汽車離合器摩擦片的有限元分析

汽車離合器摩擦片的有限元分析,汽車,離合器,摩擦,磨擦,有限元分析 畢 業(yè) 設 計（論 文） 設計(論文)題目：汽車離合器摩擦片的有限元分析 　　　　　　　　 學生姓名： 二級學院： 班　　級： 提交日期： 目錄 目 錄 摘 要 II Abstract III 1 緒 論 1 1.1 離合器的功用 1 1.2 離合器的分類 1 1.3 離合器的原理 4 1.4 離合器的發(fā)展史 5 2 離合器摩擦片分析基礎 7 2.1 摩擦片概述 7 2.2 滑摩功率的分析 7 2.3 熱流密度的分析 8 3 摩擦片模型建立 9 4 摩擦片的有限元分析 13 4.1 熱結構耦合方法 13 4.2 網(wǎng)格劃分 14 4.3 施加載荷 15 4.4 溫度場分析 17 4.5 應力場分析 18 4.6 本章總結 21 5 總 結 22 參考文獻 23 致 謝 24 摘要 汽車離合器摩擦片的有限元分析 摘 要 離合器在汽車傳動系統(tǒng)中起到至關重要的作用,而摩擦片又是離合器相關零件中的重要組成部分之一。摩擦片性能的好壞對離合器的使用有非常重大的影響。本文的目的是通過有限元技術軟件ANSYS對離合器摩擦片建立模型, 進行離合器摩擦片的熱-應力耦合分析。根據(jù)分析結果得到熱載荷下摩擦片的溫度分布以及應力分布情況，并且以此為基礎，分析和提出能夠提高離合器工作性能的建議。經(jīng)過本次實驗分析可以發(fā)現(xiàn)，研究得到的結果對離合器的使用有一定的參考意義。 關鍵詞：離合器；摩擦片；溫度場；熱應力 IV Abstract Finite element analysis of friction plate of automobile clutch Abstract The clutch plays an important role in the automobile transmission system. And friction plate is one of the important parts of the clutch as well. The performance of the friction plate has a great influence on the use of the clutch. The purpose of this paper is to establish the model of clutch friction plate by the finite element software ANSYS, to complete a thermal stress coupling analysis of clutch friction plate. According to the analysis results, the temperature distribution and stress distribution of the friction plate under thermal load are obtained. And based on this, some suggestions on improving the working performance of the clutch are analyzed and put forward. Through this experimental analysis, we can find that the results of the study have a certain reference value for the use of the clutch. Key words: Clutch; Friction plate; Temperature field; Thermal stress 1緒論 1 緒 論 離合器是現(xiàn)代機械中非常重要的一個部件。在汽車、船舶等機械傳動系統(tǒng)中，它直接與發(fā)動機相連接，因此離合器是否正常工作對車輛的使用有很大的影響。但是，離合器在結合時容易產(chǎn)生大量熱量，使得離合器溫度升高，嚴重時離合器會燒結、變形并且導致失效。因為離合器與發(fā)動機相連，汽車啟動時它們的結合時間非常短，所以在仿真軟件中（例如本文所用的ANSYS）對摩擦片的溫度場和應力場進行分析是一種較為方便可靠的方法。 隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，人們對生活品質(zhì)的要求變得越來越高。汽車作為現(xiàn)代人們出行以及旅游的首選代步工具，無疑是需要跟得上時代前進的步伐的。