离合器摩擦片瞬态摩擦生热有限元分析研究

1、离合器摩擦片瞬态摩擦生热有限元分析研究摘 要：为对离合器中摩擦片的强度和使用安全性进行分析和校核，指导摩擦片结构的优化，应用有限元分析软件ANSYS建立了摩擦片的参数化三维有限元模型，对接合时的摩擦片进行瞬态生热分析，得到接合过程中摩擦片的瞬态温度分布，发现摩擦片温度沿径向由内向外呈增高趋势，最高温度区域分布在摩擦片接合面外缘。进一步对摩擦片进行热固耦合应力分析，得到摩擦片接合时的应力分布和整体变形情况。热固耦合分析的结果表明，摩擦片热应力强度最大区域在接合面外缘，油槽附近具有较小的应力强度。关键词：摩擦片；离合器；瞬态生热；热固耦合；有限元中图分类号： 文献标识码： A finite ele

2、ment analysis on transient heat generation of friction plateFU Shun-jun, Shen Jin-ping, Liao Hui-jun, Zeng Lin-xi（NO.704 Research Institute,CSIC，Shanghai 200031，China）Abstract: In order to improve the optimal design of the friction plate, a parameterized 3-D finite element model was established by u

3、sing the software ANSYS. With the model, an analysis about heat generation was carried out and the momentary temperature distribution of the plate was got. It was discovered that the temperature along the radial of friction plate was showing a rising trend from the inside to outside, the highest tem

4、perature area located in the outer edge of the plate. To make a further investigation, the thermal-solid coupling analysis of the friction plate was also carried out. The results showed that outer edge was the point where the largest heat stress intensity existed. On the contrary, areas around of th

5、e tanks always have smaller stress intensity. Key Words: friction plate; clutch; transient heat generation; thermal-solid coupling; finite element method0概述工程机械的离合器多采用摩擦式离合器，离合器工作状态的好坏对工程机械的正常工作以及发动机动力的充分利用影响很大。在摩擦片式离合器接合的过程中，从动轴逐渐获得主动轴的速度，这时摩擦片在相连接的两轴的转速拉平前会产生相对滑动。由于在摩擦片的摩擦表面上施加了很大的轴向力（压力），所以引起强烈的生

6、热，从而使摩擦片的表面层温度急剧升高。如果离合器摩擦片表面层在接触瞬间的温升过高，除了使摩擦系数急剧改变以外，还会引起摩擦片的材料结构的变化，并使各摩擦片的损失增加，引起擦伤的出现，甚至造成摩擦片表面的焊合1-3。所以，对铜基粉末冶金材料摩擦片进行瞬态生热的研究是十分必要的。本文利用大型有限元分析软件ANSYS，对某大功率低速离合器的摩擦片接合过程进行了瞬态生热分析和热固耦合分析。1数学模型41.1传热计算数学模型在分析工程问题时，经常要了解物体内部的温度分布情况，物体内部的温度分布取决于物体内部的热量交换，以及物体与外部介质之间的热量交换，一般认为是与时间相关的。物体内部的热交换采用以下的热

7、传导方程（Fourier方程）来描述：（3）式中：密度，kg/m3；比热容，；导热系数，；T温度，；T时间，s；内热源密度，w/m3。对于各向同性材料，不同方向上的导热系数相同，热传导方程可写为以下形式，（4）除了热传导方程，计算物体内部的温度分布，还需要指定初始条件和边界条件。初始条件是指物体最初的温度分布情况， （5）边界条件是指物体外表面与周围环境的热交换情况。在传热学中一般把边界条件分为三类：（1）给定物体边界上的温度，称为第一类边界条件。物体表面上的温度或温度函数为已知， 或 （6）（2）给定物体边界上的热量输入或输出，称为第二类边界条件。已知物体表面上热流密度， 或（7）（3）给定

8、对流换热条件，称为第三类边界条件。物体与其相接触的流体介质之间的对流换热系数和介质的温度为已知。（8）其中：h换热系数，W/(m2 K)；物体表面的温度；介质温度。1.2温度场计算数学模型建立运动介质在任意点的温度，由傅立叶控制微分方程经坐标变换，得到时间变化和空间变化的傅立叶吉尔希浩夫方程，矩阵形式为： （9）其中：T固体温度；t时间；C比热；固体密度；热能矢量；体积生热率；微分算子；移动热流边界的速度矢量。 （10）式中：为热传导系数矩阵。根据式（1）和（2）可得： （11）即 （12）2摩擦片热固耦合分析5-6摩擦片的简化及建模由离合器的工作原理可知，摩擦片的接合、摩擦、生热是一个复杂的

9、过程。在对摩擦片接合过程进行瞬态生热和热固耦合应力分析时，对模型进行了一定的简化处理。利用ANSYS的APDL参数化语言编程实现整个建模和分析计算过程，首先对摩擦片进行三维实体建模并采用三维热分析单元solid70对该模型进行网格划分。为提高计算效率，在计算过程中对摩擦片模型及其接触过程进行了一定程度的简化处理，提出了五个基本假设如下：（1）考虑到油槽冷却作用对摩擦片接合完成瞬间温度分布影响不大，故对计算模型中油槽的结构进行了一定程度的简化处理，省略掉了贴合面上螺旋形油槽结构。简化后的摩擦片三维有限元模型如图1所示。图1摩擦片三维有限元模型（2）本文对摩擦片接合过程中瞬态传热进行了计算，同时对

