第２３卷第５期
Ｖ０１．２３Ｎｏ．５
重庆工学院学报（自然科学）
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｏｎｇｑｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ
２００９年５月
－ｌＩ・・ｌ・ｌ・＿＿ｌＩ＿＿＿ｌ＿＿ｌ＿ｌｌ・・＿－＿＿ＩＩｌ＿＿＿－＿＿－・・ｌ・＿ｌ＿ｌ＿＿・－・Ｉ＿ＩＩ・Ｉ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ）
Ｉ・ＩＩｌｌ＿＿ｌ＿！！，Ｉｌｌ＿＿・ｌ＿＿＿＿＿・＿
Ｍａｙ２００９
湿式多片离合器整体热传导过程分析
陈遥飞，杨亚联，秦大同
（重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆４０００４４）
摘要：给出了湿式摩擦离合器的摩擦热和对流换热系数的计算方法．建立了离合器整体的二维及三维热传导分析模型，用瞬态温度场有限元法求解了离合器结合时摩擦片的热传导过程，分析了离合器整体热传导温升变化．提出了改善湿式多片离合器温度均匀分布性能的方法和措施，对延长离合器的使用寿命、提高离合器的使用稳定性有重要意义．关键词：湿式多片离合器；温度场；有限元法中图分类号：Ｕ４３．２
文献标识码：Ａ
文章编号：１６７１一０９２４（２００９）０５—００１ｌ一０４
Ａｎａｌｙｓｉｓ
ＯＲ
ＯｖｅｒａｌｌＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒＰｒｏｃｅｓｓｏｆ
ＣＨＥＮＹａｏ—ｆｅｉ，ＹＡＮＧ
Ｍｕｌｔｉ—ｄｉｓｋＷｅｔ
Ｄａ－ｔｏｎｇ
Ｃｌｕｔｃｈ
Ｙａ—ｌｉａｎ，ＱＩＮ
（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００４４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｈａｓｇｒｅａｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｃｌｕｔｃｈ．Ｆｏｒｍｕｌａｓｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎｈｅａｔａｎｄｈｅａｔｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ
ｏｎ
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ｃｌｕｔｃｈ
ａｒｅ
ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｆｏｒｗｅｔｆｒｉｃｔｉｏｎ
ｇｉｖｅｎ．
％ｅ２．Ｄａｎｄ３－Ｄｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒａｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｅｌｓ
ｐｒｏｂｌｅｍｉｓ
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ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ
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ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｓｉｔｕａｔｉｏｎ．Ｓｏｍｅｍｅａｓｕｒｅｓｍｕｌｔｉｐｌｅｃｌｕｔｃｈ，ｗｈｉｃｈ
