摘要
热失效是混合动力汽车湿式离合器发生故障的主要原因之一。摩擦副滑摩过程中具有高度非线性,同时摩擦副温度场受到多个参数影响。为深入研究混合动力汽车离合器摩擦副温度场分布情况,通过搭建混合动力汽车离合器热结构耦合分析模型,对滑摩过程进行仿真计算。在此基础上,深入研究初始转速、接合油压、对偶钢片厚度和摩擦衬片材料等因素对摩擦副温度场的影响。
湿式离合器具有传递转矩大、散热性能好及工作性能稳定等特点,被广泛运用于混合动力汽车传动系统
李和言
目前针对摩擦副滑摩过程中结构参数对温度场沿周向和径向分布影响规律研究较少,而且大部分研究是采用间接耦合法仿真研究,无法实现热结构耦合。针对现有不足,建立湿式离合器摩擦副模型进行热结构直接耦合。在此基础上,深入研究初始转速、接合油压、对偶钢片厚度及摩擦衬片材料等因素对摩擦副温度场的影响规律,并提出湿式离合器设计优化建议。
混合动力汽车传动系统结构如

图1 混合动力汽车传动系统结构
Fig. 1 Transmission system structure of hybrid electric vehicles
湿式离合器主要由摩擦衬片、对偶钢片、内毂齿环、外毂齿环、压盘及卡环等组成,由于后序CAE软件分析需要,合理建模各部件尺寸和装配关系十分关

图2 离合器部件模型及局部视图尺寸(单位: mm)
Fig. 2 The clutch model and partial view dimensions (unit: mm)

图3 摩擦副装配图
Fig. 3 Assembly drawing of friction pair
摩擦副构件 | 内直径/mm | 外直径/mm | 厚度/mm | 齿数 | 油槽数 |
---|---|---|---|---|---|
对偶钢片 | 104.2 | 138 | 1.84 | 26 | |
压盘 | 105.4 | 139 | 5.10 | 26 | |
卡环 | 131.0 | 139 | 2.10 | 26 | |
摩擦基片 | 104.2 | 138 | 0.80 | 32 | |
摩擦衬片 | 104.2 | 138 | 0.49 | 56 |
摩擦基片、摩擦衬片构成湿式离合器摩擦副的摩擦
摩擦副构件 | 密度ρ/(kg∙ | 导热系数k/(W∙ | 比热容c/(J∙k | 弹性模量E/GPa | 泊松比µ | 热膨胀率α |
---|---|---|---|---|---|---|
对偶钢片 | 7 800 | 54 | 452 | 200 | 0.30 | 1.15 |
摩擦衬片 | 750 | 5 | 1 610 | 1 | 0.05 | 1.00 |
摩擦基片 | 7 800 | 54 | 452 | 200 | 0.30 | 1.15 |
将三维模型导入到有限元软件中,对模型进行网格划分。对离合器各部件的不同情况,分别选用相适应的单元尺寸进行网格划分,对偶钢片共7 480个单元,摩擦片共9 520个单元。

图4 部分部件网格划分
Fig. 4 Mesh dividing of some parts
内毂齿环齿面与摩擦基片齿面之间、外毂齿环与钢片齿面之间、摩擦衬片与摩擦基片之间相互作用并设置非摩擦固定接触,啮合面之间无相对滑动,无摩擦生热。摩擦衬片与钢片接触面之间有相对滑磨作用并设置有摩擦接触并定义摩擦接触属性,如摩擦系数、热量分配系数等。创建控制点为参考点,控制摩擦副旋转及旋转速度。设置对流换热为非圆形体内部强制对流换热。摩擦衬片与钢片结合面相对滑动,冷却油扫略过相对滑动表面,视为横掠平板对流换热。摩擦副内外环面与冷却油接触,视为横掠圆柱体强制对流换热。
施加均布压强在钢片模拟油压作用,通过参考点给钢片一定的转速模拟相对滑摩转动,控制其轴向运动保证结合面之间的相对滑摩产生热量。约束外毂齿环等部件的所有自由度以保证被结合部分摩擦副位置固定。
由于对偶钢片和摩擦片在接合过程中存在相对转速差,且受到压盘的轴向压力,因此,在两者的接触面间会因为摩擦而产生热量。假设摩擦副滑摩做功所产生的热量全部被摩擦副表面吸
, | (1) |
式中:为热量;为接触面积;为摩擦系数;为压强;为点(x,y)摩擦半径。
因为对偶钢片与摩擦衬片的材料特性不同,所以热流密度分布在两者表面也不同,以热流分配系数Kq来描述该比例,摩擦副内的热流密度调配关系为
, | (2) |
式中:k为导热系数;为密度;c为比热容;下标p和d分别代表摩擦衬片和对偶钢片。
分配在钢片和摩擦片上的热流密度分别
, | (3) |
。 | (4) |
以混合动力汽车纯电驱动模式切换到发动机驱动模式为例进行研究。

