離合器摩擦片瞬態(tài)摩擦生熱有限元分析研究

1、離合器摩擦片瞬態(tài)摩擦生熱有限元分析研究摘 要：為對離合器中摩擦片的強度和使用安全性進行分析和校核，指導摩擦片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，應用有限元分析軟件ANSYS建立了摩擦片的參數(shù)化三維有限元模型，對接合時的摩擦片進行瞬態(tài)生熱分析，得到接合過程中摩擦片的瞬態(tài)溫度分布，發(fā)現(xiàn)摩擦片溫度沿徑向由內(nèi)向外呈增高趨勢，最高溫度區(qū)域分布在摩擦片接合面外緣。進一步對摩擦片進行熱固耦合應力分析，得到摩擦片接合時的應力分布和整體變形情況。熱固耦合分析的結(jié)果表明，摩擦片熱應力強度最大區(qū)域在接合面外緣，油槽附近具有較小的應力強度。關(guān)鍵詞：摩擦片；離合器；瞬態(tài)生熱；熱固耦合；有限元中圖分類號： 文獻標識碼： A finite ele

2、ment analysis on transient heat generation of friction plateFU Shun-jun, Shen Jin-ping, Liao Hui-jun, Zeng Lin-xi（NO.704 Research Institute,CSIC，Shanghai 200031，China）Abstract: In order to improve the optimal design of the friction plate, a parameterized 3-D finite element model was established by u

3、sing the software ANSYS. With the model, an analysis about heat generation was carried out and the momentary temperature distribution of the plate was got. It was discovered that the temperature along the radial of friction plate was showing a rising trend from the inside to outside, the highest tem

4、perature area located in the outer edge of the plate. To make a further investigation, the thermal-solid coupling analysis of the friction plate was also carried out. The results showed that outer edge was the point where the largest heat stress intensity existed. On the contrary, areas around of th

5、e tanks always have smaller stress intensity. Key Words: friction plate; clutch; transient heat generation; thermal-solid coupling; finite element method0概述工程機械的離合器多采用摩擦式離合器，離合器工作狀態(tài)的好壞對工程機械的正常工作以及發(fā)動機動力的充分利用影響很大。在摩擦片式離合器接合的過程中，從動軸逐漸獲得主動軸的速度，這時摩擦片在相連接的兩軸的轉(zhuǎn)速拉平前會產(chǎn)生相對滑動。由于在摩擦片的摩擦表面上施加了很大的軸向力（壓力），所以引起強烈的生

6、熱，從而使摩擦片的表面層溫度急劇升高。如果離合器摩擦片表面層在接觸瞬間的溫升過高，除了使摩擦系數(shù)急劇改變以外，還會引起摩擦片的材料結(jié)構(gòu)的變化，并使各摩擦片的損失增加，引起擦傷的出現(xiàn)，甚至造成摩擦片表面的焊合1-3。所以，對銅基粉末冶金材料摩擦片進行瞬態(tài)生熱的研究是十分必要的。本文利用大型有限元分析軟件ANSYS，對某大功率低速離合器的摩擦片接合過程進行了瞬態(tài)生熱分析和熱固耦合分析。1數(shù)學模型41.1傳熱計算數(shù)學模型在分析工程問題時，經(jīng)常要了解物體內(nèi)部的溫度分布情況，物體內(nèi)部的溫度分布取決于物體內(nèi)部的熱量交換，以及物體與外部介質(zhì)之間的熱量交換，一般認為是與時間相關(guān)的。物體內(nèi)部的熱交換采用以下的熱

7、傳導方程（Fourier方程）來描述：（3）式中：密度，kg/m3；比熱容，；導熱系數(shù)，；T溫度，；T時間，s；內(nèi)熱源密度，w/m3。對于各向同性材料，不同方向上的導熱系數(shù)相同，熱傳導方程可寫為以下形式，（4）除了熱傳導方程，計算物體內(nèi)部的溫度分布，還需要指定初始條件和邊界條件。初始條件是指物體最初的溫度分布情況， （5）邊界條件是指物體外表面與周圍環(huán)境的熱交換情況。在傳熱學中一般把邊界條件分為三類：（1）給定物體邊界上的溫度，稱為第一類邊界條件。物體表面上的溫度或溫度函數(shù)為已知， 或 （6）（2）給定物體邊界上的熱量輸入或輸出，稱為第二類邊界條件。已知物體表面上熱流密度， 或（7）（3）給定