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ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
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ｍｅｔｈｏｄ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｕｌｔｉ．ｄｉｓｋｗｅｔｃｌｕｔｃｈ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ
湿式多片离合器是车辆传动系统的重要零部件，直接影响着车辆能否正常运转和安全工作．离
的散热问题作了广泛研究，给出了结合过程中摩擦片的温度场¨－ｓ］．本文中对某混合动力车用湿式多片离合器（图ｌ所示）在结合状态下整体摩擦片的温度变化过程进行数值模拟，给出不同位置的摩擦片冷却油温，以及摩擦片表面沟槽的温升变化规律．
合器摩擦片之间摩擦生热，引起摩擦片接合区域
温度升高，温度过高会引起摩擦片的变形，从而使
摩擦片产生磨损．因此，在摩擦离合器研究领域
中，对摩擦片的散热性能进行研究具有重要的实际意义．目前，国内外许多学者对湿式多片离合器
・收稿日期：２００９—０２一１７
基金项目：国家“８６３”高技术研究发展计划资助项目（２００６ＡＡｌｌＡｌ０７）；重庆市科技攻关重大项目（２００６ＡＡ６００６）．
作者简介：陈遥飞（１９８ｌ一），男，山东莱阳人，硕士研究生，主要从事车辆动力传动与综合控制方面的研究．
万方数据
１２
重庆工学院学报
润滑油
图１
湿式多片离合器结构
１
瞬态温度场基本理论
用有限元法进行瞬态温度场计算时，在空间
量纲方面用有限元离散，采用伽辽金加权残值法建立迭代格式；在时间量纲方面用有限差分法离
散，采用逐步积分法建立迭代格式卜５１．瞬态温度
场的基本方程为
ＫＴ＋ＤＴ＝Ｆ
（１）
式中：Ｋ，Ｄ分别为导热矩阵和变温矩阵；Ｔ，Ｔ分别为节点温度向量和节点温度对时间的导数向量；Ｆ为广义节点热流量向量．各单元的导热矩阵
蚝、变温矩阵ＣＦ、节点热流量向量Ｅ可表示为：警岖ｃ。圳ＮｉＯＮｙｉ＿＋Ｋ警
（２）
％＝皿力【疋警警】出母出＋Ｆ．ａⅣｊ＊ｄｓ（３）
ｃＦ
２』｛Ｊ，ｃＮ，ＮＦｄｘｄｙｄｚ
（４’
Ｆｉ＝皿ａＱＮ，ｄｘｄｙｄｚ一皿（ｑ一瑾弓）Ｍ山（５）
式中：力为求解区域；ｓ为给定热流量和对流条件
的边界区域；Ｋ，Ｋｒ，墨为材料在算，ｙ，名３个方向
万
方数据的导热系数；以，Ｍ为形状函数；ａ为对流换热系数；Ｐ为材料的质量密度；ｃ为热容量；Ｑ为物体内部热流量；ｑ为热流密度；乃为流体的温度．若采用向后差分法求解瞬态温度场，ｔ。时刻的温度Ｌ与ｔ。＋。时刻的温度瓦＋，有如下关系：
瓦＋ｌ＝瓦＋ｒ川缸
（６）
由式（１）和（５）可导出瞬态温度场求解公式：
Ｋ瓦＋。＝Ｆ川
（７）式中：Ｋ＝Ｋ＋Ｃ／Ａｔ，Ｆ。＋ｌ＝Ｆｎ＋ｌ＋ＣＴ／Ａｔｏ．
２计算模型建立和边界条件确定
湿式多片离合器的整体有限元模型如图２所示．离合器采用喷油润滑，内外摩擦片的摩擦面为给定温度热流量边界条件，与润滑油接触的表面
为对流边界条件．
图２离合器整体有限元模型
２．１热流密度
内外摩擦片的摩擦表面相对滑动时将产生摩擦热．单位时间内在单位面积上生成的摩擦热热流密度为忡’
ｑ（ｉ，ｒ，ｔ）＝ｐ（ｆ，ｒ，ｚ）Ｐ（ｉ，ｒ，‘）砌（ｔ）
（８）
式中：肛为摩擦系数；ｐ为衬片接触比压；ｔｏ为摩擦片转速；ｇ为热流密度；ｉ为第ｉ对摩擦副．其中主从动盘转速∞（ｔ）由车辆接合过程中控制某一工况测得，其转速变化如图３所示．接合油压Ｐ（ｉ，ｒ，ｆ）在接合过程中随接合时间变化而变化，近似认为其接合过程的油压基本上随结合时间呈线性变化，当完全结合后保持结合油压一定．离合器结合油压为ｌＭＰａ，结合时间为１．４ｓ，可将此种工
况下的变化曲线假设成如图４所示的理想曲线．