图5 工况C下t=0.5 s时钢片温度分布云图
Fig. 5 Cloud diagram of steel sheet temperature distribution at t = 0.5 s under working condition C

图6 工况C下t=0.5 s时钢片Mises应力云图
Fig. 6 Cloud diagram of Mises stress of steel sheet at t = 0.5 s under working condition C
工况 | 初始转速/(r∙mi | 接合油压/MPa | 滑摩时间/s | 初始温度/℃ | 油槽宽度/mm |
---|---|---|---|---|---|
A | 800 | 1.5 | 0.5 | 70 | 2 |
B | 1 200 | 1.5 | 0.5 | 70 | 2 |
C | 1 500 | 1.5 | 0.5 | 70 | 2 |
在

图7 工况C下钢片温度分布云图
Fig. 7 Cloud diagrams of temperature of steel sheet under working condition C

图8 工况C下t=0.5 s时摩擦衬片温度分布云图
Fig. 8 Cloud diagram of temperature distribution of friction lining at t = 0.5 s under working condition C

图9 工况C下t=0.5 s时摩擦衬片Mises应力分布云图
Fig. 9 Cloud diagram of Mises stress distribution of friction lining at t = 0.5 s under working condition C
由

图10 工况C下摩擦衬片不同时刻温度分布云图
Fig. 10 Cloud diagrams of temperature of friction lining under working condition C
为了研究湿式离合器摩擦副沿径向的温度变化,在钢片沿径向半径R=54、58、62、66 mm取点,标记为N1、N2、N3、N4,如

图11 工况C下t=0.5 s时钢片径向温度点
Fig. 11 Radial temperature points of steel sheet at t = 0.5 s under working condition C

图12 工况C下0.5 s内钢片径向不同点温度变化曲线
Fig. 12 Temperature variation curves of different radial points of steel sheet in 0.5 s under working condition C

图13 工况C下0.5 s内钢片径向不同点Mises应力变化曲线
Fig. 13 Variation curves of Mises stress at different radial points of steel sheet in 0.5 s under working condition C
取摩擦衬片沿径向半径R取值54、58、62、66 mm的点分别标记为N5、N6、N7、N8,再取R=62 mm处油槽边缘高温点标记为N9,如

图14 工况C下t=0.5 s时摩擦衬片径向温度点
Fig. 14 Radial temperature points of friction lining at t = 0.5 s under working condition C

图15 工况C下0.5 s内摩擦衬片径向不同点温度变化曲线
Fig. 15 Temperature variation curves of different radial points of friction lining in 0.5 s under working condition C

图16 工况C下0.5 s内摩擦衬片径向不同点应力变化曲线
Fig. 16 Stress variation curves of different radial points of friction lining in 0.5 s under working condition C
工况A、B、C分别取不同的转速800、1 200、1 500 r/min。仿真得到3种工况下摩擦副元件温度分布云图。分别取钢片和摩擦衬片的3种工况温度最大值绘制其在0.0~0.5 s的温度变化曲线,如

图17 各工况钢片温度最大值变化对比曲线图
Fig. 17 Comparison curves of maximum value change of steel sheet temperature under various working conditions

