混合動力汽車濕式離合器摩擦副溫度場及其影響因素研究

蔡楊 王正武 王歡 胡明輝

摘要：熱失效是混合動力汽車濕式離合器發生故障的主要原因之一。摩擦副滑摩過程中具有高度非線性，同時摩擦副溫度場受到多個參數影響。為深入研究混合動力汽車離合器摩擦副溫度場分布情況，通過搭建混合動力汽車離合器熱結構耦合分析模型，對滑摩過程進行仿真計算。在此基礎上，深入研究初始轉速、接合油壓、對偶鋼片厚度和摩擦襯片材料等因素對摩擦副溫度場的影響。

關鍵詞：濕式離合器；摩擦副；溫度場；影響因素

中圖分類號：U463.211????????? 文獻標志碼：A??????? 文章編號：1000-582X（2024）01-093-11

Temperature field and its influencing factors of friction pair of wet clutch of hybrid electric vehicle

CAI Yang1， WANG Zhengwu1， WANG Huan2， HU Minghui3

（1. School of Traffic & Transportation Engineering， Changsha University of Science & Technology，

Changsha 410114， P. R. China; 2. School of Vehicle Engineering， Chongqing University of Technology， Chongqing 400054，P. R. China; 3. The State Key Laboratory of Mechanical Transmissions，

Chongqing University， Chongqing 400044， P. R. China）

Abstract： The sliding process in the friction pair involves highly nonlinear behavior， and the temperature field of the friction pair is affected by numerous parameters. To gain a comprehensive understanding of the temperature field distribution in the friction pair of a hybrid electric vehicle clutch， a thermal structure coupling analysis model of the hybrid electric vehicle clutch was constructed to simulate the sliding process. Building upon this model， an in-depth study was conducted to analyze the impact of various parameters， such as initial speed， engagement oil pressure， dual steel plate thickness， and friction lining material， on the temperature field of friction pair.

Keywords： wet clutch; friction pair; temperature field; influencing factors

濕式離合器具有傳遞轉矩大、散熱性能好及工作性能穩定等特點，被廣泛運用于混合動力汽車傳動系統中[1]。混合動力汽車在行駛過程中，受工作模式切換頻繁、路面狀態較差、車輛所受載荷太大等因素影響，濕式離合器的摩擦片和對偶鋼片在相互滑摩過程中產生大量摩擦熱，呈現出高非線性，造成摩擦片和對偶鋼片磨損、燒蝕和熱變形失效[2]。因此，研究混合動力汽車濕式離合器摩擦副溫度場及影響因素，對離合器失效分析和優化設計具有重要的理論價值和實踐指導意義[3]。

李和言等[4]針對多片濕式離合器在機械傳動過程中產生的熱失效問題，研究了摩擦副元件的非均勻接觸及溫度分布。熊涔博等[5]根據滑摩過程接觸傳熱模型，分析了熱流分配系數影響規律，研究了摩擦副溫度場情況。王立勇等[6]研究了鋼片溫度場在接合過程中的變化及與接觸應力變化的規律。AL-Shabibi[7]研究了多片離合器系統中正弦擾動的瞬態演化，利用本征函數展開求解耦合熱機械導熱問題。陸國棟[8]根據間接耦合法研究了濕式離合器摩擦副溫度場和應力場，獲得了摩擦副結構參數對熱彈性不穩定性的影響。張家元等[9]根據熱流密度模型原理和導熱微分方程，采用間接耦合法建模，分析了帶有徑向油槽的濕式離合器摩擦片溫度場與應力場分布規律。Cui等[10]根據間接耦合法建立液黏調速離合器模型，分析了摩擦副材料和結構參數對摩擦副溫度場的影響規律。

目前針對摩擦副滑摩過程中結構參數對溫度場沿周向和徑向分布影響規律研究較少，而且大部分研究是采用間接耦合法仿真研究，無法實現熱結構耦合。針對現有不足，建立濕式離合器摩擦副模型進行熱結構直接耦合。在此基礎上，深入研究初始轉速、接合油壓、對偶鋼片厚度及摩擦襯片材料等因素對摩擦副溫度場的影響規律，并提出濕式離合器設計優化建議。

1 混合動力汽車

1.1 混合動力汽車傳動系統

混合動力汽車傳動系統結構如圖1所示，其在傳統燃油汽車傳統系統的基礎上增加了單向離合器、行星排、電機及用于模式切換的濕式多片離合器[11-14]。

1.2 驅動模式切換

驅動模式切換分為3個過程，由于篇幅有限，本文主要介紹純電動到發動機模式切換過程。混合動力汽車在需求功率較大且電池荷電狀態（State of Charge，SOC）值較低時，控制系統會逐漸關閉電機，并啟動發動機，通過發動機調節[15]，將轉速由800 r/min提高到1 200 r/min，并快速將分離離合器退回至半結合點（kisspoint，KP）[16]。離合器轉速同步時，發動機扭矩為0，電動機補償扭矩，發動機轉速從1 200 r/min提高到1 500 r/min[17]。根據以上模式切換過程確定仿真的初始轉速。