陈遥飞，等：湿式多片离合器整体热传导过程分析
１３
图３
离合器接合主从动盘转速差变化曲线
图４理论油压变化曲线
将ｔＯ（ｔ），Ｐ（ｉ，ｒ，ｔ），ｐ（ｉ，ｒ，ｔ）及ｐ代入式（８），通过编制相关的计算程序，可以得到不同半径处摩擦片热流密度的变化曲线，如图５所示．
图５摩擦片热流密度变化曲线
热流密度的分布由摩擦片及钢片的热传导物理性质进行分配，当结合速度为０时，摩擦表面将无热流密度产生．２．２对流换热系数
由于离合器工作环境的复杂性，对流换热系数将很复杂，它是一个随滑磨速度、油温、及润滑
万
方数据油运动黏度变化的量．离合器在结合过程中端面对流换热可近似为横掠圆柱体的强迫对流传
热【６。８Ｊ，而离合器结合后其片间间隙消除，无传动液流过，故不存在对流散热，端面对流换热系数的
计算公式为
ｈ＝ｃＡ（坐）４Ｐｒ协／ｄ。
．，，，
（９）
，ｆｆ
式中：ｃ，／７，为常数，根据文献［７］中的内容进行取
值；Ａ为润滑油热传导系数；口。为摩擦片端面运动线速度；Ｐ，为普朗特数；口为润滑油的运动黏度；ｄ。
为摩擦片及钢片直径；ｃ。为润滑油的定压比热．
润滑油的普朗特尔数可由式（１０）计算得到：
Ｐｒ＝％／Ａ
（１０）由此可以计算得到不同温度与转速下圆周方向对流换热系数，其计算结果如图６所示．
：
萋。１
ｔ
图６摩擦片端面对流换热系数变化曲线
２．３离合器结合时热传导过程仿真
摩擦离合器的结合过程：具有相对运动的内外摩擦片沿轴向移近压紧，直到全部摩擦片被压紧并同步旋转为止．此过程内外摩擦片平均摩擦系数为０．０９，工作油压力１ＭＰａ，结合时间约为
１．４
ｓ．结合过程结束后，内外摩擦片同步旋转，无
相对运动，此时摩擦片无摩擦热产生，而冷却油继
续带走热量，摩擦片的温度将逐渐下降，直到内外摩擦片温度均降到入口润滑油温度，系统达到热平衡．
３仿真结果分析及性能改进
摩擦片与对偶钢片的有效摩擦区域外径
Ｒ＝５５
ｍｍ内径ｒ＝４５
ｌａｉｎ．摩擦片自左向右编号为
１４
重庆工学院学报
１，２，３，４，５，６．图７给出了人口油温为８０℃，结合时间为１．２ｓ时离合器片间温度变化情况．图８给出了摩擦离合器结合过程摩擦片半径ｒ＝５０
ｎｌｎｌ
处摩擦片右端接触表面温度随时间的变化曲线．由图８可知，在结合过程中钢片的温度均随时间的增加而升高，温升达到一定值后开始下降．当结合完成后，最高温度曲线和最低温度曲线将随着时间的增加逐渐趋近于入口油温．钢片ｌ的最高温度在１．３ｓ左右达到最大，约为１３８℃，钢片６最大值为１４２℃，而钢片２，３，４，５温度相差不大，最高温度达到了２１０℃．这主要是因为钢片１靠近左端支撑板，由于支撑板具有较高的热传导率而使温度不致太高．钢片６与液压活塞接触，同样由于具有较高的热传导率而使活塞的传热时期温度不致太高．由此可见，对于湿式多片离合器，其温度并不是均匀分布，中间摩擦片的散热性能较差导致温度明显高于两端．
’
图７
ｔ＝１．２
ｓ时离合器温度场
２２０
２∞
１８０
ｐ１６０
蠢
１４０
１２０
ｌ∞
８０
０
１
２
３
４
５
６
７
８
ｔ／ｓ
图８对偶钢片片间温度变化对比曲线
万
方数据４结论
结合湿式多片离合器接合规律建立了离合器接合过程的热传导有限元模型，并对离合器对流换热系数进行了计算分析，通过对离合器进行有限元仿真计算得到如下结论：
１）计算出了基于离合器转速和温度变化的平均对流换热系数变化规律曲线，从而更加详细的得出了油液对散热性能的影响．
２）由于离合器片间热传导程度的不同，离合器片间温度差异比较大，靠近离合器活塞及压盘
的离合器片热传导充分，温度较低．而中间片得不
到良好的散热，温度较高．设计时应充分考虑中间摩擦片的过热失效，通过加大中间摩擦片的冷却力度及改变活塞和支撑盘的支撑条件等措施得到更加均匀的温度分布．
参考文献：
［１】
孙冬野，秦大同，杨亚联，等．湿式多片制动器瞬态温度场有限元分析［Ｊ］．中国公路学报，１９９８，１１（４）：１１６—１２０．［２］