離合器作為汽車上十分關鍵的傳動組成部分，由于人們?nèi)找嫣岣叩男枨?，離合器也必須不停地進行開發(fā)與優(yōu)化才行。 汽車中離合器是直接與發(fā)動機相連接的部分，由于發(fā)動機是汽車上最關鍵的部分，因此與其相關的離合器的運轉(zhuǎn)性能要求是比較高的，其所面臨的運轉(zhuǎn)環(huán)境問題也是比較多的。離合器的作用是保證主動部分與從動部分之間的連接能夠安全有效的進行。在整個接合的過程中，離合器摩擦片作為從動盤上的重要部件發(fā)揮著至關重要的效用。 1.1 離合器的功用 離合器的主要功用是確保汽車傳動系統(tǒng)換擋時能夠運行平順、確保車輛起步能夠保持平穩(wěn)，對傳動系統(tǒng)所承受的最大轉(zhuǎn)矩進行限制，防止傳動系統(tǒng)發(fā)生過載現(xiàn)象。具體工作過程如下： （1）在車輛起步操作中，離合器借由主、從動件之間的滑動摩擦契合來使它們的轉(zhuǎn)速漸漸統(tǒng)一，以確保汽車在起步時能夠保持平穩(wěn)。 （2）當變速器換擋時，通過離合器主、從動部分間的迅速分離來切斷動力的傳遞，以達到減輕齒輪間的沖擊、保證換擋時能夠工作平順的目的。 （3）當離合器接收的轉(zhuǎn)矩超過其所能傳遞的最大轉(zhuǎn)矩時，其主動部分與從動部分之間將有滑摩產(chǎn)生，以使得傳動系統(tǒng)不至于過載。 1.2 離合器的分類 離合器主要可以進行以下分類：電磁離合器、磁粉離合器、摩擦離合器以及液壓離合器。 1.2.1 電磁離合器 電磁離合器是通過電磁線圈的通電與斷電來控制離合器的連接與斷開。 電磁離合器可分為：干式單片電磁離合器、干式多片與濕式多片電磁離合器等。 電磁離合器工作方式又可分為：通電結合和斷電結合。 干式單片電磁離合器：往線圈中通入電流，線圈周圍的磁力會吸合鐵片，此時離合器進入連接狀態(tài)；當斷開線圈中的電流時鐵片會彈離，此時離合器進入斷開狀態(tài)。 干式多片與濕式多片電磁離合器：原理與上面相差不大，只是摩擦副會比較多，它的轉(zhuǎn)矩相對而言是比較大的。與干式的不同之處是，濕式多片電磁離合器中必須要有一定量的冷卻液體，這樣在工作室才能起到冷卻作用，減輕系統(tǒng)負擔。 圖1.2.1 電磁離合器 1.2.2 磁粉離合器 磁粉離合器的工作原理是這樣的，在主動件和從動件之間有許多磁粉，當系統(tǒng)處于斷開狀態(tài)時，其中的磁粉也處于停止狀態(tài)。而當系統(tǒng)處于連接狀態(tài)時，磁粉則處于活躍狀態(tài)，它們會進行相互聯(lián)結，主動件與從動件相互協(xié)調(diào)并且開始運轉(zhuǎn)。磁粉離合器的優(yōu)點是可以通過調(diào)節(jié)電流的大小來改變轉(zhuǎn)矩的大小，能夠允許有相對的滑差。而它的缺點是在滑差較大時溫升也相對較大，相對的導致價格偏高。 轉(zhuǎn)差式電磁離合器：當離合器處于運行狀態(tài)時，主動部分與從動部分之間必須在某一轉(zhuǎn)速差的帶動下才能夠使轉(zhuǎn)矩正常傳出。磁場強度和轉(zhuǎn)速差轉(zhuǎn)決定了轉(zhuǎn)矩大小。當勵磁電流保持不變，而轉(zhuǎn)矩變大時，轉(zhuǎn)速會較為快速的下降；當轉(zhuǎn)矩處于恒定不變的狀態(tài)，而勵磁電流減少時，轉(zhuǎn)速變小將會變得更加快速。 轉(zhuǎn)差式電磁離合器的優(yōu)點是主、從動部件間沒有任何地方是機械來連接的，磨損時二者間沒有消耗，不存在磁粉泄出問題，工作產(chǎn)生的沖量幾乎沒有，只要通過改變勵磁電流就可以對離合器的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，這樣可以將它當作無級變速器來使用。而轉(zhuǎn)子中的渦流將會生成許多熱量，這是此離合器的主要缺點，并且該熱量與轉(zhuǎn)速差的關系是成正比的。在低速運轉(zhuǎn)時，整個系統(tǒng)的利用率很低，主、從動軸之間的轉(zhuǎn)速比η=n2/n1就是它的利用率。 在高頻運轉(zhuǎn)的機械傳動系統(tǒng)中有良好表現(xiàn)，但是當主動部分保持轉(zhuǎn)動時，達成連接或斷開從動部分與主動部分的目標。 當主動件與從動件之間處于斷開狀態(tài)時，主動件運轉(zhuǎn)，而從動件停止工作；當主動件與從動件之間處于接合狀態(tài)時，從動件在主動件的帶動下工作運轉(zhuǎn)。 廣泛被應用在機床、包裝、印染、編織、輕工、及辦公設備中。 電磁離合器的使用條件較為嚴苛，周圍溫度要保證-20攝氏度到50攝氏度，濕度要小于85%，并且介質(zhì)中必須沒有爆炸的危險，而其線圈電壓波動必須低于額定電壓的±5%。 