湿式多片摩擦离合器接排过程热结构耦合分析
基于有限单元法湿式离合器摩擦副温度场分析
基于有限单元法湿式离合器摩擦副温度场分析陆建荣【摘要】温度对湿式离合器摩擦副的性能和寿命具有重要影响.针对某款变速箱湿式离合器的工作接合过程,以一档离合器为例,结合热分析和有限元理论分析,对摩擦生热过程中的热传导和热流密度进行分析,确定热传导边界条件和初始条件,并建立湿式摩擦副的温度分布函数,获得不同结合次数温度分布.基于ANSYS瞬态热分析模块,根据摩擦生热原理,建立摩擦副分析模型,获得工作过程中温度分布规律;对不同时间情况下,主、从片的温度分布进行分析;对比分析不同的油槽花纹与从动片尺寸对温度场的影响.对比分析结果可知:油槽花纹与其尺寸的选择对温度场分布影响较大;双圆弧形油槽综合最优;模型分析和理论分析结果的一致性验证分析方法的正确性;通过改变摩擦副材料物理属性、结构尺寸和加载条件来分析其他工况情况,进而得出不同条件下摩擦副温度分布的情况.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2016(000)011【总页数】5页(P166-170)【关键词】湿式离合器;温度场;摩擦副;热流;有限单元法;模型【作者】陆建荣【作者单位】上海大学机电工程与自动化学院,上海200444;南通开放大学机电工程学院,江苏南通226006【正文语种】中文【中图分类】TH16;TH133.4;U463.22湿式摩擦副由几组浸泡于油液中交叉排列的钢片和摩擦片组成，可用来实现动力的传动或者制动，因具有使用寿命长、可靠性高、磨损率低等优点在工程车辆变速箱离合器和驱动桥制动器上应用越来越广泛[1]，因此对其进行研究具有重要意义。
温度对摩擦副的性能和受命具有重要影响，从而进一步影响离合器或制动器的性能和寿命。
因此，选取湿式离合器摩擦副进行研究具有重要的应用价值。
针对湿式摩擦副的研究，国内外学者取得了一定的成果：文献[2]通过改变摩擦副材料，从而研究摩擦系数的影响规律，研究可知当其取值越高时，可有效提供系统传递扭矩的能力；文献[3]对油槽形式的影响进行分析，发现其形式改变可有效改善油液流量；文献[4]对功率吸收能力进行研究，发现高功率吸收能力，有利于热稳定性，可提供稳定可靠的传递能力；文献[5]对偶片结构进行研究，结果可知偶片可以改善摩擦副的耐久性和功率吸收特性。
湿式多片式制动器摩擦热温度场分析
Ｑ （ ／ ， ） —— 摩擦 衬片的温度函数 ， （ ℃） 。 （ 随距离时 间变化 的温度 函数） 边界条件 ：
。
＋ ｎ （ ） 。 （ ｒ 卜 Ｆ Ｊ Ｊ （ Ｉ ｃ 。 ｓ ＝ 。
初始条件为 ：
丁 ＝ 一 １， ２ ３ ・ ・
…
此：
ｌ 旦 Ｏ ｔ
Ｑ （ Ｉ ， ｔ ） １ ＝ ．
一 ｆ 。 Ｎ ０ ） ｄ ｔ １ Ｉ ｔ ＝ ｏ
（ ３ ）
（ ４ ）
Ｇ （ ） 一 （ ｏ ） ＝ ＋ ∑ ｃ ｏ ｃ 。 ｓ 一
，
ｆ ） ＝ 云Ｎ （ ｆ ） 一 Ｌ — ｄ Ｎ （ ｔ ）
— ２ ｃ ｏ ｓ ｎ ｎ ｄ Ｎ（ ｔ ） （ ＿ １ ． ２ ． ３ Ｉ
…
Ｆ ：
剐 Ｉ ， ） ｃ 。 ｓ
）
将（ ９ ） 式、 （ １ ０ ） 式代人 （ ８ ） 式得常微分方程 ：
｝ 展开 Ｇ （ １ ， ｆ ）
摩擦 副通常采 用纸基摩擦 材料 和６ ５ Ｍ ｎ 钢分别作 为摩擦 衬片和对 偶 钢片的基体材 料。在摩擦 衬片和对 偶钢片刚开 始接触制动 时 ， 由于 摩擦 衬片与 对偶 钢片相 对滑动而产 生摩擦热 ， 这些 热量被 摩擦衬 片与 对 偶钢片本 身吸收并通 过内部传热 方式与外界 达到稳态平 衡 ， 摩擦温 度 场 的计算 是基于摩擦 面的磨损 、 压力分布是 均匀的 ， 由此可知 ， 摩擦 产生的热量在摩擦面是均匀分 布的 ； 忽略摩擦衬片的径 向导热 ， 假设导 热过程 中只沿摩擦衬 片厚度 的方 向 ； 摩擦衬 片的物理性 能参数在制 动 过程 中不产 生变化 ； 摩擦 产生 的热 量与摩擦衬 片表面 的导 热量形成稳 态平衡 ； 根据 对称性质 ， 摩擦衬 片沿厚度方 向的中点处导 热量为零 ； 由 于制动时间较短 ， 而且摩擦 面上的冷却油被挤压进来 ， 忽略制动过 程中 的冷却油散热 ； 基于上述假定情 况 ， 制动摩擦过程通过简化成一维 热传 导问题试验证明是可行的 。 摩擦温度 场是时 间和位置 的函数 ， 除 了与摩擦材料 的热物理性 能参数有关外 ， 还 和制 动过程中的制动力矩 、 运动速度 和摩擦 功率等参 数随 时间距离 的变化 有关 。根 据力学模 型与物理模 型 ， 可得摩擦 副热 传导 的数学模型为 ：
