湿式离合器典型工况参数对摩擦钢片温度场的影响

邹婷婷,张志刚,陈 瑶,梁美琳

(重庆理工大学 车辆工程学院， 重庆 400054)

随着自动挡乘用车市场占有率逐年增加，湿式离合器由于其具有工作过程摩擦性能稳定、故障率低、使用寿命周期长、传递扭矩容量大以及质量较干式离合器更轻等优点，已大量应用于自动变速器和湿式双离合变速器中。湿式离合器在接合的短暂时间内，由于其滑摩过程将大量机械能转化为摩擦热，引起摩擦副温度迅速升高，其中摩擦钢片温度升高尤为明显，很有可能造成摩擦副烧蚀、翘曲变形等故障，最终影响变速器换挡的稳定性和可靠性。

国外早在1974年，F.Kennedy[1]为研究摩擦副材料的导热系数、比热容以及对偶件的厚度对摩擦副温度分布的影响，建立了湿式多片制动器的二维模型，而该模型并未考虑摩擦副接触状态以及热-结构耦合的相关变化，但该模型为后来研究湿式离合器的温度奠定了基础。Zagrodzk P[2]为研究摩擦钢片的温度场和热应力场分布以及非均匀工作油压对摩擦钢片温度场的影响，建立了湿式多片离合器摩擦副的数值计算模型。Grzes[3]通过有限元中热-结构耦合的方法，研究了工作油压和摩擦副相对转速变化对温度场分布的影响规律。Jie等[4]建立了热流密度模型和对流换热模型，对湿式多片离合器摩擦副的温度场、热应力场以及接触压力变化规律进行了仿真分析。国内贾云海等[5]基于温升计算理论和热传导基本理论，利用有限元计算软件，分析了不同接触滑磨时间条件下摩擦副表面的温度分布，但该结果只分析了摩擦副表面温度，而实际的摩擦热为三维传导。张金乐等[6]基于热传导模型理论，通过有限元分析软件，研究了摩擦副转速差、摩擦钢片厚度以及工作油压对湿式换挡离合器摩擦钢片温度场应力场的影响。张家元等[7]基于热流密度模型原理，利用有限元软件，采用直接耦合法分析计算了带有径向油槽与周向油槽的湿式离合器摩擦片的温度场与应力场分布。马彪等[8]基于热交换模型建立了液压系统热平衡仿真模型，并进行了动态仿真，研究了润滑油流量以及转速差对湿式换挡离合器温度的影响。

虽然国内对湿式离合器热特性已有一定研究，但都没有具体分析各工况下摩擦副的径向、轴向以及周向温度场分布。本文将通过建立湿式离合器摩擦副三维有限元模型，分析不同工况下摩擦钢片沿径向、轴向以及周向的温度场分布情况。

1 建立有限元模型

湿式离合器摩擦副由一对环形摩擦片和摩擦钢片组成，摩擦片由摩擦芯片和摩擦衬片烧结而成，通常摩擦片表面密布着各式各样的油槽。本模型采用带有径向槽的摩擦片进行建模仿真。摩擦钢片为与摩擦芯片相同材料的钢片。由于单一摩擦副的几何结构、施加载荷以及热传递过程均具有对称性，本模型分析采用的摩擦片与钢片只需各取一半厚度。结构参数取某自动变速器中湿式离合器尺寸，摩擦钢片的半厚度、内径、外径以及齿外径分别为0.9、130、158、162 mm，齿数为40，摩擦片内、外径分别为130、158 mm，摩擦芯片半厚度为0.4 mm，摩擦材料厚度为0.35 mm。由于本文主要研究对象为摩擦钢片，因此本模型忽略了摩擦片的内齿。

本文利用有限元软件ABAQUS 6.14，采用直接耦合法对湿式离合器摩擦副进行热-结构耦合分析，摩擦钢片和摩擦片的网格单元类型为六面体温度耦合单元C3D8RT，摩擦副网格模型如图1所示。

湿式离合器摩擦副中的摩擦钢片和摩擦芯片材料选取65#Mn钢，摩擦衬片材料选取纸基材料，材料参数如表1所示。

图1 摩擦副网格模型

表1 湿式离合器材料参数

本仿真模型主要模拟湿式离合器摩擦副接合时的滑摩过程，将湿式离合器摩擦副的实际运动转化为摩擦钢片和摩擦片的相对旋转滑摩过程，设定摩擦钢片的转速为零，摩擦片的转速即为摩擦副的转速差。约束摩擦钢片的X、Y方向的自由度，使其只可以有轴向运动，在摩擦钢片远离摩擦片侧施加沿Z方向、大小为工作油压的压力。约束摩擦片的轴向运动，即Z方向自由度，使其只能绕轴心自转。选取摩擦片中心点为耦合点，通过控制该点运动控制摩擦片运动。