8、對流換熱條件，稱為第三類邊界條件。物體與其相接觸的流體介質(zhì)之間的對流換熱系數(shù)和介質(zhì)的溫度為已知。（8）其中：h換熱系數(shù)，W/(m2 K)；物體表面的溫度；介質(zhì)溫度。1.2溫度場計算數(shù)學模型建立運動介質(zhì)在任意點的溫度，由傅立葉控制微分方程經(jīng)坐標變換，得到時間變化和空間變化的傅立葉吉爾希浩夫方程，矩陣形式為： （9）其中：T固體溫度；t時間；C比熱；固體密度；熱能矢量；體積生熱率；微分算子；移動熱流邊界的速度矢量。 （10）式中：為熱傳導系數(shù)矩陣。根據(jù)式（1）和（2）可得： （11）即 （12）2摩擦片熱固耦合分析5-6摩擦片的簡化及建模由離合器的工作原理可知，摩擦片的接合、摩擦、生熱是一個復雜的

9、過程。在對摩擦片接合過程進行瞬態(tài)生熱和熱固耦合應力分析時，對模型進行了一定的簡化處理。利用ANSYS的APDL參數(shù)化語言編程實現(xiàn)整個建模和分析計算過程，首先對摩擦片進行三維實體建模并采用三維熱分析單元solid70對該模型進行網(wǎng)格劃分。為提高計算效率，在計算過程中對摩擦片模型及其接觸過程進行了一定程度的簡化處理，提出了五個基本假設如下：（1）考慮到油槽冷卻作用對摩擦片接合完成瞬間溫度分布影響不大，故對計算模型中油槽的結(jié)構(gòu)進行了一定程度的簡化處理，省略掉了貼合面上螺旋形油槽結(jié)構(gòu)。簡化后的摩擦片三維有限元模型如圖1所示。圖1摩擦片三維有限元模型（2）本文對摩擦片接合過程中瞬態(tài)傳熱進行了計算，同時對

10、接合過程瞬間潤滑油的冷卻作用進行了模擬；但考慮到摩擦片內(nèi)徑與傳動軸采用齒式傳動，為線接觸，熱傳導效果不明顯，因此忽略了這一因素對溫度場的影響。（3）摩擦式離合器中各個摩擦片的摩擦及導熱條件相同，故在本文中只分析一個摩擦片的溫升情況。（4）離合器的接合過程很短，故認為摩擦片沒有產(chǎn)生輻射散熱，接合過程中產(chǎn)生的熱量全部用于摩擦片溫升。（5）摩擦片的導熱過程僅與時間有關(guān)，不考慮溫升等因素導致的材料導熱系數(shù)變化的影響。 邊界計算及設置.1生熱率載荷根據(jù)離合器接合過程中摩擦片工作情況，在摩擦片兩個接合面上施加生熱率載荷其中，為摩擦系數(shù)；p為該點的壓力；為制動盤的角速度。上述各參數(shù)均由離合器接合特性動力學分

11、析得出，通過載荷步長時間來控制生熱量的大小，最后在油槽處施加對流換熱載荷模擬油冷卻效應。摩擦片內(nèi)部熱量的傳導通過定義熱傳導系數(shù)完成加載。圖2生熱率載荷施加示意圖.2摩擦力矩離合器接合過程中，由于摩擦片接觸表面上有摩擦力的存在，使其承受一個垂直于軸向的旋轉(zhuǎn)力矩。在有限元計算中，根據(jù)摩擦力的計算結(jié)果，將接合面上每個節(jié)點處的摩擦力加載在相應位置，以此模擬摩擦片所承受的旋轉(zhuǎn)力矩。圖3節(jié)點摩擦力施加示意圖.3接合面壓強離合器接合時，要對摩擦片接合面施加壓強，以此模擬壓緊摩擦片的壓力。根據(jù)離合器接合特性動力學分析對該壓強的計算結(jié)果，在摩擦片有限元模型的接合面上施加相應的壓強載荷。圖4接合面壓強施加示意圖

