濕式離合器潤滑油流量對其熱流固耦合特性影響分析

張志剛，劉 航，李沁鋒，張子陽

(1.重慶理工大學 汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室， 重慶 400054；2.重慶青山工業技術中心， 重慶 402761)

0 引言

濕式離合器因其傳遞扭矩大、成本低、繼承性好等優點已得到廣泛的應用。濕式離合器在短暫的接合過程中，摩擦副溫度急劇升高，溫度梯度和應力梯度變大，會加劇其溫度場與應力場的不均勻分布，造成惡性循環[1-2]。嚴重時可能出現表面燒蝕、整體或局部變形以及局部磨損等熱失效現象。

國內外學者對濕式離合器摩擦副的接合特性和熱負荷特性開展了比較深入的研究。馬彪等[3]通過對濕式離合器摩擦副在接合過程中的生熱與散熱原理進行分析，探究了濕式離合器摩擦副的軸向接合控制壓力以及摩擦片材料性質對接合過程的影響。Marklund等[4]研究了濕式離合器接合過程中的潤滑油油液黏性力、摩擦副溫升特性和轉矩傳遞特性的變化情況。Zhao等[5]對離合器接合過程進行熱結構耦合分析，討論了摩擦片的幾何厚度及其材料熱特性對離合器溫度場和應力場的影響。趙二輝[6]等將仿真與實驗相結合，研究摩擦元件接觸比率對溫度的影響。張志剛等[7]以熱機耦合仿真的方式研究了濕式離合器對偶鋼片平行度對其溫度特性的影響。于亮等[8]以數值模擬的方式研究了卡簧約束對離合器溫度場的影響，并通過實驗進行驗證。Li等[9]建立了由溫度梯度引起的環形圓盤屈曲形變模型，討論了周向和徑向熱應力對屈曲變形的影響。張鳳蓮等[10]分析了濕式多片離合器對偶鋼片的溫升熱性以及摩擦片導油槽外徑出口處的潤滑油油溫隨時間的變化規律。國內外對濕式離合器接合過程的研究，幾乎都是通過經驗公式計算確定摩擦副接合過程中冷卻潤滑油與摩擦片油槽表面的對流換熱系數，并不能實現冷卻潤滑油與對偶鋼片摩擦表面的對流換熱。

因此，本文以流固耦合傳熱理論為基礎，建立濕式離合器摩擦副熱流固耦合有限元模型，深入研究濕式離合器摩擦副在接合過程中溫度場、應力應變場以及流場的分布規律，并分析冷卻潤滑油流量對摩擦副熱流固耦合特性的影響。

1 數值模型

1.1 摩擦副生熱模型

圖1為單個濕式離合器摩擦副熱傳導示意圖，從圖中可以看出，對偶鋼片和摩擦襯片相互滑摩產生摩擦熱，假設摩擦副的摩擦表面全部處于邊界摩擦狀態，摩擦副能吸收所有的摩擦熱[11]。摩擦副接合面產生的熱流密度q為

圖1 濕式離合器摩擦副熱傳導示意圖

q(r,t)=fP(t)ωrel(t)r

(1)

式中：r為摩擦副接合面任意位置處的半徑；t為接合時間；f為摩擦副等效摩擦因數；P(t)為摩擦副接合面正壓力;ωrel(t)為摩擦副相對轉速差。

摩擦副的等效摩擦因數隨接合過程實時變化，其函數表達式為

f=0.13-0.008log(ωrel)

(2)

由于摩擦副主從動端材料的導熱性能差異性較大，對偶鋼片和摩擦片吸收的熱量也不同，定義摩擦副間的熱流分配系數β[12]為

(3)

式中：λ為材料的導熱系數;ρ為密度；c為比熱容；下標s、 f分別表示對偶鋼片與摩擦片。

傳入對偶鋼片和摩擦片的熱流密度為

(4)

1.2 摩擦副傳熱模型

由圖1可知，濕式離合器摩擦副表面的熱流輸入以熱傳導的形式在摩擦副內部傳遞，建立三維柱面坐標系的熱傳導控制方程

(5)

式中：T為溫度；t為時間；r、θ、z分別為徑向、周向和軸向坐標。

(6)

對偶鋼片的內徑、外徑環面及摩擦副接合表面都有潤滑油冷卻，存在對流散熱作用。對偶鋼片的內徑、外徑環面與潤滑油之間的對流換熱等效為流體橫掠單管對流換熱[13]

(7)