常颖，崔岸，张军，等．离合器摩擦过程中的温度研究［Ｊ］．机械科学与技术，１９９８，１７（５）：８３５—８３７．［３］Ｐｒｚｅｍｙｓｌａｗ，Ｚａｇｒｏｄｚｋｉ，Ｓａｍｕｅｌ
Ａ．ＴｒｕｎｃｏｎｅＧｅｎｅｒａｔｉｏｎ
ｏｆｈｏｔｓｐｏｔｓｉｎ
ａ
ｗｅｔ
ｍｕｌｔｉ—ｄｉｓｋｃｌｕｔｃｈｄｕｒｉｎｇｓｈｏｒｔ—ｔｅｒｍ
ｅｎｇａｇｅｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｗｅａｒ，２（ＸＹ３，２５４：４７４—４９Ｉ．［４］Ｊｉ－Ｈｏｏｎ
Ｃｈｏｉ，Ｉｎ
Ｌｅｅ．Ｆｉｎｉｔｅ
ｃｌｅｍｅｎｔ
ａｎａｌｙｓｉｓ
ｏｆ
ｔｒａｎｓｉｅｎｔｔｈｅｒｍｏ—ｅｌａｓｔｉｃｂｅｈａｖｉｏｒｓｉｎ
ｄｉｓｋ
ｂｒａｋｅｓ［Ｊ］．
Ｗｅａｒ。２００４，２５７：４７—５８．
［５］
陆Ｍａｒｋｌｕｎｄ，Ｒｏｌａｎｄ．Ｉ．，ａｒ￥ｆｏｎ．Ｗｅｔ
ｃｌｕｔｃｈｆｒｉｃｔｉｏｎ
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
ｏｂｔａｉｎｅｄ
ｆｒｏｍ
ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ
ｐｉｎ
Ｏｎ
ｄｉｓｃ
ｔｅｓｔ［Ｊ］．Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ，２００７（１１）：ｌ一７．
［６］孔祥谦．有限单元法在传热学中的应用［Ｍ］．北京：
科学出版社，１９９８．
陈建文．换挡离合器摩擦片负荷特性研究［Ｄ】．北京：北京理工大学，２００３．
（责任编辑陈松）
［７］戴锅生．传热学［Ｍ］．北京：高等教育出版社，１９９９．［８］
湿式多片离合器整体热传导过程分析
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
陈遥飞， 杨亚联， 秦大同， CHEN Yao-fei， YANG Ya-lian， QIN Da-tong重庆大学,机械传动国家重点实验室,重庆,400044重庆工学院学报(自然科学版)
JOURNAL OF CHONGQING INSTITUTE OF TECHNOLOGY2009,23(5)
参考文献(8条)
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3.Przemyslaw;Zagrodzki;Samuel A Truncone Generation of hot spots in a wet multi-disk clutch duringshort-term engagement 2003
4.Ji-Hoon Choi;In Lee Finite element analysis of transient thermo-elastic behaviors in disk brakes[外文期刊] 2004(1/2)
5.Par Marklund;Roland Larsson Wet clutch friction characteristics obtained from simplified pin ondisc test 2007(11)
6.孔祥谦 有限单元法在传热学中的应用 19987.戴锅生 传热学 1999
8.陈建文 换挡离合器摩擦片负荷特性研究[学位论文] 2003
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1. 何泽银.吕和生.林腾蛟.潘丽.He Ze-yin.Lv He-sheng.Lin Teng-jiao.Pan Li 湿式多片摩擦离合器接排过程热结构耦合分析[期刊论文]-机械研究与应用2010(5)
