基于ABAQUS的摩擦副最高溫度研究①

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七○三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078)

0 引 言

摩擦離合器在接合過程中依靠摩擦片和對偶鋼片之間的滑摩運(yùn)動傳遞扭矩，當(dāng)滑摩過程中的熱負(fù)荷過大時，盤片溫度升高，導(dǎo)致鋼片燒蝕變形，摩擦片摩擦材料磨損脫落[1]。呂和生,吳瑾[2～3]等人基于熱流密度模型原理，將熱量相關(guān)參數(shù)作為模型的邊界條件,對摩擦副溫度場進(jìn)行了分析。為得到更為接近實(shí)際情況的有限元模型，在忽略摩擦片表面溝槽結(jié)構(gòu)以及散熱的條件下，借助ABAQUS有限元分析軟件，建立摩擦副的接觸模型，直接對模型施加轉(zhuǎn)速、壓力等動力學(xué)參數(shù)，對摩擦副摩擦生熱過程進(jìn)行有限元分析，得到了摩擦副最高溫度未出現(xiàn)在摩擦區(qū)域最外圈的原因，以及單位面積滑摩功率為500W/cm2時摩擦片厚度和鋼片厚度對摩擦副最高溫度的影響規(guī)律。

1 摩擦功及平均溫升計算模型

在研究的過程中，對離合器系統(tǒng)進(jìn)行簡化，其動力學(xué)模型如圖1所示。Ta為驅(qū)動力矩，Ts為阻力矩，Tf為接排時的摩擦力矩，Tf’為接排時的反摩擦力矩，ωin為輸入軸角速度，ωout為輸出軸角速度，Ja為主動部分當(dāng)量轉(zhuǎn)動慣量，Js為從動部分當(dāng)量轉(zhuǎn)動慣量。

圖1 離合器系統(tǒng)簡化動力學(xué)模型

滑摩功計算公式：

(1)

ωrel為相對轉(zhuǎn)速

滑摩功率計算公式：

(2)

Q為軸向力，Rv為當(dāng)量摩擦半徑

單位面積滑摩功率：

(3)

A為摩擦副有效工作面積

熱分配系數(shù)[4]：

(4)

ks為鋼片導(dǎo)熱系數(shù);kf為摩擦片導(dǎo)熱系數(shù);ρf為摩擦片密度

cs為鋼片比熱容;cf為摩擦片比熱容

平均溫升：

(5)

2 有限元模型及邊界條件

摩擦離合器摩擦副由兩部分構(gòu)成，分別為摩擦片和對偶鋼片，皆為具有一定厚度的圓環(huán)結(jié)構(gòu)。對偶鋼片為光片，摩擦片中間為芯板，兩側(cè)為銅基粉末冶金材料。摩擦副的材料參數(shù)及邊界條件如表1～表2所示。摩擦副三維及有限元模型如圖2所示。摩擦副有限元模型網(wǎng)格為六面體網(wǎng)格，類型為C3D8T，摩擦片單元數(shù)為3128，節(jié)點(diǎn)數(shù)為4896，鋼片單元數(shù)為1152，節(jié)點(diǎn)數(shù)為2592。

表1 摩擦副材料參數(shù)

