湿式换挡离合器摩擦副温度场和应力场分布的影响因素分析

湿式换挡离合器摩擦副温度场和应力场分布的影响因素分析

液力机械传动装置是集机和化学于一体的复杂系统。结构紧凑，操作方便。它广泛应用于车辆和大型工程机械的传输。液力机械传动装置的更换是通过操纵一个或多个湿脱换器或装置的组合或分离而进行的。在较短的换能时间内，主被动端达到同步，摩擦的表面温度和高度发生变化。事实上，湿脱换器的失败形式通常是由于换能器此时的温度上升，由于主体的温度和应力梯度过大，导致副摩擦的变形和变形，或烧毁主体。因此，在研究和比较叶片盖行业的换能器和应力场的影响因素时，可以为叶片或装置的换能控制和优化设计提供参考依据。国内外学者对于摩擦热问题开展了广泛的研究.F.Kennedy建立了湿式多片制动器二维模型,认为提高摩擦偶件材料的导热系数、比热容、增加摩擦偶件的厚度能有效地降低摩擦偶件的温度,此模型未考虑热机耦合作用和摩擦副接触状态的变化;P.Zagrodzki建立了摩擦副的数值模型,分析了多片湿式离合器对偶钢片的温度场及应力场分布,分析了工作油压分布对温度场的影响;随后P.Zagrodzki对湿式多片离合器全部摩擦偶件建立二维模型,研究了摩擦衬片的初始压力分布对温度场的影响,此模型未考虑热机耦合作用.作者充分考虑了热机耦合等因素的影响,使仿真计算更接近真实工况.作者应用ABAQUS6.7建立湿式换挡离合器摩擦副的三维有限元模型,考虑摩擦接触、相对旋转运动和热机耦合等因素,研究换挡过程影响摩擦副接触表面的温度场和应力场分布的一些因素.1热弹性接触问题的有限元分析换挡离合器的摩擦热问题属于摩擦系统的热弹性接触问题,是一种典型的多物理场非线性耦合问题,应同时考虑温度和应力的相互影响建立三维有限元模型.1.1摩擦片衬片的热传导方程湿式换挡离合器是由相间布置的多片环状对偶钢片和摩擦片组成.由于离合器摩擦副结构和载荷的轴对称性,只需取一对摩擦偶件进行分析,且摩擦片和对偶钢片各取1/2厚度.摩擦副是由对偶钢片和摩擦片组成,摩擦衬片和基片构成了摩擦片.一般湿式摩擦片表面具有油槽,但是考虑油槽结构会对网格划分以及有限元计算带来极大困难,故忽略油槽的影响.本文中对摩擦片结构进行简化,认为摩擦片表面是平的,忽略对偶钢片的外齿和摩擦片内齿的影响.换挡离合器有限元计算模型如图1所示.图1(a)为一对摩擦副,上面是对偶钢片,下面是摩擦片.图1(b)是摩擦副部分结构的放大图,它由3部分构成,从上到下依次代表对偶钢片,摩擦衬片和摩擦基片.本文所研究的液力机械传动装置的摩擦片衬片是由铜基粉末材料通过高温烧结在摩擦基片上.图中S1～S4分别代表对偶钢片油压作用表面、钢片接触表面、摩擦片接触表面和摩擦片背面.S5～S8分别代表对偶钢片的内环表面、外环表面和摩擦片的内环表面和外环表面.摩擦副接触表面某点产生的热流密度为q(x,y,z,t)=μ(Δω)pc(x,y,z,t)Δω(t)r.(1)q(x,y,z,t)=μ(Δω)pc(x,y,z,t)Δω(t)r.(1)式中:q为单位面积摩擦副在某点的热流密度;μ为摩擦片摩擦系数;pc为摩擦副接触点的接触压力;Δω为对偶钢片和摩擦片相对角速度差;r为距摩擦副中心的距离.在摩擦副结合过程中,摩擦系数是不断变化的,由动摩擦系数向静摩擦系数转变.