式中：d表示摩擦副的直徑；kp為潤滑油導熱系數；Re為摩擦副內外端面處潤滑油的雷諾數；Pr為普朗克常數；C、n為常數(C=0.193,n=0.618)；i、o分別表示摩擦副內、外端面。

摩擦副接合表面與潤滑油之間的對流換熱屬于流體橫掠平板對流換熱[14]

(8)

式中：re為當量摩擦半徑。

2 建立熱流固耦合有限元模型

2.1 固體域有限元模型

圖2為濕式離合器摩擦副模型，該模型由內外轂、活塞、對偶鋼片、摩擦片以及壓板構成。模型包含3組摩擦副，主要由2個對偶鋼片、1個完整的摩擦片#1和一個半厚度的摩擦片#2組成。

圖2 濕式離合器摩擦副三維模型

對偶鋼片和摩擦基片材料相同，摩擦襯片為紙基材料，摩擦襯片表面均勻分布有導油槽，假設接合過程中材料物理性能保持不變[15]，摩擦副物理參數如表1所示。

表1 摩擦副物理參數

在仿真過程中，通過約束外轂使對偶鋼片保持靜止不轉動，轉動內轂使摩擦片在設定的時間內由初始轉速勻減速為零。設置滑摩時間為0.51 s，摩擦片初始轉速為1 500 r/min。固定壓板外表面限制摩擦副的軸向移動，在活塞外表面施加均勻分布的軸向壓力。根據實驗數據，擬合整理后得出活塞表面壓力

(9)

式中：P0為設定的接合壓力;ts為壓力遲滯時間。

2.2 流體域有限元模型

濕式離合器摩擦副工作在浸油環境中，摩擦副內徑上的潤滑油持續通過摩擦襯片上均勻分布的多個油槽到達外徑，并在過程中和摩擦副表面進行對流換熱，從而帶走熱量。因此，可認為油槽內流動的冷卻潤滑油是充滿整個油槽的，建立流經摩擦襯片油槽中的潤滑油流體三維模型，如圖3所示。

圖3 油槽內流體有限元模型

潤滑油參數如表2所示，濕式離合器接合過程中，潤滑油速度隨時間變化，屬于不可壓非定常層流流動牛頓流體，流體物理模型選擇隱式不定常時間格式、分離流體、恒密度狀態方程。潤滑油流體有限元模型的邊界條件設置除了如圖3所示的速度入口、壓力出口及周向壁面以外，還包括耦合壁面邊界條件、收斂準則等。

表2 潤滑油參數

根據建立的熱流固耦合模型，保持其他結構和材料參數不變，改變潤滑油流量進行仿真，本文中潤滑油流量取單副潤滑油的流量值l，l=Q/S,Q為整個摩擦副總的潤滑油流量，S為摩擦副個數。

3 仿真結果分析

由于摩擦副材料的不同，對偶鋼片吸收的摩擦熱占主要部分，更容易發生翹曲變形等導致離合器失效的情況，而潤滑油流量會影響對偶鋼片與潤滑油之間的對流換熱強度，從而影響濕式離合器接合過程中的穩定性。因此接下來主要以對偶鋼片#2及其與摩擦片#1之間的油槽內潤滑油流體為主，分析流量對于摩擦副溫度場、應力應變場和潤滑油流場的影響。

圖4為當單摩擦副潤滑油流量為1 L/min時濕式離合器摩擦副接合過程完成時刻對偶鋼片滑摩表面溫度場分布，由圖可知，對偶鋼片表面存在沿徑向和周向上的不均勻溫度分布；盤面中徑以內溫度較低，周向溫度分布均勻，而中徑靠外區域溫度較高，此區域沿周向產生局部熱點，會降低對偶鋼片的工作穩定性。

圖4 對偶鋼片溫度場分布云圖

3.1 潤滑油流量對溫度場的影響

圖5為不同流量下對偶鋼片最高溫度變化圖，由圖可知，在接合過程初期，潤滑油流量對于最高溫度的影響較小，這是由于在接合初期，摩擦副與潤滑油之間溫差較小，二者之間的對流換熱強度較低，因此在這個階段潤滑油流量對溫度的影響極小。在0.4 s左右，對偶鋼片的溫度達到最高，當潤滑油流量不高于2 L/min時，增加潤滑油流量可以使對偶鋼片在接合過程中的最高溫度降低。流量由0 L/min增加到0.25 L/min，最高溫度由211 ℃變為196.8 ℃，溫度降低6.72%；當流量從1.5 L/min增加到2 L/min時，最高溫度由187.0 ℃下降到185.2 ℃，溫度僅降低0.9%。由此可以發現隨著流量的增加，最高溫度下降的趨勢減緩。