圖1.2.2 磁粉離合器 1.2.3 摩擦離合器 就使用范圍而言，摩擦離合器是最寬廣的，它的發(fā)展史也是最為悠長的。主動部分、從動部分、壓緊機構和操縱機構四個部分是它的重要組成關鍵。在離合器處于接合狀態(tài)時，主、從動部分和壓緊機構的基本作用為進行動力的傳導，而離合器的斷開則是由離合器的操縱機構來實現(xiàn)。 圖1.2.3 摩擦離合器 1.2.4 液壓離合器 液壓離合器經(jīng)常用于要求工作率較高、結構緊致、需要快速和遠距離操作的機床和工程機器上，這是因為它能依靠行程進行自動補償摩擦元件的磨損，使系列化、標準化容易實現(xiàn)。 圖1.2.4 液壓離合器 1.3 離合器的原理 在汽車行駛中，離合器是車輛動力系統(tǒng)中的關鍵組成部分，它的作用是通過動力的傳遞來達到發(fā)動機之間斷開與接合的目標。在交通路口亦或是經(jīng)常拐彎等路段駕駛時，我們使用頻率最高的一個部件就是離合器了。而離合器操作的是好是壞，能夠表現(xiàn)出駕駛員的駕駛技巧是否熟練，也對車輛的保養(yǎng)起到重要作用。如何正確操作離合器，如何在不同的行車環(huán)境中操作離合器來避免問題的發(fā)生，這是每個司機都應該熟知的重要技巧，而這就需要了解并掌握離合器的原理。 離合器的作用，通過字面意思理解就是說通過分離以及接合來傳遞一定大小動力的器具。離合器的關鍵部件是摩擦片、彈簧片、壓盤和動力輸出軸，它的位置處于發(fā)動機與變速箱中的連接地帶，作用是實現(xiàn)發(fā)動機飛輪和變速箱之間的力矩傳輸，以保證行駛狀況有差異的情況下車輛傳遞給驅(qū)動輪驅(qū)動力和扭矩能夠按需求分配，它應該歸屬于動力總成這一塊。在離合器處于半聯(lián)動的狀態(tài)時，離合器的動力輸入端和動力輸出端之間允許存在有轉(zhuǎn)速差，這樣就能利用其不同的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)不同的動力的傳遞。 離合器擁有三種工作狀態(tài)，分別是踩下離合器的不連動狀態(tài)，松開離合器的全連動狀態(tài)，以及踩下部分離合器的半連動狀態(tài)。當車輛開始工作時，離合器被駕駛員踩踏，離合器踏板的受力會拉動壓盤受作用朝著后面移動，這是離合器的壓盤與摩擦片開始斷開連接的作用方式，此時壓盤與飛輪之間基本上不存在碰觸，相對摩擦也就是為零。當車輛在正常運行工作時，壓盤與飛輪的摩擦片是緊密連接在一起的，此時存在于壓盤與摩擦片之間的摩擦力達到了最高峰值，輸入軸和輸出軸二者間處于相對靜摩擦狀態(tài)，二者轉(zhuǎn)速基本一致。 最后一種是離合器的半連動狀態(tài)，壓盤與摩擦片的摩擦力相比全連動狀態(tài)時是較小的。此時，滑動摩擦狀態(tài)是離合器壓盤和飛輪上的摩擦片二者間的主要接合形式，飛輪的轉(zhuǎn)動速度比輸出軸的轉(zhuǎn)動速度大上許多，動力主要通過飛輪傳輸出來，并且傳輸給變速箱。在這種狀態(tài)下，發(fā)動機和驅(qū)動輪之間的接合狀態(tài)可以稱之為一種松散連接狀態(tài)。 一般來說，離合器的作用是在車輛起步和換擋的時候發(fā)揮出來的，此時變速箱的一軸和二軸之間由于轉(zhuǎn)速差的存在，發(fā)動機的動力必須先與一軸斷開以后，同步器才能使一軸的轉(zhuǎn)速與二軸的轉(zhuǎn)速保持同步的很好。掛上擋位以后，離合器的一軸將會與發(fā)動機動力結合，并且繼續(xù)傳輸它們之間的動力。在離合器中，一個高效的緩沖裝置也是必須要有的。兩個接近于飛輪的圓盤拼接在一起形成了它的主體，在圓盤上布置了許多矩形凹槽，凹槽內(nèi)裝有彈簧，當汽車遇到較為劇烈的沖量時，彈簧在兩個圓盤之間相互發(fā)生彈性作用，起到緩沖功能，這樣就能達到發(fā)動機和離合器保護的目標。 在離合器的不同部件中，離合器性能的關鍵因素主要取決于壓盤彈簧的強度、摩擦片的摩擦系數(shù)、離合器的直徑、摩擦片的位置以及離合器的數(shù)目。其中彈簧的強度剛度越大，摩擦片的摩擦系數(shù)越高，離合器的直徑越大，離合器的功能將變得更全面。 1.4 離合器的發(fā)展史 離合器是在十九世紀末期問世的，初代離合器是摩擦式離合器。伴著時代的不斷進步，以及車輛行業(yè)的高速變化，離合器也在不斷的與時俱進，許多越發(fā)先進的離合器被廣泛使用在汽車等各種機械領域中，車載離合器技術一直保持著與汽車行業(yè)的前進腳步一起邁步前進。汽車傳動系統(tǒng)中使用的離合器機構形式主要包含有幾下幾類：錐形摩擦離合器、濕式多片離合器、多片干式摩擦離合器、單片干式摩擦離合器。