本文中所研究的摩擦片的摩擦系数是通过对试验结果进行拟合而得到的,其函数表达式为μ=0.051+0.08e-Δω×5.97×10-5.(2)μ=0.051+0.08e−Δω×5.97×10−5.(2)S2和S3接触表面相对滑动产生摩擦热,热流密度在两接触表面之间进行分配,表达式为{q1=δ1δ2q,q2=(1-δ1)δ2q.(3){q1=δ1δ2q,q2=(1−δ1)δ2q.(3)式中:δ1为输入到摩擦片的摩擦热流密度的权值(权值的确定参照文献);δ2为摩擦功率转为热流密度的权值,不考虑材料磨损的影响,认为所有的滑摩功都转化为摩擦热,即δ2=1.根据传热学理论,摩擦副在直角坐标系下的热传导方程为ρiciλi∂θi∂t=∂∂x(∂θi∂x)+∂∂y(∂θi∂y)+∂∂z(∂θi∂z).(4)式中:λi为导热系数;ρi为密度;ci为比热容;θi为摩擦元件的温度;t为滑摩时间;x,y,z表示摩擦副某点坐标;i=1,2,3,下标1,2,3分别对应对偶钢片、摩擦衬片和基片.1.2边境条件1.2.1油膜热交换对等温油的工作特性如图1所示,S5～S8散热面积非常小,并且远离环面发热中心,忽略和外界的热交换.S1和S4是对偶钢片和摩擦片因两边载荷的对称而各自取1/2结构的对称面,同样和外界没有热交换,满足绝热边界条件.S2和S3表面相接触的区域温度相等且满足第二类边界条件.摩擦副的散热主要是S2和S3与润滑油液的热交换.根据传热学相关理论,摩擦副的对流换热系数可表示为αs=Νuκ√ω/υ.(5)式中:αs为对流换热系数;Nu为努塞尔数;κ为润滑油导热系数;ω为摩擦元件的角速度;υ为润滑油的运动黏度.1.2.2摩擦片转速差的影响本模型模拟对偶钢片和摩擦片在离合器结合过程中的滑摩过程,假定对偶钢片不转,摩擦片从初始转速匀减速为0,摩擦片的转速即为摩擦副的转速差.S1和S4是对偶钢片和摩擦片各自1/2结构的对称面,且S1外圆周受离合器缸套限制,认为S1只在轴向运动,约束在x和y方向的自由度,S4在轴向方向不动,约束其z方向的自由度.通过在圆盘中心设置控制点,控制摩擦片的运动.2初始温度和初始温度表1给出了对偶钢片和摩擦片物理参数.对偶钢片、摩擦衬片与摩擦基片的内外半径相同,分别为86mm和125mm,厚度值均为实际厚度的1/2,分别为1.1,0.6,1.0mm.假设摩擦元件的材料为各向同性,换挡过程中材料物理性能不变.对偶钢片和摩擦片的基片所用的材料一致.根据实际使用情况,摩擦副初始温度一般为70℃,润滑油初始温度也为70℃.3摩擦片接触面温度场仿真利用ABAQUS6.7提供的热机耦合程序,参照车辆的实际换挡滑摩时间,设定滑摩时间为0.55s.对偶钢片背面S1施加工作油压,初始压力从0～0.2s线性增加到1.4MPa后恒定不变.以下分别从摩擦副转速差、钢片厚度和工作油压3个方面探讨它们对摩擦副接触面温度场和应力场的影响.设定摩擦副转速差为1000r/min,即摩擦片初始转速为1000r/min.仿真结果表明,对偶钢片和摩擦片表面的温度场和应力场分布规律相似,仅列举滑摩结束时摩擦片接触面温度场和对偶钢片接触面应力场,分别如图2、图3所示.这里的应力是包含机械应力和热应力的等效应力(Misesstress).从图2和图3可以看出,温度和应力都是沿环状截面中心近似成对称分布,中间部分最高,两边较小.