湿式多片离合器的设计分析
湿式多片离合器的设计分析作者：佴晓珣袁海环来源：《企业技术开发·下旬刊》2015年第08期摘要：湿式多片离合器作为双离合变速器的关键部件，对整车传动效率、换挡品质有着重要的作用，文章阐述了湿式多片离合器设计分析方法，并且结合工程实际，提出简化的摩擦片当量半径和油压推算公式，为工程设计提供了理论依据。
关键词：离合器；设计；分析中图分类号：U463.211 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）24-0027-01双离合变速器（Dual Clutch Transmission）DCT有别于一般的自动变速器系统，它基于手动变速器而又不是自动变速器，除了拥有手动变速器的灵活性及自动变速器的舒适性外，还能提供无间断的动力输出。
目前国外汽车工业强国已经开始量产，在一些高档车型上开始普及，可见离合器作为重要的传动接合部件对整车性能的重要。
本文以某型双离合变速的输入来研究湿式多片离合器的设计分析。
1 模型通常设计人员依据整车厂提供的技术要求和变速器的布局来设计离合器，在保证满足技术的前提下竟可能降低成本，整体结构如图1所示。
[图1 湿式多片离合器结构简图]离合器的结构中，摩擦片对离合器工作性能影响很大。
离合器摩擦副元件由摩擦元件及对偶元件两部分组成。
其特点是：可在主、从动轴转速差较大的状态下实现平稳、柔顺的结合。
因为最大传输扭矩较小，使用金属摩擦材料，如铜基粉末冶金就可以满足轿车、货车等机械的制动上的需求。
2 传递扭矩关系的确定湿式多片摩擦离合器的摩擦转矩与摩擦副数、摩擦系数、压紧力和作用半径有关。
其关系式为：T=βμFrez式中，T为摩擦转矩；μ为摩擦系数，从动力换档传递扭矩出发，取动摩擦系数0.1；F为摩擦片压紧力；z为摩擦副数，采用4对摩擦副；re为摩擦副当量半径；β为储备系数，乘用车β选择：1.20～1.75摩擦片单元结构，如图2所示。
[图2 摩擦片示意图]一对摩擦副上一个单元圆环的摩擦转矩为：dT=2βπμpρ2dρ式中，p为单位压力；ρ为圆环半径。
湿式离合器摩擦片接合过程温度场分析
接合过程工作油压对摩擦片轴向和周向温度场的影 响；杨亚联等人[3]2740 运用有限元技术分析了内外半径 差、接合时间和接合次数对离合器摩擦副的温升影 响；朱茂桃等人[4]采用有限元法对车用干式双离合器 温升问题进行了比对分析，并提出了恒转速的发动 机换挡策略；李东兵[5]研究了混合动力车辆湿式多片 离合器瞬态传热问题，并分析了径向矩形油槽宽度 对摩擦过热现象的影响；曲艳阳等人[6]采用有限元法 分析了微型汽车离合器温度变化问题；于亮等人[7]运 用 Abaqus 仿真软件构建了摩擦离合器三维模型，并 利用有限元理论分析了卡簧约束对非均匀温度场变 化的影响。
关键词 湿式离合器 摩擦片 温度场ห้องสมุดไป่ตู้载荷 微分求积法
Temperature Field Analysis for Engagement Process of Friction Disc in Wet Clutch
Yang Yongqiang1,2 Wang Zhongmin1 Wang Yongqin1,2
Key words Wet clutch Friction disc Temperature field Load Differential quadrature method
0 引言
湿式摩擦离合器是矿用机车传动系统中的重要 机构。在离合器接合过程中，主、从动摩擦片相互 摩擦产生非均匀温度场。当温度场非均匀性过大， 将发生热损坏和热振动现象，严重影响离合器的使 用。因此，研究湿式摩擦离合器的温度场具有重要 的工程意义。
湿式多片离合器的热弹性失稳分析
的滑动摩 擦进 行 了数值 仿 真 ， 采 用 经 验 公 式 假 设 并
了盘 片上 的压力扰 动 。但 现 实 中热点 现 象 出现在 离
合 器摩 擦 表 面初 始 温 度 均 匀 分 配 的 情 况 下 。文 献 ［］ ６ 中应 用有 限元 空 间 离 散 化 和 模 态 叠 加 的 方 法 ，