它們經(jīng)過科學的發(fā)展和研究逐步升級發(fā)展，現(xiàn)今以及出現(xiàn)了許多不同的類型。但是由于新時代汽車傳動技術的快速發(fā)展應用，那些較為古老的汽車離合器將不得不遺憾退休，被時代所淘汰。 最開始出現(xiàn)的離合器是錐形離合器，它也是第一批出現(xiàn)的離合器中結構形式最完善的一種，此類結構的離合器在1889 年曾裝在一款鋼制車輪的汽車上。在此類離合器的構造當中，離合器的主動部分是由連接在發(fā)動機上的飛輪所組成的，而這種飛輪是一種錐體，它能夠?qū)?nèi)做功，在現(xiàn)實生活中，這種結構的應用范圍十分巨大。生產(chǎn)這種飛輪不僅僅只需要較為簡單的技術、較低的成本，并且在摩擦面由于各種原因受損時能夠較為簡單的就完成修理，因此該結構錐形離合器一直到二十世紀二十年代才結束了它的使用壽命。錐形離合器中扭矩的傳輸可以保持在一個較大的范圍，但這也造成了結構中的轉(zhuǎn)動慣量會比較大，這樣就導致了使得車輛在掛檔時會非常吃力，并且掛檔的過程中經(jīng)常出現(xiàn)卡頓的現(xiàn)象，這對汽車駕駛的可靠性有非常重大的壞處。隨著國際車輛工程的繼續(xù)發(fā)展和激烈對決，盤式離合器于1925 年應運而生，這種盤式離合器主要由許多盤片組成。使用它的汽車在起步和換擋時會較為平穩(wěn)，而且在接合與分離時沒有沖擊，這種盤式離合器也是當代使用的盤式離合器的靈感來源，其主要理論都是相似的。多片盤式離合器中的剛盤片相對一個青銅盤片以多片成對的方式進行布置，因為青銅和鋼片是被浸在油中進行相互配合的，以此為依據(jù)生產(chǎn)得到的摩擦副的工作情況良好，因此盤式多片離合器漸漸成為了離合器使用的主流，而錐形離合器則被時代所淘汰。 濕式多片離合器的使用曾經(jīng)較為廣泛，不過同時它也存在許多缺點。比如由于盤片使用金屬制成，所以它們之間經(jīng)常出現(xiàn)被油粘在一起的情況，這樣會使得離合器的斷開無法完全的進行，其結果是會對換擋操作形成較大的干擾，因此多片濕式離合器逐漸被多片干式離合器代替了。盡管多片式離合器的接合片數(shù)多，使得主動件與從動件能夠較為平順的彼此結合，讓汽車在發(fā)動時能夠平順運作，然而盤片太多既是優(yōu)點也是缺點，它會顯而易見的使得從動部件的轉(zhuǎn)動慣量非常大，以致汽車換擋非常不容易。并且最為重要的一點是，這也造成了汽車離合器的工作環(huán)境變得越來越差。汽車在行駛過程中常常要頻繁的換擋，而壓盤的數(shù)目太多會使得離合器內(nèi)部的熱量難以散去，難以散去的熱量逐漸積聚起來，這會讓摩擦片之間的磨損不斷增大，直接縮短摩擦片的使用期限。在二十世紀三十年代的時候，這種多片式離合器只是被用在了一些有專業(yè)需求的車型上，例如賽車、高功率汽車和其他一些工程車上。后來，由于石棉基摩擦材料的發(fā)明和使用，盤片式離合器中的轉(zhuǎn)矩能夠變得更大，所能夠承受的溫度也變得更高。除了這個原因，使用石棉基摩擦材料的話，可以大大減小離合器中的摩擦面積。并且石棉網(wǎng)的摩擦系數(shù)是較高的，這會導致摩擦力的提供變得更加平穩(wěn)，也讓離合器中的摩擦片數(shù)不必有那么多，人民開始減少離合器中摩擦片的數(shù)量。在石棉基這一種摩擦材料出現(xiàn)以后，離合器結構的設計就不停的向單片式離合器的方向發(fā)展。 20世紀初，彈簧式離合器得到了快速改進并且被使用到了車輛上。第一代壓緊彈簧離合器是干式螺旋彈簧離合器，其中起到壓緊作用的關鍵部件是螺旋彈簧。等到1925年，石棉基被越來越多地使用到從動盤上，被當作摩擦襯片，這個過程逐漸完善。第二代是推式膜片彈簧離合器，它的起源是美國通用轎車上的使用，在這之后，它也被更多的安裝到其它種類的汽車上。伴隨著膜片彈簧的發(fā)明開始，到它逐步改進完善，最終在車輛上得到廣泛的應用，汽車離合器的尺寸得到了很大的縮小，使得其結構具有緊湊性。為了讓汽車離合器中的從動件之間轉(zhuǎn)動慣量變得越來越小，并且使其結構具有更加緊致、簡易的特點，同時優(yōu)越的斷開特性也是必不可少的。離合器在發(fā)展與創(chuàng)新了這么多年以來，它的機構得到了不斷的改進和優(yōu)化，當今使用的不同種類車輛上的離合器都已經(jīng)能夠達到汽車離合器平順接合的指標。 汽車工業(yè)的高速進步也帶動了汽車離合器的與時俱進，使得離合器能夠在種種不同的行駛環(huán)境中表現(xiàn)出優(yōu)異的運轉(zhuǎn)功能。