湿式多片离合器摩擦副温度仿真分析

第３２卷　第７期四川兵工学报２０１１年７月　　收稿日期：２０１１－０４－１８基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１０７５４１１）；机械传动国家重点实验室自主研究项目作者简介：杨亚联（１９７２—），男，副研究员，主要从事动力传动及控制研究。【制造技术】湿式多片离合器摩擦副温度仿真分析杨亚联，丁建林，秦大同（重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆　４０００４４）摘要：对混合动力车用湿式多片离合器的动力学理论进行分析，运用ＡＭＥＳＩＭ建立了车辆湿式多片离合器滑磨功的计算模型。根据湿式多片离合器对偶钢片和摩擦片实际几何尺寸和约束情况，建立了摩擦副温度仿真分析模型。分析计算了单个摩擦副的温度变化情况。关键词：混合动力；湿式多片离合器；温度；摩擦副中图分类号：ＴＨ１３２．２文献标识码：Ａ文章编号：１００６－０７０７（２０１１）０７－０１０５－０４　　混合动力汽车ＨＥＶ（ｈｙｂｒｉｄｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅ）兼顾了传统汽车和电动汽车的优点，当汽车加速时，以蓄电池为能源，电动机作为辅助动力，既提高了汽车的动力性能，又可减少发动机的后备功率；在下坡滑行、减速或制动工况下，发动机的多余能量或再生制动能量通过ＩＳＧ发电，转换为电能贮存在蓄电池中，减少了系统的燃油消耗；在发动机长时间处于怠速工况时，混合动力系统可以切断发动机燃油供给，进一步提高了汽车的燃油经济性，也减少了整车废气排放。取得比传统汽车省油３０％，废气排放减少５０％的效果，是最具有实用价值的节能、环保汽车［１－２］。湿式多片离合器是混合动力汽车的关键零部件之一，目前国内外许多学者对湿式多片离合器的热问题作了广泛研究［３－８］。本文在国家自然科学基金（项目号：５１０７５４１１）的资助下，对混合动力车用湿式多片离合器热问题的温度计算模型进行了研究。本文以图１所示的某混合动力车用湿式多片离合器为研究对象，计算了该湿式多片离合器在接合时产生的滑磨功及在该过程中温度随时间变化的情况。１．从动件；２．对偶钢片；３．摩擦片；４．回位弹簧；５．液压活塞；６．主动盘；７．控制油道；８．冷却油道图１　湿式多片离合器结构１　湿式多片离合器滑磨功数学计算模型１．１　湿式多片离合器工作原理湿式多片离合器结构如图１所示，主要由摩擦片、对偶钢片、油缸、活塞等部件组成。摩擦片是将铜基粉末粘结在带有内齿的基片钢片两侧制成，两侧粉末粘结层厚度均为０５ｍｍ，基片钢片厚度为１２ｍｍ；对偶钢片厚１２ｍｍ。湿式多片离合器接合时，工作压力油经控制油道进入活塞右侧油缸，活塞在工作压力油压力的作用下向左移动，推动钢片逐渐压紧摩擦片，钢片和摩擦片经过滑摩逐步达到同步旋转，从而实现动力传动。