12、有限元分析結(jié)果.1摩擦片結(jié)合過程的瞬態(tài)生熱結(jié)果分析本分析采用摩擦片模型的外徑為400mm，內(nèi)徑290mm，油槽間距70mm，油槽寬4mm、深。摩擦片材料為65Mn+銅基，動摩擦系數(shù)為0.08，靜摩擦系數(shù)0.12。離合器接合接合時間約為3秒。因此，在本分析中計算了摩擦片接合3秒時的溫度分布情況和熱應力分布情況。如Error! Reference source not found.示，接合完成瞬間（3s末）摩擦片的溫度分布規(guī)律為：沿徑向由內(nèi)向外溫度呈增高趨勢，最高溫度區(qū)域分布在摩擦片接合面外緣，而這一瞬時油槽的冷卻作用在并不明顯，只是在油槽附近呈現(xiàn)一個較窄的低溫區(qū)域。此時摩擦片的最高溫度為77.5

13、。圖5接合完成瞬間摩擦片溫度分布圖為進一步掌握摩擦片的溫度分布情況，現(xiàn)考查摩擦片的軸向和徑向三個路徑上的溫度分布，分別得出不同路徑下的溫度分布曲線，如圖6-11所示。圖6摩擦片內(nèi)側(cè)端面路徑示意圖7摩擦片內(nèi)側(cè)端面軸向溫度分布曲線圖8摩擦片接合面徑向路徑示意圖9摩擦片接合面徑向溫度分布曲線圖10摩擦片外側(cè)端面路徑示意圖11摩擦片外側(cè)端面軸向溫度分布曲線由內(nèi)外端面軸向溫度分布曲線可見，在接合瞬間摩擦片接合面溫度較高，由于固體熱傳導作用，在軸向路徑上的溫度值呈現(xiàn)較好的線性分布；另外，由于本文模擬的是接合瞬間較短時間內(nèi)的瞬態(tài)溫度分布，熱傳導時間較短，因此在中面±5mm附近存在一個明顯的低溫區(qū)域

14、。摩擦片結(jié)合過程的熱固耦合分析在上述摩擦片接合過程瞬態(tài)生熱分析的基礎之上，進一步對摩擦片的接合過程進行了熱固耦合分析計算，得到摩擦片接合完成瞬間的應力強度分布和熱變形分布情況。分別給出摩擦片整體的應力強度分布和熱變形分布圖，以及摩擦片的軸向和徑向三個路徑上的應力強度分布曲線，如圖12-16所示。圖12摩擦片的應力強度分布圖13摩擦片的變形分布圖14摩擦片內(nèi)側(cè)端面軸向應力強度分布曲線圖15摩擦片接合面徑向應力強度分布曲線圖16摩擦片外側(cè)端面軸向應力強度分布曲線由圖12-16可見，摩擦片應力強度最大值為172.5MPa，最大值分布在接合面外緣，油槽附近應力強度明顯低于其它區(qū)域，說明油槽有一定的降低

15、應力強度作用。摩擦片最大熱變形區(qū)域分布在接合面的外緣，最大值為。3結(jié)論本文基于ANSYS軟件進行了對摩擦片熱固耦合應力的計算，對比了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對其溫度場及應力分布的影響，得出如下結(jié)論：（1）離合器接合完成瞬間，摩擦片上溫度沿徑向由內(nèi)向外溫度呈增高趨勢，最高區(qū)域在摩擦片接合面外緣；油槽的冷卻作用在瞬態(tài)條件下不甚明顯，僅在油槽附近呈現(xiàn)一個較窄的低溫區(qū)域。（2）摩擦片熱應力強度最大區(qū)域在接合面外緣，油槽附近具有較小的應力強度，合理設置冷卻油槽可有效降低摩擦片接合時的熱應力。參考文獻：1 楊海東,王瑜,呼靳宏.ANSYS在采煤機制動器摩擦片溫度場分析中的應用J.鑄造技術(shù),2008,29(8):1020-1023.2 張學勇,劉沃野,王平,楊通強.離合器摩擦片溫升分析J.制造業(yè)自動化,2002,