張志剛，劉 航，李沁鋒，張子陽(yáng)

(1.重慶理工大學(xué) 汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400054；2.重慶青山工業(yè)技術(shù)中心， 重慶 402761)

0 引言

濕式離合器因其傳遞扭矩大、成本低、繼承性好等優(yōu)點(diǎn)已得到廣泛的應(yīng)用。濕式離合器在短暫的接合過(guò)程中，摩擦副溫度急劇升高，溫度梯度和應(yīng)力梯度變大，會(huì)加劇其溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的不均勻分布，造成惡性循環(huán)[1-2]。嚴(yán)重時(shí)可能出現(xiàn)表面燒蝕、整體或局部變形以及局部磨損等熱失效現(xiàn)象。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)濕式離合器摩擦副的接合特性和熱負(fù)荷特性開展了比較深入的研究。馬彪等[3]通過(guò)對(duì)濕式離合器摩擦副在接合過(guò)程中的生熱與散熱原理進(jìn)行分析，探究了濕式離合器摩擦副的軸向接合控制壓力以及摩擦片材料性質(zhì)對(duì)接合過(guò)程的影響。Marklund等[4]研究了濕式離合器接合過(guò)程中的潤(rùn)滑油油液黏性力、摩擦副溫升特性和轉(zhuǎn)矩傳遞特性的變化情況。Zhao等[5]對(duì)離合器接合過(guò)程進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)耦合分析，討論了摩擦片的幾何厚度及其材料熱特性對(duì)離合器溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的影響。趙二輝[6]等將仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，研究摩擦元件接觸比率對(duì)溫度的影響。張志剛等[7]以熱機(jī)耦合仿真的方式研究了濕式離合器對(duì)偶鋼片平行度對(duì)其溫度特性的影響。于亮等[8]以數(shù)值模擬的方式研究了卡簧約束對(duì)離合器溫度場(chǎng)的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。Li等[9]建立了由溫度梯度引起的環(huán)形圓盤屈曲形變模型，討論了周向和徑向熱應(yīng)力對(duì)屈曲變形的影響。張鳳蓮等[10]分析了濕式多片離合器對(duì)偶鋼片的溫升熱性以及摩擦片導(dǎo)油槽外徑出口處的潤(rùn)滑油油溫隨時(shí)間的變化規(guī)律。國(guó)內(nèi)外對(duì)濕式離合器接合過(guò)程的研究，幾乎都是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算確定摩擦副接合過(guò)程中冷卻潤(rùn)滑油與摩擦片油槽表面的對(duì)流換熱系數(shù)，并不能實(shí)現(xiàn)冷卻潤(rùn)滑油與對(duì)偶鋼片摩擦表面的對(duì)流換熱。

因此，本文以流固耦合傳熱理論為基礎(chǔ)，建立濕式離合器摩擦副熱流固耦合有限元模型，深入研究濕式離合器摩擦副在接合過(guò)程中溫度場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)以及流場(chǎng)的分布規(guī)律，并分析冷卻潤(rùn)滑油流量對(duì)摩擦副熱流固耦合特性的影響。

1 數(shù)值模型

1.1 摩擦副生熱模型

圖1為單個(gè)濕式離合器摩擦副熱傳導(dǎo)示意圖，從圖中可以看出，對(duì)偶鋼片和摩擦襯片相互滑摩產(chǎn)生摩擦熱，假設(shè)摩擦副的摩擦表面全部處于邊界摩擦狀態(tài)，摩擦副能吸收所有的摩擦熱[11]。摩擦副接合面產(chǎn)生的熱流密度q為

圖1 濕式離合器摩擦副熱傳導(dǎo)示意圖

q(r,t)=fP(t)ωrel(t)r

(1)

式中：r為摩擦副接合面任意位置處的半徑；t為接合時(shí)間；f為摩擦副等效摩擦因數(shù)；P(t)為摩擦副接合面正壓力;ωrel(t)為摩擦副相對(duì)轉(zhuǎn)速差。

摩擦副的等效摩擦因數(shù)隨接合過(guò)程實(shí)時(shí)變化，其函數(shù)表達(dá)式為

f=0.13-0.008log(ωrel)

(2)

由于摩擦副主從動(dòng)端材料的導(dǎo)熱性能差異性較大，對(duì)偶鋼片和摩擦片吸收的熱量也不同，定義摩擦副間的熱流分配系數(shù)β[12]為

(3)

