車輛離合器局部高溫區產生原因及其影響因素理論探討

魏鵬

中國人民解放軍65053部隊

車輛離合器局部高溫區產生原因及其影響因素理論探討

魏鵬

中國人民解放軍65053部隊

車輛離合器失效，主要原因是摩擦副表面的局部高溫，而摩擦副表面出現局部高溫的原因主要來源于車輛離合器在接合過程中出現的熱彈性不穩定性。所以要討論車輛離合器局部高溫區產生的原因及其影響因素，首先要分析何為熱彈性不穩定理論，在什么情況下會導致系統進入特彈性不穩定狀態，進而才能弄清楚在熱彈性不穩定狀態下如何出現離合器局部高溫區及其影響因素。本文就熱彈性不穩定理論展開探討。

車輛離合器；局部高溫區；熱彈性不穩定性；臨界速度

一、何為熱彈性不穩定理論

熱彈性不穩定理論是1969年由Barber提出的，主要是用來研究車輛摩擦原件在不均勻分布的溫度場中，如何引起材料的不均勻熱膨脹的過程。該理論認為，局部高溫區的產生原因是離合器摩擦副相對速度大于臨界速度，系統進入TEI狀態，而摩擦副表面受到不均勻的接觸壓力，是引起摩擦熱不均勻分布的主要原因，也是導致溫度場不均勻分布的主要因素。由于材料的熱脹冷縮性質，在不均勻的溫度場中，材料會產生不均勻熱膨脹，而這種熱膨脹還會加重接觸面的非均勻性，如此惡性循混，在摩擦副相對速度不但增大的情況下，一旦相對速度大于臨界速度，將會加速溫度場的不均勻分布，最終迫使系統進入熱彈性不穩定狀態，即TEI，導致摩擦副表面的局部高溫，引發離合器失效。

二、引發熱彈性不穩定狀態的影響因素

繼Barber提出的熱彈性不穩定理論之后到今天，應用有限元和仿真方法在研究TEI問題中有了重大突破，系統發生TEI的因素有很多，摩擦副材料、臨界速度、遷移速度等等，下文將做詳細介紹。

（一）摩擦材料不同，導致材料熱變形不同

選用兩種不同的摩擦材料，一為紙基材料，二為金屬材料。在相同的溫度場中，不同的材料由于本身性質、密度及熱擴散率的不同，會產生不同的熱變形，其對應不同的邊界條件，根據不同的邊界條件，可以解得兩種材料的溫度場擾動關系，相關計算，在此不做詳細說明。

（二）摩擦副材料的不同，導致臨界速度與遷移速度的不同

同樣選取紙基材料和金屬材料兩種摩擦材料，選用合金鋼作為對偶鋼片，進行計算兩種不同材料的臨界速度和遷移速度，根據摩擦因數f＝0.3，對偶鋼片厚度2 a＝5mm,可以求出臨界速度，根據反對稱模型下的溫度場擾動關系，可以求解出想相于鋼片的遷移速度。

可以得出以下結論：①不同的熱變形模型，在相同的溫度場中，臨界速度不同；②反對稱模型的臨界速度較對稱模型的小；③對稱模型的臨界速度大于離合器的工作速度；④由以上三點可知，鋼片上的局部高溫呈反對稱分布，所以反對稱模型的臨界速度就是系統發生熱彈性不穩定狀態（TEI）的臨界速度；⑤鋼片厚度一定時，不同波長的擾動可有不同的臨界速度；⑥鋼片厚度一定及擾動波長一定的情況下，系統發生TEI的臨界速度最小；⑦鋼片上的熱點位置會跟隨時間的推移而發生變化，且導熱性能好的材料，遷移速度更小。

正是由于臨界速度和遷移速度的存在，才會更易于促發TEI的發生，所以精確計算不同材料的臨界速度和遷移速度非常重要。

（三）導熱系數

要避免系統發生TEI，提高臨界速度是關鍵，而臨界速度與摩擦材料的導熱系數有著密切的關系。提高摩擦材料的導熱系數，可以促使摩擦熱向摩擦片傳導，有效減少鋼片的表面熱流，對減少鋼片表面局部熱點幾率和降低系統出現熱彈性不穩定狀態的利率有很大幫助。所以高導熱系數的摩擦材料是設計高速或重載車輛的離合器的首先選擇。

三、以多片式離合器為例，解釋車輛離合器局部高溫區產生原因及其影響因素

多片式離合器失效也是摩擦副出現表面局部高溫區而導致對偶鋼片表面損傷的結果，根據局部高溫產生的原因及形式，可以將離合器局部高溫區分為粗糙型、畸變型、焦點型和區域型四種類型。

首先，粗糙型高溫區出現主要是由接觸面的粗糙度所決定的，接觸面的粗糙程度，直接影響了摩擦副在滑摩過程中的瞬間高溫。其次是焦點型高溫區，該區的出現主要是有系統的熱彈性不穩定引起的，如上文所說，當滑摩速度大于臨界速度時，就會出現系統TEI，進而導致系統失穩。此類型的局部高溫，會灼燒接觸面，留下灼燒痕跡，故稱之為焦點型。而區域型和畸變型高溫區產生的原因分別是系統參數的不均勻性及熱變形所引起的，對離合器的性能影響不大，故不作詳細介紹。

對于多片式離合器出現局部高溫區，進而導致離合器失效，除了與其高溫區的類型密切相關外，還與離合器材料參數有關。

在研究離合器系統TEI狀態是的臨界速度中，還可以采取仿真方法進行求解分析，因為材料長度和擾動波長之比等于熱點數，所以在不同的擾動模態下，會有不同的臨界速度。離合器接合超過臨界速度且滑摩時間足夠長時，就有可能使得摩擦副產生熱點，導致系統進入熱彈性不穩定狀態。

四、總結

車輛離合器出現局部高溫區主要是因為離合器在工作過程中，進入了熱彈性不穩定狀態，在熱彈性不穩定理論（TEI）的支持下，摩擦副表面溫度在不均勻的溫度場中有著不均勻的局部高溫區分布。所以影響摩擦副表面局部高溫的因素，即為影響離合器局部高溫的因素。通過上文的分析探討，和多片式離合器的案例分析，可以知道臨界速度、遷移速度、摩擦材料導熱性、擾動波長、彈性和對偶鋼片厚度等等因素皆可以引發摩擦副的表面局部高溫，觸發離合器進入熱彈性不穩定狀態，最終可導致離合器失效。

[1]趙家昕,馬彪.車輛離合器局部高溫區成因及其影響因素理論研究[J].北京理工大學機械與車輛學院，2011，24（5）：282-284.

[2]李和言，陳漫.多片式離合器局部高溫區成因與系統穩定性研究[J].北京理工大學機械與車輛學院，2010，25(1):8—10.

魏鵬（1979-），男,漢族，河北省定州人，學歷：學士學歷，助理講師，主要研究方向：機械學，工作單位：中國人民解放軍65053部隊。