象 对不 同结 构尺 寸对偶 钢盘 的影 响 。
摩擦副摩擦表面压力和摩擦副间的摩擦因数。 材 料温度 变 化会 引起 摩 擦 副 几 何 尺 寸 的 变 化 ，
材 料 的热应 变率可 表示 为
＝ Ｔ ａ８ （） ５
１ 摩擦副热一 结构耦合计算模型
１ １ 摩 擦 副结构模 型 与加载 方法 ． 湿式 多片离合 器 对偶钢 盘 和摩擦 衬 片沿 轴 向交 替分 布 ， 独取 出一 张钢 盘 和 与其 接触 的两 张 摩 擦 单 衬 片作 为分 析对象 。纸 基材 料摩擦 盘 的导 热 系数 非 常小 ， 离合 器滑 动摩 擦 过 程 中只有 很 少 热 量 通 过 纸
・９９ ・ １
器 滑 动摩擦 过程 中 的翘 曲现象 ， 为不 同 的载 荷 分 认
布 会导 致不 同 的翘 曲形 式 。文 献 ［ ］ ８ 中认 为湿 式 离 合 器 的磨 损 量 可 表 示 为 油 压 和 滑 动 摩 擦 速 度 的 函
摩 擦副 摩擦 面上产 生 的热流 密度 为
ｇ ，， ＝ （ Ｙ ｚ ｔｇ （ Ｙ ｚ （ Ｙ ， Ｐ ， ，，） ｖ ， ，，） ） （） ２
擦盘颤振 现象 。文献 ［ ］ ２ 中通过红外摄像技术 ， 对 制动 器钢 盘裸 露部分 的热 点形 成过程 进 行 观测 后指 出热 点现 象和 摩擦 副的结 构 、 始边 界 条件 、 何形 初 几
湿式多片离合器散热性能研究
＇阜’
液比流量与摩擦副温度之间的关系见图 １１．通过计算可知：离合器要达到预定
专
。
的冷却效果，其冷却液的比流量为 ．
ｑｂ≥７ｘ１０一ｍ ３／（ｍ２·ｓ），进而可计算出离
合器在单位时间内达到预定冷却效果时
钟℃
的总的最小冷却液流量．
图１１ 离台器接合过程中温度与比流量的关系
５ 结语
根据湿式多片离合器的接合规律，计算出了基于试验的摩擦热以及对流换热系数。用有限元法
冷却液的普朗特数由下式计算得：
Ｐｒ＝ｐｖｃ。／五．
（３）
式中：ｃ。为冷却液的质量定压比热容，Ｊ／（ｋｇ·Ｋ）．
选８｛！｜｝传动新油，其物理特性见表ｌ，离合器几何参数及热物理参数见表２，由式（２）可计算出
不同温度、不同转速下圆周方向的对流换热系数．离合器端面的对流换热系数变化曲线如图４所示．
表１ ８’传动新油物理特性（４０ ｏＣ）
０４
图４摩擦片端面的对流换热系数变化曲线
图５矩形油槽结构示意图
（ｒｈ／ｒ／，）¨４是考虑非等温流动中温度场对对流换热系数ｈ的影响，（吃／，）ｍ是考虑入口效应对ｈ的
万方数据
３８
一
五邑大学学报（自然科学版）
２０１０矩
影响．由于液体在径向油槽停留时间较短， 出入口端的温差变化不大，可不考虑油槽内 流体温度对ｈ的影响，即（仇／仉）０。４＝１．但油 槽径向面积较小．相对径向长度较长．所以 需要考虑（以／，）ｍ对ｈ的影响．由于上述公式 仅适用于圆管流体流动，对于矩形油槽，需 要计算其等效截面积，油槽的当量直径 ｄｏ＝１．６ｘｌＯ～ｍ。当８｝｝传动液单个油槽流量ｑ 分别为１２０，６０，３０ｍＬ／ｍｉｎ时，经计算槽内 冷却液流动状态均为层流，由公式（４）计算 得槽内冷却液的对流换热系数如图６所示．
陈湿式多片离合器整体热传导过程分析
１２重庆工学院学报润滑油图１湿式多片离合器结构１瞬态温度场基本理论用有限元法进行瞬态温度场计算时，在空间量纲方面用有限元离散，采用伽辽金加权残值法建立迭代格式；在时间量纲方面用有限差分法离散，采用逐步积分法建立迭代格式卜５１．瞬态温度场的基本方程为ＫＴ＋ＤＴ＝Ｆ（１）式中：Ｋ，Ｄ分别为导热矩阵和变温矩阵；Ｔ，Ｔ分别为节点温度向量和节点温度对时间的导数向量；Ｆ为广义节点热流量向量．各单元的导热矩阵蚝、变温矩阵ＣＦ、节点热流量向量Ｅ可表示为：警岖ｃ。
圳ＮｉＯＮｙｉ＿＋Ｋ警（２）％＝皿力【疋警警】出母出＋Ｆ．ａⅣｊ＊ｄｓ（３）ｃＦ２』｛Ｊ，ｃＮ，ＮＦｄｘｄｙｄｚ（４’Ｆｉ＝皿ａＱＮ，ｄｘｄｙｄｚ一皿（ｑ一瑾弓）Ｍ山（５）式中：力为求解区域；ｓ为给定热流量和对流条件的边界区域；Ｋ，Ｋｒ，墨为材料在算，ｙ，名３个方向的导热系数；以，Ｍ为形状函数；ａ为对流换热系数；Ｐ为材料的质量密度；ｃ为热容量；Ｑ为物体内部热流量；ｑ为热流密度；乃为流体的温度．若采用向后差分法求解瞬态温度场，ｔ。
时刻的温度Ｌ与ｔ。
＋。
时刻的温度瓦＋，有如下关系：瓦＋ｌ＝瓦＋ｒ川缸（６）由式（１）和（５）可导出瞬态温度场求解公式：Ｋ瓦＋。