式中：λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù);ρ為密度；c為比熱容；下標(biāo)s、 f分別表示對(duì)偶鋼片與摩擦片。

傳入對(duì)偶鋼片和摩擦片的熱流密度為

(4)

1.2 摩擦副傳熱模型

由圖1可知，濕式離合器摩擦副表面的熱流輸入以熱傳導(dǎo)的形式在摩擦副內(nèi)部傳遞，建立三維柱面坐標(biāo)系的熱傳導(dǎo)控制方程

(5)

式中：T為溫度；t為時(shí)間；r、θ、z分別為徑向、周向和軸向坐標(biāo)。

(6)

對(duì)偶鋼片的內(nèi)徑、外徑環(huán)面及摩擦副接合表面都有潤(rùn)滑油冷卻，存在對(duì)流散熱作用。對(duì)偶鋼片的內(nèi)徑、外徑環(huán)面與潤(rùn)滑油之間的對(duì)流換熱等效為流體橫掠單管對(duì)流換熱[13]

(7)

式中：d表示摩擦副的直徑；kp為潤(rùn)滑油導(dǎo)熱系數(shù)；Re為摩擦副內(nèi)外端面處潤(rùn)滑油的雷諾數(shù)；Pr為普朗克常數(shù)；C、n為常數(shù)(C=0.193,n=0.618)；i、o分別表示摩擦副內(nèi)、外端面。

摩擦副接合表面與潤(rùn)滑油之間的對(duì)流換熱屬于流體橫掠平板對(duì)流換熱[14]

(8)

式中：re為當(dāng)量摩擦半徑。

2 建立熱流固耦合有限元模型

2.1 固體域有限元模型

圖2為濕式離合器摩擦副模型，該模型由內(nèi)外轂、活塞、對(duì)偶鋼片、摩擦片以及壓板構(gòu)成。模型包含3組摩擦副，主要由2個(gè)對(duì)偶鋼片、1個(gè)完整的摩擦片#1和一個(gè)半厚度的摩擦片#2組成。

圖2 濕式離合器摩擦副三維模型

對(duì)偶鋼片和摩擦基片材料相同，摩擦襯片為紙基材料，摩擦襯片表面均勻分布有導(dǎo)油槽，假設(shè)接合過(guò)程中材料物理性能保持不變[15]，摩擦副物理參數(shù)如表1所示。

表1 摩擦副物理參數(shù)

在仿真過(guò)程中，通過(guò)約束外轂使對(duì)偶鋼片保持靜止不轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)轂使摩擦片在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)由初始轉(zhuǎn)速勻減速為零。設(shè)置滑摩時(shí)間為0.51 s，摩擦片初始轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。固定壓板外表面限制摩擦副的軸向移動(dòng)，在活塞外表面施加均勻分布的軸向壓力。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合整理后得出活塞表面壓力

(9)

式中：P0為設(shè)定的接合壓力;ts為壓力遲滯時(shí)間。

2.2 流體域有限元模型

濕式離合器摩擦副工作在浸油環(huán)境中，摩擦副內(nèi)徑上的潤(rùn)滑油持續(xù)通過(guò)摩擦襯片上均勻分布的多個(gè)油槽到達(dá)外徑，并在過(guò)程中和摩擦副表面進(jìn)行對(duì)流換熱，從而帶走熱量。因此，可認(rèn)為油槽內(nèi)流動(dòng)的冷卻潤(rùn)滑油是充滿整個(gè)油槽的，建立流經(jīng)摩擦襯片油槽中的潤(rùn)滑油流體三維模型，如圖3所示。

圖3 油槽內(nèi)流體有限元模型

潤(rùn)滑油參數(shù)如表2所示，濕式離合器接合過(guò)程中，潤(rùn)滑油速度隨時(shí)間變化，屬于不可壓非定常層流流動(dòng)牛頓流體，流體物理模型選擇隱式不定常時(shí)間格式、分離流體、恒密度狀態(tài)方程。潤(rùn)滑油流體有限元模型的邊界條件設(shè)置除了如圖3所示的速度入口、壓力出口及周向壁面以外，還包括耦合壁面邊界條件、收斂準(zhǔn)則等。

表2 潤(rùn)滑油參數(shù)

根據(jù)建立的熱流固耦合模型，保持其他結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)不變，改變潤(rùn)滑油流量進(jìn)行仿真，本文中潤(rùn)滑油流量取單副潤(rùn)滑油的流量值l，l=Q/S,Q為整個(gè)摩擦副總的潤(rùn)滑油流量，S為摩擦副個(gè)數(shù)。