图18 各工况摩擦衬片温度最大值变化对比曲线图
Fig. 18 Comparison curves of maximum temperature change of friction lining under various working conditions
从
工况C、D、E分别取不同的接合油压压强1.5、1.0、2.0 MPa,
工况 | 初始转速/(r∙mi | 接合油压/MPa | 滑摩时间/s | 初始温度/℃ | 油槽宽度/mm |
---|---|---|---|---|---|
工况C | 1 500 | 1.5 | 0.5 | 70 | 2 |
工况D | 1 500 | 1.0 | 0.5 | 70 | 2 |
工况E | 1 500 | 2.0 | 0.5 | 70 | 2 |

图19 各工况钢片温度最大值变化对比曲线图
Fig. 19 Comparison curves of the steel sheet temperature's maximum value under various working conditions

图20 各工况摩擦衬片温度最大值变化对比曲线图
Fig. 20 Comparison curves of the friction lining's maximum temperature under various working conditions
从图
工况C和F分别取不同的对偶钢片厚度2.0、1.6 mm。分别取钢片和摩擦衬片的2种工况温度最大值点绘制其在0.0~0.5 s的温度变化曲线,如

图21 各工况钢片温度最大值变化对比曲线图
Fig. 21 Comparison curves of the steel sheet temperature’s maximum value under various working conditions

图22 各工况摩擦衬片温度最大值变化对比曲线图
Fig. 22 Comparison curves of the friction lining’s maximum temperature under various working conditions
在0.5 s时,工况C下钢片和摩擦衬片最高温度分别为175.4 ℃和105.9 ℃。工况F下钢片和摩擦衬片最高温度分别为181.2 ℃和104.8 ℃。2种工况下钢片最高温度相差5.8 ℃,摩擦衬片相差仅有1.1 ℃。因此,在一定厚度范围内,对偶钢片越薄,最高温度越高,但对偶钢片厚度对最高温度的影响不明显,综合考虑轻量化要求,选取适当钢片厚度尤为重要。
为了研究不同摩擦材料对摩擦副温度的影响,分别选取纸基材料和铜基材料作为摩擦衬片,
摩擦材料 | 密度ρ/(kg∙ | 导热系数k/(W∙ | 比热容c/(J∙k | 弹性模量E/GPa | 泊松比µ | 热膨胀率α |
---|---|---|---|---|---|---|
纸基材料 | 750 | 5.0 | 1 610 | 0.21 | 0.05 | 1.00 |
铜基材料 | 8 960 | 405.0 | 390 | 115.00 | 0.32 | 1.70 |
摩擦基片 | 5 600 | 9.3 | 536 | 2.30 | 0.25 | 1.21 |

图23 不同摩擦材料的钢片温度最大值变化对比曲线图
Fig. 23 Comparison curves of the steel sheet’s maximum temperature with different friction materials

图24 不同摩擦材料的摩擦衬片温度最大值变化对比曲线图
Fig. 24 Comparison curves of maximum temperature of friction lining of different friction materials
1)分析了湿式离合器摩擦副热边界条件,建立了热流密度和对流换热模型,求得热流分配和对流换热系数;根据湿式离合器结构,建立了摩擦副三维模型,优化摩擦副结构并完成装配。运用有限元分析平台,建立了湿式离合器热结构耦合有限元分析模型。
2)在建立模型的基础上,分析了相对转速、油压压强、对偶钢片厚度、摩擦材料对湿式离合器摩擦副温度场的影响。湿式离合器摩擦副接合过程中,由于接触应力分布不均匀,导致摩擦副元件产生局部高温点,局部高温点集中在中环带,为116 ℃,内环与外环的温度相对较低,分别为108 ℃和102 ℃。在一定范围内,初始转速增大、油压压强增大、对偶钢片厚度变薄会使摩擦副温度升高。钢片厚度对温度的影响较小,在温度合理范围内,设计时为了使湿式离合器轻量化可以减小对偶钢片厚度。在摩擦材料方面,尽可能使用冷却性能较好的摩擦材料,可以大幅降低对偶钢片接合温度。
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