圖5 不同流量下對偶鋼片最高溫度變化曲線

圖6為接合完成時刻對偶鋼片徑向溫度分布圖，從圖中可以看出，隨著潤滑油流量的增加，對偶鋼片在接合完成時刻沿徑向的溫度分布及溫度梯度都逐漸降低，當潤滑油流量從1.5 L/min增加到2 L/min時，沿徑向的溫度和溫度梯度的變化都較小。綜上可知，潤滑油流量增加，能降低對偶鋼片在接合過程中的最高溫度，且使得對偶鋼片的徑向溫度分布更加均勻，但它的影響效果會隨流量增加而降低。

圖6 接合完成時刻對偶鋼片徑向溫度分布曲線

3.2 潤滑油流量對應力應變場的影響

圖7為不同流量條件下對偶鋼片最高應力變化圖，由圖可知，在接合過程的前期，流量改變對對偶鋼片最高應力所產生的影響較小。在接合中后期，當流量為0 L/min時，對偶鋼片的最大應力呈現出隨時間一直增長的趨勢，接合過程結束時，最大應力達到328.6 MPa。在流量從0.25 L/min增加到2 L/min的過程中，流量越大對偶鋼片的最高應力越低，且隨著流量的增加，最高應力的下降速率減小，當流量從1.5 L/min增加到2 L/min時，2種流量間的最高應力差僅為7 MPa。

圖7 不同流量下對偶鋼片最高應力變化曲線

圖8為接合完成時刻對偶鋼片沿徑向的應力變化圖，從圖中可以看出，隨著潤滑油流量的增加，對偶鋼片在接合完成時刻沿徑向的應力逐漸降低，沿徑向的應力梯度也逐漸降低，當潤滑油流量從1.5 L/min增加到2 L/min時，沿徑向的溫度和溫度梯度的變化都較小。

圖8 接合完成時刻對偶鋼片徑向應力分布曲線

圖9為不同流量下對偶鋼片在接合完成時刻的軸向應變、徑向應變以及熱應變沿徑向的變化圖，對比圖9(a)(b)(c)可以發現，對偶鋼片的軸向應變、徑向應變以及熱應變都呈現沿徑向先增大后減小的分布規律；隨著潤滑油流量增大，對偶鋼片的徑向應變、軸向應變以及熱應變均減小，沿徑向的應變梯度也減小，使對偶鋼片沿徑向的應變較為均勻。

圖9 對偶鋼片在接合完成時刻的應變沿徑向的變化曲線

3.3 冷卻潤滑油流量對流場的影響

圖10為不同流量下的油槽出口處潤滑油流速和出口油溫隨時間變化圖，從圖10(a)可以得知，油槽出口流速隨時間逐漸減小，分析是由于接合過程中，摩擦片轉速下降使油槽內潤滑油所受到的離心力降低所致。同時，從圖中也可以發現，流量越大，油槽出口處潤滑油流速隨時間減小的趨勢更明顯，由此分析，潤滑油流量增加會加大油槽內流體的流動阻力，從而降低單位體積潤滑油的冷卻效率。

圖10 油槽出口處潤滑油流速和油溫隨時間變化曲線

從圖10(a)(b)可以看出，油槽出口油溫隨時間逐漸增大，原因是隨著滑摩時間的增加，摩擦副的溫度升高，摩擦片的轉速下降使潤滑油在油槽中的流速也下降，潤滑油與摩擦副進行對流換熱的強度和對流換熱的時間都會增加，所以油槽出口處油溫也就逐漸增大。并且由圖可知，油槽入口潤滑油流量越大，油槽出口油溫越低，其原因是潤滑油流量增大，使得油槽入口流速變大，導致潤滑油通過摩擦副油槽的時間變短，潤滑油與摩擦副進行對流換熱的時間也會變短，故油槽出口處油溫較低。

4 結論

1) 當單摩擦副潤滑油流量不高于2 L/min時，增加潤滑油流量使濕式離合器摩擦副對偶鋼片的溫度降低和應力減小，降低對偶鋼片的軸向和徑向應變，使對偶鋼片表面的溫度及應力分布更加均勻。

2) 潤滑油流量對濕式離合器摩擦副熱流固特性所產生的影響隨著流量的增大而逐漸減小，對于本文的仿真對象，單副潤滑油流量取1.5～2 L/min比較合適。