摩擦式离合器滑摩过程及温度场分析

摘 要：为更真实地反映摩擦式离合器滑摩过程中的温度场，提出1种利用动力学软件与有限元软件相互辅助分析的方法.在试验测得的负载扭矩的基础上，建立摩擦片和内鼓轮及气胎的模型；利用MSC Adams对摩擦式离合器进行动力学仿真，通过对摩擦片加压计算出滑摩时间和主、从动端的相对转速；将该相对转速用于有限元热机耦合场分析，通过摩擦片和内鼓轮的相对转动形成滑摩、生成热量，得离合器各时刻的温度场.结果表明：离合器在接触后3.064 s时主、从动端接合完毕，且摩擦片瞬态最高温度只有65.83 ℃.该方法对摩擦式离合器滑摩过程及温度场分析具有一定的实际意义.す丶词：摩擦式离合器； 滑摩时间； 热机耦合； 温度场ぶ型挤掷嗪牛TH133.4； TH117.1； TB115 文献标志码：

A

Analysis on frictional sliding process andtemperature field of friction clutch

CHEN Huiliang

1a, WU Xiugen

1b, FU Kunkun2, SHEN Mingxing2

(1. a. School of Aerospace Eng. & Mechanics; b. School of Civil Eng., Tongji Univ., Shanghai 200092, China;2. 704th Research Institute, China Shipbuilding Industry Co., Shanghai 200031, China)

Abstract： To reflect the temperature field of friction clutch in the frictional sliding process more realistically, a method using multibody dynamics software and finite element software which are used to perform mutual aidedanalysis is proposed. Based on the load torque obtained from experiments, the models of friction plate, inner drum and pneumatic tyre are built; multibody dynamics simulation of friction clutch is performed by MSC Adams to get frictional sliding time and relative rotational speed between master side and slave side; the relative rotational speed is used for finite element analysis on thermalstructural coupling, the frictional sliding and heat are generated by relative motion between friction plate and inner drum, and the temperature filed is obtained at each time step. The results show that the master side and slave side complete bonding engagement at 3.064 s after clutch contacts, and the highest temperature is 65.83 ℃ only. The method is practical for the analysis on frictional sliding process and temperature field of friction clutch.Key words： friction clutch; frictional sliding time; structuralthermal coupling; temperature field

な崭迦掌冢2010[KG*9〗03[KG*9〗29 修回日期：2010[KG*9〗09[KG*9〗02ぷ髡呒蚪椋 陈惠亮(1986―)，男，上海人，硕士研究生，研究方向为计算固体力学，(Email)0 引 言

摩擦式离合器是机械工程中重要的传动装置，其主要功能为实现主、从动轴在短时间内方便、高效、平稳地接合和分离.在摩擦过程中，摩擦表面间的相互滑摩会产生大量热量，使离合器温度升高，而温度过高会引起离合器性能改变，甚至导致事故发生，有必要分析离合器的滑摩过程及其温度场.

离合器热负荷的计算主要采用经验公式，利用滑摩功能简单估算出摩擦物体的温度

［1］，但不够准确.目前，对于摩擦片的温度场分析主要采用有限元法，通过计算摩擦表面的热流密度

［24］，考虑热传导、热交换来计算温度场.但每个时刻摩擦表面都相对运动，未接触表面和接触表面的传热和换热边界条件不一致，因此温度分布也不相同.若不考虑转动，则不能体现实际动态接触产生不一致的温度场.这种缺点可通过设定摩擦表面按实际情况运转来克服：BABU等

［5］提出考虑旋转的动态接触耦合分析温度场的方法，但只计算了二维情况，且其负载扭矩通过编程利用简单公式得出，滑摩转矩影响滑摩时间，对温度场影响很大.

本文利用动力学软件与有限元软件相互辅助分析的方法，通过动力学分析考虑实际的负载扭矩情况，计算得到滑摩时间和主、从动端的相对转速.考虑离合器三维模型，利用有限元热机耦合分析计算离合器的瞬态温度场，并考虑接触传热系数，计算出稳态温度场.1 离合器接合过程分析

摩擦式离合器接合过程分为4个阶段

［6］：第1阶段，随着气胎的逐渐加压，气胎逐渐膨胀，消除摩擦表面的间隙；第2阶段，当间隙消除后，随着气胎压力的进一步增大，摩擦力逐渐增加，即摩擦转矩逐渐增大，但此阶段滑摩转矩不足以克服负载扭矩，从动端静止不动；第3阶段，随着气胎压力的进一步增大，摩擦力也进一步增加，当滑摩转矩大于负载转矩时，在滑摩转矩的作用下，从动端开始加速，直到主从动端角速度相等，达到稳定状态；第4阶段，从动端和主动端的角速度达到稳定，气胎压力继续增加到最大，此时滑摩转矩最大.2 动力学仿真