2. 陈遥飞.尤庆坤.魏国.张勇.司洪来.CHEN Yao-fei.YOU Qing-kun.WEI Guo.ZHANG Yong.SI Hong-lai 湿式多片离合器散热性能研究[期刊论文]-五邑大学学报（自然科学版）2010,24(2)
3. 徐晓科.莫易敏.汤春球.吕俊成.XU Xiao-ke.MO Yi-min.TANG Chun-qiu.L(U) Jun-cheng 微型汽车离合器摩擦副温度场研究[期刊论文]-现代制造工程2009(1)
4. 张世军.林腾蛟.吕和生.ZHANG Shi-jun.LIN Teng-jiao.LV He-sheng 湿式摩擦离合器摩擦片油槽对瞬态传热的影响[期刊论文]-机械设计2009,26(11)
5. 曲艳阳.黄继雄.莫易敏.吕俊成.汤春球.Qu Yan-yang.Huang Ji-xiong.Mo Yi-min.Lv Junc-heng.Tang Chun-qiu 基于有限元法的微车离合器温度场的研究[期刊论文]-机械研究与应用2008,21(5)
6. 贾云海.张文明.Jia Yunhai.Zhang Wenming 湿式摩擦离合器摩擦片热分析和油槽结构研究[期刊论文]-汽车技术2007(9)
7. 马智慧.严忠胜.常振罗.董鹏.申昱.MA Zhi-hui.YAN Zhong-sheng.CHANG Zhen-luo.DONG Peng.SHEN Yu 湿式摩擦离合器多场耦合动态设计方法[期刊论文]-机械设计与制造2009(10)
8. 霍晓强.李和言.刘安 基于ANSYS的湿式换挡离合器摩擦副温度场研究[会议论文]-2007
9. 贾云海.张文明.JIA Yun-hai.ZHANG Wen-ming 湿式摩擦离合器摩擦片表面温升和油槽结构研究[期刊论文]-中国公路学报2007,20(5)
10. 霍晓强.刘安.Huo Xiaoqiang.Liu An 湿式换挡离合器摩擦副瞬态温度场的仿真研究[期刊论文]-工程机械2006,37(3)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_cqgxyxb200905003.aspx
第２３卷第５期
Ｖ０１．２３Ｎｏ．５
重庆工学院学报（自然科学）
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｏｎｇｑｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ
２００９年５月
－ｌＩ・・ｌ・ｌ・＿＿ｌＩ＿＿＿ｌ＿＿ｌ＿ｌｌ・・＿－＿＿ＩＩｌ＿＿＿－＿＿－・・ｌ・＿ｌ＿ｌ＿＿・－・Ｉ＿ＩＩ・Ｉ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ）
Ｉ・ＩＩｌｌ＿＿ｌ＿！！，Ｉｌｌ＿＿・ｌ＿＿＿＿＿・＿
Ｍａｙ２００９
湿式多片离合器整体热传导过程分析
陈遥飞，杨亚联，秦大同
（重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆４０００４４）
摘要：给出了湿式摩擦离合器的摩擦热和对流换热系数的计算方法．建立了离合器整体的二维及三维热传导分析模型，用瞬态温度场有限元法求解了离合器结合时摩擦片的热传导过程，分析了离合器整体热传导温升变化．提出了改善湿式多片离合器温度均匀分布性能的方法和措施，对延长离合器的使用寿命、提高离合器的使用稳定性有重要意义．关键词：湿式多片离合器；温度场；有限元法中图分类号：Ｕ４３．２
文献标识码：Ａ
文章编号：１６７１一０９２４（２００９）０５—００１ｌ一０４
Ａｎａｌｙｓｉｓ
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ＣＨＥＮＹａｏ—ｆｅｉ，ＹＡＮＧ
Ｍｕｌｔｉ—ｄｉｓｋＷｅｔ
Ｄａ－ｔｏｎｇ