由于世界車輛行業(yè)的進步，汽車行駛時的速度大大提高，這就要求汽車發(fā)動機必須要有相匹配的功率和轉(zhuǎn)速，同時載重汽車的出現(xiàn)和其不斷的大型化發(fā)展，也要求汽車離合器不但要增強其性能，以順應這種高速的發(fā)展形勢，并且由于大型汽車的使用變得越來越多，其中對離合器的要求會變得更加苛刻，所以汽車離合器的研究與設計也必須滿足其復雜多變的要求和限制?？偨Y一下，當代汽車離合器的發(fā)展是朝著結構尺寸更加緊湊，傳遞扭矩的能力不斷增強，離合器的使用壽命不斷變長的方向發(fā)展的。 23 2離合器摩擦片分析基礎 2 離合器摩擦片分析基礎 2.1 摩擦片概述 在各種不同類型的離合器中，使用最多的是膜片彈簧離合器。這種離合器的構成簡易緊致，駕駛?cè)藛T操作方便，扭矩傳遞效率高。它主要是由膜片彈簧、離合器蓋、壓盤、傳動盤總成和分離軸承總成等組成，上述關鍵零件的構造好壞直接對離合器整體性能具有很大的作用。離合器自發(fā)明以來，有大量的科學家和專業(yè)人士對其中的關鍵零部件進行了不斷的研究分析，得到了許多改進離合器性能的重要方法。 摩擦片毫無疑問是離合器從動盤總成中的關鍵零部件,由于汽車在行駛時，發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)帶動離合器中的摩擦片進行高速轉(zhuǎn)動，在這一過程中，摩擦片與壓盤摩擦會產(chǎn)生大量熱量，使得溫度升高，而高溫會導致摩擦片的形變，由此產(chǎn)生大量磨損，這對離合器的功能和使用壽命產(chǎn)生嚴重影響。 本次論文就是以研究離合器摩擦片的熱-應力耦合情況下的溫度變化與應力變化，對其結果進行分析，并且得出改良建議。 2.2 滑摩功率的分析 當離合器處于接合狀態(tài)時，發(fā)動機傳出的扭矩是通過主動部分與從動部分件的摩擦來傳遞的。然而離合器工作中會無法規(guī)避的產(chǎn)生滑動摩擦，這種滑摩功率對離合器工作的影響有很大的意義。 根據(jù)研究經(jīng)驗，可知摩擦片的滑摩功率與時間的變化關系并不是簡單的一條直線，其真正關系應該是如圖2.2.1中所顯示的曲線。在本論文中，由于直接使用原曲線會對計算造成較大的困難，所以我們使用圖2.2.2的近似一條直線的理想曲線來表示滑摩功率的變化情況。下圖所示的t為接合時間，其單位為秒，N為滑摩功率，其單位為瓦，其中兩條坐標軸與直線所圍成的三角形的面積Ws為滑摩功，其單位為焦，N0為系統(tǒng)中的最大滑摩功率，t0為接合結束時間。根據(jù)圖2.2.2中的關系求解有關N的公式，可以得到如下公式： 圖2.2.1 圖2.2.2 2.3 熱流密度的分析 熱流密度表示在單位時間內(nèi)，單位面積上通過的熱量的多少。 在離合器中，摩擦產(chǎn)生的熱量是由離合器工作過程中的滑磨功導致的。我們?yōu)榱耸褂嬎愀臃矫妫瑢⑾铝袟l件作為默認條件： （1） 忽略輻射散熱。 （2） 動摩擦系數(shù)為常數(shù)。 我們可以把整個摩擦片視為圈半徑為r1，外圈半徑為r2的環(huán)形圓盤。我們需要根據(jù)摩擦片上的滑摩力矩來推導熱流密度的公式，因此取圓環(huán)上半徑為r、寬度為dr的小圓環(huán)的面積，其上的滑摩力矩為： 此面積上產(chǎn)生的滑摩功率： 結合滑摩功率公式可得： 綜上推導出了離合器摩擦片工作狀態(tài)中產(chǎn)生的熱流密度的公式，此公式在后面的ANSYS分析中將被用到。 3摩擦片模型建立 3 摩擦片模型建立 離合器摩擦片絕大部分都是以石棉為主材料而加工形成的，它的外形呈現(xiàn)為環(huán)形圓盤。要想較為準確的分析這種零部件，我們可以使用有限元軟件來進行研究。 要想使得整個研究過程能夠順利的進行，實驗前的準備工作就顯得至關重要。該過程主要包括幾何建模、定義材料的屬性和實常數(shù)、定義單元類型、網(wǎng)格劃分、添加約束與載荷等。因為摩擦片的分析中難點較多，問題比較復雜，所以我們使用ANSYS中的Workbench對摩擦片進行建模與處理。 本論文根據(jù)某已有摩擦片的屬性參數(shù)進行了研究分析。所研究的摩擦片是由石棉為主材料構成的,它的材料參數(shù)如下: 熱傳導系數(shù):10W/m·k； 比熱容:175J/(kg·℃)； 熱膨脹系數(shù):1.1×10-5 1/k； 密度:1100kg/m3； 彈性模量:2.76×1011Pa； 摩擦片外徑：0.3m； 摩擦片內(nèi)徑：0.14m； 摩擦片厚度：0.004m。 下面開始建立摩擦片的三維模型： 1. 如圖3.1建立草繪。設置摩擦片的內(nèi)外徑分別為0.14m和0.3m。 圖3.1 建立摩擦片的內(nèi)外徑 2.如圖3.2對圓環(huán)進行拉伸操作。將建立的圓環(huán)形平面拉伸4mm。 圖3.2 拉伸操作 3.如圖3.3在圓盤上某一徑向處建立槽口。 