2 濕式離合器摩擦副有限元模型

2.1 摩擦副模型

2.1.1 摩擦副三維模型

濕式離合器主要由摩擦襯片、對偶鋼片、內轂齒環、外轂齒環、壓盤及卡環等組成，由于后序CAE軟件分析需要，合理建模各部件尺寸和裝配關系十分關鍵[18]。圖2和圖3分別展示了離合器部件模型和裝配圖，摩擦副幾何尺寸如表1所示。

2.1.2 摩擦副材料

摩擦基片、摩擦襯片構成濕式離合器摩擦副的摩擦片[19]，材料參數如表2所示。

2.1.3 網格處理

將三維模型導入到有限元軟件中，對模型進行網格劃分。對離合器各部件的不同情況，分別選用相適應的單元尺寸進行網格劃分，對偶鋼片共7 480個單元，摩擦片共9 520個單元。圖4為部分部件網格劃分效果圖。

2.1.4 仿真條件

內轂齒環齒面與摩擦基片齒面之間、外轂齒環與鋼片齒面之間、摩擦襯片與摩擦基片之間相互作用并設置非摩擦固定接觸，嚙合面之間無相對滑動，無摩擦生熱。摩擦襯片與鋼片接觸面之間有相對滑磨作用并設置有摩擦接觸并定義摩擦接觸屬性，如摩擦系數、熱量分配系數等。創建控制點為參考點，控制摩擦副旋轉及旋轉速度。設置對流換熱為非圓形體內部強制對流換熱。摩擦襯片與鋼片結合面相對滑動，冷卻油掃略過相對滑動表面，視為橫掠平板對流換熱。摩擦副內外環面與冷卻油接觸，視為橫掠圓柱體強制對流換熱。

施加均布壓強在鋼片模擬油壓作用，通過參考點給鋼片一定的轉速模擬相對滑摩轉動，控制其軸向運動保證結合面之間的相對滑摩產生熱量。約束外轂齒環等部件的所有自由度以保證被結合部分摩擦副位置固定。

2.2 摩擦副熱邊界計算模型

2.2.1 熱流密度計算

由于對偶鋼片和摩擦片在接合過程中存在相對轉速差，且受到壓盤的軸向壓力，因此，在兩者的接觸面間會因為摩擦而產生熱量。假設摩擦副滑摩做功所產生的熱量全部被摩擦副表面吸收[20]。設置轉速ω_t隨時間t變化，熱流密度

q（x，y，t）=dQ/dAdt=fP（t）r_（（x，y）） ω_t，??? （1）

式中：Q為熱量；A為接觸面積；f為摩擦系數；P（t）為壓強；r_（（x，y））為點（x，y）摩擦半徑。

2.2.2 熱流分配系數

因為對偶鋼片與摩擦襯片的材料特性不同，所以熱流密度分布在兩者表面也不同，以熱流分配系數Kq來描述該比例，摩擦副內的熱流密度調配關系為

K_q=√（k_p ρ_p c_p ）/√（k_d ρ_d c_d ），??? （2）

式中：k為導熱系數；ρ為密度；c為比熱容；下標p和d分別代表摩擦襯片和對偶鋼片。

分配在鋼片和摩擦片上的熱流密度分別為[21]：

q_p （x，y，t）=√（k_p ρ_p c_p ）/（√（k_d ρ_d c_d ）+√（k_p ρ_p c_p ）） q（x，y，t）， （3）

q_d （x，y，t）=√（k_d ρ_d c_d ）/（√（k_p ρ_p c_p ）+√（k_d ρ_d c_d ）） q（x，y，t）。? （4）

將表2中摩擦副材料參數代入式（2）～（4）中得表面熱流分配系數為19.98。

2.2.3 對流換熱系數

潤滑油在摩擦副中的對流換熱分為3部分：摩擦片導油槽區域的強制對流換熱、潤滑油在鋼片表面的掃掠平板對流換熱、鋼片和摩擦片內外環面與潤滑油的圓柱體對流換熱[22]。

對流換熱系數h_g計算公式：

h_g={（1.86 λ_p/d_e? （（Re_g Pr）/（l_r/d_e ））^（1/3） （η_f/η_w ）^0.14，? Re_g≤500；@0.064 λ_p/d_e? Re_g^0.8 Pr^0.4 （η_f/η_w ）^0.11，? Re_g>500。）┤?? （5）

式中：λ_p為導熱系數；Re_g為雷諾數；Pr為普朗特數；l_r為特征長度；d_e為直徑；η_f、η_w分別為冷卻油在接觸摩擦副面處的黏度和在混合平均溫度下的黏度。