＝Ｆ川（７）式中：Ｋ＝Ｋ＋Ｃ／Ａｔ，Ｆ。
＋ｌ＝Ｆｎ＋ｌ＋ＣＴ／Ａｔｏ．２计算模型建立和边界条件确定湿式多片离合器的整体有限元模型如图２所示．离合器采用喷油润滑，内外摩擦片的摩擦面为给定温度热流量边界条件，与润滑油接触的表面为对流边界条件．图２离合器整体有限元模型２．１热流密度内外摩擦片的摩擦表面相对滑动时将产生摩擦热．单位时间内在单位面积上生成的摩擦热热流密度为忡’ｑ（ｉ，ｒ，ｔ）＝ｐ（ｆ，ｒ，ｚ）Ｐ（ｉ，ｒ，‘）砌（ｔ）（８）式中：肛为摩擦系数；ｐ为衬片接触比压；ｔｏ为摩擦片转速；ｇ为热流密度；ｉ为第ｉ对摩擦副．其中主从动盘转速∞（ｔ）由车辆接合过程中控制某一工况测得，其转速变化如图３所示．接合油压Ｐ（ｉ，ｒ，ｆ）在接合过程中随接合时间变化而变化，近似认为其接合过程的油压基本上随结合时间呈线性变化，当完全结合后保持结合油压一定．离合器结合油压为ｌＭＰａ，结合时间为１．４ｓ，可将此种工况下的变化曲线假设成如图４所示的理想曲线．陈遥飞，等：湿式多片离合器整体热传导过程分析１３图３离合器接合主从动盘转速差变化曲线图４理论油压变化曲线将ｔＯ（ｔ），Ｐ（ｉ，ｒ，ｔ），ｐ（ｉ，ｒ，ｔ）及ｐ代入式（８），通过编制相关的计算程序，可以得到不同半径处摩擦片热流密度的变化曲线，如图５所示．图５摩擦片热流密度变化曲线热流密度的分布由摩擦片及钢片的热传导物理性质进行分配，当结合速度为０时，摩擦表面将无热流密度产生．２．２对流换热系数由于离合器工作环境的复杂性，对流换热系数将很复杂，它是一个随滑磨速度、油温、及润滑油运动黏度变化的量．离合器在结合过程中端面对流换热可近似为横掠圆柱体的强迫对流传热【６。
说明书-湿式离合器摩擦片热负荷测试系统与实验包箱设计
北京信息科技大学毕业设计（论文）题目：湿式离合器摩擦片热负荷测试系统与实验包箱设计学院：机电工程学院专业：机械设计制造及其自动化学生姓名班级／学号：指导教师／督导老师：起止时间： 2013年月日至 2013年月日摘要本文对湿式多片离合器的温度测试设计用到的湿式多片离合器结构进行了功能原理设计改进，方案比较及选择，并对关键零部件进行了强度校核，结果满足设计要求。
最后绘制了湿式多片离合器的装配图及零件图等。
湿式多片摩擦离合器的广泛应用于车辆、船舶及工程机械中一个重要的一个传动部件，它依靠摩擦片和对偶钢片之间的摩擦力去传递动力。
在湿式多片摩擦离合器地接合过程，在控制油压得作用下，活塞压紧着摩擦副，由于离合器地主动部分与从动部分存在的转速差，因此摩擦片与对偶钢片的相互滑摩，产生大量的摩擦热。
摩擦热流进摩擦片与对偶钢片之后，引起温度场整体改变，进而引起了热应力场产生，改变了各盘片地力学状态。
由摩擦热的引起的离合器内部得温度场与热应力场得改变是离合器失效地重要因素之一，它将会导致摩擦片与对偶钢片地翘曲、局部的烧损、盘片表面的材料剥离及表面热裂纹的生成等形式失效。
因此，对湿式多片离合器摩擦副进行的热分析，对于解决因摩擦热引起地离合器失效富有较高的理论意义与实用价值。
热弹性的不稳定性将导致摩擦面上产生了局部的高温点，从而会导致材料的破坏、热裂纹的生成与摩擦振动得引起。
湿式多片离合器得摩擦热是造成其失效的一个非常关键原因，想要解决掉离合器的热失效问题就必须对每个摩擦副进行热分析，取得了温度场与热应力场的总体分布特征，为离合器技术得发展提供一些依据。
掌握了湿式离合器动态的接合特性是对湿式多片离合器进行较精准控制的大前提。
湿式多片离合器动态的接合特性的研究内容是自动变速器的研发的重要的共性技术之一。
关键词：湿式多片离合器、温度测试、摩擦热、离合器的热失效。
AbstractTemperature test design in this paper, the wet type multi-disc clutch used in wet multi-disc clutch structure function principle design improvements, scheme comparison and selection, and the key parts has carried on the intensity, the results meet the design requirements.Finally draw the wet type multi-disc clutch assembly