3 仿真結(jié)果分析

由于摩擦副材料的不同，對(duì)偶鋼片吸收的摩擦熱占主要部分，更容易發(fā)生翹曲變形等導(dǎo)致離合器失效的情況，而潤(rùn)滑油流量會(huì)影響對(duì)偶鋼片與潤(rùn)滑油之間的對(duì)流換熱強(qiáng)度，從而影響濕式離合器接合過(guò)程中的穩(wěn)定性。因此接下來(lái)主要以對(duì)偶鋼片#2及其與摩擦片#1之間的油槽內(nèi)潤(rùn)滑油流體為主，分析流量對(duì)于摩擦副溫度場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)和潤(rùn)滑油流場(chǎng)的影響。

圖4為當(dāng)單摩擦副潤(rùn)滑油流量為1 L/min時(shí)濕式離合器摩擦副接合過(guò)程完成時(shí)刻對(duì)偶鋼片滑摩表面溫度場(chǎng)分布，由圖可知，對(duì)偶鋼片表面存在沿徑向和周向上的不均勻溫度分布；盤面中徑以內(nèi)溫度較低，周向溫度分布均勻，而中徑靠外區(qū)域溫度較高，此區(qū)域沿周向產(chǎn)生局部熱點(diǎn)，會(huì)降低對(duì)偶鋼片的工作穩(wěn)定性。

圖4 對(duì)偶鋼片溫度場(chǎng)分布云圖

3.1 潤(rùn)滑油流量對(duì)溫度場(chǎng)的影響

圖5為不同流量下對(duì)偶鋼片最高溫度變化圖，由圖可知，在接合過(guò)程初期，潤(rùn)滑油流量對(duì)于最高溫度的影響較小，這是由于在接合初期，摩擦副與潤(rùn)滑油之間溫差較小，二者之間的對(duì)流換熱強(qiáng)度較低，因此在這個(gè)階段潤(rùn)滑油流量對(duì)溫度的影響極小。在0.4 s左右，對(duì)偶鋼片的溫度達(dá)到最高，當(dāng)潤(rùn)滑油流量不高于2 L/min時(shí)，增加潤(rùn)滑油流量可以使對(duì)偶鋼片在接合過(guò)程中的最高溫度降低。流量由0 L/min增加到0.25 L/min，最高溫度由211 ℃變?yōu)?96.8 ℃，溫度降低6.72%；當(dāng)流量從1.5 L/min增加到2 L/min時(shí)，最高溫度由187.0 ℃下降到185.2 ℃，溫度僅降低0.9%。由此可以發(fā)現(xiàn)隨著流量的增加，最高溫度下降的趨勢(shì)減緩。

圖5 不同流量下對(duì)偶鋼片最高溫度變化曲線

圖6為接合完成時(shí)刻對(duì)偶鋼片徑向溫度分布圖，從圖中可以看出，隨著潤(rùn)滑油流量的增加，對(duì)偶鋼片在接合完成時(shí)刻沿徑向的溫度分布及溫度梯度都逐漸降低，當(dāng)潤(rùn)滑油流量從1.5 L/min增加到2 L/min時(shí)，沿徑向的溫度和溫度梯度的變化都較小。綜上可知，潤(rùn)滑油流量增加，能降低對(duì)偶鋼片在接合過(guò)程中的最高溫度，且使得對(duì)偶鋼片的徑向溫度分布更加均勻，但它的影響效果會(huì)隨流量增加而降低。

圖6 接合完成時(shí)刻對(duì)偶鋼片徑向溫度分布曲線

3.2 潤(rùn)滑油流量對(duì)應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的影響

圖7為不同流量條件下對(duì)偶鋼片最高應(yīng)力變化圖，由圖可知，在接合過(guò)程的前期，流量改變對(duì)對(duì)偶鋼片最高應(yīng)力所產(chǎn)生的影響較小。在接合中后期，當(dāng)流量為0 L/min時(shí)，對(duì)偶鋼片的最大應(yīng)力呈現(xiàn)出隨時(shí)間一直增長(zhǎng)的趨勢(shì)，接合過(guò)程結(jié)束時(shí)，最大應(yīng)力達(dá)到328.6 MPa。在流量從0.25 L/min增加到2 L/min的過(guò)程中，流量越大對(duì)偶鋼片的最高應(yīng)力越低，且隨著流量的增加，最高應(yīng)力的下降速率減小，當(dāng)流量從1.5 L/min增加到2 L/min時(shí)，2種流量間的最高應(yīng)力差僅為7 MPa。