2.3 熱結構耦合分析方法

常用的耦合分析方法有熱結構耦合、熱力耦合、熱電耦合、熱磁耦合等，其中熱結構耦合分析根據溫度場和應力關系分為直接耦合和順序耦合。直接耦合法采用一個求解器分析多物理場相互影響，普遍應用于高度非線性耦合過程，但直接耦合法計算工作量較大。由于混合動力汽車濕式離合器摩擦副滑摩過程產生大量熱，摩擦副各部分傳熱特性不同，造成摩擦副熱膨脹特性具有非線性，非均勻熱膨脹導致摩擦副接觸壓力分布不均，反過來又加劇了摩擦副摩擦生熱不均勻性，即摩擦副滑摩過程涉及到溫度場和應力場實時相互耦合。故本文使用直接耦合法對濕式離合器進行仿真分析。

3 摩擦副溫度場及影響因素分析

3.1 摩擦副溫度分布分析

3.1.1 摩擦副溫度場隨時間的變化

以混合動力汽車純電驅動模式切換到發動機驅動模式為例進行研究。圖5和圖6分別是在工況C（工況參數如表4所示）下t=0.5 s時鋼片的溫度分布云圖和Mises應力云圖。

在圖7中，在摩擦結合過程中，鋼片高溫出現在中環帶，最內側和最外側溫度較低。t=0.1 s時出現了局部溫度過高，t=0.2 s之后形成了中部高溫熱環。由于鋼片內環及中環部受到較大應力，溫度急劇上升，而內環側由于有冷卻油流動帶走部分熱量，溫度上升較小。鋼片受熱不均，存在局部高溫。由于壓力非均勻分布，鋼片溫度場也是非均勻分布的，中環接觸應力大，摩擦溫度急劇上升，這也是濕式離合器摩擦副受熱損傷的重要原因。結合前期有冷卻油從油槽及內外環強制對流換熱，所以內外環的溫度上升較慢。從應力分布圖可以看到對偶鋼片在沿徑向方向上的應力分布差異較大，尤其是最內環與最外環邊緣處的應力差較大，導致鋼片在滑摩中產生較大變形，影響使用壽命。此外，應力與溫度分布大致相對應，即應力大的區域溫度往往也相對較高，內環由于有冷卻油強制換熱，溫度相對較低。

圖8和圖9分別表示工況C下t=0.5 s時摩擦襯片的溫度分布云圖和Mises應力分布云圖，可以看到，摩擦襯片相較于對偶鋼片的整體溫度較低，最高溫度點數值也比鋼片小，這是因為鋼片材料比摩擦襯片材料導熱吸熱能力更強，積累的熱量更多，溫度上升更快。

由圖10可知，與鋼片受熱類似，摩擦襯片也在中間部位出現了高溫熱環，不均勻受力導致局部區域產生高溫熱點，這也是摩擦材料燒損的重要原因。摩擦襯片油槽部分有冷卻油強制對流換熱，所以油槽邊緣部位溫度較低；由于內環及中環部位應力較大，導致油槽邊緣部位容易產生應力集中，進而產生局部高溫點，造成摩擦材料燒損和磨損加劇。

3.1.2 摩擦副溫度場在徑向上的變化

為了研究濕式離合器摩擦副沿徑向的溫度變化，在鋼片沿徑向半徑R=54、58、62、66 mm取點，標記為N1、N2、N3、N4，如圖11。

圖12和圖13分別為對偶鋼片上N1、N2、N3、N4在工況C下0.5 s內的溫度變化曲線圖及Mises應力變化曲線圖。可以看到N4和N1點的溫度較低，位于中環帶的N2和N3點的溫度較高。從Mises應力圖中可以看到，位于鋼片外環帶的N4點應力較小，其他3點應力相近，上升幅度較大，溫度最高的N3點應力最高，處于內環帶的N1點應力較大，上升幅度較大；內環帶與外環帶應力形成較大的應力差，導致濕式離合器在摩擦接合過程中鋼片受力不均勻而發生翹曲變形，加劇磨損和局部升溫，導致使用壽命下降。

取摩擦襯片沿徑向半徑R取值54、58、62、66 mm的點分別標記為N5、N6、N7、N8，再取R=62 mm處油槽邊緣高溫點標記為N9，如圖14所示。

圖15和圖16分別為摩擦襯片N5～ N9在工況C下0.5 s內的溫度變化及Mises應力變化。可以看到N8溫度最低，變化幅度較小，N7溫度較高。N9在0～0.3 s內溫度上升較快，與之對應N9點在接合過程中應力也最大，故油槽邊緣處易產生應力集中，在摩擦接合過程中形成局部高溫點。N5應力在0.1 s后急劇震蕩，這是因為內環部位應力較小，外環部位應力較大，形成應力差造成變形，在摩擦過程中由于受熱變形加劇了內環點受力不均勻而形成劇烈的應力波動。最高溫度在接合后0.3～0.4 s內達到最高，之后溫度下降，這是因為在接合后期，摩擦產生的熱量小于冷卻散熱的熱量，使得溫度開始下降。溫度分布依然遵循應力大的區域溫度較高，油槽及內外環區域由于冷卻油液對流換熱的作用保持較低溫度，摩擦接合后期產生的熱量逐步減小，摩擦襯片溫度有所下降。

