基于ANSYS的汽车起步工况离合器压盘热力学分析

基于ANSYS的汽车起步工况离合器压盘热力学分析基于ANSYS的汽车起步工况离合器压盘热力学分析摘要:通过UG建模，采用有限元分析法，模拟汽车离合器的起步工况，分析起步工况下，压盘温度场分布和温度的变化以及压盘产生的热形变。实验表明最大温度梯度产生在“凸耳”处，因此该处的热应力和形变量最大。关键词：离合器压盘ANSYS有限元分析法热力学热变形离合器是汽车传动系统中与发动机直接联系的重要部件，起着保证汽车平稳起步、变速器顺利换挡和防止传动系统过载等作用。汽车起步过程中离合器主、从动件相对滑动，导致压盘等零件温度升高从而产生热变形，不均匀的热变形又会导致压盘表面不平，从而影响压盘升程，并可能引起离合器分离不彻底。大量研究证明离合器的损坏80%以上都是热量引起的。江苏理工大学张铁山等人，利用热电偶对压盘的表面进行测量实验，得出了起步工况下压盘表面温度随时间变化的规律；日本学者岩田省山通过试验，对压盘的变形量进行测量，得出了起步工况下压盘的形变规律。作者在上述试验的基础上，通过模拟起步工况，基于ANSYS对压盘进行有限元分析，得出在离合器起步过程中，压盘的温度场、热应力以及变形情况。1压盘有限元模型1.1压盘的建模及结构简化采用UG建立三维模型，对实际结构做相应的简化，使其既容易建模求解，又符合实际情况。在保证压盘结构的力学特性和计算精度的前提下，简化如下：1）根据压盘结构的对称性，取压盘的三分之一作为研究对象。2）忽略所有过渡圆角。3）忽略拔模斜度及压盘摩擦表面的斜度。1.2划分网格单元选Solid70。自由网格划分技术划分网格只能将体划分成四面体网格，有限元模型网格数量大，降低了计算的精度和速度。而映射网格划分生成的网格形状规则，数量上要比相应的自由网格少很多，不仅节省计算时间，而且提高了计算精度，所以本文采用映射网格。划分结果如图1所示，其中路径+为沿摩擦面径向均匀分布的9个节点。2载荷工况及边界条件本文模拟的工况为汽车起步工况，模拟车辆由静止到离合器完全接合的过程，根据实际经验，接合时间取2s。假设压盘工作的环境温度保持30度不变，它在工作过程中受到的热载荷有：压盘从周围环境吸热，即第一类边界条件；压盘与摩擦片摩擦生热，本次试验采用的载荷模型是对摩擦表面施加第二类边界条件；非摩擦表面与空气对流换热，本次试验采用的载荷模型是对压盘非摩擦表面施加第三类边界条件；压盘与周围物体的热辐射，因为离合器工作时温度一基于ANSYS的汽车起步工况离合器压盘热力学分析般低于180度，而当温度低于300度时，辐射的是能量较低的电磁波，而且试验时间较短，因此热辐射在此忽略不计。2.1第一类边界条件摩擦片温度场的第一类边界条件，即初始化温度条件为：T(x，y，z，t）=T0（1）式中：x，y，z为测试点的坐标值；t为时间；T0为环境温度，这里取30度。2.2第二类边界条件离合器系统的热源来自摩擦片和压盘之间的滑磨功。滑磨功转化为热量，热流进入摩擦片和压盘相接触的两个表面。单位时间通过单位面积的热流称之为热流密度，半径为r处的热流密度为（2）：式中：N0为最大滑磨功率；t为接合时间；t0为接合结束时间；r1r2为摩擦片内、外半径。假设摩擦热全部被两摩擦表面吸收，热流分配因数为：式中：为导热系数；,c为比热；为材料密度。带入参数解得压盘表面半径r处的热流密度为：2.2第三类边界条件对流换热系数随转速和温度的变化而改变，难以准确确定，通常采用如下经验公式(2)：式中：Ka为空气导热系数；-为流体特性尺寸；D为雷诺数，计算公式为计算结果如表1所示。3试验结果分析3.1压盘温度场分析基于ANSYS的汽车起步工况离合器压盘热力学分析通过ANSYS有限元分析得出图2所示之压盘温度云图。汽车起步滑摩结束后，压盘的温度明显升高，其中高温区主要集中在压盘的摩擦面，温升最大的地方是压盘摩擦面半径最大处，达到25°C，如图2（a）所示。压盘摩擦面的温度随半径的增大而大体上呈线性增长，如图2(b）所示，从距离压盘内边缘6.1mm到24.4mm，压盘温度呈线性增长，距离小于6.1mm时，温度呈指数增长，距离大于24.4mm时，温度呈对数增长。作者认为：压盘内边缘处，由于对流换热较弱，热传递也部分受阻，因此温度增长较快；压盘外边缘处，对流散热比较强，因此温度增长较慢。压盘摩擦表面各个节点的温度变化趋势一致，都是先增大，然后减小，如图2（c）所示，温度的最大时刻是滑摩开始后1s左右。这是因为，在汽车离合器接合的过程中，压盘与摩擦片的速度差一直在减小，滑摩功在减小，产热速度也越来越小，当产热速度小于散热速度时，压盘温度开始下降。基于ANSYS的汽车起步工况离合器压盘热力学分析3.2压盘形变通过:ANSYS有限元分析得出图3所示之变形云图。压盘受热后，各个节点均有向外扩张的趋势，表明滑摩结束时，压盘会沿径向膨胀，内径和外径都会有所增加，其中3个“凸耳”处的变形量较大，如图3(a）和3(b）所示。由图3（c）可知，滑摩结束时，压盘的内径处会向Z轴负方向偏移，其中3个“凸耳”处变形较小；压盘的外径处会向Z轴正方向偏移，3个“凸耳”处变形量较大。沿X和Y轴方向的最大位移约为0.04mm，沿Z轴方向的最大位移约为0.05mm。4结论在起步工况下，取起步时间为2s，工作环境温度为30°C时：1）离合器在起步过程中，温度会先迅速增大，差不多可以达到60°C，这一最高温度大约产生于离合开始后的1s左右，然后随着产热量的减小，离合器的温度会逐渐降低，整个过程压盘的最高温度会上升25°C。压盘上的温升主要体现在摩擦面上，在摩擦面上温度沿径向呈线性分布。温度梯度最大产生在“凸耳”处，因此该处的热应力和形变量是最大的。2）离合器压盘在起步的过程中产生温差，使压盘产生内应力和变形，内应力一般相对于压盘材料的许用应力来说很小，因此温差对压盘的影响一般表现在形变上。过大的形变会减小压盘与摩擦片的接触面积，而减小摩擦力，延长滑摩时间，产生打滑，增加磨损。因此在设计过程中应考虑这一形变，并针对摩擦面不同的地方设计合理的斜度。参考文献[1]张卫波，赖联锋，严世榕，等.基于ANSYS的离合器压盘有限元设计[J]中国工程机械学报，2007(4):426-429[2]徐晓柯.微型汽车离合器故障探究[D].武汉：武汉理工大学机电学院，2009[3]尹明，钟毅芳.装载机换挡离合器摩擦片发热的计算分析[J]矿山机械，2007(12):62-63[4]朱茂桃，张铁山，夏长高，等.离合器压盘表面工作温度变化规律的测定[J]江苏理工大学学报，1996,17(2):32[5]岩田省山，朱天年7离合器压盘热变形问题的解决[J]世界汽车，1986