圖3.3 建立槽口 4．如圖3.4進行陣列操作。將之前建立的槽口用陣列方法復制出16個。 圖3.4 陣列槽口 5．如圖3.5進行切除。將摩擦片的槽口幾何切除掉，得出摩擦片的切槽。 圖3.5 切除多余部分 6．如圖3.6建立圓孔。用同樣的方法建立圓孔模型，最后陣列并切除材料。 圖3.6 建立圓孔 經(jīng)過上述步驟，由此我們就完成了摩擦片三維模型的建立。 4摩擦片的有限元分析 4 摩擦片的有限元分析 4.1 熱結構耦合方法 耦合場分析是指在有限元分析的過程中考慮了兩種或者多種物理場的交叉作用和相互耦合的情況。耦合場的分析有兩種方法：直接耦合方法和間接耦合方法。 直接耦合方法是通過使用耦合單元，直接將所需要求解的眾多條件的自由度和準則同時施加在該耦合單元上，最后只需要一次計算就能得出結果。由于耦合場的平衡狀態(tài)需要符合多個要求，用直接耦合方法求解常常是非線性的，這會增加求解的困難。因此所需耦合的條件越多，那么所要設置的節(jié)點越多，其自由度也相應增加，分析計算所耗費的時間也就會大大增長。 間接耦合方法是按照先后次序進行兩次或更多相關場的計算分析。在本次論文中，間接耦合表示以下含義：我們先根據(jù)熱流密度等熱流量方面的輸入，計算得出模型的溫度場，然后把溫度場耦合到應力場，得出應力場的情況。這種方法不需要使用耦合單元，在進行溫度分析時使用溫度單元，在耦合的時候轉(zhuǎn)換為結構單元?。間接耦合方法具體又能夠分為物理環(huán)境方法和手工方法。 本論文采用的是間接耦合方法。 有限元模型：熱應力分析采用間接耦合，即先做溫度場的熱分析，熱分析做好以后，將對應時刻的溫度場耦合至應力場。 溫度場時候，我們設置單元類型為solid70；應力場時候，我們設置單元類型為solid185。 圖4.1.1 網(wǎng)格劃分 4.2 網(wǎng)格劃分 網(wǎng)格模型如下圖，采用六面體為主的劃分方法，網(wǎng)格單元總數(shù)為52100，節(jié)點總數(shù)為55863。 圖4.2.1 圓孔附近網(wǎng)格情況 本論文中所使用的網(wǎng)格為六面體網(wǎng)格，使用六面體網(wǎng)格劃分可以減小網(wǎng)格規(guī)模，縮短計算耗費的時間，并且能夠節(jié)省計算資源。 圖4.2.2 整體網(wǎng)格情況 總而言之，網(wǎng)格劃分可以理解成把一個較為復雜的實體模型拆分開來，形成單獨的大量的簡單個體，但是這些拆分開來的簡單個體中會存在互相聯(lián)系與約束的關系，通過這種方法來形成一個整體。網(wǎng)格劃分可以說是一個“以小見大”的方法，因此劃分出來的小網(wǎng)格的質(zhì)量對整體的分析會有很大影響。網(wǎng)格數(shù)目越多，質(zhì)量越高，那么計算得出的結果就越準確。相反，網(wǎng)格數(shù)目太少或者質(zhì)量太差的話，結果的誤差就會變得很大。 圖4.2.3所示為網(wǎng)格質(zhì)量柱狀圖，其中1為最好，0為最差。由圖可見，我們劃分的整體網(wǎng)格質(zhì)量較佳，絕大部分網(wǎng)格都在0.6以上，少部分網(wǎng)格質(zhì)量較差，但這對整體分析的影響不大，可以忽略不計。 圖4.2.3 網(wǎng)格質(zhì)量圖 4.3 施加載荷 由于摩擦片整體接觸面與總動盤是直接接觸的，摩擦面主要集中在這里，此處會產(chǎn)生大量熱量，所以它滿足第二類邊界條件。 我們在摩擦片整體的摩擦面上加載熱流密度作為它的載荷，這就是第二類邊界條件。 我們推導出的熱流密度公式由上文可知： 由于離合器結合的時間一般都是比較短的，所以摩擦時間t0取0.55s，最大滑摩功率N0取2250W。 圖4.3.1所示是對摩擦片的摩擦表面進行載荷施加，加載的時間為0.55s，熱力密度是一條隨時間變化的直線。 圖4.3.1 對摩擦面施加載荷 因為摩擦片的半徑已經(jīng)確定，所以摩擦片熱流密度與時間的變化關系圖如圖4.3.2。 圖4.3.2 熱流密度與時間的關系圖 流體與固體表面之間的換熱能力，即物體表面和周圍空氣的溫度差1攝氏度、經(jīng)過時間為1秒、通過面積為1平方米時借由對流與周圍空氣所交換的熱量，它的單位為W/(m2·℃)。影響對流換熱系數(shù)的條件有很多，比如空氣的物理性質(zhì)、換熱表面的形狀、二者之間的溫度差和空氣流通的速度等。 如圖4.3.3所示加載對流換熱系數(shù)，取經(jīng)驗值10。 圖4.3.3 加載對流換熱系數(shù) 4.4 溫度場分析 溫度計算結果： 由圖4.4.1可見，離合器結合0.41s時，摩擦片外圈的溫度達到了最高值，最高溫度為176.99°。 