3.2 初始轉速對摩擦副溫度的影響

工況A、B、C分別取不同的轉速800、1 200、1 500 r/min。仿真得到3種工況下摩擦副元件溫度分布云圖。分別取鋼片和摩擦襯片的3種工況溫度最大值繪制其在0.0～0.5 s的溫度變化曲線，如圖17和圖18所示。

從圖18可以看到，在0.5 s時，工況A、B、C對應的鋼片最高溫度分別為125.0、153.5、175.4 ℃。摩擦襯片最高溫度分別為88.6、98.3、105.9 ℃。因此，在一定初始轉速范圍內，對偶鋼片和摩擦襯片初始轉速越高，最高溫度越高，摩擦副接合過程中溫度變化也越快。

3.3 壓強大小對摩擦副溫度的影響

工況C、D、E分別取不同的接合油壓壓強1.5、1.0、2.0 MPa，表5是3種工況對應的工作參數。仿真得到t=0.5 s時摩擦副元件溫度分布云圖。分別取鋼片和摩擦襯片3種工況溫度最大值繪制在0.0～0.5 s的溫度變化曲線，如圖19和20所示。

從圖19和20可以看到，在0.5 s時，工況C、D、E對應的鋼片最高溫度分別為175.4、140.3、210.5 ℃。摩擦襯片最高溫度分別為105.9、93.9、117.9 ℃。因此，在一定壓強范圍內，接合油壓壓強越大，最高溫度越高，在摩擦副接合過程中溫度變化也越快。

3.4 對偶鋼片厚度對摩擦副溫度的影響

工況C和F分別取不同的對偶鋼片厚度2.0、1.6 mm。分別取鋼片和摩擦襯片的2種工況溫度最大值點繪制其在0.0～0.5 s的溫度變化曲線，如圖21和圖22所示。

在0.5 s時，工況C下鋼片和摩擦襯片最高溫度分別為175.4 ℃和105.9 ℃。工況F下鋼片和摩擦襯片最高溫度分別為181.2 ℃和104.8 ℃。2種工況下鋼片最高溫度相差5.8 ℃，摩擦襯片相差僅有1.1 ℃。因此，在一定厚度范圍內，對偶鋼片越薄，最高溫度越高，但對偶鋼片厚度對最高溫度的影響不明顯，綜合考慮輕量化要求，選取適當鋼片厚度尤為重要。

3.5 摩擦材料對摩擦副溫度的影響

為了研究不同摩擦材料對摩擦副溫度的影響，分別選取紙基材料和銅基材料作為摩擦襯片，表6為2種摩擦材料參數。仿真得到2種材料在t=0.5 s時鋼片及摩擦襯片的溫度分布。分別取2種材料溫度最大值點繪制其在0.0～0.5 s的溫度變化曲線，如圖23和24所示。從溫度分布云圖中可以看到，使用銅基摩擦材料和紙基摩擦材料的溫度變化差異較大。摩擦材料對濕式離合器摩擦副溫度場影響較大，選擇合適的摩擦材料對避免濕式離合器摩擦副熱失效有十分重要的意義。

4 結? 論

1）分析了濕式離合器摩擦副熱邊界條件，建立了熱流密度和對流換熱模型，求得熱流分配和對流換熱系數；根據濕式離合器結構，建立了摩擦副三維模型，優化摩擦副結構并完成裝配。運用有限元分析平臺，建立了濕式離合器熱結構耦合有限元分析模型。

2）在建立模型的基礎上，分析了相對轉速、油壓壓強、對偶鋼片厚度、摩擦材料對濕式離合器摩擦副溫度場的影響。濕式離合器摩擦副接合過程中，由于接觸應力分布不均勻，導致摩擦副元件產生局部高溫點，局部高溫點集中在中環帶，為116 ℃，內環與外環的溫度相對較低，分別為108 ℃和102 ℃。在一定范圍內，初始轉速增大、油壓壓強增大、對偶鋼片厚度變薄會使摩擦副溫度升高。鋼片厚度對溫度的影響較小，在溫度合理范圍內，設計時為了使濕式離合器輕量化可以減小對偶鋼片厚度。在摩擦材料方面，盡可能使用冷卻性能較好的摩擦材料，可以大幅降低對偶鋼片接合溫度。

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（編輯? 呂建斌）