基于ABAQUS的湿式离合器摩擦副温度场有限元模拟

吴 瑾 ，李 乐 ，王立勇 ，2

（1.北京信息科技大学机电工程学院，北京 100192；2.北京信息科技大学现代测控技术教育部重点实验室，北京 100192）

0 引言

湿式离合器作为汽车在起步和换挡时重要工作部分，离合器的主要部件是摩擦副，摩擦副由对偶钢片和摩擦片组成，摩擦片则由摩擦衬片和摩擦基片烧结而成。湿式离合器比干式离合器磨损小、性能稳定、工作寿命长、转矩容量大、控制简单、接合平稳。在离合器结合的短暂时间内，对偶钢片和摩擦片之间的摩擦会产生热量，使对偶钢片和摩擦片的温度升高，致使离合器失效。实验表明，湿式换挡离合器的失效形式通常是因为换挡瞬间温升过高，盘面温度和应力梯度过大，从而导致摩擦副的翘曲变形，甚至烧结为一体。因此，研究离合器在一般接合过程中摩擦副的温度场变化，可以为离合器摩擦副温度变化的研究提供参考模型。使用ABAQUS建立湿式接合离合器摩擦副的3D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，研究接合过程影响摩擦副接触表面的温度场分布的一些情况。

图1 湿式离合器摩擦副钢片和摩擦片有限元模型

1 三维有限元模型的建立

湿式换挡离合器是很多片环状对偶钢片和摩擦片相间分布组成的，见图1。由于离合器摩擦副结构和载荷的轴对称性，只需取一对摩擦副进行分析，且摩擦片和对偶钢片各取1/2厚度。一般情况下湿式摩擦片表面具有油槽，但一般情况下油槽结构对温度场的影响可以忽略，故不考虑油槽的影响。此外，对摩擦片结构进行简化，认为摩擦片表面是平的。

1.1 摩擦生热原理

摩擦副接合界面间摩擦生成的热量可用热流密度描述，见式（1）。

其中，μ 为摩擦因数，p 为接触压力（MPa），ω（t）为相对角速度（rad/s），r为半径（mm），t为摩擦时间（s）。热流总量均与上述因素有关，。

摩擦生成的热量在钢片和摩擦片间根据比例系数K进行分配，见式（2）。

其中，K是热分配比例系数，与材料导热系数λ、比热容C（j/（kg·℃））、密度（（kg/m3））相关，由材料自身性质所决定；下标f和s分别表示摩擦片和钢片。

1.2 对流换热

湿式离合器工作时，冷却油经离合器轴向孔道和径向孔道高速喷出，在旋转运动和离心力作用下沿油槽由内径向外径处流动，最后在外环面处流出。根据冷却油的运动状态将整个冷却过程等效为3种不同的对流换热模型。

冷却油在摩擦片间的流动既有切向流速，又受离心力作用，将其等效为非圆形内部强制对流换热模型，对流换热系数计算，见式（3）。

钢片与摩擦片间存在相对滑动，冷却油在摩擦副片间流动的时候扫略过钢片接触面，其可以等效为横掠平板对流换热，其对流换热系数，见式（4）。

摩擦副的外端面处于旋转状态，与外界环境中的空气存在对流换热作用，可以等效为横掠圆柱体强制对流换热模型，其对流换热系数，见式（5）。

其中，hf，hs，hC依次为摩擦片接触面、钢片接合面、摩擦副外端面的对流换热系数；ReL，Rer，ReC依次为冷却3种同流动模型下的临界雷诺数；λL，λA分别为冷却油液和空气的导热系数；PrL，PrA分别为冷却油液和空气的普朗特数；de，dL分别为当量直径和摩擦副外径(mm)；lr为油槽特征长度（mm）。

1.3 材料特性

本研究对象湿式多片离合器采用的摩擦片由65Mn芯板和粉末冶金工艺制造的以铜镀层组成，对偶钢片材料为65Mn钢，摩擦片内径与外径分别为85 mm和125 mm，厚度为2 mm；对偶钢片内外径为85 mm和125 mm，厚度为3 mm，钢片外齿数为18，几何尺寸见表1。

表1 摩擦副几何尺寸

摩擦副材料属性，见表2。

表2 摩擦副材料属性参数

在模拟仿真设置中，假设摩擦材料各项同性，摩擦过程中温升明显，对偶钢片导热系数随温度变化，如表3所示。

2 摩擦副温度场模拟结果

考虑在湿式离合器的工作过程，设定摩擦副初始油温环境温度设置为25℃，采用热机耦合的方法，得到的对偶钢片温度场随时间变化的规律。

由图2所示对偶钢片温度分布情况，在离合器摩擦副接合初期，对偶钢片盘面温度分布差异不明显，随着时间的推移，对偶钢片外圆和中间位置温度逐渐升高，温度梯度明显，盘面中间位置高温区呈圆环分布，且圆环带随时间的增加逐渐变宽，摩擦副接合后期，盘面温度呈中间高，两侧低的对称分布，且最高温出现在中间圆环位置，外圆位置转速较高，对流换热量较大，内圆位置一直有冷却油流过，热量也不会积聚过多，所以两侧温度较低。盘面温度梯度的增长可能会导致热失稳现象；在多次高压力，高转速接合下对偶钢片会产生热弹性变形。在t＝0.4 s时，对偶钢片的最高温度达到最大值，原因是在t＝0.01 s时施加了瞬时作用力。

表3 对偶钢片导热系数

图2 对偶钢片温度分布云图

3 结论

钢片接触面的温度场是非均布的，温度场的瞬态变化规律，在离合器摩擦副接合过程中，盘面温度呈中间高，两侧低的对称分布，且温度场形成的圆环带随时间的增加逐渐变宽，但到达一定的时间后温度不再增加。离合器摩擦副接合过程中高温区出现在中外圆位置，沿周向呈圆环分布但不呈连续带状，径向温度存在明显梯度，盘面中间温度高边缘低。