离合器冷却综述

1、.湿式离合器冷却综述1. 引言离合器位于发动机和变速箱之间，用来操纵传动系统的断续以便进行变速及转向等。目前应用最广的是摩擦离合器。摩擦离合器又分为干式和湿式两种。湿式多片离合器由于其本身具有结合力矩大、工作可靠和控制简单等优点在各种汽车中得到广泛使用。在摩擦过程中，摩擦表面间的相互滑摩会产生大量的热，使离合器温度升高。如果温升过高就会造成摩擦片的翘曲、变形，表面出现裂纹、热斑等失效。而离合器的失效主要是由摩擦片的失效造成的。所以研究离合器的热失效，找出合理的方式改善其冷却效果，如何解决离合器摩擦片材料的升温、磨损等问题一直都是离合器研究的重点。2. 国内外研究现状国内外对离合器冷却方面的研究

2、很多，主要包括对摩擦片温度场和应力场的研究以及对其摩擦片摩擦特性方面的研究。2.1国外摩擦片温度场和应力场研究现状Patankar S V和Spalding D B 利用SIMPLE算法解决了方形槽内流体流速场和温度场分布规律的数值计算，并针对流体在方形槽内的流动特点提出了三维抛物流的新概念1。Payvar P将流体与移动固体壁面间流动边界层和导热边界层理论引入方形槽内流体流速场和温度场分布规律的数值计算，并且得出流体与移动固体壁面间对流换热系数沿径向的变化规律2。Przemyslaw Zagrodzki等对离合器的结合时段进行温度模拟分析，得出了局部温度过高区域的规律3。Ji-Hoon Ch

3、oi等建立了多片制动器有限元模型，考虑了制动过程热-弹性对于温度场分布的影响，分析得出了其在结合阶段的瞬态温度分布规律4。Par Marklund 建立了考虑温度、转速和压力的湿式摩擦离合器摩擦学模型，对离合器边界润滑情况下工作特性进行模拟，预估了离合器的扭矩和温升5。2.2国内摩擦片温度场和应力场研究现状周建钊等建立离合器热传导数学模型，并用差分方法进行求解，得出摩擦片温度分布规律6。蔡丹等将摩擦片简化为轴对称模型，利用有限元法计算摩擦片的温度场7。高耀东等提出了一种基于试验数据进行离合器摩擦片温度场析的方法，能计算出摩擦片的径向和轴向的二维温度场8。汪成明等建立了盘式制动器的有限元模型，考

4、虑了制动盘和摩擦衬片问的滑动，利用非线性有限元多物理场方法，模拟了制动过程中的温度应力分布情况9。胡宏伟采用 B 样条小波的有限元分析方法，以四阶 B 样条小波的张量积空间尺度函数作为插值函数，构造相应的小波单元，并根据离合器接合过程中摩擦副的轴对称热传导方程，结合Galerkin 法建立了离合器温度场小波系数空间的有限元模型，实现了小波系数空间到物理空间的转换10。杨为等以某船用湿式多片摩擦离合器为研究对象，提出了湿式多片摩擦离合器对偶钢片热机耦合问题的分析方法，揭示了对偶钢片发生热失效的机理11。杨亚联等运用AMESIM 建立了车辆湿式多片离合器滑磨功的计算模型，分析计算了单个摩擦副的温度

5、变化情况12。2.3国外摩擦片摩擦特性研究现状Bowden 等人则从表面凸凹不平的观点出发，提出了以边界摩擦为主包括粘着摩擦、液体摩擦在内的混合摩擦机理13。Komvopoulos 等人则通过试验表明混合摩擦机理还应包括犁沟效应，并在理论上推导出摩擦系数的计算公式14。W. Scott, P. Suntiwattana 对添加剂对摩擦性能的影响进行了实验，得出了极压抗磨剂对摩擦性能及摩擦材料的寿命的影响较大15 16 17。Zagrodzki 基于有限元的热弹理论分析，研究了离合器结合过程摩擦片产生热斑的现象及摩擦片材料属性、变形对热斑的影响18。Par Marklund 通过销和圆盘的摩擦特

6、性试验研究，得出了油膜润滑和边界润滑状态下摩擦系数与相对速度、温度的变化规律19。2.4国内摩擦片摩擦特性研究现状高晓敏等研究了摩擦片表面沟槽对离合器动态特性影响20。谢伯元研究了半金属摩阻材料的摩擦因数随速度、温度、载荷等影响因素耦合作用的量化关系，在试验基础上提出了摩擦系数的计算公式21。孟永钢等利用多功能摩擦试验机测试了不同激光纹理加工后隔离片与纸基摩擦片间的摩擦因数随滑动速度的变化关系，找出了摩擦特性较好的激光加工纹理22。刘宝运采用微凸体接触模型，讨论了沟槽深度、数量、倾斜角度对离合器起动性能的影响23。孟庆睿采用修正瞬态雷诺方程、能量方程及润滑油粘温方程分析了常用的几种表面沟槽对油

7、膜传递扭矩和承载力的影响，得出沟槽的尺寸和布置应使油膜承载力在起动过程中一直呈上升趋势24。3. 总结纵观国内外研究现状，对离合器冷却方面的研究基本方式是：首先建立摩擦片的简化模型，然后对其进行CFD仿真，最后针对仿真计算结果对其进行冷却优化设计。温升分析过程中，有几个关键点。1. 热流密度的计算图1 摩擦片简图根据摩擦片简图，假设在车辆离合过程离合器摩擦能全部转化为热能，则任一摩擦副间某一点在任一时刻所产生的热流密度为： (式1)式中：q(r ,t )单位时间内摩擦表面单位面积产生的摩擦热(W/m2)；f 摩擦系数；p(r)单位面积的表面压力(N/m2)；摩擦片之间相对滑动速度(rad/s)

8、；r 半径(m)。2. 对流换热的计算湿式多片离合器为油液冷却，包括油液和摩擦片端面的对流换热以及油液和摩擦片油槽的对流换热。利用下式进行计算： (式2)式中：q对流换热密度(W/m2)；h 对流换热系数(W/m2 *°C)；TS固体壁面的温度(°C )；TF周围流体的温度(°C )。其中对流换热系数h的确定是对流换热计算关键。3. 初始条件和边界条件的确定初始条件对非稳态过程开始一段时间的影响很大，随着时间的延长，它的影响将逐渐地减弱，在达到最终的稳定状态时，其解已与初始条件无关，而由边界条件来决定。因此，对离合器的冷却问题而言，初始条件是不需要给出的。传热学边

9、界条件如下表：表1 传热学的三种边界条件边界条件数学表达式已知量未知量第一类边界条件：给定导热物体边界上的温度分布及其随时间的变化情况第二类边界条件：给定物体表面热流密度的分布及其随时间的变化情况第三类边界条件：给定物体周围的流体介质温度和物体表面与周围介质之间的对流换热系数Tf和h和根据上表，离合器冷却研究中，在边界条件的选取上：摩擦片摩擦选取第二类边界条件，对流换热选取第三类边界条件。总结国内外研究，改善离合器冷却效果的方式主要有以下几种：1. 改善离合器散热条件；2. 改善摩擦片材料，使其具有足够的热容量和较高的导热系数 ；3. 改善摩擦片的结构；4. 改善摩擦片油槽的结构；5. 改善离

10、合器冷却油路结构；6. 提出新的离合器冷却结构。参考文献1 Patankar S V,Rzemyslaw Zagrodzki. Analysis of Temperatures and Stresses in Wet Friction Disks Involving Thermally Induced Changes of Contact PressureJ.SAE, 1998(9)2 PayvarP,LeeY N,MiokowycaW J.Simulation of heattransferto flow in radial grooves of friction pairs. Int J

11、Heat Mass TramferJ.1994, 37(2): 313319.3 Zagrodzki P, Samuel A T. Generation of Hot Spots in a Wet Multi-disk Clutch during Short-Term EngagementJ. Wear, 2003, 254(5-6): 474-491.4 Ji-Hoon Choi, Finite element analysis of transient thermoelastic behaviors in disk brakesJ. Wear, 2004, 257(1-2): 47-58.

12、5 Par Marklund, Rikard Ma ki, Roland Larsson, et al. Thermal influence on torque transfer of wet clutches in limited slip differential applications. Tribology International, 2007, 40(5): 876884.6 周建钊,张辅荃.离合器摩擦片的温升分析J.机械设计与研究, 1998(1): 50-52.7 蔡丹,魏宸官,宋文悦.离合器片表面温度的测量与表面应力的计算J.车辆与动力技术,2000, 80(4): 7-11

13、.8 高耀东,李新利.离合器摩擦片温度场的有限元分析J.煤矿机械, 2007, 28(6): 37, 47.9 汪成明,石琴,夏国林.盘式制动器制动时的热应力分析J.合肥工业大学学报, 2007,30(11): 1436-1439.10 胡宏伟,周晓军,庞茂,杨富春.基于B样条小波的离合器温度场有限元分析J.浙江大学学报(工学版),2009,43(1):143-147.11 杨为,陆国栋,吕和生,刘阳,林利红.湿式多片摩擦离合器对偶钢片热机耦合分析J.重庆大学学报,2011,34(9):26-32.12 杨亚联,丁建林,秦大同.湿式多片离合器摩擦副温度仿真分析J.四川兵工学报,2011,32(

14、7):105-108.13 Bowden, EP.and Tabor, D. The Friction and Lubrication of solidsM. Laredo Press, Oxford,1958.14 陈遥飞.湿式多片离合器热失效及摩擦特性研究D.硕士学位论文.重庆:重庆大学,200915 Par Nymana, Rikard Maki Influence of surface topography on friction characteristics in wet clutch applicationsJ. Wear 2006 (261)：4652.16 Par Markl

15、und, Roland Larsson Wet clutch friction characteristics obtained from simplified pin on disc testJ.Tribology International 2008 (41)：824830.17 Rikard MäkiWet Clutch TribologyD. Sweden: Lulea University of Technology,2005.18 Zagrodzki P, Samuel A T. Generation of Hot Spots in a Wet Multi-disk Cl

16、utch during Short-Term EngagementJ. Wear, 2003, 254(5-6): 474-491.19 Par Marklund, Rikard Ma ki, Roland Larsson, et al. Thermal influence on torque transfer of wet clutches in limited slip differential applications. Tribology International, 2007, 40(5): 876884.20 高晓敏,张协平,吴凡等.摩擦片表面沟槽对离合器动态特性影响的研究J.传动技术,2