仿真结果与文献中仿真结果类似.在液力机械传动装置实际使用过程中,对偶钢片更易烧蚀翘曲.所以本文中重点研究对偶钢片的温度场和应力场.3.1转速差、高转速差、应力图4和图5分别显示的是摩擦片初始转速(n)分别为1000,1500,2000,2500r/min,滑摩结束时对偶钢片接触面径向温度和Mises应力分布.从图4可以看出,转速差越高,对偶钢片中部热环温升越明显.这是因为随着转速差的增大,系统整体摩擦热也随之增大.在滑摩结束时,中部热环的最高温度从152℃(1000r/min)上升到310℃(2500r/min),并且盘面的温度梯度也随之增大.而对偶钢片两端的温升对于转速差变化并不敏感.从图5可以看出,转速差越高,对偶钢片中部应力增大越明显.高转速差使对偶钢片中部热环的应力从154.078MPa上升到354.393MPa,并且使整个盘面的沿径向的应力分布更不均匀,这与温度场变化的规律类似.3.2对偶钢片厚度对热值的影响在摩擦片初始转速为1000r/min的工况下,分别研究了对偶钢片厚度(h)分别为1,2,3,4mm的接触面径向温度场和应力场分布.如图6和图7所示.图6表明,增加钢片厚度对盘面中部热环温度的影响并不明显,但会使接触面的热环位置和温度梯度发生变化.对偶钢片厚度增加,接触面的热环位置向盘面外侧转移,盘面径向温度梯度变大.对比对偶钢片厚度为3mm和4mm的径向温度变化曲线,其差别并不明显,说明对偶钢片厚度达到一定厚度后,继续增加钢片厚度对盘面温度场影响不大.图7表明,钢片厚度增加,接触面上的应力值下降,但盘面沿径向的应力梯度变大.这一结论与文献关于钢片厚度对离合器热失效的结论一致.对比对偶钢片厚度是1～4mm的径向应力变化曲线可知,对偶钢片达到一定厚度后,继续增加钢片厚度对盘面沿径向的应力梯度影响并不明显,这和钢片厚度对温度场的影响非常类似.钢片厚度增加后,机械刚度也会增强.钢片厚度达到一定值后,增加厚度会使对偶钢片翘曲变形和烧蚀的可能性下降.3.3工作油压对钢片应力分布的影响当离合器工作油压变化后,离合器滑摩时间也随之发生变化.根据摩擦副在工作油压(p)为1.4MPa的滑摩功计算工作油压分别为2.0MPa和0.8MPa的滑摩时间,分别为0.43s和0.92s.图8和图9显示的是摩擦片初始转速为1000r/min的工况下,滑摩结束时对偶钢片接触面径向温度和应力分布.图8表明,离合器工作油压在2.0MPa和0.8MPa时,盘面最高温度都比工作油压为1.4MPa时的小.与工作油压为1.4MPa时的盘面径向温度变化曲线相比,高油压会使盘面径向温度梯度大大下降,低油压对径向温度梯度的变化影响不显著.从图9可以看出,离合器工作油压对盘面径向应力和应力梯度的影响类似.虽然高油压会使盘面温度和应力分布相对均匀,但滑摩时间大大减小,在车辆换挡时带来很大的冲击.而低油压同样可以改善对偶钢片接触面上的温度和应力分布,但离合器滑摩时间太长,对车辆的动力性能带来不利影响.4层压机+车种①建立了湿式换挡离合器热机耦合三维有限元模型.充分考虑了摩擦副之间的摩擦接触,相对旋转运动和热机耦合等因素,能较好地模拟湿式离合器结合过程中对偶钢片和摩擦片的温度场和应力场变化的动态特性.②高转速差使接触面中部区域的温度