湿式多片离合器分离时，控制油道与油箱连通，工作压力油流回油箱，油缸内作用于活塞上的压力迅速下降，活塞在回位弹簧的作用下迅速向右移动，从而使对偶钢片和摩擦片分离，实现动力切断。１．２　湿式多片离合器动力模型湿式多片离合器动力模型基本形式如图２所示。图２　湿式多片离合器动力学简图　　图２中：ωｅ、ωｎ分别为发动机和离合器角速度；Ｊｅ为离合器主动部分转运惯量；Ｊｎ为离合器负载转运惯量；ＴＬ为离合器摩擦力矩；Ｔｅ为发动机主力矩；Ｔｆ为某种道路条件下离合器从动部分阻力矩。１．３　湿式多片离合器接合过程分析湿式多片离合器接合过程包括离合器逐渐接合（ｔ０－ｔ１）、离合器进一步接合（ｔ１－ｔＬ）和摩擦力矩ＴＬ在达到最大值后，离合器主从动盘相对滑磨直至ｔ２时趋于一致接合过程终了（ｔＬ－ｔ２）三阶段，相应参数的基本变化规律如图３所示。图３　湿式多片离合器离合过程各参数的变化规律　　根据离合器接合过程，分别得到各阶段的运动方程和滑磨功方程：Ｊｅαｅ＝Ｔｅ－ＴＬ（１）式中αｅ为发动机输出轴角加速度。Ｗ１＝∫　ｔ１　ｔ０ω·ＴＬｄｔ（２）Ｊｅαｅ＝Ｔｅ－ＴＬＪｎαｎ＝ＴＬ－Ｔ}ｎ（３）式中αｎ为离合器角加速度。Ｗ２＝∫　ｔＬ　ｔ１Δω·ＴＬｄｔ（４）式中Δω＝ωｅ－ωｎＷ３＝∫　ｔ２　ｔＬΔω·ＴＬｍａｘｄｔ（５）式中ｔ２为为离合器接合终止时间。根据式（２）、（４）、（５）可得离合器接合过程总的滑磨功为Ｗａｌｌ＝Ｗ１＋Ｗ２＋Ｗ３（６）２　基于ＡＭＥＳＩＭ的湿式多片离合器滑磨功及温度计算模型　　基于以上数学模型，利用ＡＭＥＳＩＭ的复杂系统建模平台，建立混合动力车用湿式多片离合器的动力学模型，并利用它计算湿式多片离合器的滑磨功及摩擦副温度。图４所示为滑磨功及摩擦副温度计算模型原理。由以上原理得到基于ＡＭＥＳＩＭ的湿式多片离合器滑磨功计算模型如图５所示。　　汽车行阻力包括滚动阻力Ｆｆ＝ｆｍｇｃｏｓ（α）（７）式中：α为道路坡度；ｆ为滚动阻力系数。空气阻力Ｆｗ＝ＣｄＡｕ２ａ２１．１５（８）式中：Ｃｄ为空气阻力系数；Ａ为汽车迎风面积。坡度阻力Ｆｉ＝ｍｇｓｉｎ（α）（９）图４　离合器滑磨功及摩擦副温度计算模型原理１．发动机输入转矩；２．离合器；３．变速箱；４．汽车总质量；５．汽车行驶阻力图５　滑磨功及摩擦副温度计算模型３　湿式多片离合器滑磨功计算实例基于以上滑磨功计算模型，现以某型混合动力汽车用湿式多片离合器为例进行计算。图６　试验结合油压变化曲线　　该湿式多片离合器在如图６所示的结合油压作用下，以１２００ｒ／ｍｉｎ的初始转速进行接合，得到湿式多片离合器主从６０１四川兵工学报ｈｔｔｐ：／／ｓｃｂｇ．ｊｏｕｒｓｅｒｖ．ｃｏｍ／动盘片速度变化曲线，如图７；湿式多片离合器主从动盘片间的滑摩功率变化曲线如图８所示。图７　离合器主、从动盘片速度变化曲线图８　离合器主、从动盘片间的滑摩功变化曲线４　建立生热模型４．