双离合器结构与热分析

1、 双离合器结构和热分析双离合器结构和热分析目录一、双离合器的研究背景二、双离合器的结构三、双离合器的热分析五、仿真分析中的一些假设和问题四、改善双离合器温升方法研究一、双离合器的研究背景现有自动变速器优缺点 现在市场上的自动变速器，按其变速原理可以分为 3 类：液力自液力自动变速器动变速器(AT)(AT)、无级变速器、无级变速器(CVT)(CVT)、电控机械式自动变速器、电控机械式自动变速器(AMT)(AMT)。 AT AT 通过液力变矩器实现了发动机、传动系之间柔性连接与传动，使汽车起步平稳，加速均匀、柔和，目前在汽车上得到广泛应用，但其存在结构复杂、制造成本高、传动效率低等缺点。 CVT

2、CVT 可以实现全程无级变速，保证车辆在各种状态下获得最佳传动比，但由于目前 CVT 存在传动带传递功率小、寿命低、效率不高等缺点，因而主要应用在中小排量的汽车上。 AMT AMT 是在传统手动机械式变速器基础上发展起来的，具有结构简单、制造成本低、传动效率高等优点，但由于在换档过程中存在动力中断，使车辆动力性、舒适性降低，其只适用于低档轿车和重型车辆。一、双离合器的研究背景 为了充分利用 AMT 所具有的优点，同时又克服其换档过程动力中断，保证换档平顺，现在汽车行业内正在积极开发研究一种新型自动变速器双离合自动变速器双离合自动变速器(Dual Clutch Transmission(Dual

3、 Clutch Transmission，简称，简称 DCT) DCT)。DCT 是基于 AMT 发展而来的，它继承了 AMT 传动效率高、安装空间紧凑、质量轻、价格低等优点，且保证了换档过程中动力连续传递，使车辆具有良好的加速性、乘坐舒适性、燃油经济性和低排放性等优点。 目前，在我国变速器市场上手动变速器仍占主导地位，随着人们对车辆驾驶舒适性要求的提高，自动变速器占有率必然会逐步上升。由于 DCT 是靠离合器和齿轮来传递动力，可以充分利用原有手动变速器生产设备，生产继承性好，因此大力发展 DCT 适合我国自动变速器发展的国情。双离合器自动变速器的发展过程几种自动变速器的比较一、双离合器的研究

4、背景二、双离合器的结构分析干式双离合器 当推杆的推力作用在蓝色的长分离叉时，将分离轴承紧压至膜片弹簧上，压盘向左位移，将离合器从动盘1、驱动盘和压盘1三者紧压在一起，此时离合器K1结合，转矩就从与发动机相连的驱动盘传递到了输入轴1。 当推杆的推力作用在绿色的短分离叉时，分离轴承紧压至膜片弹簧上，压盘向右位移，离合器K2结合，将发动机转矩传递到了绿色的输入轴2。湿式双离合器 油被压入离合器K1的油腔，并移动活塞1使离合器K1上的摩擦片压到一起时，离合器K1闭合。转矩通过内摩擦片支架传递给驱动轴1。当离合器脱开后，碟形弹簧将活塞推回到原始位置。 油被压入离合器K2的油腔，活塞K2使力流经过摩擦片的

5、结合传递给驱动轴2。在离合器脱开时，螺旋弹簧再将活塞2推回到原始位置。二、双离合器的结构分析干式双离合器和湿式双离合器对比 干式双离合器摩擦副与空气相接触，其工作过程中产生的大量摩擦热中的大部分是由压盘和驱动盘吸收，然后再逐渐的由周围的空气带走。由于空气的散热能力较差，离合器的温度下降的较慢。因此，干式双离合器适用于滑摩时间较短，传递扭矩较低的工况使用。 湿式双离合器的摩擦副安装在装有液压油的密闭空间内，工作过程中产生的热由周围的冷却液压油带走，其散热速度相对较快，效果较好，所以它允许较长时间的打滑和高转矩工况下使用。二、双离合器的结构分析 由于干式双离合器与湿式双离合器散热的环境不相同，它们