drawing and part drawing, etc.Wet multi-disc friction clutch is widely used in vehicles, ships, and is a very important part in engineering mechanical driving part, and it relies on friction between the friction piece and dual steel piece to transfer power.In wet multi-disc friction clutch engagement process, under the action of control oil pressure, piston compression friction pair, due to the active part and the driven part of the clutch speed difference exists, therefore the friction piece and dual steel piece sliding friction each other, producing a large number of frictional heat.Friction heat flow into the friction piece and dual steel piece, cause the change of temperature field, resulting in thermal stress, changes the mechanics state of disc.Caused by friction heat inside the clutch temperature field and thermal stress field of the change is an important factor of clutch failure, it will lead to friction piece and dual steel piece warp, partial loss, disc surface stripping and surface thermal cracks generated form of failure.Therefore, thermal analysis was carried out on the clutch friction pair, for solving caused by friction heat of clutch failure has higher theoretical significance and practical value.Thermoelastic instability produce local high temperature will lead to the friction surface, which can lead to material damage, thermal crack formation and friction caused by vibration.Wet multi-disc friction clutch friction heat is a key cause of the failure, to solve the clutch thermal failure must be carried out on the friction pair of thermal analysis, obtains the distribution characteristics of temperature field and thermal stress field, provide the basis for the development of clutch technology.Grasp the dynamics of wet clutch engagement characteristics is the premise of accurate control of wet clutch.Wet clutch dynamic joint research is one of the important common technology research and development of automatic transmission.Keywords:Wet type multi-disc clutch、The temperature test、Friction heat、Thermal failure of the clutch.