仍占支配位置。数值分析方法的另一类是有限元法。2 0 世纪4 0 年代初就有人提出了有限元法的基本思想。离散化的最早思想是a h r e n i k o f f ( 赫兰尼可夫) 1 9 4 1 年提出的。2 0 世纪5 d 年代随着高速计算机的出现与应用，有限元才在结构分析矩阵方法的基础上迅速发展起来。有限元方法的基础是变分原理和加权余量法，其基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。采用不同的权函数和插值函数形式，便构成不同的有限元方法。常见的有限元计算方法是由变分法和加权余量法发展而来的里兹法和伽辽金法、最小二乘法等i ”】。有限元方法的特点是，第一，物理概念清晰，可以通过非常直观的物理解释来理解，也可以建立严格的数学理论分析；第二，复杂结构的适应性，有限元法利用离散化将无限自由度的连续体力学变为有限单元结点参数的计算，它的解是近似的，但适当选择单元的形状与大小，可是近似解达到满意的程度；第三，各种物理问题的适应性，有限元法不仅能处理线弹性力学、非均质材料、各向异性材料、非线性应力一应变关系、大变形、动力学和屈曲等问题，还能解决热传导、流体力学、电磁场等问题以及不同物理场的耦合问题，应用范围非常广泛；第四，适合计算机实现的高效性，有限元法引入边界条件办法简单，是求得整个结合体的代数方程后在引进，故对内部和边界上的单元都能采用相同的场变量函数，当边界条件改变时，场交量函数不变，极大地简化了编制通用化程序；最后，有限元法通常采用矩阵表达式，便于编程。而计算机技术的高速发展，为有限元的发展、应用和软件的商业化奠定了坚实的基础。有限元方法分析问题的基本步骤是：( 1 ) 建立积分方程，根据变分原理或5方程余量与权函数正交化原理，建立与微分方程初边值问题等价的积分表达式，这是有限元法的出发点。( 2 ) 区域单元剖分，根据求解区域的形状及实际问题的物理特点，将区域剖分为若干相互连接、不重叠的单元。区域单元划分是采用有限元方法的前期准备工作，这部分工作量比较大，除了给计算单元和节点进行编号和确定相互之间的关系之外，还要表示节点的位置坐标，同时还需要列出自然边界和本质边界的节点序号和相应的边界值。( 3 ) 确定单元基函数，根据单元中节点数目及对近似解精度的要求，选择满足定插值条件的插值函数作为单元基函数。有限元方法中的基函数是在单元中选取的，由于各单元具有规则的几何形状，在选取基函数时可遵循一定的法则。( 4 ) 单元分析：将各个单元中的求解函数用单元基函数的线性组合表达式进行逼近；再将近似函数代入积分方程，并对单元区域进行积分，可获得含有待定系数( 即单元中各节点的参数值) 的代数方程组，称为单元有限元方程。( 5 ) 总体合成：在得出单元有限元方程之后，将区域中所有单元有限元方程按一定法则进行累加，形成总体有限元方程。( 6 ) 边界条件的处理：一般边界条件有三种形式，分为本质边界条件( 狄里克雷边界条件) 、自然边界条件( 黎曼边界条件) 、混合边界条件( 柯西边界条件) 。对于自然边界条件，一般在积分表达式中可自动得到满足。对于本质边界条件和混合边界条件，需按一定法则对总体有限元方程进行修正满足。( 7 ) 解有限元方程：根据边界条件修正的总体有限元方程组，是含所有待定未知量的封闭方程组，采用适当的数值计算方法求解，可求得各节点的函数值。电磁离合器中部件的温升还会引起部件的结构内部应力和变形，导致间隙约束失效或结构强度和刚度减小，合理的结构形式和参数设计又会限制温升，故结构场与温度场之间具有耦合效应。热一结构耦合一般为弱耦合，耦合的数学模型建立在弹性力的应力变形理论和热力学控制方程基础上。由温度场和结构场的基本方程可得到耦合数学模型，对于多场问题求解目前已提出了源于松弛法和牛顿法的多场耦合计算方法。而将一类耦合物理模型转化为离散模型求解并可视化的方法，在计算数学和软件技术的支持下已得到实现。在耦合问题的数值求解方面m a r c 、a n s y s 等有限元软件均可实现多场耦合计算，其计算结果的准确性取决于对所分析物理模型的前处理环节【l ”1根据电磁离合器工作生热的特点本文主要采用有限元方法进行电磁离合器温度场分析计算。