6、对摩擦热量产生的速度和总量限制要求也各不相同。 干式双离合器对热量产生的总量有限制，而对产生的速度不敏感。但湿式双离合器对热量产生的速度较敏感而可吸收总热量却较大。 根据上述原因，干式双离合器要求结合速度相对较快，尽量减少滑摩热量的产生。湿式双离合器适合逐步结合离合器，较慢产生热量，虽然结合速度慢会产生更多的热量，但冷却油可以把热量逐渐带走，离合器的温升会较小，但是若湿式双离合器结合过快，瞬间产生大量的热有可能还没有被冷却油带走，由于摩擦片与其对偶钢片均较薄，瞬间高温很容易造成摩擦片及对偶钢片损坏或翘曲。二、双离合器的结构分析干式双离合器和湿式双离合器对比 干式双离合器具有结构简单、从动盘转动

7、惯量低、转矩过载保护、生产与维修成本低等优点。但其径向尺寸较大，总体布置时难度较高，而且其散热能力较差，使离合器经常在较高温度下工作，造成摩擦片磨损较为严重，影响离合器使用寿命。 湿式双离合器可通过增加摩擦副的数量来增大转矩传递能力，而无需增大径向尺寸。由于其是通过液压油冷却，虽然冷却效果较好，但是同时会造成一定程度的功率损失，导致油耗增加，并且其结构较为复杂，生产和维修成本较高。二、双离合器的结构分析干式双离合器和湿式双离合器对比 DCT的湿式和干式双离合器哪种型式更好一直是DCT技术领域讨论的热点话题。普遍的观点认为：湿式离合器具有较好的控制性能，通过液压油循环可使离合器工作温度保持一定水

8、平，从而保证了离合器使用寿命。但由于湿式离合器必须与相关的控制动作执行和冷却的液压系统配合工作，其结构复杂，导致制造成本和使用成本较高。另外，液压系统的功率损失也会使燃油消耗增加。干式离合器结构较湿式离合器简单，制造和使用成本低，传动效率高，但由于干式离合器的热容量远远低于湿式离合器，在大功率输入的情况下，系统很快就会达到热容极限，导致其使用寿命降低，承载能力下降。二、双离合器的结构分析干式双离合器和湿式双离合器对比干式离合器与湿式离合器的优缺点二、双离合器的结构分析干式双离合器和湿式双离合器应用 从图中可以看出，在发动机功率和转矩很大且对离合器散热性能和磨损寿命要求较高的场合，如运动型赛车、

9、工程机械、多功能越野车等宜采用湿式离合器；在一般的中小发动机功率和转矩且对离合器散热性能要求较低的场合，如中高档轿车、中小型卡车或中小型客车中宜采用干式离合器。二、双离合器的结构分析 Luk公司根据负载指数和能力指数的分析比较，可以用来选择适用于指定车型使用的离合器类型。三、双离合器热分析摩擦副热-结构耦合分析 干式双离合器在结合过程中会产生大量的摩擦热，使其摩擦副温度升高，引起内部产生热应力和热变形。由于摩擦副不同接触区域产生的热量和散热条件不同，导致其温度场分布不均匀，进而引起内部不均匀的热应力和热应变；不均匀的热变形又引起摩擦副局部产生高温点，加剧了温度场分布的不均匀。离合器在热-结构耦

10、合的作用下，会导致压盘、中间驱动盘出现翘曲和裂纹，摩擦副表面局部烧损，这些现象影响干式双离合器的使用特性，甚至会引起离合器损坏，导致动力传递失效。因此有必要对干式双离合器进行热-结构耦合分析，研究其在结合过程中的温度-结构耦合场变化情况，为干式双离合器结构设计提供理论基础。三、双离合器热分析摩擦热的相关理论1 1、热力学第一定律，即能量守恒定律、热力学第一定律，即能量守恒定律2 2、传热学理论、传热学理论 热传导热传导：当物体内部存在温差，即存在温度梯度时，热量从物体的高温部分传递到低温部分；而且不同温度的物体相互接触时热量会从高温物体传递到低温物体。 对流换热对流换热：是指相对运动着的流体与