Ｃｌｕｔｃｈ
Ｙａ—ｌｉａｎ，ＱＩＮ
（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００４４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｈａｓｇｒｅａｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｃｌｕｔｃｈ．Ｆｏｒｍｕｌａｓｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎｈｅａｔａｎｄｈｅａｔｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ
ｏｎ
ｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｌｉｆｅｏｆｍｕｌｔｉ－ｄｉｓｋｗｅｔ
ｃｌｕｔｃｈ
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ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｆｏｒｗｅｔｆｒｉｃｔｉｏｎ
ｇｉｖｅｎ．
％ｅ２．Ｄａｎｄ３－Ｄｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒａｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｅｌｓ
ｐｒｏｂｌｅｍｉｓ
ｅｍｐｌｏｙｅｄｔｏ
ａｒｅ
ａｒｅ
ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ。ａｎｄｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｒａｎｓｉｅｎｔ
ｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｐｒｏｃｅｓｓｉｍｐｒｏｖｅ
ｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎｐｉｅｃｅｕｎｄｅｒｏｆｈｅａｔｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｏｆｗｅｔ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ
ｓｏｌｖｅｔｈｅ
ｓｅｔ
ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｓｉｔｕａｔｉｏｎ．Ｓｏｍｅｍｅａｓｕｒｅｓｍｕｌｔｉｐｌｅｃｌｕｔｃｈ，ｗｈｉｃｈ
ａｒｅ
ｆｏｒｔｈ
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ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｔｏｐｒｏｌｏｎｇｉｎｇｃｌｕｔｅｈ童ｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅａｎｄｐｒｏｍｏｔｉｎｇｉｔｓｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．
ｍｅｔｈｏｄ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｕｌｔｉ．ｄｉｓｋｗｅｔｃｌｕｔｃｈ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ
湿式多片离合器是车辆传动系统的重要零部件，直接影响着车辆能否正常运转和安全工作．离