1 4 本文的主要内容本文根据当前我国的电磁离合器理论与应用现状，将传统设计方法中普遍忽略或未考虑的相关因素纳入分析过程，较准确地给出温度场和热应力分布，为建立系统和精确的电磁离合器设计方法体系提供理论基础。通过对电磁离合器工作特点和存在问题的分析，本论文主要研究内容如下：6第一章：绪论综述磁力机械及电磁离合器研究的发展历程，温度场及热应力研究现状，总结现有的相关理论，提出本文研究目标、研究内容和方法。第二章：电磁离合器的工作原理及其关键技术概述电磁离合器的工作原理和特点、电磁离合器应用及选用。第三章：电磁离合器的温度场分析理论基础概述针对电磁离合器温度场及热应力分析所需要的传热学、电磁学、数值计算方法，形成较为系统的电磁离合器温度应力分析的基础理论。第四章：电磁离合器温度场分析的参数确定系统研究电磁离合器中的温度场。根据现有热分析和热参数计算方法，提出电磁离合器中的热分析闻题和热分析方法。第五章：电磁离合器的温度场有限元分析应用a n s y s 分析电磁离合器中的电磁力、温度场与热应力两场耦合形式、机理。第六章：全文总结与展望。7第二章电磁离合器的工作原理、特性及选用本章主要研究电磁离合器的分类、工作原理、特性和选用方法，目的是为后续应用有限元分析电磁离合器的温度分布，找出其工作时的热源和不同工况下电磁离合器的温度变化。2 1电磁离合器的分类电磁离合器种类众多，适用范围广泛，但归纳起来可分为四种类型：( 1 ) 摩擦片式电磁离合器；( 2 ) 牙嵌式电磁离合器；( 3 ) 磁粉式电磁离合器；( 4 ) 转差式电磁离合器。其中摩擦片式电磁离合器按使用条件分为湿式和干式，湿式使用时用油来润滑和冷却摩擦片，干式是在空气中使用，不加油，自冷；按摩擦片在磁路情况又可分为在磁路内和在磁路外；按线圈位置分为外置线圈、内置线圈和侧置线圈。牙嵌式电磁离合器分为有滑环和无滑环；磁粉式电磁离合器分为单隙式和复隙式两种；转差式电磁离合器又分为双电枢和单电枢。单电枢又分为爪式和感应式两种。由以上分类，具体可列成下图2 - 1 5 】：电磁离厶口器厂湿式f 摩擦片在磁路内、_ r 有滑环i 多片。摩擦片在磁路外j 。无滑环摩擦片式电 0 时，t ( s i ，t ) = 瓦( x ，y ，= ，f )( 3 1 5 b )( 2 ) 第二类边界条件：给定任何时刻物体边界面上的热流密度值，且热流密度值为定值，即吼2 常数。对于稳态又分为有限热流和绝热表面，由傅立叶定律得其边界条件如下：有限热流：表明绝热：式中，y 一为边界外法线方向，即吼的方向：( 3 - 1 6 a )( 3 - 1 6 b )goi l=如电卯一锄砑一锄兄旯一一对非稳态：f o 时，一旯等l 。= 夏( z ，y ，2 ，f )( 3 1 6 c )( 3 ) 第三类边界条件：给定了边界面最周围流体的温度r ，和物体与周围流体间的换热系数口。根据牛顿散热公式，物体边界岛与周围流体间的对流换热量为：q2 a ( t 一弓)( 3 1 7 a )式中，r 为物体的边界温度，由傅立叶定律则有：以旦o n ! l 。= 口( r 一弓)( 3 一1 7 b )稳态导热时，乃，口为常数，非稳态导热时，式中的乃，盯均可为时间的函数。而当t 0 时，表明物体散热，流体吸热；当t o ) ，则f 要增加至击倍，则一oe ：丝笙。l ( 4 - 4 )7 1 6 02 ：一瓦制动时，负载扭矩t o 会帮助制动时的动扭矩l 来减速，此时e ：竺笠。l( 4 5 )7 1 6 02 ：+ 离合器( 制动器) 到被动部件之间所有传动零件的效率设为r l ，加速时将增加e ；减速或制动过程中，则减小e ，结合功计算又为：燃：e = 鲁去弓限6 ，譬速：e = 等去刁m ，正反转：e = 掣8 )式中：一正转时的转速5n 2 一反转时的转速。打滑对：e = 2 z i t r n f( 4 9 )式中：死一打滑时的动扭矩，咖l ；t - - 打滑时间，j 。