圖2 摩擦副三維及有限元模型

表2 摩擦副邊界條件

為方便分析，對接合情況進(jìn)行如下假設(shè)：

(1)摩擦副各項(xiàng)同性，整個過程摩擦系數(shù)為常數(shù)，忽略材料參數(shù)隨溫度的變化；

(2)摩擦熱只傳遞給摩擦片和對偶鋼片；

(3)不考慮摩擦片溝槽和潤滑油的散熱；

(4)忽略熱輻射散熱。

3 理論計算及有限元分析結(jié)果

摩擦片及對偶鋼片表面溫度場如圖3所示。

圖3 摩擦副有限元分析結(jié)果

摩擦片以及鋼片最高溫度均出現(xiàn)在靠近最外圈的位置。實(shí)際摩擦片的失效位置也位于靠近最外圈處。理想狀況下，隨著徑向尺寸的增大，線速度升高，摩擦劇烈，最高溫度應(yīng)出現(xiàn)在徑尺寸最大的位置，即摩擦區(qū)域的最外圈。將摩擦副截面在0.001s和0.1s沿軸向的形變尺寸分別放大10000倍和100倍并進(jìn)行觀察。摩擦副截面形變情況及最外圈節(jié)點(diǎn)沿軸向形變隨時間的變化如圖4～圖5所示。

圖4 摩擦副截面形變

圖5 摩擦副最外圈軸向形變曲線

隨著壓力的增大，摩擦副產(chǎn)生微小形變，隨著滑摩過程的進(jìn)行，在熱膨脹及應(yīng)力的作用下，摩擦副最外圈形變增大，導(dǎo)致其脫離摩擦轉(zhuǎn)態(tài)，實(shí)際摩擦區(qū)域變小，最高溫度出現(xiàn)在仍處于摩擦狀態(tài)的徑向尺寸最大的位置，即靠近最外圈的地方。由于摩擦副材料的各向同性，溫度最高的位置即為破壞失效位置。隨著滑摩時間的增加，摩擦副最外圈形變量逐漸變大，最后穩(wěn)定在0.025mm左右。摩擦副計算結(jié)果如表3所示。

表3 摩擦副計算結(jié)果

摩擦片的計算平均溫升為38.4℃，仿真結(jié)果最高溫升為65.6℃；鋼片的計算平均溫升為23.1℃，仿真結(jié)果最高溫升為69.3℃。平均溫升為摩擦產(chǎn)生的熱量被摩擦副全部材料均勻吸收所產(chǎn)生的溫升，而仿真分析中，摩擦產(chǎn)生的熱量主要集中于摩擦表面上，摩擦副最外圈產(chǎn)生軸向形變脫離滑摩狀態(tài)，有效摩擦區(qū)域變小，導(dǎo)致仿真結(jié)果最高溫升與理論計算平均溫升存在較大差異，其中摩擦片仿真結(jié)果為計算結(jié)果的1.7倍，鋼片仿真結(jié)果為計算結(jié)果的3倍。

4 摩擦副厚度對溫度場的影響

為探究摩擦片及鋼片的厚度對摩擦副最高溫度的影響，在保持滑摩功率及滑摩功不變的前提下，進(jìn)行以下對比分析：

1)摩擦片的厚度不變，僅改變鋼片的厚度，分析鋼片厚度的變化對溫度場的影響；

2)鋼片的厚度不變，僅改變摩擦片摩擦層的厚度，分析摩擦層厚度的變化對溫度場的影響；

3)鋼片與摩擦片一側(cè)摩擦層的總厚度不變，分別改變鋼片和摩擦層的厚度，分析鋼片和摩擦層厚度占比對溫度場的影響。

除改變的參數(shù)外，其他參數(shù)與上述參數(shù)相同。

圖6 鋼片厚度-最高溫度曲線

4.1 鋼片溫度場的影響

摩擦層厚度恒定為2mm，鋼片初始厚度2mm，每增加0.2mm計算一次，摩擦副最高溫度變化如圖6所示。

由圖6可知，當(dāng)滑摩功和摩擦片厚度一定時，隨著鋼片厚度的增加，摩擦副的最高溫度逐漸降低，且鋼片的最高溫度始終高于摩擦片的最高溫度，由于鋼片的導(dǎo)熱系數(shù)較大，吸收的熱量更多，鋼片厚度尺寸的改變對摩擦副整體溫度的影響較大，但當(dāng)鋼片厚度超過一定數(shù)值時，摩擦副最高溫度基本不再下降。