１　热流密度的计算以上计算了湿式多片离合器滑磨功，现假设在车辆接合过程中湿式多片离合器滑磨功全部转化为热能，则任一摩擦副间某一点在任一时刻所产生的热流密度为［９－１１］：Ｗ（ｔ）／ｄＡ＝ｑ（ｉ，ｒ，ｔ）＝μ（ｉ，ｒ，ｔ）ｐ（ｉ，ｒ，ｔ）ｒｄω（ｔ）（１０）式中：Ｗａｌｌ＝Ｗ（ｔ）；μ为摩擦系数；ｐ为衬片接触比压，（Ｐａ）；ｄω（ｔ）为摩擦片转速差，（ｒａｄ／ｓ）；ｑ（ｉ，ｒ，ｔ）为热流密度，（Ｗ／ｍ２）；ｉ为第ｉ对摩擦副为常数，本文取ｉ＝５。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离散，采用逐步积分法建立迭代格［１２］。瞬态温度场的基本方程为：ＫＴ＋ＤＴ·＝Ｇ（１１）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Ｋｉｊ，变温矩阵Ｄｉｊ，节点热流量向量Ｇｉ可表示为：Ｋｉｊ＝ΩＫｘＮｉｘＮｊｘ＋ＫｙＮｉｙＮｊｙ＋ＫｚＮｉｚＮｊ[]ｚｄｘｄｙｄｚ＋ｓαＮｉＮｊｄｓ（１２）Ｄｉｊ＝ΩρｃＮｉＮｊｄｄｘｄｙｄｚ（１３）Ｇｉ＝ΩＱＮｉｄｘｄｙｄｚ－ｓｑＮｉｄｓ（１４）式中：Ω为求解区域；Ｎｉ，Ｎｊ为形状函数；ｓ为给定热流量和对流条件的边界区域；Ｋｘ，Ｋｙ，Ｋｚ为材料ｘ、ｙ、ｚ三个方向的导热系数；ρ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。采用向后差分法求解瞬态温度场，ｔｎ时刻的温度Ｔｎ与ｔｎ＋１时的温度Ｔｎ＋１有如下关系：Ｔｎ＋１＝Ｔｎ＋Ｔ·ｎ＋１Δｔ（１５）由式（７）和（１１）可以导出瞬态温度场求解公式Ｋ∧Ｔｎ＋１＝Ｇ∧ｎ＋１（１６）式中：Ｋ∧＝Ｋ＋Ｄ／Δｔ；Ｇ∧ｎ＋１＝Ｇｎ＋１＋ＤＴｎ／Δｔ。４．２　导热分析以上计算了湿式多片离合器片间的热流密度，与此同时在湿式多片离合器片间生热时还伴随着热传导，如图９所示的直角坐标系中为组成湿式多片离合器的摩擦片和对偶钢片内均匀介质的任意一个微元体，根据傅里叶定律，任意指定时刻从微元体左侧、后侧和下侧表面导入的热流量分别等于ｄＱｘ＝－λｔｘｄｙｄｚ（１７）ｄＱｙ＝－λｔｙｄｚｄｘ（１８）ｄＱｚ＝－λｔｚｄｘｄｙ（１９）图９　微元体导热分析　　同理，微元体右侧、前侧和上侧表面导出的热流量可以分别表示为：ｄＱｘ＋ｄｘ＝ｄＱｘ＋Ｑｘｄｘ＝ｄＱｘ＋ｘ（－λｔｘｄｙｄｚ）ｄｘ（２０）ｄＱｙ＋ｄｙ＝ｄＱｙ＋Ｑｙｄｙ＝ｄＱｙ＋ｙ（－λｔｙｄｘｄｚ）ｄｙ（２１）ｄＱｚ＋ｄｚ＝ｄＱｚ＋Ｑｚｄｚ＝ｄＱｚ＋ｚ（－λｔｚｄｘｄｙ）ｄｚ（２２）　　令微元体单位体积的发热功率等于·Ｖ，那么它所产生的热流量应该等于·Ｖｄｘｄｙｄｚ。微元体热力学能的增量等于ρｃ７０１杨亚联，等：湿式多片离合器摩擦副温度仿真分析ｔτｄｘｄｙｄｚ。由任意时刻的能量守恒得ρｃｔτ＝ｘ（λｔｘ）＋ｙ（λｔｙ）＋ｚ（λｔｚ）＋·Ｖ（２３）　　另外，由于湿式多片离合器为非稳态导热，所以必须给出过程开始时物体内的温度场，即初始条件。本文开始时刻的初始条件为ｔτ＝０＝ｆ（ｘ，ｙ，ｚ）＝２５（２４）４．３　温度计算实例在分析各种传热问题时，必定会涉及材料等诸多方面的物理性质。