单位时间结合功发热量：q = 西e n m ( k e a l h )( 4 1 0 )式中： ：_ 一每小时的接合次数上述离合器结合功的计算中涉及到负载扭矩、负载侧的飞轮矩及相对转速等计算，考虑的因素较多，实际电磁离合器摩擦片结合滑摩过程中摩擦热的计算还可用：q = 1 - t f t 式中：，为电磁力，；为有效半径，m ；国一为角速度，1 s 。本文的摩擦热采用此种计算方法，较准确。4 1 3 空转发热量孵( 4 - 1 1 )先应用a n s y s 分析出电磁力f ，再带入计算空转发热量盯随运转状态、转速和离合器的组合情况的不同而不同，但对每一个离合器可由下式求得：乃= 篇t ( ) 或q 孺( 4 - = 1 0 3 t ：n j= 0 8 6 ( k e a l h ) ( 4 - 1 2 )乃2 蒜( ) 或q 蒜式中：l 空转扭矩( k g _ y m )n j 相对转速( r p m )若一个周期时间t 中空转时间，则每一个周期的平均空转发热量为：= 乃。= l d ( 形)( 4 - 1 3 )式中：上d 一空转时间( 用表示)4 1 4 单位时间总发热量用电磁离合器作负载启动、停止、变速等情况，对于干式离合器主要是结合功产生的摩擦热；对于湿式离合器除结合功产生摩擦热以外，还有空转扭矩发热，线圈损耗等。下面从启动、变速、空转、停止的周期时间逐一分析离合器，找出最大的发热条件，具体如表4 一l 。离合器的发热总量包括：空转热量睨、线圈热量盯、结合功发热量e ，其最大发热量为：q = w c + e z + 孵( 4 - 1 4 )式中：手一单位时间离合器接合次数表4 - 1电磁离合器使用状态的损耗发热机械损耗( 齿轮轴承等)离合器的状态结合功空转损耗线圈损耗驱动侧负载侧空转时无有无有无接合过渡时有无有有有接合运转时无无有有有4 2温度场分析中有关热参数的确定热量传递对电磁离合器部件和系统工作性能的不利影响、设计中有效地消除这些影响，是对其进行热分析的内容和目的。通过热分析考察系统各部件热流量大小和温度分布，在结构和控制系统设计中给出适当的散热措施，以保证系统工作可靠。热分析得出的温升大小，是电磁离合器在以体积、重量、材料成本为目标的优化设计过程中的重要约束条件；热分析给出的温度场分布情况和规律，是设计中为避免过高温升而改进结构和控制部分的设计依据。电磁离合器的热分析首先要准确计算热源，并在合理简化导热体表面形状和传递路径的基础上，准确计算各导热体的导热系数和散热系数。4 2 1 导热系数的计算导热系数表征物体导热性能的大小，其大小为当物体材料温度梯度为1 时，单位时间内通过单位面积的导热量，其值越大说明物体导热能力越强。材料的导热系数随温度、压力、湿度、多孔性和均匀性等因素变化，其中温度是决定性因素。材料导热系数的工程计算方法是：z = 厶( 1 + 6 谚( 4 - 1 5 )式中，旯是材料导热系数( w m k ) ，气是材料在0 。c 时的导热系数( w m k ) ，b 是温度影响常数，口为材料温度o c 。表4 - 2几种金属导热系数受温度的影响金属的导热系数随温度的升高而下降。不同金属材料的b 值见表4 - 2 。由上表可以看出，金属材料的导热系数随温度的变化较小。而对于碳素钢的导热系数还可用下式计算：a = 7 0 1 0 1 c 一1 6 7 m n 一3 3 7 s i 【1 9 1( 4 - 1 6 )式中，p 一钢中碳含量，单位为；m n 一钢中锰含量，单位为；s i - - 钢中硅含量，单位为。合金钢导热系数一般1 2 6 0 ( w m k ) 。工程中，导热系数还常取实际环境温度范围内的算术平均值，并把它作为常数。因此在进行工程计算时，认为在一定的温度范围内金属的导热系数是不变的。本文电磁离合器摩擦片用的材料是4 5 号钢，根据手册及参考资料中的数值，取导热系数旯= 4 6 ( w m ) 。绝缘材料的导热系数等随温度的升高而增大，且具有导热的各向异性。一般在计算时，选取在5 0 c 时的常数值作为导热系数。气体的导热系数取决于分子移动和分子碰撞而产生的能量转移。温度的高低反映了分子运动动能的大小，因此气体的导热系数随温度的增高而加大。气体导热系数与温度的关系式是。