某轻型汽车离合器瞬态温度场分析.pdf

第 41 卷 第 1 期 邢 台 职 业 技 术 学 院 学 报 Vol.41 No.1 2024 年 2 月 Journal of Xingtai Polytechnic College Feb.2024 收稿日期：20231109 作者简介：郑永杰（1993），河北张家口人，河北建筑工程学院，助教。74 某轻型汽车离合器瞬态温度场分析 郑永杰，苑博旋，高 原(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)摘 要：针对汽车离合器片由于摩擦热失效问题，文章基于 SolidWorks 三维建模软件对离合器中部分重要元件进行三维建模并利用 ANSYS 有限元分析软件对离合器摩擦片和压盘的接合及运行过程中的瞬态温度分布进行分析。结果表明：摩擦表面最高温度集中在压盘的外半径附近，易造成压盘外半径处的局部高温烧损，并导致压盘的热失效而且发现压盘径向位置上温度梯度较大且分布不均但在接合后期压盘温度梯度会逐渐减小。关键词：离合器片；有限元仿真；瞬态温度场 中图分类号：TH122 文献标志码：A 文章编号：10086129（2024）01007403 在手动挡汽车中，发动机无法直接将动力传递给驱动轮，中间需要由传动系统确保发动机在最佳转速范围内工作，离合器是一种在不关闭发动机的情况下断开动力传送到变速器的机构。在松开离合器踏板时，车速会不断增加，使得发动机与车轮的转速相匹配，减少发动机磨损和车辆能源的浪费。在使用过程中不断地接合和滑磨过程，使得汽车离合器片、压盘由于摩擦而急剧升热。由于在汽车传动系统中离合器起着举足轻重的作用，而且摩擦片、压盘等对其性能有很大的影响，所以目前国内外许多学者都在对其进行深入的研究。日本岩田省三1在 1986 年就曾在离合器压板背面的内径和外径上安装了一个电位仪，测量出了“打滑”状态下，离合器从“鼓形”变成了“碟形”，也就是从凸起变成了凹陷，由于这是第一次对“打滑”状态下的离合器压板变形进行的深入研究，至今仍有很大的应用价值。邢预恩2等于 2007 年在离合器压盘啮合过程中，导出了一种基于摩擦面传热理论的计算方法。张卫波、赖联峰3等在张铁山给出的离合器压力片径向温度分布公式的基础上，对压力片进行了温度场的模拟，得到了压力片径向外翻转的结果，并指出压力片的摩擦表面可以被设计为内凹的形状，以提高扭矩的传递效率。曲艳阳、黄继雄4等人对微型汽车在高过载条件下的离合器压力盘进行了分析，并将其与脱开条件下的状态相结合，建立了一个离合器压力盘的有限元模型。本文以某轻型汽车为研究对象，对其离合器进行三维建模及关键零部件瞬态温度场分析。一、离合器三维建模 本文基于某轻型汽车车辆相关参数，对离合器整体结构进行三维建模，摩擦片主要尺寸为直径 180 mm，内径 125 mm，厚度 4 mm，飞轮直径 242 mm，压盘直径 185 mm，离合器装配体由主动部分、从动部分、压紧装置组成。通过绘制各零件最后得到了离合器总成的装配图，如图1 所示。图 1 离合器装配模型 拉式单片离合器的结构由 SolidWorks 软件三维建模并通过其中的运动算例模块对离合器做拆分得到的爆炸图展示如图 2 所示：图 2 离合器盖总成结构零件爆炸图 邢台职业技术学院学报 2024 年 第 1 期 75 二、摩擦副有限元模型建立 离合器摩擦片的摩擦材料主要质地为陶瓷和其他能提供高摩擦系数的物质，本文选用的离合器衬片为纸基材料，相关参数如下表 1 所示：为了便于计算，在划分网格时，统一采用自动方法划分网格，在连接处共用一个平面，用节点相连。如图 3 所示：表 1 离合器摩擦副有关参数 图 3 摩擦片的网格划分 1.热流密度计算及分配 （1）式中：p接合压力；r（x，y）摩擦表面任意点半径；（t）主从动端转速差。本文设置离合器在换挡时主动机构和从动机构的结合时间为 1.8 s，结合过程中液压油压为 2.3 MPa。换挡时，离合器摩擦片与压盘相互接触，此时由于压力的作用导致其主动部分转速降低，从动部分转速则会逐步由 0 r/min 增加到同步转速。