这些性质称为材料的热物理性质，简称热物性［１３］。材料的热物性可分为２大类：第１类是热力学性质，即用来确定系统所处平衡状态的物理参数，包括密度、比热容等；第２类是输运性质，包括导热系数等描述扩散速率的物理量。某型湿式多片离合器的热物性如表１所示。表１　湿式多片离合器的参数参数内径／ｍｍ外径／ｍｍ厚度／ｍｍρ／（ｋｇ·ｍ－３）λ／（ｗ·（ｍ·ｋ）－１）Ｃ／（Ｊ·（ｋｇ·ｋ）－１）摩擦片４４５６２．２５６００８５３６对偶钢片４４５６１．２７８００４８４８７　　以１２００ｒ／ｍｉｎ的初始速度在０５Ｌ／ｍｉｎ的ＡＴＦ８号冷却液对摩擦副进行冷却得到摩擦副的摩擦片及对偶钢片温度变化如图１０所示。图１０　摩擦片及对偶钢片的温度变化曲线５　结论１）摩擦副滑磨过程中在初期的极短时间内摩擦副表面温度分布较均匀，但随着生热和热传导的进行，摩擦副表面温度分布不再均匀。２）离合器接合过程中，摩擦片上的温度最大值比对偶钢片的温度最大值要高。主要是因为摩擦片的摩擦材料基质的热物理性与衬片不同引起的。３）本模型计算得到的结果能较好地反映离合器滑磨过程中摩擦片和对偶钢片的温度变化情况。４）在离合器一定工况下的接合时间内，摩擦副的温度达到最大值后，摩擦片及对偶钢片的温度在冷却液的作用下最终趋于均匀。参考文献：［１］　陈汉鸣，梁志锋．混合动力汽车的研究与发展［Ｊ］．机电工程技术，２００１（５）：１７－２０．［２］　吴基安，吴洋．新能源汽车知识读本［Ｍ］．北京：北京邮电出版社，２００９：１６１－１６３．［３］　吕和生，林腾蛟．湿式多片离合器油路三维流场分析［Ｊ］．中国机械工程，２００９，２０（１６）：１９７８－１９８２．［４］　莫易敏，王峰．微型汽车离合器摩擦副瞬态温度场分析与验证［Ｊ］．武汉理工大学学报，２０１０，３２（６）：１０７－１１０．［５］　霍晓强，刘安．湿式换挡离合器摩擦副瞬态温度场的仿真研究［Ｊ］．工程机械，２００６，６（３）：２３－２７．［６］　高耀东，李新利．离合器摩擦片温度场的有限元分析［Ｊ］．煤矿机械，２００７，２８（６）：７３－７５．［７］　胡宏伟，周晓军．离合器接合过程中抖动及其影响因素的分析［Ｊ］．浙江大学学报：工学版，２００９，４３（３）：５３５－５３９．［８］　ＴｉｅｎＣｈｅｎＪｅｎ．Ｔｈｅｒｍａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆａｗｅｔｄｉｓｋｃｌｕｔｃｈｓｕｂｊｅｃｔｅｄｔｏａｃｏｎｓｔａｎｔｅｎｅｒｇｙｅｎｇａｇｅｍｅｎｔ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｅａｔａｎｄＭａｓｓＴｒａｎｓｆｅｒ，２００８，５１：１７５７－１７６９．［９］　ＰａｒＭａｒｋｌｕｎｄ．Ｔｈｅｒｍａｌｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｏｒｑｕｅｔｒａｎｓｆｅｒｏｆｗｅｔｃｌｕｔ