目录摘要（中文） (Ⅰ)（英文） (Ⅱ)第一章综述 (1)第一章综述一、综述：1.1、课题背景与研究意义湿式多片摩擦离合器的广泛应用于车辆、船舶及工程机械中一个重要的一个传动部件，它依靠摩擦片和对偶钢片之间的摩擦力去传递动力。
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离合器齿轮内花键的摩擦力为Ｚ，摩擦片内齿与摩擦
片座外花键的摩擦力为Ｚ＋。，ｎ为摩擦片和对偶片接
触面总数。
Ｆｉ＝＿—３Ｔ茜Ａ 百
。‘一２础（Ｒ３一ｒ３）
（、２‘）’
．ｔ—ｉ＝舶，＇个兰 ２舶—ｉｃｏ—ｓｏｔ
【ｊ）
（３）ｄ
式中：正为摩擦片的扭矩；Ａ为摩擦片与对偶片的接
触面积；ｐ为摩擦面间的摩擦系数，取０．１；Ｒ为摩擦
中摩擦片的角速度；ｌ。为离合器的结合时问。 ３．３对流换热系数计算
离合器采用ＣＤ４０柴油机油，其性能参数如表２ 所示。
式中：Ｌ为摩擦片、对偶片内外花键齿高；ｒ；为摩擦 片、对偶片内外花键齿分度圆半径，，＝１，２；ｍ为指数 常数；ｏｒ为润滑油的扩散率；ｔ，为润滑油的动力粘度；
∑ｑ。为圆周上新喷入润滑油的无量纲放热量总和： ∑ｑ。＝０．９８—０．３２（／３ＡＴ，）＋０．０６（肚ｔ）２—
万方数据
·４７·
一·机械研究与应用· 研夯与分析
５１７ｒａｍ，内圈直径为３５６ｍｍ，厚度为１２ｍｍ，材料为４５ 钢。离合器接排过程中，工作油缸进油推动活塞ｌ， 使摩擦片３和对偶片４逐渐压紧，摩擦片与对偶片间 相对滑动产生的滑摩功转化为热量，引起摩擦片温度 升高，大量的摩擦热可能导致摩擦片和对偶片过热 烧坏。
目前，对于离合器摩擦片发热及变形分析，国内 外学者已作了较为深入的研究，建立了摩擦片的热传 导有限元模型，通过传热分析得出了离合器接排过程 中摩擦片温度分布规律【１“１；在此基础上，建立了多 对摩擦片副热弹接触模型，分析离合器接排过程中摩 擦片温度场及产生热斑的现象，并给出了摩擦片副间 接触压力变化规律。卜９｜。进一步考虑摩擦片与摩擦 片座外花键、对偶片与离合器齿轮内花键问摩擦力作 用，分析摩擦片副间的正压力和花键齿间摩擦力的分 布规律；同时利用ＡＮＳＹＳ建立多对摩擦片副热弹性
”等豪）１／４’（等严∑ａｔ …）
万方数据
图６摩擦片哥ｌ有限元分析模型
４．２摩擦片副的温度场 利用ＡＮＳＹＳ对摩擦片副进行瞬态耦合热弹接触
有限元分析，计算接排过程中摩擦片副的温度场。如 图７所示给出了离合器接排过程中不同时刻的温度 云图。
·４９·
研夯与分析
整个过程最大接触压力８．ＩＯＭＰａ，约为摩擦片平均正 压力的２．８倍。
２．Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｇｅａｒｂｏｘ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０２２６３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｆｏｒｃｅｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｄｉｓｋｓ ａｎｄ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｔｅｅｔｈ ｏｆ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｂｌｏｃｋ，ｍａｔｉｎｇ ｄｉｓｋｓ ａｎｄ ｉｍｅｍＭ ｔｅｅｔｈ ｏｆ ｃｌｕｔｃｈ ｇｅａｒ ｏｆ ｗｅｔ ｍｕｌｔｉ—ｄｉｓｋ ｍａｒｉｎｅ ｄｕｔｃｈ，ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｄｉｓｋｓ Ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｄｉｓｔｉｌ· ｂｕｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｔｅｅｔｈ ｗｅｒｅ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｆｌｕｘ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｅｅｅｔ五ｃｉｅｎｔ ｏｆ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｄｉｓｋｓ ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｅｌｐ ｏｆ ＡＮＳＹＳ，ｔｈｅ ｔｈｅｒｍｏ—ｅｌａｓｔｉｃ ｃｏｎｔａｃｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｍｕｌｔｉ—ｄｉｓｋ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｄｕｔｃｈ ＷＡ．ａ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄ ａｆ－ ｔｅｒ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍｏ—ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｕｐｌｅｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｌｕｔｃｈ ｉｎ ｅｎｇａｇｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ ｒｕｌｅ ｏｆ ａｘｉａｌ ａｎｄ １＂８－ ｄｉａｌ ｄｉｓｔｉｌｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｔｔｒｃ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｄｉｓｋｓ。陷ｗｅｌｌ ａｆｔ ｔｈｅ ｃｏｎｔａｃｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｓｋｓ。ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．
酮究与分析
·机械研究与应用·————－—————－－－－一
４ ｚ
鼍３
薹ｚ
斟１
摩擦片接触面ｊ
图５接排完成时花键齿间摩擦力分布
由图可知，各摩擦片间的正压力及花键齿间摩擦
力分布并不一致，随着摩擦片数的增加而不断减小。 接排完成时，第１个摩擦片副的正压力为２．８３ＭＰａ，
第２０个摩擦片副的正压力为２．１８ＭＰａ，仅为第１个
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｅｔ ｍｕｌｔｉ—ｄｉｓｋ ｃｌｕｔｃｈ；ｅｎｇａｇｅｍｅｎｔ；ｔｈｅｒｍｏ—ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｕｐｌｅｄ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｃｏｎｔａｃｔ；ｆｉｎ：ｒｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ
１引言 湿式多片摩擦离合器传递转矩大、承载能力强、
起动换向平稳、寿命长，广泛应用于船舶动力系统中。 在离合器接排过程中，摩擦片和对偶片滑摩发热，片 间局部温度较高，特别在频繁结合、高速、重载时，大 量的摩擦热可能导致摩擦片和对偶片过热烧坏。同 时滑摩过程可能使摩擦片和对偶片产生热膨胀，表面 温度分布不均和热应力，从而引起摩擦片变形，在离 合器频繁结合后，片间的接触面积将会锐减，可能造 成离合器丧失稳定性而失效。
（８）
将摩擦片副结构参数代人式（８），可得接排过程
任意时刻摩擦片副上正压力分布。如图４所示为接
排完成时各摩擦片间正压力分布曲线，此时摩擦片与
摩擦片座外花键、对偶片与离合器齿轮内花键间摩擦
力变化曲线如图５所示。
。ｌ ２
室壬８
筹２．４
崮２
峭１．６
０
４
８