11、其温度不同的固体表面接触时，流体与固体表面之间的热量交换过程。 辐射换热辐射换热：热辐射是指物体发射电磁能，并被其他物体吸收转变为热能的热量交换过程。3 3、材料力学第四强度理论、材料力学第四强度理论三、双离合器热分析4 4、热弹性理论、热弹性理论 热弹性理论的任务就是研究物体因温度改变而产生的在弹性范围内的应力、应变和位移。热一结构耦合分析主要依靠弹性力学理论，主要从静力学、几何学、物理学三个方面考虑问题，分别得到力平衡微分方程、几何方程和物理方程。摩擦热的相关理论（1 1）力平衡微分方程）力平衡微分方程 热一结构耦合分析所用到的热弹性理论中，力平衡微分方程、几何方程与无温度改变的一般弹性理

12、论的方程完全相同。因为，当有热应力产生时，只是改变了物体内部应力大小，并不会对物体的受力平衡产生影响，物体仍处于力的平衡状态，因此方程形式并不会改变。三、双离合器热分析（2 2）几何方程）几何方程 对于几何方程的形式也是不变的，因为几何方程反映的是应变与位移之间的纯粹的几何关系。它不会随引起应变的原因不同而改变。摩擦热的相关理论三、双离合器热分析（3 3）物理方程）物理方程 应变中由应力引起的那部分变形仍服从胡可定律，由温度变化引起的那部分应变则服从热膨胀规律。即 ,其中 为热膨胀系数。由于假设物体是各向同性并且是均匀的，温度变化不大时是常数，因此一个无限小的长方体在温度变化时仍保持为一个长方

13、体，它在各个方向上的伸缩应变都相同。即：式中加下标 2 是表示由温度变化引起的正应变，温度变化不产生切应变，即：摩擦热的相关理论三、双离合器热分析 在ANSYS热分析模块中包括稳态热分析稳态热分析和瞬态热分析瞬态热分析，二者关键的区别即热分析中的载荷是否随时间变化。 在稳态热分析中，整个系统的温度和热载荷不会随时间变化，这种稳态传热可以分析一些固定的热源载荷对系统的影响。 瞬态热分析可以分析一个系统或者零部件受不断变化的热载荷作用下的温度场变化和其他热参数。摩擦副热-结构耦合分析方法三、双离合器热分析 用有限元进行摩擦生热分析属于热热结构耦合分析结构耦合分析。耦合分析耦合分析指的是同时考虑两个

14、或多个物理场之间的相互作用的分析。在求解耦合场作用的工程问题时，通常有两种耦合分析方法，即间接耦合方法与直接耦合方法。 间接耦合法间接耦合法是通过计算得到摩擦工作面所输入的热流密度，然后采用常规热单元进行热分析，并得到温度场分布。最后将热单元转化为结构单元，并将所得温度场分布结果作为结构分析的热载荷施加到模型上，即可进行结构应力分析。但该方法只考虑了温度对变形的影响，而没有考虑变形对温度影响，是一种单向耦合方式。 直接偶合法直接偶合法是采用热-应力耦合单元来进行分析，同时考虑了温度场和应力场的相互耦合作用，其计算精度比间接偶合法高，但计算时间长。摩擦副热-结构耦合分析方法三、双离合器热分析间接

15、耦合方法第一步采用瞬态模块分析温度场。第一步采用瞬态模块分析温度场。先进行摩擦副热负荷特性分析，采用热单元进行热分析。温度场分析中包括模型导入，定义单元类型及材料属性，网格划分，边界条件设置，按载荷步求解及后处理。最后可得到不同时刻下温度场分布及某节点随时间不断变化的温度值。第二步利用稳态模块进行热应力、热应变分析。第二步利用稳态模块进行热应力、热应变分析。将热单元转化为相应的结构单元，同时将求得的节点温度作为体载荷施加到有限元模型上进行应力分析。三、双离合器热分析从II档换到III档过程中离合器I工作时等。用三维软件建立简化三维实体模型，并进行网格划分。对流换热系数确定；热流密度确定及分配；

16、初始条件等。压盘材料选择为铸铁，摩擦片的材料选择为粉末冶金（铜基），膜片弹簧的材料选择为硅锰钢。第一步采用瞬态模块分析温度场三、双离合器热分析三类边界条件和初始条件 为了得到固体导热偏微分方程的唯一解，必须附加边界条件和初始条件，与微分方程联立求解，有限元传热计算中常用的三类边界条件为： 第一类边界条件是指物体边界上的温度函数为已知； 第二类边界条件是指物体边界上的热流密度q为已知； 第三类边界条件是指与物体相接触的介质温度和换热系数为已知。 初始条件是过程开始时物体整个区域中所有的温度为已知值。三、双离合器热分析三类边界条件和初始条件 在进行热负荷计算时,必须首先确定表面热流密度、对流换热系