的散热问题作了广泛研究，给出了结合过程中摩擦片的温度场¨－ｓ］．本文中对某混合动力车用湿式多片离合器（图ｌ所示）在结合状态下整体摩擦片的温度变化过程进行数值模拟，给出不同位置的摩擦片冷却油温，以及摩擦片表面沟槽的温升变化规律．
合器摩擦片之间摩擦生热，引起摩擦片接合区域
温度升高，温度过高会引起摩擦片的变形，从而使
摩擦片产生磨损．因此，在摩擦离合器研究领域
中，对摩擦片的散热性能进行研究具有重要的实际意义．目前，国内外许多学者对湿式多片离合器
・收稿日期：２００９—０２一１７
基金项目：国家“８６３”高技术研究发展计划资助项目（２００６ＡＡｌｌＡｌ０７）；重庆市科技攻关重大项目（２００６ＡＡ６００６）．
作者简介：陈遥飞（１９８ｌ一），男，山东莱阳人，硕士研究生，主要从事车辆动力传动与综合控制方面的研究．
万方数据
１２
重庆工学院学报
润滑油
图１
湿式多片离合器结构
１
瞬态温度场基本理论
用有限元法进行瞬态温度场计算时，在空间
量纲方面用有限元离散，采用伽辽金加权残值法建立迭代格式；在时间量纲方面用有限差分法离
散，采用逐步积分法建立迭代格式卜５１．瞬态温度
场的基本方程为
ＫＴ＋ＤＴ＝Ｆ
（１）
式中：Ｋ，Ｄ分别为导热矩阵和变温矩阵；Ｔ，Ｔ分别为节点温度向量和节点温度对时间的导数向量；Ｆ为广义节点热流量向量．各单元的导热矩阵
蚝、变温矩阵ＣＦ、节点热流量向量Ｅ可表示为：警岖ｃ。圳ＮｉＯＮｙｉ＿＋Ｋ警
（２）
％＝皿力【疋警警】出母出＋Ｆ．ａⅣｊ＊ｄｓ（３）
ｃＦ
２』｛Ｊ，ｃＮ，ＮＦｄｘｄｙｄｚ
（４’
Ｆｉ＝皿ａＱＮ，ｄｘｄｙｄｚ一皿（ｑ一瑾弓）Ｍ山（５）
式中：力为求解区域；ｓ为给定热流量和对流条件
的边界区域；Ｋ，Ｋｒ，墨为材料在算，ｙ，名３个方向
万
方数据的导热系数；以，Ｍ为形状函数；ａ为对流换热系数；Ｐ为材料的质量密度；ｃ为热容量；Ｑ为物体内部热流量；ｑ为热流密度；乃为流体的温度．若采用向后差分法求解瞬态温度场，ｔ。时刻的温度Ｌ与ｔ。＋。时刻的温度瓦＋，有如下关系：
瓦＋ｌ＝瓦＋ｒ川缸
（６）
由式（１）和（５）可导出瞬态温度场求解公式：
Ｋ瓦＋。＝Ｆ川
（７）式中：Ｋ＝Ｋ＋Ｃ／Ａｔ，Ｆ。＋ｌ＝Ｆｎ＋ｌ＋ＣＴ／Ａｔｏ．
２计算模型建立和边界条件确定
湿式多片离合器的整体有限元模型如图２所示．离合器采用喷油润滑，内外摩擦片的摩擦面为给定温度热流量边界条件，与润滑油接触的表面
为对流边界条件．
图２离合器整体有限元模型
２．１热流密度
内外摩擦片的摩擦表面相对滑动时将产生摩擦热．单位时间内在单位面积上生成的摩擦热热流密度为忡’
ｑ（ｉ，ｒ，ｔ）＝ｐ（ｆ，ｒ，ｚ）Ｐ（ｉ，ｒ，‘）砌（ｔ）
（８）
式中：肛为摩擦系数；ｐ为衬片接触比压；ｔｏ为摩擦片转速；ｇ为热流密度；ｉ为第ｉ对摩擦副．其中主从动盘转速∞（ｔ）由车辆接合过程中控制某一工况测得，其转速变化如图３所示．接合油压Ｐ（ｉ，ｒ，ｆ）在接合过程中随接合时间变化而变化，近似认为其接合过程的油压基本上随结合时间呈线性变化，当完全结合后保持结合油压一定．离合器结合油压为ｌＭＰａ，结合时间为１．４ｓ，可将此种工
况下的变化曲线假设成如图４所示的理想曲线．
陈遥飞，等：湿式多片离合器整体热传导过程分析
１３
图３
离合器接合主从动盘转速差变化曲线
图４理论油压变化曲线
将ｔＯ（ｔ），Ｐ（ｉ，ｒ，ｔ），ｐ（ｉ，ｒ，ｔ）及ｐ代入式（８），通过编制相关的计算程序，可以得到不同半径处摩擦片热流密度的变化曲线，如图５所示．
图５摩擦片热流密度变化曲线
热流密度的分布由摩擦片及钢片的热传导物理性质进行分配，当结合速度为０时，摩擦表面将无热流密度产生．２．２对流换热系数
由于离合器工作环境的复杂性，对流换热系数将很复杂，它是一个随滑磨速度、油温、及润滑
万
方数据油运动黏度变化的量．离合器在结合过程中端面对流换热可近似为横掠圆柱体的强迫对流传
热【６。８Ｊ，而离合器结合后其片间间隙消除，无传动液流过，故不存在对流散热，端面对流换热系数的