圖7 不同流量下對(duì)偶鋼片最高應(yīng)力變化曲線

圖8為接合完成時(shí)刻對(duì)偶鋼片沿徑向的應(yīng)力變化圖，從圖中可以看出，隨著潤(rùn)滑油流量的增加，對(duì)偶鋼片在接合完成時(shí)刻沿徑向的應(yīng)力逐漸降低，沿徑向的應(yīng)力梯度也逐漸降低，當(dāng)潤(rùn)滑油流量從1.5 L/min增加到2 L/min時(shí)，沿徑向的溫度和溫度梯度的變化都較小。

圖8 接合完成時(shí)刻對(duì)偶鋼片徑向應(yīng)力分布曲線

圖9為不同流量下對(duì)偶鋼片在接合完成時(shí)刻的軸向應(yīng)變、徑向應(yīng)變以及熱應(yīng)變沿徑向的變化圖，對(duì)比圖9(a)(b)(c)可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)偶鋼片的軸向應(yīng)變、徑向應(yīng)變以及熱應(yīng)變都呈現(xiàn)沿徑向先增大后減小的分布規(guī)律；隨著潤(rùn)滑油流量增大，對(duì)偶鋼片的徑向應(yīng)變、軸向應(yīng)變以及熱應(yīng)變均減小，沿徑向的應(yīng)變梯度也減小，使對(duì)偶鋼片沿徑向的應(yīng)變較為均勻。

圖9 對(duì)偶鋼片在接合完成時(shí)刻的應(yīng)變沿徑向的變化曲線

3.3 冷卻潤(rùn)滑油流量對(duì)流場(chǎng)的影響

圖10為不同流量下的油槽出口處潤(rùn)滑油流速和出口油溫隨時(shí)間變化圖，從圖10(a)可以得知，油槽出口流速隨時(shí)間逐漸減小，分析是由于接合過(guò)程中，摩擦片轉(zhuǎn)速下降使油槽內(nèi)潤(rùn)滑油所受到的離心力降低所致。同時(shí)，從圖中也可以發(fā)現(xiàn)，流量越大，油槽出口處潤(rùn)滑油流速隨時(shí)間減小的趨勢(shì)更明顯，由此分析，潤(rùn)滑油流量增加會(huì)加大油槽內(nèi)流體的流動(dòng)阻力，從而降低單位體積潤(rùn)滑油的冷卻效率。

圖10 油槽出口處潤(rùn)滑油流速和油溫隨時(shí)間變化曲線

從圖10(a)(b)可以看出，油槽出口油溫隨時(shí)間逐漸增大，原因是隨著滑摩時(shí)間的增加，摩擦副的溫度升高，摩擦片的轉(zhuǎn)速下降使?jié)櫥驮谟筒壑械牧魉僖蚕陆?，?rùn)滑油與摩擦副進(jìn)行對(duì)流換熱的強(qiáng)度和對(duì)流換熱的時(shí)間都會(huì)增加，所以油槽出口處油溫也就逐漸增大。并且由圖可知，油槽入口潤(rùn)滑油流量越大，油槽出口油溫越低，其原因是潤(rùn)滑油流量增大，使得油槽入口流速變大，導(dǎo)致潤(rùn)滑油通過(guò)摩擦副油槽的時(shí)間變短，潤(rùn)滑油與摩擦副進(jìn)行對(duì)流換熱的時(shí)間也會(huì)變短，故油槽出口處油溫較低。

4 結(jié)論

1) 當(dāng)單摩擦副潤(rùn)滑油流量不高于2 L/min時(shí)，增加潤(rùn)滑油流量使?jié)袷诫x合器摩擦副對(duì)偶鋼片的溫度降低和應(yīng)力減小，降低對(duì)偶鋼片的軸向和徑向應(yīng)變，使對(duì)偶鋼片表面的溫度及應(yīng)力分布更加均勻。

2) 潤(rùn)滑油流量對(duì)濕式離合器摩擦副熱流固特性所產(chǎn)生的影響隨著流量的增大而逐漸減小，對(duì)于本文的仿真對(duì)象，單副潤(rùn)滑油流量取1.5～2 L/min比較合適。