10、接合过程瞬间润滑油的冷却作用进行了模拟；但考虑到摩擦片内径与传动轴采用齿式传动，为线接触，热传导效果不明显，因此忽略了这一因素对温度场的影响。（3）摩擦式离合器中各个摩擦片的摩擦及导热条件相同，故在本文中只分析一个摩擦片的温升情况。（4）离合器的接合过程很短，故认为摩擦片没有产生辐射散热，接合过程中产生的热量全部用于摩擦片温升。（5）摩擦片的导热过程仅与时间有关，不考虑温升等因素导致的材料导热系数变化的影响。 边界计算及设置.1生热率载荷根据离合器接合过程中摩擦片工作情况，在摩擦片两个接合面上施加生热率载荷其中，为摩擦系数；p为该点的压力；为制动盘的角速度。上述各参数均由离合器接合特性动力学分

11、析得出，通过载荷步长时间来控制生热量的大小，最后在油槽处施加对流换热载荷模拟油冷却效应。摩擦片内部热量的传导通过定义热传导系数完成加载。图2生热率载荷施加示意图.2摩擦力矩离合器接合过程中，由于摩擦片接触表面上有摩擦力的存在，使其承受一个垂直于轴向的旋转力矩。在有限元计算中，根据摩擦力的计算结果，将接合面上每个节点处的摩擦力加载在相应位置，以此模拟摩擦片所承受的旋转力矩。图3节点摩擦力施加示意图.3接合面压强离合器接合时，要对摩擦片接合面施加压强，以此模拟压紧摩擦片的压力。根据离合器接合特性动力学分析对该压强的计算结果，在摩擦片有限元模型的接合面上施加相应的压强载荷。图4接合面压强施加示意图

12、有限元分析结果.1摩擦片结合过程的瞬态生热结果分析本分析采用摩擦片模型的外径为400mm，内径290mm，油槽间距70mm，油槽宽4mm、深。摩擦片材料为65Mn+铜基，动摩擦系数为0.08，静摩擦系数0.12。离合器接合接合时间约为3秒。因此，在本分析中计算了摩擦片接合3秒时的温度分布情况和热应力分布情况。如Error! Reference source not found.示，接合完成瞬间（3s末）摩擦片的温度分布规律为：沿径向由内向外温度呈增高趋势，最高温度区域分布在摩擦片接合面外缘，而这一瞬时油槽的冷却作用在并不明显，只是在油槽附近呈现一个较窄的低温区域。此时摩擦片的最高温度为77.5

13、。图5接合完成瞬间摩擦片温度分布图为进一步掌握摩擦片的温度分布情况，现考查摩擦片的轴向和径向三个路径上的温度分布，分别得出不同路径下的温度分布曲线，如图6-11所示。图6摩擦片内侧端面路径示意图7摩擦片内侧端面轴向温度分布曲线图8摩擦片接合面径向路径示意图9摩擦片接合面径向温度分布曲线图10摩擦片外侧端面路径示意图11摩擦片外侧端面轴向温度分布曲线由内外端面轴向温度分布曲线可见，在接合瞬间摩擦片接合面温度较高，由于固体热传导作用，在轴向路径上的温度值呈现较好的线性分布；另外，由于本文模拟的是接合瞬间较短时间内的瞬态温度分布，热传导时间较短，因此在中面±5mm附近存在一个明显的低温区域

14、。摩擦片结合过程的热固耦合分析在上述摩擦片接合过程瞬态生热分析的基础之上，进一步对摩擦片的接合过程进行了热固耦合分析计算，得到摩擦片接合完成瞬间的应力强度分布和热变形分布情况。分别给出摩擦片整体的应力强度分布和热变形分布图，以及摩擦片的轴向和径向三个路径上的应力强度分布曲线，如图12-16所示。图12摩擦片的应力强度分布图13摩擦片的变形分布图14摩擦片内侧端面轴向应力强度分布曲线图15摩擦片接合面径向应力强度分布曲线图16摩擦片外侧端面轴向应力强度分布曲线由图12-16可见，摩擦片应力强度最大值为172.5MPa，最大值分布在接合面外缘，油槽附近应力强度明显低于其它区域，说明油槽有一定的降低

15、应力强度作用。摩擦片最大热变形区域分布在接合面的外缘，最大值为。3结论本文基于ANSYS软件进行了对摩擦片热固耦合应力的计算，对比了不同结构参数对其温度场及应力分布的影响，得出如下结论：（1）离合器接合完成瞬间，摩擦片上温度沿径向由内向外温度呈增高趋势，最高区域在摩擦片接合面外缘；油槽的冷却作用在瞬态条件下不甚明显，仅在油槽附近呈现一个较窄的低温区域。（2）摩擦片热应力强度最大区域在接合面外缘，油槽附近具有较小的应力强度，合理设置冷却油槽可有效降低摩擦片接合时的热应力。参考文献：1 杨海东,王瑜,呼靳宏.ANSYS在采煤机制动器摩擦片温度场分析中的应用J.铸造技术,2008,29(8):1020-1023.2 张学勇,刘沃野,王平,杨通强.离合器摩擦片温升分析J.制造业自动化,2002,