计算公式为
ｈ＝ｃＡ（坐）４Ｐｒ协／ｄ。
．，，，
（９）
，ｆｆ
式中：ｃ，／７，为常数，根据文献［７］中的内容进行取
值；Ａ为润滑油热传导系数；口。为摩擦片端面运动线速度；Ｐ，为普朗特数；口为润滑油的运动黏度；ｄ。
为摩擦片及钢片直径；ｃ。为润滑油的定压比热．
润滑油的普朗特尔数可由式（１０）计算得到：
Ｐｒ＝％／Ａ
（１０）由此可以计算得到不同温度与转速下圆周方向对流换热系数，其计算结果如图６所示．
：
萋。１
ｔ
图６摩擦片端面对流换热系数变化曲线
２．３离合器结合时热传导过程仿真
摩擦离合器的结合过程：具有相对运动的内外摩擦片沿轴向移近压紧，直到全部摩擦片被压紧并同步旋转为止．此过程内外摩擦片平均摩擦系数为０．０９，工作油压力１ＭＰａ，结合时间约为
１．４
ｓ．结合过程结束后，内外摩擦片同步旋转，无
相对运动，此时摩擦片无摩擦热产生，而冷却油继
续带走热量，摩擦片的温度将逐渐下降，直到内外摩擦片温度均降到入口润滑油温度，系统达到热平衡．
３仿真结果分析及性能改进
摩擦片与对偶钢片的有效摩擦区域外径
Ｒ＝５５
ｍｍ内径ｒ＝４５
ｌａｉｎ．摩擦片自左向右编号为
１４
重庆工学院学报
１，２，３，４，５，６．图７给出了人口油温为８０℃，结合时间为１．２ｓ时离合器片间温度变化情况．图８给出了摩擦离合器结合过程摩擦片半径ｒ＝５０
ｎｌｎｌ
处摩擦片右端接触表面温度随时间的变化曲线．由图８可知，在结合过程中钢片的温度均随时间的增加而升高，温升达到一定值后开始下降．当结合完成后，最高温度曲线和最低温度曲线将随着时间的增加逐渐趋近于入口油温．钢片ｌ的最高温度在１．３ｓ左右达到最大，约为１３８℃，钢片６最大值为１４２℃，而钢片２，３，４，５温度相差不大，最高温度达到了２１０℃．这主要是因为钢片１靠近左端支撑板，由于支撑板具有较高的热传导率而使温度不致太高．钢片６与液压活塞接触，同样由于具有较高的热传导率而使活塞的传热时期温度不致太高．由此可见，对于湿式多片离合器，其温度并不是均匀分布，中间摩擦片的散热性能较差导致温度明显高于两端．
’
图７
ｔ＝１．２
ｓ时离合器温度场
２２０
２∞
１８０
ｐ１６０
蠢
１４０
１２０
ｌ∞
８０
０
１
２
３
４
５
６
７
８
ｔ／ｓ
图８对偶钢片片间温度变化对比曲线
万
方数据４结论
结合湿式多片离合器接合规律建立了离合器接合过程的热传导有限元模型，并对离合器对流换热系数进行了计算分析，通过对离合器进行有限元仿真计算得到如下结论：
１）计算出了基于离合器转速和温度变化的平均对流换热系数变化规律曲线，从而更加详细的得出了油液对散热性能的影响．
２）由于离合器片间热传导程度的不同，离合器片间温度差异比较大，靠近离合器活塞及压盘
的离合器片热传导充分，温度较低．而中间片得不
到良好的散热，温度较高．设计时应充分考虑中间摩擦片的过热失效，通过加大中间摩擦片的冷却力度及改变活塞和支撑盘的支撑条件等措施得到更加均匀的温度分布．
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（责任编辑陈松）
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湿式多片离合器整体热传导过程分析
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
陈遥飞， 杨亚联， 秦大同， CHEN Yao-fei， YANG Ya-lian， QIN Da-tong重庆大学,机械传动国家重点实验室,重庆,400044重庆工学院学报(自然科学版)
JOURNAL OF CHONGQING INSTITUTE OF TECHNOLOGY2009,23(5)
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