2 热分析理论

2.1 热流密度

传热学中热流密度也叫热通量，指单位时间内通过单位面积的热量。湿式离合器接合过程中摩擦副存在变化的转速差，摩擦片和摩擦钢片由于受压紧力作用使得摩擦表面产生摩擦力矩，摩擦副相对滑摩时摩擦力矩做功产生热流，这是主要的热量来源，除此之外，流过湿式离合器的冷却油的黏性剪切也会产生部分热流。由热流密度定义可得：

(1)

式中:δ为摩擦副实际接触与名义接触的面积比值；φf、φfs为Patir-Cheng剪切流量系数；η为动力黏度；ωrel为摩擦副转速差；h为油膜厚度；fc为滑动摩擦因数；Ps为结合压力。由热流密度数学模型可知，热流密度不仅受滑摩时间、结合压力和相对转速的影响，还受径向位置以及冷却油黏度等参数的影响。

2.2 热流分配系数

湿式离合器摩擦副滑摩过程产生的热流密度部分由冷却散热带走，剩下部分被摩擦钢片和摩擦片吸收，热流密度在摩擦钢片和摩擦片之间的分配关系用热流分配系数来描述，其大小主要取决于摩擦副的材料参数。热流分配系数的计算公式为

(2)

式中：qA、qB分别为摩擦钢片与摩擦片分配到的热流密度；kA、kB分别为摩擦钢片与摩擦片的导热系数；ρA、ρB分别为摩擦钢片与摩擦片的密度；cA、cB分别为摩擦钢片与摩擦片的比热容。从热流分配系数的数学模型可得出，影响摩擦副热流分配系数的材料参数有导热系数、密度以及比热容等。

2.3 对流散热系数

湿式离合器摩擦副滑摩过程产生热流密度部分被润滑油带走，润滑油在摩擦副表面以层流、过渡层流以及紊流的形式流动，常用雷诺数来区分判定流体的流动形式。当雷诺数小于2×105时，润滑油以层流的形式流动；当雷诺数为2×105～2.5×105时，润滑油以过渡层流的形式流动；当雷诺数大于2.5×105时，润滑油以紊流的形式流动。雷诺数的计算公式为

(3)

层流时，对流换热系数计算公式为

(4)

过渡层流时，对流换热系数计算公式为

(5)

紊流时，对流换热系数计算公式为

(6)

式中:ρ、υ、c、k分别为润滑油的密度、黏度、比热容和导热系数；r为摩擦副表面任意点半径；ω为摩擦副转速差；m为摩擦副表面温度沿径向分布的指数常数。

3 仿真计算与分析

3.1 典型工况摩擦钢片温度场分析

利用有限元软件ABAQUS6.14对湿式离合器摩擦副进行热-结构耦合分析，模拟湿式离合器在换挡过程中的真实结合滑摩过程，自动换挡变速箱换挡时离合器摩擦副转速差在1 000 r/min左右最普遍，因此本典型工况分析摩擦副初始滑摩转速差为1 000 r/min。设定摩擦副接触至同步时间为0.5 s，在摩擦钢片远离摩擦片侧施加工作油压，油压由0在0.15 s内线性上升至1.4 MPa，0.15～0.5 s内油压稳定不变，得到在滑摩结束时的摩擦钢片的温度场分布情况。

仿真结果温度云图如图2所示。图2(a)为摩擦钢片与摩擦片接触表面的温度云图，从图中可得出：摩擦钢片的最高温度达到148 ℃，温度沿周向分布基本均匀，在表面形成一系列等温的环带，最高温度出现在摩擦钢片中间部分，温度沿径向两边逐渐降低，最低温度出现在摩擦钢片的外齿处，主要是由于外齿不参与摩擦副的滑摩过程，同时又增加了散热面积。图2(b)为摩擦钢片的截面温度云图，截面的左侧为与摩擦片接触面。从该图中可看出：对初始滑摩转速差为1 000 r/min时，摩擦钢片温度场沿轴向分布基本均匀，由于温度由摩擦副接触面传至非接触面，接触面局部高温区域略大于非接触面，截面高温区域形成一个梯形区域。图2(c)为局部放大图，从该图可明显看出：由于外齿的存在，摩擦钢片外侧温度分布并不像内侧一样均匀，由于外齿处会吸收部分热量导致摩擦钢片外侧有齿处温度较低，无齿处温度较高，最终导致摩擦钢片外侧温度沿周向呈波浪状的温度分布。

3.2 转速差对钢片温度场的影响

自动换挡变速箱在换挡过程中离合器摩擦副转速差主要集中在3 000 r/min以下，因此分析在保持工作油压施加不变情况下，湿式离合器摩擦副初始滑摩转速差分别为500、1 000、1 500、2 000和2 500 r/min时当滑摩结束时摩擦钢片温度沿径向、轴向和周向3个方向的分布情况。