17、数及材料的热物理特性参数:热导率、比热容、密度等。在进行离合器温度有限元分析时,使所加载的边界条件正确的反应真实负荷是至关重要的。 在离合器接合过程中,其传热对流边界条件如下:压盘与膜片弹簧接触的表面以及摩擦盘内端面可看作是第一类边界条件；将摩擦片的摩擦面作为第二类边界条件；将压盘内外端面和摩擦片外端面作为第三类边界条件。三、双离合器热分析三类边界条件和初始条件(1)确定环境初始化温度，假设离合器的工作环境初始温度为 30。(2)一般物体自身温度低于300时，热辐射产生的电磁波能量低，且因滑磨时间极短，分析中对热辐射换热的能量可忽略不计。(3)对流换热系数确定摩擦过程属于自然对流，此处将空气的

18、对流换热系数作为边界条件加到摩擦片表面的节点上进行分析。三、双离合器热分析三类边界条件和初始条件(4)热流密度确定及分配1）摩擦功率法：热流密度是指单位时间内通过单位面积的热流量。由压盘的摩擦功率得压盘的热流密度，可得分配到摩擦环形区域上的热流密度，通过积分公式可得摩擦环形区域内距离摩擦片轴线任一位置的摩擦功率。带入参数即可求得摩擦环形区域上的热流密度。2）在滑摩过程中，离合器消耗的功成为滑摩功。热流密度可定义为单位摩擦表面一次结合的滑摩功平均值所相当的热量。三、双离合器热分析 热应力、热应变分析中不需要重新导入实体模型和划分网格，在单元类型中选择转换单元类型中的“TheralStruc”即可

19、，然后定义材料属性，将温度场产生的结果文（*rth）作为温度载荷读入，另外再设置一些其他边界条件（温度载荷，摩擦片内环面施加位移约束），最后求解及后处理可得到热应力，热变形分布图。将热单元转化为相应的结构单元，同时将求得的节点温度作为体载荷施加到有限元模型上进行应力分析。第二步稳态模块进行热应力、热应变分析第二步稳态模块进行热应力、热应变分析三、双离合器热分析摩擦片间接耦合热分析结果三、双离合器热分析 为了更加精确的描述某一节点处温度值的变化，现在摩擦片中部取一个节点，得到此节点在整个压盘与摩擦片滑磨过程中温度随时间的变化曲线。摩擦片间接耦合热分析结果 从摩擦片温度场云图中进一步分析，随时间变

20、化温度升高最快的地方主要集中在摩擦面上。因为摩擦片本身厚度小，内外边缘与空气的对流换热不明显，所以整个摩擦片表面温升变化基本一致。从节点温度时间曲线可以看出，随着滑磨时间的增长，摩擦片温度是不断增大，在0.5s 处达到最高温度值为141.8。主要是随着滑磨时间的增长，虽滑磨产生的热量越来越少，相对空气换热散失的能量，产热仍大于散热，故摩擦片温度在整个滑磨过程中并未下降。当摩擦片的温度超过 200时，会加速摩擦片的磨损，降低摩擦片的寿命。可见摩擦片温度变化在正常范围内。三、双离合器热分析摩擦片应力、应变结果分析 从摩擦片热应力图中看出，热应力最大值出现在内环面约束处，主要为应力集中造成的，其余部

21、分应力不大，即离合器摩擦片的强度和刚度都能满足工作需要。 摩擦片翘曲变形是摩擦离合器的主要失效形式之一，因此摩擦片受热产生的热变形是主要考虑因素。摩擦片受热后的变形主要为轴向变形。从热变形图中分析得出，最大轴向变形为 0.5mm，最大变形处位于靠近内外边缘的摩擦面。因为摩擦片的热应力小于相对材料的屈服极限强度，可以认为热变形为弹性变形，对离合器工作过程中扭矩的传递能力影响不大。 这只是离合器一次结合产生的温升和热变形，即离合器实际工作过程中，可能会有不定期或连续的换挡过程，会伴随着离合器频繁的分离与结合，摩擦片温升会大大提高，热应力、热应变分布比一次结合工况下时的会严重的多。三、双离合器热分析