通过给定离合器主动部门转速和滑动摩擦系数，将、p、（t）以及 r（x，y）代入相关算式，即可得到摩擦片热流密度分布图。（2）式中：k摩擦元件材料导热系数；摩擦元件材料密度；c摩擦元件材料比热容；下标 p离合器摩擦片；下标 d离合器对偶钢片。依据式（2）可以得出分配在摩擦片和钢片上的热流密度为下式：（3）2.对流换热系数的确立 在离合器接合瞬间，由于压盘和摩擦片会与润滑油接触而发生对流作用，摩擦力对流场的传热可以看成是一种横向掠过平板的对流传热。本文润滑油所处的工作温度取为 80，表 2 给出了其相关参数。表 2 冷却油相关参数 密度/（kg/m3）运动粘度/（mm2/s）导热率/（W/m k）比热容/（KJ/kg K）805.4 11.3 0.136 2.128 三、摩擦片的瞬态温度场热分析 在进行摩擦片瞬态温度场分析时，此时离合器处于从车辆静止到换为 1 挡工况，离合器结合过程将上述的结合时间、结合压力、转速差输入到 ANSYS 软件进行仿真，得到了离合器摩擦片暂态温度场云图，如图 4 所示：由图 4 可知，摩擦片外沿区域线速度较快导致外端附近温度较高，但外端由于对流换热效应，最高温度并不在最外端，而是在接近外端附近。在换挡时，离合器摩擦片的瞬态温度变化呈现出圆环的形状，且由于离合器片的摩擦材料热传导效率较低，导致凹槽处的温度明显低于平面位置。因此，在进行离合器关键零部件设计时，应按照瞬态温度场变化方向，对温度较高的外沿加强散热设计；同时，应选用具有较大摩擦系数的材料，从而更好地促进离合器内热量的迅速传递，避免热量的局部积聚。摩擦衬片 值 密度/（kg/m3）4 050 弹性模量/（GPa）110 泊松比 0.12 导热率/（W/（m*k）9.75 比热容/（KJ/（kg*k）0.39 邢台职业技术学院学报 2024 年 第 1 期 76 图 4 摩擦副瞬变温度场 表 3 结构钢各项参数 1.对压盘瞬态温度场的分析 出于经济性和实用度考虑，本文中压盘的材料选取为结构钢，其各项参数如下表 3 所示：2.离合器压盘的网格划分 为了便于分析，在划分网格时，统一采用自动方法划分网格，完成的离合器压盘有限元网格划分如图 5 所示。3.压盘的瞬态温度场热分析 设定仿真的初始条件为环境温度及初始油温，其余相关参数和摩擦盘的条件相同。利用 ANSYS 软件仿真得到离合器压盘瞬态温度场云图如图 6 所示，其中颜色深浅代表在设定条件下压盘的瞬态温度场温度分布，颜色深即表面温度高，相应的颜色浅便是表面温度低，颜色对应的温度如左边的条形温度图所示。图 5 基于网格剖分的压盘 图 6 离合器压盘的瞬时温度 由于压盘自身的物理特性，压力片自身会吸收较多的滑动热能，但其导热率也相对较高，因此其热量损耗较快。由图 6 可知，压盘摩擦表面的温度由内径向外径方向随钢片径向半径的增加而逐渐升高，摩擦表面的最高温度集中在压盘的外半径周围，从而使压盘外半径周围较其它部位更易发生局部高温烧损，并最终导致压盘的热失效。四.结论 第一，在轴向上，轴向上的瞬时温度场从 80 度到 40 度呈现出一种环形分布，在摩擦片的外部端面附近具有较高的温度，在摩擦片的内部端面附近则是较低的温度；第二，在离合器的主从动端啮合时，其所产生的热量传递到其内部的速度非常缓慢，在设计离合器摩擦片的结构时应考虑其摩擦表面瞬间温度场的变化，对温度高达 80 度的部分加强散热。参考文献：1岩田省山，朱天年.离合器压盘热变形问题的解决大金制作所研究部的测试技术简介J.国外汽车，1986（04）：33-35.2邢预恩，高耀东，张根保，等.换档离合器摩擦片温升分析J.现代制造技术与装备，2007（05）：17-19.3张卫波，赖联锋，严世榕，等.基于 ANSYS 的离合器压盘有限元设计J.中国工程机械学报，2007（04）：426-429 4曲艳阳，黄继雄，莫易敏，等.基于有限元法的微车离合器温度场的研究J.机械研究与应用，2008（05）：75-77.属性 值 单位 结构钢材料场变量 表格 密度 7 850 Kg/m 3 各向同性热导率 60.5 W/m-1C-1 比热恒压 434 J/kg-1C-1