图2 摩擦钢片温度云图

图3 摩擦钢片径向温度分布图

滑摩结束时不同初始滑摩转速差下的摩擦钢片温度沿径向分布曲线如图3所示，由图3可见：随着初始滑摩转速差增加，摩擦钢片的温度整体升高，摩擦钢片温度中间高、沿径向两侧递减的趋势不变；最低温仍出现在摩擦钢片外齿处，但随着转速差的增加，最高温度由500 r/min时的104 ℃升高到了2 500 r/min时的282 ℃；摩擦钢片沿径向温度梯度明显变大，径向最大温差由500 r/min时的30℃增加到了2 500 r/min时的210 ℃。

从图4摩擦钢片截面温度云图中可看出：轴向温度梯度仍比较均匀，但随着初始滑摩转速差的增大，摩擦钢片与摩擦片的接触面至非接触面的高温区形成的梯形区域有所变小，且高温区形状由矩形变为梯形的趋势更加明显；轴向温度梯度随着初始滑摩转速差的增加有所增大。

图4 摩擦钢片截面温度云图

从图5摩擦钢片局部放大温度云图中可看出：摩擦钢片温度周向基本分布均匀；但由于摩擦钢片外齿的存在，摩擦钢片外侧成波浪形波动；随着摩擦副初始滑摩转速差的增加，摩擦钢片外侧温度沿周向波动逐渐变小，并且随着初始滑摩转速差的增大高温区环带变小，高温区更集中。

图5 摩擦钢片局部放大温度云图

3.3 工作油压对摩擦钢片温度场的影响

在保持摩擦副初始滑摩转速差为1 000 r/min时，工作油压施加分别如图6所示3种方式，分析滑摩结束时摩擦钢片温度场沿径向、轴向和周向3个方向的分布情况。

滑摩结束时，不同工作油压施加速度下摩擦钢片温度沿径向分布曲线如图7所示。由图7可见：工作油压施加速度对摩擦钢片温度沿径向分布情况影响不大，整体趋势均为中间部分温度最高，由摩擦钢片中间沿径向至两端温度逐渐降低，最低温出现在摩擦钢片外齿处。由图7可得出：当滑摩同步时间一定时，油压加载速度越快，滑摩过程产生的热量越多，摩擦钢片温升越高，径向方向温度梯度越大。

图6 工作油压施加图

从图8、图9可得出：在初始滑摩转速差为1 000 r/min时，工作油压施加速度变化对摩擦钢片轴向和周向的温度分布影响较小；在3种工作油压作用下，摩擦钢片的温度沿轴向都较均匀，并且高温区域略呈梯形状；除摩擦钢片外侧温度由于外齿的影响呈波浪状外，大部分区域温度沿周向均为等温环带状。

图9 摩擦钢片局部放大温度云图

4 结论

1) 湿式离合器摩擦副滑摩结束后，摩擦钢片表面最高温度出现在中间位置，由中间沿径向至两端温度逐渐降低，最低温出现在摩擦钢片外齿处；温度沿轴向方向基本均匀，高温区域由与摩擦片接触面至非接触面略有减小；温度沿周向基本呈一系列均匀环带状，摩擦钢片外侧由于外齿的影响温度分布呈波浪状。

2) 随着初始滑摩转速差的增加，摩擦钢片最高温上升，并且由中间至两端的温度梯度变大；沿轴向方向温度基本均匀，转速差由500～2 500 r/min摩擦钢片截面高温区域变小且高温区梯形状更明显；沿周向方向温度基本均匀，转速差由500～2 500 r/min摩擦钢片温度外侧波浪状区域变小，摩擦钢片整体温度沿周向更均匀。

3) 相同滑摩时间随着工作油压施加速度加快，摩擦钢片最高温度有所升高，由中间沿径向至两端温度逐渐降低的趋势基本不变；工作油压变化对摩擦钢片轴向和周向的温度分布影响较小。

[1] KENNEDY F,LING F.A thermal,thermoelastic and wear simulation of a high-energy sliding contact problem [J].ASME,Lubrication Technology,1974,97:497-507.

[2] ZAGRODZKI P.Influence of design and material factors on thermal stress in multiple disc wet clutches and brakes.SAE Paper 911883[ R].[S.l.]:SAE,1991.

[3] GRZES P.Finite element analysis of disc temperature during braking process [J].Acta Mechanic Et Automative,2009,3(4):36-42.

[4] JIE L,MIN W,W Zhiyong,et al.Transient thermo-mechanical coupling simulation of wet brake friction disk on tracked vehicle [J].Journal of Beijing Institute of Technology,2011,20(1):71-76.

[5] 贾云海，张文明．湿式摩擦离合器摩擦片表面温升和油槽结构研究[J].中国公路学报,2007,20(5):112-116.

[6] 张金乐,马彪,张英锋,等.湿式换挡离合器温度场和应力场影响因素分析[J].北京理工大学学报,2010,30(6):660-664.

[7] 张家元,丁普贤,李长庚,等.湿式离合器摩擦片的热结构耦合分析[J].北京科技大学学报,2013(12):1668-1673.

[8] 马彪,陈飞,李和言,等.湿式离合器摩擦副平均温升特性研究[J].兵工学报,2016,37(6)：961-968.