22、直接耦合方法 直接分析法是采用热-结构耦合单元来进行分析。(1)几何模型、材料模型建立 几何模型、材料模型同热负荷特性分析相同。由于计算时 间的限制，此处仅就第一次起步过程进行仿真计算。(2)边界条件确定 (a)建立接触对：建立中间驱动盘-摩擦片和压盘-摩擦片之间的接触对。 (b)确定热边界条件：确定散热边界条件(热对流、热辐射)，其同热负荷特性分析。 (c)确定位移边界条件：摩擦片绕其轴线旋转，转速为 n；中间驱动盘在其凸耳处施加全约束；压盘在其凸耳处约束X轴、Y轴方向的位移，在Z轴方向上施加力。四、改善双离合器温升方法研究离合器生热和散热途径 离合器热量产生在摩擦片与压盘之间的摩擦表面上，

23、生成的热量等于离合器的滑摩功。这部分热量通过各种途径散发出去,剩余部分在离合器内部积累,使离合器部件温度升高。离合器热量的耗散通过三种基本的热传递方式进行,即热传导、热对流和热辐射。四、改善双离合器温升方法研究1 1、离合器温度升高的热量来源因素、离合器温度升高的热量来源因素 离合器温度升高的根本原因是由于其自身热量的积累，其途径主要是通过吸收外界热量和摩擦副滑摩生热这两种方式来获得热量。由于汽车在使用时所处的环境温度经常变化，当外界环境温度高于离合器温度时，热量将会流入离合器，直到离合器与环境温度达到热平衡为止。对于干式双离合器的主要热量来源是接合滑摩产生的大量的热，随着滑摩功的增加，热量在

24、摩擦副摩擦表面上不断积累，并在热传导的作用下使摩擦副对偶件的温度随之增加。影响温升的因素四、改善双离合器温升方法研究2 2、 摩擦副自身控制温升的能力因素摩擦副自身控制温升的能力因素 摩擦副对偶件的自身材料属性及散热面积对温度升高有着一定的影响。材料参数影响摩擦热在摩擦副对偶件之间的分配比例，其中具体参数也会不同程度的影响到温度的大小和分布。 材料的比热容被定义为单位质量的某种物质升高单位温度所需的热量。也就是说材料的比热容越大，其吸收同等热量时的温升越低。而材料的热导率反映的是材料的热传导速度，因此热导率大的材料热量扩散快，温升就会相对减小。影响温升的因素四、改善双离合器温升方法研究3 3、

25、外界散热条件因素、外界散热条件因素 湿式双离合器是利用冷却润滑油进行冷却，由于冷却油的对流换热系数及热导率较高，因此冷却效果较好。 干式双离合器采用的散热方式主要是与周围空气的对流换热，而空气的对流换热系数较冷却油要小许多，所以其散热能力相对较差。影响温升的因素四、改善双离合器温升方法研究1、通过有限元仿真分析，可以看出滑摩功与最高温升几乎成正比例关系。2、比热容对温度的影响较大，比热容与热导率都会影响到温度的分布及全程最高温度变化，使得最高温度出现的时间发生变化。3、增大对流换热系数有助于降低温度，但对其最低温度影响较大，而对减小最高温度效果不明显。干式双离合器摩擦副各影响因素的分析四、改善

26、双离合器温升方法研究1.减少滑摩功的产生，从滑摩功的定义式中可知，滑摩功与离合器滑摩时所传递的扭矩、滑摩时间以及主、从动盘转速差有关，因此降低这三个参数的值是减少滑摩功的途径。因此，在控制策略上，要尽量降低离合器接合时的发动机转速；在保证冲击度的情况下，尽量减少滑摩时间。2.在选取摩擦材料时，应选取适当的比热容和热导率，虽然这两参数增大利于温升的降低，但是值得注意的是当摩擦副对偶件之一的参数不变，而另一方单方面增大这两参数值时，将导致输入到改变增大参数的一方的热量增大。因此，在选择不同参数的材料时，应同时考虑到所用材料对摩擦副两对偶件温升的影响，应尽量保证两对偶件的温升都达到理想范围内。改善温升的方法总结四、改善双离合器温升方法研究3.尽可能加大对流换热系数，可采用离合器壳