4.2 摩擦片厚度對溫度場的影響

摩擦片基板的溫升很小，予以忽略，溫升主要體現(xiàn)在與鋼片進(jìn)行摩擦的一側(cè)摩擦層上，在探究摩擦片厚度對溫度場的影 響時，變量為摩擦片單側(cè)摩擦層的厚度。鋼片厚度為5mm，摩擦片單側(cè)摩擦層厚度每變化0.2mm分析一次，摩擦副最高溫度變化如圖8所示。

圖7 摩擦片厚度-最高溫度曲線

由圖7可知，當(dāng)改變摩擦層厚度時，摩擦副的溫度在65℃～90℃波動，整體無明顯吧變化趨勢，由于摩擦層導(dǎo)熱系數(shù)較小，吸收熱量小，以及鋼片和摩擦片之間的熱交換，導(dǎo)致摩擦層厚度的變化對摩擦副整體最高溫度的影響不大。

4.3 摩擦副厚度占比對溫度場的影響

鋼片和單側(cè)摩擦層厚度總和分別為4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm，鋼片和摩擦層厚度每次變化0.2mm，將鋼片厚度做為橫坐標(biāo)，最高溫度為縱坐標(biāo)，摩擦副最高溫度隨鋼片厚度的變化情況如圖8所示。

由圖8可知，當(dāng)總厚度為4mm～7mm時，整體呈現(xiàn)較一致的規(guī)律性，及摩擦副的最高溫度會在鋼片厚度小于臨界值時急劇升高，在鋼片厚度大于臨界值時，摩擦副的最高溫度隨著鋼片厚度的減小呈緩慢上升趨勢。當(dāng)總厚度為8mm～10mm時，鋼片厚度過大或過小，摩擦副的最高溫度均會急劇上升，當(dāng)鋼片厚度處于兩個臨界值之間時，整個摩擦副的最高溫度整體呈緩慢上升趨勢。將上述兩種的情況中溫度突變的厚度成為臨界厚度。鋼片厚度是影響摩擦副溫升的主要因素，故主要對鋼片的臨界厚度進(jìn)行分析，鋼片臨界厚度如表4所示。

圖8 摩擦副不同總厚度最高溫度曲線

表4 鋼片臨界厚度表

由表4可知，單位面積滑摩功率為500W/cm2時，不同摩擦副厚度鋼片的臨界厚度介于1.4mm～2mm之間，在設(shè)計鋼片尺寸時，鋼片的厚度應(yīng)不低于2mm，適當(dāng)增加鋼片厚度能一定程度上降低摩擦副的最高溫度，但不宜過大，由圖8中分析，較為理想的鋼片厚度為4mm～5mm，摩擦副的最高溫度較鋼片臨界厚度時的最高溫度降低20-40℃。

5 結(jié) 論

通過ABAQUS有限元仿真軟件模擬摩擦離合器摩擦副在接合過程中的溫升情況，對仿真結(jié)果進(jìn)行觀察分析，理論計算平均溫升與仿真結(jié)果最高溫升存在較大差異，得到摩擦副溫度場最高溫度的總結(jié)如下：

1)摩擦副在接合滑摩的過程中，由于應(yīng)力及熱膨脹等因素，導(dǎo)致摩擦副出現(xiàn)微小形變，導(dǎo)致摩擦副最外圈脫離滑摩狀態(tài)，最高溫度出現(xiàn)在仍處于滑摩狀態(tài)區(qū)域的最大半徑位置；

2)在滑摩功不變的情況下，鋼片厚度的變化對溫度場的影響更大，也更直接，適當(dāng)增大鋼片的厚度能有效地降低摩擦副的最高溫度；而摩擦片厚度的變化對摩擦副的溫度影響很小，且沒有明顯的變化趨勢。

3)單位面積滑摩功率為500W/cm2時，鋼片厚度不應(yīng)低于2mm，在4mm～5mm之間取值較為合適，摩擦副最高溫度相較于鋼片臨界厚度時的最高溫度降低20-40℃。