图 1 摩擦片和内鼓轮及气胎的模型通过试验测得负载扭矩，建立摩擦片和内鼓轮及气胎的模型(见图1)，应用MSC Adams进行动力学仿真，分析中转动惯量影响扭矩，本文通过改变密度设定主、从动端的转动惯量.そ各摩擦片初始位置设定为即将与内鼓轮接触的位置，即摩擦片与内鼓轮贴合无间隙.通过压力控制其接触.从气胎逐渐加压消除间隙到刚与内鼓轮接触需要0.8 s，动力学仿真从刚接触瞬间开始分析，即从第2阶段开始分析.动摩擦因数为0.3，静摩擦因数为0.35.设以恒定的25 r/min转速模拟主动端电机的持续运转；设定摩擦片和气胎为径向移动副，并在摩擦片上设定沿径向力.设定的约束关系和运动关系见表1.け 1 设定的约束关系和运动关系气胎摩擦片内鼓轮大地气胎无径向滑动副，げ⒂芯断蛄ψ饔梦扌转副，并设定扭矩摩擦片径向滑动副，げ⒂芯断蛄ψ饔梦藿哟ィ考虑摩擦）无内鼓轮无接触（考虑摩擦）无旋转副，并设定恒定转速大地旋转副，并设定扭矩无旋转副，并设定恒定转速无じ涸嘏ぞ囟匀范滑摩时间起重要作用，本文由试验测得滑摩扭矩，输入到MSC Adams中，负载扭矩时程曲线见图2.在开始阶段由于摩擦力矩小，负载扭矩随着摩擦力矩的增大而增大，此时内鼓轮速度不变；随着摩擦力矩的增加，负载扭矩也随之增加；最后达到稳定.与上文分析一致.分析起始时刻为摩擦片与内鼓轮刚接触时的时刻，分析时长为

9.4 s.内鼓轮与气胎的角速度时程曲线见图3，在摩擦片与内鼓轮接触到3.064 s时主、从动端转速达到稳定、速度相等，即此时接合完成.图 2 负载扭矩时程曲线图 3 内鼓轮与气胎的そ撬俣仁背糖线3 温度场分析

MSC Marc采用弱耦合方式进行热机耦合分析，即先进行热传导分析，然后进行应力分析.温度影响变形，而变形不影响温度.控制方程为И[WTHX]M[WTBX]u¨+[WTHX]D[WTBX]u・+[WTHX]K[WTBX](T,t)[WTHX]u[WTBX]=[WTHX]F[WTBX][JY]（1）[WTHX]c[WTBX](T)T・+KT(T)[WTHX]T[WTBX]=[WTHX]Q[WTBX]+[WTHX]Q[WTBX]F[JY]（2）И式中：[WTHX]M[WTBX]为质量矩阵；[WTHX]D[WTBX]为阻尼矩阵；[WTHX]K[WTBX](T,t)为与温度、时间相关的刚度矩阵；F为外力矢量；[WTHX]u[WTBX]为节点位移矢量；[WTHX]T[WTBX]为节点温度矢量；Q为热通量向量；QF为摩擦热量；c[WTBX]为比热容矩阵；KT为热传导矩阵.

在摩擦片上施加压力边界条件模拟气胎加压，并约束摩擦片最外层节点的轴向及周向自由度，使摩擦片只能沿径向移动，设定热机耦合所需要的分析材料参数见表2，取内鼓轮为刚性传热体，并设定角速度(可由上文动力学分析得到)，摩擦片用三维热机耦合全积分单元分析.当稳定接合时摩擦力不做功，不生成热量.热机耦合分析时间为5 s，室温为20 ℃，不考虑接触换热，进行瞬态热机耦合分析.け 2 分析材料参数参数摩擦片内鼓轮弹性模量/GPa3206泊松比0.20.3密度/(kg/m3)2 0007 860比热容/(J/(kg・K))1 100420热导率/(W/(m・K))155接触传热系数/(W/(m2・K))9090び捎谄胎消除间隙需0.8 s，在进行热分析时，这段时间不产生热量.之后，摩擦片温度升高较快，在滑摩结束且主、从动端角速度相同即3.864 s时，摩擦片温度局部达65.83 ℃，见图4；在