分析可知，摩擦片結合部位的溫度并不是一直保持升高狀態(tài)的，而是先上升、再下降，形成了一個弧度。 圖4.4.1 最大溫度變化趨勢圖 圖4.4.1為最大溫度變化趨勢圖： 由圖可見0.41s時候溫度最高為176.99°，云圖可見圖4.4.2。 在此時，摩擦面的溫度分布也并不相同?？傮w表現(xiàn)為：摩擦片的接觸面上溫度最高，而在切槽附近的溫度則較低。 整個摩擦片的最低溫度出現(xiàn)在切槽的中心部分，溫度為65.39°。摩擦面接合部分最低溫度為139.79°，出現(xiàn)在接觸面邊緣處。最高溫度為176.99°，它們都分布在摩擦面上。 圖4.4.2 溫度分布云圖 4.5 應力場分析 應力情況： 熱應力概述： 熱脹冷縮是許多物體共有的屬性，我們都知道當物體的溫度升高或降低時會引起內(nèi)部結構的膨脹或收縮，而當物體在這個時候再受到來自物體內(nèi)部的約束時，系統(tǒng)就會產(chǎn)生相應的力。物體的溫度發(fā)生變化，而它內(nèi)部又有阻止這種變化發(fā)生的約束，由此產(chǎn)生的物體內(nèi)部互相約束的應力被稱作熱應力。熱應力并不是由外力原因所引發(fā)的應力，它產(chǎn)生的根本原因是約束作用與溫度變化。 我們假設一個物體被固定在一處，對該物體進行加熱升溫處理。當該物體的溫度升高以后，它本應該受熱膨脹，但是由于它被緊緊的固定住了，無法膨脹，所以該物體內(nèi)部就會自己產(chǎn)生熱應力。 我們繼續(xù)假設一個物體由許多個部分組成，對這些不同的組成部分進行不同的加熱升溫處理。那么，即使這些部分同處于該物體內(nèi)，也會因為各部分的溫度不同而受到其他部分的影響，不能夠進行正常的熱脹冷縮，也會在物體內(nèi)部生成熱應力。 我們最后作如下假設：一個物體由許多材料性質(zhì)各不相同的部件組成，我們對所有部件都進行相同的加熱升溫處理。雖然各部分的升溫情況相同，但是由于各部件之間的膨脹系數(shù)存在差異，相同的受熱條件卻導致了不同的膨脹變化情況，那么各部件之間就會生成有差異的熱應力。 通過上述三種假設，我們可以發(fā)現(xiàn)約束作用主要能夠歸納為三種類別：（1）物體受外部變形的約束；（2）物體間相互變形的約束；（3）物體內(nèi)部各組成部分之間變形的約束。 在上面的溫度分析中我們已經(jīng)得到了摩擦片工作時的溫度場分布情況，下面我們可以利用得到的結果進行更進一步的分析。 進行熱結構耦合： 圖4.5.1 對圓孔進行約束 如圖4.5.1所示對摩擦片上的孔添加約束。 我們將溫度最高時刻耦合為應力。 變形情況如圖4.5.2所示： 圖4.5.2 摩擦片變形情況 由圖4.5.2可見，摩擦片的最小變形處是在最內(nèi)圈，數(shù)值為0.15799mm。摩擦片的最大變形達到0.36632mm，此變形發(fā)生在摩擦片的最邊緣處。 圖4.5.3 摩擦片所受應力情況 圖4.5.4 摩擦片切槽處應力情況 最后由圖4.5.3和4.5.4可見，摩擦片的最大等效應力約為659.29MPa，發(fā)生在摩擦片固定圓孔處，該應力值較大，在設計中應該以有限元計算結果來優(yōu)化結構設計，這些應力會對摩擦片造成較大威脅。 4.6 本章總結 本章中離合器摩擦片的溫度場如圖4.4.2所示。通過分析該溫度場的情況，會對我們研究摩擦片的可靠性提供許多幫助。我們將整個摩擦片分成了16個小片，每一片的表面部分設置為摩擦面。溫度的分布整體呈現(xiàn)為近似環(huán)形的區(qū)域分布。在該區(qū)域中，摩擦片內(nèi)圈的溫度較低，越向外部靠近，其溫度就越高，直到摩擦片的最外邊緣處，溫度達到了最高值176.99°。通過溫度場的分布我們可以發(fā)現(xiàn)摩擦片的變化情況主要集中在外緣附近的區(qū)域。因此，在設計摩擦片時，我們可以在外緣附近添加散熱系統(tǒng)，通過散熱系統(tǒng)吸收并帶走過高的熱量，以此達到使離合器可靠性提高的目的。 經(jīng)過上面的實驗分析，我們得知在熱載荷作用下，此摩擦片的形變情況如圖4.5.2所示。受溫度的影響，該摩擦片的變形區(qū)域與溫度場的分布情況緊密相關。其徑向形變情況是由內(nèi)而外變形量越來越大，而軸向形變情況是相同半徑處的變形情況基本相同，而在摩擦片的最外緣處形變量最大。整體看來，最大變形發(fā)生在摩擦片的外圈處，數(shù)值為0.36632mm。這反映了摩擦片受熱后，外圈處會發(fā)生遠離摩擦片中心的變形。又因為摩擦片的圓孔處是被固定住的，這就導致變形情況更加復雜，這類變形會使離合器間的磨損增大。要想使摩擦片變得更加可靠，我們可以把摩擦片設計成較為內(nèi)凹的形狀，如此能夠適當?shù)窒淖冃瘟?，讓效率得到提高? 本章中得到的摩擦片應力場分布情況如圖4.5.3和4.5.4所示。