同步器摩擦環碳布固化過程的傳熱分析

陳強 劉亞軍

摘要：文章采用UG 后處理模塊NXNASTRAN求解器對同步器摩擦環固化過程的導熱特性進行數值分析，確認摩擦環在粘接固化過程中夾具、零件、膠膜、碳布各相關件的溫度變化曲線，分析傳熱特性，結合生產實際對工藝優化提升提供理論支撐。

關鍵詞：同步器摩擦環;溫度;膠膜;碳布

前言

同步器是變速箱的重要部件，而其中以摩擦環尤為關鍵。摩擦環是金屬基體與碳纖維復合材料通過膠膜粘接結合的產物，兩種材料的粘接固化工藝直接影響摩擦性能，進而對變速箱傳動性能產生巨大影響。文章主要采用UG的后處理模塊NASTRAN對粘接固化過程的傳熱特性進行瞬態分析，確定夾具、零件、膠膜各個模塊的溫度-時間變化曲線，探索傳熱對粘接固化過程的影響，為粘接工藝優化提升提供理論參考及依據。

1摩擦環粘接固化傳熱模型介紹

如圖1所示，摩擦環基體與摩擦材料（碳布）通過某種膠粘接為一體，其過程需要限定外形尺寸，同時持續加熱使膠固化，以保證粘接強度。因而需要專用夾具進行限位及導熱。上下兩個熱板內嵌熱電偶，進行持續性的熱量傳輸。

初始狀態時，熱板因有熱源持續傳熱，可簡化其為恒溫體（200℃）;夾具與熱板相連，其初始溫度與熱板相同;摩擦環放入夾具內部，其初始溫度為室溫20℃，各模塊的熱物理參數及邊界條件如表1所示。

模型整體網格劃分90W，針對膠膜，碳布等尺寸較小的部件做了局部網格加密和細化，同時忽略空氣熱對流及熱輻射，忽略熱板的溫度微小波動，假設系統傳熱過程理想，分析系統的瞬態傳熱特性。

2數值仿真計算

利用UG軟件后處理模塊的NASTRAN求解器進行瞬態非線性熱分析，考慮實際生產預熱時間為5分鐘，時間步長設置為300s，增量1s。根據表1設置各部件的熱物理參數及接觸關系。初始狀態如圖2所示。

3仿真結果及分析

通過300s非線性數值分析，各部件溫度已趨近于設定溫度200℃，仿真已基本收斂，參見圖3。零件由室溫放入200℃的夾具內，與夾具接觸面迅速吸熱升溫，此時零件芯部區域溫度較低，隨時間的增加，整體溫度迅速上升。

通過關鍵部位采點，得到各部件的時間-溫度變化曲線，如下圖所示。

對比圖4、圖5可以發現，摩擦環在放入夾具瞬間，由于與夾具表面有巨大溫差（摩擦環20℃，夾具200℃），且碳布熱導率極高（700W/mK），熱交換迅速;而緊貼碳布的膠膜其導熱率很小（2W/mK），熱量不能及時轉移，其溫度迅速上升，溫差減小，吸熱因而減少，放熱相對增加，造成溫度的再次下降，此現象直觀體現在摩擦環放入夾具初期碳布溫度劇烈上下波動。

而膠膜在吸熱初期雖然熱導率及比熱與碳布差異較大，但考慮到碳布厚度0.6mm，而膠膜實際厚度僅為0.07mm，厚度極薄，且質量極輕，溫度變化敏感，其溫度緊隨碳布溫度，二者在溫度時間變化趨勢上印證了這一點。

夾具在接觸零件后，其作為熱量輸出方，接觸區域附近溫度在5s內迅速降低至144℃;現場實測溫度降低至140℃，此降溫過程得到驗證，見表2所示，夾具實測溫度與仿真溫度趨勢一致，數值接近。其后由于熱板不斷補充熱量，夾具溫度得以回升。

根據比熱計算公式Q=CmΔT，當夾具質量增加時，溫降減緩，傳遞熱量更迅速，零件也能更快的升溫。

對于零件基體而言，其作為最后的受熱方，熱量由外部傳至芯部，故而芯部溫度上升最慢，參見圖3。

此外，對比各零件溫度-時間曲線發現，在240s時，各部件溫度均已超過195℃，基本進入穩態，現場實際設

定預熱溫度為5分鐘，符合溫度控制要求。

4總結

4.1對于摩擦環而言，其基體升溫過程存在溫差，而關鍵固化區域碳布及膠膜溫升曲線一致，且均在5分鐘內達到設定溫度。

4.2考慮提升效率，減少預熱時間，則需增加夾具質量以增加儲熱，使碳布及膠膜迅速升溫至設定溫度。

4.3對比溫度云圖，零件熱量由外向內傳遞，零件重量及外形尺寸對傳熱影響很大

4.4對比夾具表面溫度實測及仿真數據，二者誤差在10%以內，此仿真模型針對生產實際具有重要指導和參考意義。