浅谈湿式摩擦离合器多场耦合动态设计方法

提出应用多刚体动力学仿真技术和热力学数值模拟技术集成进行湿式摩擦离合器动态设计的方法，得到离合器摩擦片动态接合过程中温度分布和热应力分布，并为进一步深入研究打下基础。

　　1前言

　　湿式摩擦离合器是机械设备传动机构的重要部件，该类离合器的传统设计方法是按照稳定运行状态计算许用传递扭矩，校核摩擦材料的比压和挤压应力，确定离合器结构。在实际使用过程中，绝大部分离合器的损坏不是在稳态运转时，而是在动态接合过程中。在试验研究中我们发现传统设计方法的计算结果与试验结果有几倍的差距。经过深入的分析研究，提出了湿式摩擦离合器的动态设计方法，该方法寻求离合器接合过程中摩擦片之间由于摩擦产生的非稳态温度场和动态热应力的计算方法，首先建立离合器的多体动力学模型，从而确定动态热负荷的计算公式中的转速、比压等参数，在一定的惯量、油槽形状及摩擦材料下研究摩擦片的摩擦性能和热负荷性能，从而确定离合器动态接合过程中的温度场和热应力分布，为湿式离合器设计提供准确参数，真正设计出满足动力装置可靠高效的功率传输要求的产品。

　　2离合器多场耦合工况分析

　　在离合器接合过程中，具有相对旋转运动的内外摩擦片沿轴向移近压紧，直到全部摩擦片被压紧并同步旋转为止。主动摩擦片相对于从动摩擦片滑动，摩擦力做功产生热量使摩擦片温度升高，当温升过大，即热负荷过大时会导致摩擦片失效。对于这种多层有间隙结构的热应力场有限元分析模型，当间隙值为零，即摩擦衬片与对偶钢盘压紧而接触时，其间热流密度随衬片压力值的增加而增大，随其降低而减小；当间隙值大于零时，摩擦衬片与对偶钢盘分离，摩擦衬片压力值为零，此时摩擦副间热流密度值亦为零。要准确计算由于摩擦产生的热流密度，需要准确计算滑摩过程中摩擦片之间的压紧力变化睛况，并将摩擦片间压紧力随时间变化的函数关系引入有限元计算中，应用多刚体动力学对湿式离合器进行滑摩过程的分析，计算出摩擦片在滑摩过程每一时刻的相对转速和摩擦片之间的压紧力。根据试验确定摩擦生热的转换系数，应用有限元技术就可以准确的计算摩擦片相对转速和压紧力不断变化情况下的滑摩功和摩擦热。因此，离合器动态设计的关键技术是确定应用多刚体动力学确定离合器滑摩过程中摩擦片之间的压紧力和相对转速的变化情况，通过试验确定摩擦热的生成效率，进行有限元摩擦生热的热弹性耦合分析。

　　3离合器接合过程理论分析

　　原动机的驱动力矩在摩擦片之间的摩擦作用下转换为离合器的动转矩(￡)，动转矩克服离合器的工作转矩r，带动从动部分转动，如式(1)所示。

式中：t71、一主从动部分的转动魄量；∞、∞一主从动部分的角速度；Td(t)—包括摩擦片的摩擦转矩和冷却油的粘合力矩，由于后者很小，在此忽略不计。按式(2)计算。

式中：—摩擦副数；—摩擦系数；p()—摩擦片的表观压强；R：—摩擦片工作表面的内外半径。

式中：A—摩擦片的表观面积；A一油缸的活塞面积；R一摩擦片的当量摩擦半径。

　　将式(1)积分，可得主从摩擦片的转速，见式(4)和式(5)。

边界条件只考虑主从摩擦片的热传导和从动摩擦片表面沟

槽内冷却油的对流边界条件：

在这里，滑摩功率的计算是非常关键的，其中摩擦片问的摩擦转矩和摩擦片间的相对转速通过多体动力学计算得到，摩擦生热系数由实验确定。

　　4湿式摩擦离合器多场耦合计算结果

　　通过对湿式摩擦离合器模型滑摩过程的分析和理论分析可以看出，湿式摩擦离合器动态设计的方法的关键是刚体动力学与有限元摩擦生热的热弹性耦合分析的集成，整个湿式多片离合器瞬态温度和热应力场有限元计算应由三部分组成：多刚体动力学计算摩擦副接合过程中压力变化和相对转速的变化；有限元技术计算摩擦副接合过程中的温度分布和热应力分布；多刚体动力学和有限元技术的集成。

　　考虑摩擦片表面沟槽的影n[~t21，有限元计算采用三维计算。计算模型中摩擦片表面为铜基粉末冶金，对偶材料为45钢，湿式离合器摩擦片问的摩擦系数为取为0．07，45钢的弹性模量E为2．1e5MPa，泊松比为0．3，密度为7．8e一3g／mm，热相关参数：导热系数为54W／(m·K)、比热容为465J／(Kg·K)，铜基粉末冶金材料密度为5．8e一3g／arm，其他性能都取的与45钢相同。

　　多刚体动力学计算结果，如图1、图2所示。图1可见，离合器输入转速为恒定时，输出转速的变化情况，从中可以确定离合器的接合时间大约为1S；从图2可确定离合器上摩擦片的接触压力的变化情况。

离合器瞬态温度和热应力场有限元计算结果，如图3和图4所示。图3中可以看出动态接合过程中摩擦片最高温度从20℃升高到180．3℃，接合过程结束时的温度为90．98℃；从图4可见摩擦片上最高温度的位置在摩擦片内圈径向沟槽的背面，对应位置处等效应力分布，如图5所示。其分布规律与温度分布相同，这说明摩擦片表面沟槽对摩擦片温度分布是有影响的。

　　5结语

　　以上分析计算过程应用多场耦合技术初步确定了湿式摩擦离合器动态接合过程中主从摩擦片的相对转速和摩擦片间的接触压力不断变化情况下摩擦片上的温度变化和分布以及热应力的分布。初步确定了计算离合器摩擦性能和热负荷性能的多场耦合动态设计方法，能够准确的确定摩擦片的转速和比压，在一定的惯量、摩擦片片数、润滑油品种、油槽形状及摩擦材料等各确定条件下，计算摩擦片上的温度和热应力分布。

　　在以后的研究中还需要进一步完善CAD造型、多刚体动力学计算和瞬态热力学有限元计算的集成系统，实现CAD造型的参数化与多刚体动力学和有限元计算的参数化，实现湿式摩擦离合器的优化设计。
 

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