3.864～5 s内，离合器表面高温部分向低温部分传热，在5 s时最高温度只有52.74 ℃.取表面3个节点分析发现，在刚接合时节点温度迅速升高；但在接合未结束时节点温度有所下降，这主要是由于温度升高过快，与周围温差大，热传导作用大于摩擦生热作用，温度下降；到滑摩结束时，由于不产生热量，温度依然下降，摩擦片节点温度时程曲线见图5.ね 4 3.864 s时摩擦片的温度分布云图 图 5 摩擦片节点温度な背糖线つ诠穆值奈露壬高较慢，在滑摩结束即3.864 s时，摩擦片的温度局部最高只有22.67 ℃，见图6；在3.864～5 s时，离合器表面高温部分向低温部分传热，在5 s时最高温度只有21.91 ℃.取表面3个节点分析发现，在刚接合时各节点温度迅速升高，但在接合未结束时温度就有所下降，这主要是由于温度升高过快，与周围温差大，热传导作用大于摩擦生热作用，温度下降，到滑摩结束时由于不产生热量，温度依然下降，见图7.ね 6 3.864 s时内鼓轮の露韧 7 内鼓轮节点温度时程曲线ね 8 离合器接合过程中つΣ亮ψ龉κ背糖线离合器接合过程中摩擦力做功时程曲线见图8，摩擦力做功转换成热量，在稳定接合后共做功

148 339.6 J.の分析离合器换热过程，将稳定接合即3.864 s时各节点的温度作为初始温度条件，分析离合器传热，分析时间为1 800 s，时间较长，可近似为稳态过程.不考虑与环境的换热，考虑摩擦片和内鼓轮的接触换热，接触传热系数见表2.1 800 s时离合器温度场分布云图见图9，可知温度梯度从内鼓轮无侧面端向有侧面端逐渐变小.图 9 1 800 s时离合器温度分布云图

摩擦片上节点温度时程曲线见图10，发现摩擦片表面温度下降非常快，这时主要为摩擦片的热传导和与内鼓轮的换热作用，在30 s内温度已下降到30 ℃以下.

(a)时程曲线(b)局部放大图 10 摩擦片上节点温度时程曲线

内鼓轮节点温度时程曲线见图11，发现在开始阶段温度下降也非常明显，在50 s后有一定上升，这主要是由于摩擦片的热交换作用大于表面节点的热传导作用；随着摩擦片表面温度的迅速下降，温度逐渐趋于稳定.(a)时程曲线(b)局部放大图 11 内鼓轮节点温度时程曲线

4 结 论

通过动力学软件与有限元软件相互辅助分析，利用动力学软件在处理约束关系强和有限元软件在处理变形和温度场强的特点，对离合器的滑摩过程和温度场进行分析，得离合器从摩擦片和内鼓轮刚接触到稳定接合时间为3.864 s，在不考虑换热时摩擦片瞬态最高温度为65.83 ℃.该方法具有一定的实际意义.参考文献：ぃ1］ 张嗣伟. 石油钻机的气动摩擦离合器［M］. 北京: 石油工业出版社, 1980: 3034.

［2］ BALBZS C, KBROLY V, ALBERT A, et al. Fe thermal analysis of a ceramic clutch［J］. Tribology Int, 2009, 42(5): 714723.ぃ3］ 徐晓科, 莫易敏, 汤春球, 等. 微型汽车离合器摩擦副温度场研究［J］. 现代制造工程, 2009(1): 7477.ぃ4］ 林腾蛟, 李润方, 杨成云, 等. 湿式摩擦离合器瞬态热传导过程数值仿真［J］. 机械科学与技术, 2003, 22(1): 3941.

［5］ BABU A S, PRASAD N S. Coupled field finite element analysis of railway block brakes［J］. Proc Inst Mech Engineer, Part F: J Rail & Rapid Transit, 2009, 223(4): 345352.ぃ6］ 杨勇强. 矿用防爆机车湿式摩擦离合器的优化与仿真研究［D］. 西安: 西安科技大学, 2005.(编辑 于 杰)

HyperWorks在日立300 t大型矿用卡车研发中的应用

由日立重卡制造公司设计并在其加拿大安大略省圭尔夫市工厂生产的大型矿用卡车，体宽9.144 m

(30英尺)，能够运载重达316 t的有效负载.如何降低材料成本，达到ISO标准并获得客户满意的有效负载性能，是日立重卡制造公司的设计工程师在设计过程中面临的重大挑战.

2005年，时任日立重卡制造公司技术分析经理HyperWorks专家Harry TEMPELMAN把HyperWorks带到日立.他把工作重点集中在使设计方案满足ISO 3471防翻滚保护系统规范（ROPS）和防落物保护系统规范（FOPS）的同时，降低驾驶室焊接结构钢的重量.

通过很短时间内的多次设计和验证，日立重卡制造公司在计算过程中获得1个性能超出ISO标准的卡车结构.物理测试表明，HyperWorks能够准确预测此结构所有的非线.