由圖4.5.3可以發(fā)現(xiàn)，摩擦面上應力變化的最大值出現(xiàn)在固定圓孔處附近，其最大值約為659.29MPa。而在摩擦面的其他部分所受應力值則較小，數(shù)值在7.493MPa到116.13MPa之間。同時根據(jù)圖4.5.4我們也對切槽處的應力進行了分析，發(fā)現(xiàn)切槽處的應力也較大，最大值達到了228.96MPa。摩擦片的摩擦面處的應力變化情況主要集中在固定圓孔，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于摩擦片通過固定圓孔來固定在離合器上，此處所受的熱應力最大。這些應力會對摩擦片造成較大威脅，非常容易發(fā)生熱疲勞損壞的現(xiàn)象，縮短摩擦片的使用壽命。能夠提高可靠性的方法是使用抗應力性能好的材料來制成摩擦片，這是最為高效簡單并且一勞永逸的手段。 5總結 5 總 結 (1)在本論文中，對離合器摩擦片進行了溫度與應力的有限元分析。本文采用的方法是間接耦合方法，該方法需要確定熱流密度公式以及其最大滑摩功率。 (2)在整個實驗過程中，摩擦片的最高溫度并不是發(fā)生在最終的時候，而是在結束前一小段的時間處。分析其原因，是由于在工作過程快要結束時，接合狀態(tài)已經(jīng)不像之前那樣緊密，產(chǎn)生的熱量大大降低，使得溫度不再上升，開始緩慢下降，此時工作結束。 (3)在整個實驗過程中，摩擦片軸向的垂直平面上，由于半徑越大，滑摩力矩也越大，這就使得摩擦片半徑越大處的溫度變形量越大，所以最大變形會出現(xiàn)在摩擦片最外緣處。而在半徑方向上，由于切槽的存在，摩擦主要發(fā)生在平面上，所以摩擦面上的溫度最高，而切槽處的溫度較低。結合二者可以發(fā)現(xiàn)，摩擦片最外緣處既是整體溫度最高，也是變形最大的地方。 (4) 摩擦片受熱后，外圈處會發(fā)生遠離摩擦片中心的變形。又因為摩擦片的圓孔處是被固定住的，這就導致變形情況更加復雜，這類變形會使離合器間的磨損增大。要想使摩擦片變得更加可靠，我們可以把摩擦片設計成較為內(nèi)凹的形狀，如此能夠適當?shù)窒淖冃瘟?，讓效率得到提高? (5) 應力會對摩擦片造成較大威脅，非常容易發(fā)生熱疲勞損壞的現(xiàn)象，縮短摩擦片的使用壽命。可以對摩擦片進行熱疲勞分析,這對摩擦片使用壽命的評估具有一定的參考意義。 參考文獻 參考文獻 [1]許兆棠,劉永臣.汽車構造下冊[M].國防工業(yè)出版社.2012(8) [2]丁普賢. 非均質(zhì)濕式離合器摩擦片熱結構耦合仿真研究[D].2013(5) [3]魏丕勇. 摩擦片瞬態(tài)溫度場與應力場有限元分析[J]. 拖拉機與農(nóng)用運輸車2008(8) [4]陳國金. 離合器摩擦片的熱-應力耦合分析[J]. 機電工程2008(12) [5]陳紅生. 摩擦片熱固耦合的有限元分析[J].食品與機械2011(1) [6]楊勇強. 離合器摩擦片熱變形有限元分析[J]. 機械設計與制造2007(2) [7]高耀東,李新利. 離合器摩擦片溫度場的有限元分析[J].煤礦機械2007(6) [8]郭瑞賓. 摩擦片耐熱性對多片濕式離合器工作過程的影響研究[D].2014(5) [9]張世軍. 濕式摩擦離合器油路流場及摩擦片瞬態(tài)溫度場分析[D].2009(11) [10]傅順軍. 離合器摩擦片瞬態(tài)摩擦生熱有限元分析研究[J].2011 [11]邢預恩. 換檔離合器摩擦片溫升分析[J].設計與研究2007(5) [12]師平. 基于ANSYS對離合器摩擦片進行模態(tài)分析[J]. 科技創(chuàng)新與應用2014(5) [13]賈云海. 濕式摩擦離合器摩擦片表面溫升和切槽結構研究[J]. 中國公路學報2007(9) [14]賈云海. 濕式摩擦離合器摩擦片熱分析和切槽結構研究[J].汽車技術2007(9) [15]羅曉曄. 離合器摩擦片摩擦性能影響因素研究[J].汽車制造技術2011(3) 25 致謝 致 謝 經(jīng)歷了半年多的時間，這篇論文終于在一遍又一遍的修改中完成了。在這期間，我感受過了準備資料時的茫然、初期擬定草稿時的錯漏百出、修改時的焦慮、查重時的忐忑等各種情緒，如今它終于完成了。 在這里首先我要衷心感謝我的指導教師盧軍鋒老師，在進行這篇論文的撰寫過程中，盧老師給予了我許多的悉心指導，對我完成論文有巨大的幫助。 同樣十分感謝本篇論文中所參考的眾多文獻資料的原作者，牛頓曾經(jīng)說過：“如果我看得遠，那是因為我站在巨人的肩上?！睕]有他們的資料作為基礎，我也無法順利完成這篇論文。 最后，我想感謝我的家人，感謝他們在生活和精神上對我無微不至的關心。