１２
１６
２０
薛撩式撞融面ｉ
图４接排完成时各摩擦片间正压力分布
作用，分析了摩擦片副间的正压力和花键齿间摩擦力的分布规律，并计算了摩擦片副的热流密度反对流换热
系数；利用ＡＮＳＹＳ建立了多对摩擦片副的热弹接触有限元分析模型，通过瞬态热结构耦合分析，得出接排过
程中摩擦片副间温度云图及温度沿径向、轴向分布规律，同时分析了摩擦片的热弹变形及片间接触压力。
关键词：高舍器；接排；热弹耦舍；接触；有限元法
接触有限元模型，通过瞬态热结构耦合分析，研究接 排过程中摩擦片副瞬态温度、热弹变形及片间接触压 力的变化规律。 ２湿式多片摩擦离合器结构
如图１所示给出了船用齿轮箱湿式多片摩擦离 合器实体模型，主要由齿轮轴、摩擦片座、对偶片、摩 擦片、离合器齿轮、活塞等组成。其中摩擦片有ｌｌ 片，由两部分材料组成，一是芯片基板，材料为４５钢， 二是摩擦层，材料为铜基粉末冶金，如表１所示给出 了两种材料的物理特性参数。
中图分类号：ＴＨｌ３３．４
文献标识码：Ａ
文章编号：１００６—４４１４（２０１０）０５—００４７—０４
Ｔｈｅｒｍｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｕｐｌｅｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｗｅｔ ｍｕｌｔｉｄｉｓｋ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｃｌｕｔｃｈ ｄｕｒｉｎｇ ｅｎｇａｇｅｍｅｎｔ
Ｈｅ Ｚｅ—ｙｉｎｌ，ＬＶ Ｈｅ—ｓｈｅｎ９１’２，Ｌｉｎ Ｔｅｎｇ—ｊｉａ０１，Ｐａｎ １５１ （１．Ｓｔａｔｅ ｋｅｙ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ可ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００３０，Ｃｈｉｎａ；
摩擦片副正压力的７７％。
３．２摩擦面热流密度计算
离合器接排过程中，摩擦面的热流量主要由正压
力、摩擦材料的摩擦系数、摩擦片副的尺寸、离合器的
转速以及离合器的接排时间综合决定，各摩擦片副之 问的热流密度并不相同。
摩擦面的热流密度可用下式计算：
吼’＝ｒ／／ｚｐｖ＝ｒ／／．ｔｐ；ｒ。甜
（９）
式中：，７为摩擦功变为热量的转化率，取为０．９５；ｐｉ为 摩擦片的正压力；∞为摩擦片和对偶片的相对滑动角
表１摩擦片副材料性能参数
图３摩擦片副受力分析
３传热边界条件
３．１摩擦副片间正压力计算
利用齿轮箱性能综合试验台测得离合器油缸中 工作油压力曲线如图２所示，接排时间为２．２ｓ。
２
Ｆ¨
己１．ｏ
盏¨
０
图２工作油压力试验曲线
假设工作油缸活塞作用在对偶片上的压力均匀 分布，为便于ＡＮＳＹＳ通过参数化命令流施加边界条 件，对压力曲线做最小二乘多项式拟合，可得接排过 程的工作油缸压力曲线方程为：
表２ ＣＤ４０柴油机油的性能参数
密度比热
运动粘度（５０。Ｃ）
导热系数
ｐｆ／ｋｇ·ｍ。’ｃｆ／Ｊ·（ｋｇ·℃）～ｖｆ／ｍ２·８一ｈｆ／Ｗ·（ｍ·℃）。‘
８８０
１６００
６３×１０—６
０．１４４
摩擦片副的对流换热包括花键齿面对流换热和 端面对流换热。在分析摩擦片内外花键齿面对流换 热时，将其简化为当量圆柱面，对流传热系数计算公 式为㈨：
（５） ‘。
２盯／ｚ（Ｒ３一ｒ３）。ｄｌＣＯＳＯｃ
第ｉ片摩擦片受到的扭矩为：
正‘ ＝—ｉ＿Ｆ３ｔＡｉ＿＿ｌ １丁 苹ｏ
（６） 、’
２掣（Ｒ３一ｒ３）’ｄｉＣＯＳＧＥ
利用式（２）一（４）及式（６）可得：
Ｆ；＝Ｆｉ—ｌ’（１一Ａ。）
（７）
式中：Ａ；为递减系数：
则各摩擦片受到的正压力为：
Ｐｉ＝ＰＨ ７（１一Ａｉ）
·机械研究与应用·一硼究与分析
湿式多片摩擦离合器接排过程热结构耦合分析。
何泽银１，吕和生∽，林腾蛟１，潘丽１
（１．重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆４０００３０；２．重庆齿轮葙有限责任公司，重庆４０２２６３）
摘要：针对船用齿轮箱湿式多片摩擦离合器，考虑摩擦片与摩擦片座外花键、对偶片与离合器齿轮内花键问摩擦力
速度；ｒｃ为摩擦面上任意点到圆心的距离。 假设对偶片与摩擦片的速度为线性变化规律，
主、从动片在工作油压力达到稳定时没有相对滑动，