“：丑= 厶( t 2 7 3 ) 8 ，这里，五、磊气体在t 。c 和0 。c 、0 1 m p a 压力时的导热系数( w m k ) ，行为常数，空气为0 8 2 。空气的导热系数还可用下式计算：丑= 厶p “”。线圈可视为一个含有复杂绝缘层的导体组合发热体。线圈的绕制方法与浸渍工艺等情况直接影响热导率，工程上一般采用经验公式进行计算。的线圈等效热导率可近似表示为阳”：排绕、未浸渍时：乃= 1 4 5 , t , z , & ( d 8 - d 一1 6 厶排绕、浸渍时：乃= ( d j ) 23交错绕制、未浸渍时：以= 2 1 8 厶( d 艿+ 1 ) 一1 3 3 3 , o交错绕制、浸渍时：九= 1 4 5 五 ”4式中，z 为导体绝缘层的导热系数，w ( mk ) ；d 为线径，所；占为外包绝缘厚度，肌。4 2 2 散热系数的计算如圆导线( 4 - 1 7 )( 4 - 1 8 )( 4 1 9 )( 4 - 2 0 )厶为空气的导热系数，w ( mk ) ；对流散热系数与导热系数不同，它受很多因素的影响。一般来说，在对流换熟时，通过发热体表面的热流密度正比于冷却介质与发热体表面温差和散热系数。影响散热系数的因素有：引起冷却介质流动的原因：流动的状态；流速；流体的物性；散热面的几何形状与位置，等。由于对流散热系数是一个受多变量控制的复杂函数，对于实际的电器发热体，用分析方法进行计算往往比较困难。这时可根据相似理论，通过模型实验，求出对流散热系数。在低压电器和电机中，均给出了按此方法得到的经验公式。如放置于空气中平板形导体，对流散热系数的经验公式是：口= | ( 见一瓯) ”( 4 2 1 )式中，口为散热系数，w m 2 k ；见、吼为发热体表面与冷却介质的温度，k ；七为常数，平板形导体垂直安放时为2 5 5 ，水平安放时为3 2 5 。对于干式电磁离合器的温度场分析，摩擦片外圆表面与空气进行的对流换热可选用上面的经验公式，也可选用经验值。对于湿式电磁离合器，其对流换热系数与摩擦片的冷却方式及结构形状有关，又与摩擦主动片与从动片的运动方式有关。当两者均为旋转圆盘，设环境温度为死，且设层流状态下换热系数与圆盘半径无关，则摩擦主从动片与表面润滑油的平均对流换热系数口的计算公式为8 川：历口= 旯，i - _，。ly ，= o 6 6 4 p r l 3r e l 2( 蚴)p r ：筚讲r e = r式中，广一努谢尔特数；p r 普朗特数；r e 一雷诺数；a 导热系数；一摩擦副的角速度；v - - 润滑油的运动粘度。摩擦主动片外端面与从动片内端面和润滑油之间也进行对流换热，其对流换热形式近似于横掠圆柱体的传热，而摩擦副做旋转运动，润滑油相对流动速度是旋转半径的函数，其对流换热系数可按希尔铂特一努森卡茨经验公式来计算：口口= - - “c r e 4p r s( 4 - 2 3 )d式中，a 一平均对流换热系数；五一流体导热系数；萨一摩擦副直径；c ，n 一常数，舟普朗特数；r e 雷诺数。电磁离合器摩擦片温度场分析中的导热和散热系数可参考上述两类经验公式选用。4 3 稳态温度场的有限元方法4 3 1 有限元模型对电磁离合器确定了热分析模型和热参数后，可选用合适的数值方法作温度场分析。在3 3 节中已给出了温度场的导热微分方程、单值性条件及边值问题。以下阐述采用有限元方法进行稳态温度场分析的过程。有限元温度场分析的基本过程是，根据上述给定的热传导方程和边界条件，采用数值方法求出场变量温度函数，并由它导出热流率、热梯度等参数，从而得到系统的温度场分布情况。温度场有限元计算的基本方程可以从泛函变分求得，也可以从微分方程出发用加权余量法求得。在加权余量法中，g a l e r k i n 法和最小二乘法都能得到良好的结果，但g a l e r k i n 法应用更广。本文采用g a l e r k i n 法分析稳态温度场。如果系统的净热流率为0 ，即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量，则系统处于热稳态。稳态热分析中系统中任一节点的温度不随时间变化根据稳态热分析的能量平衡方程q 流入+ q