车辆离合器局部高温区产生原因及其影响因素理论探讨

魏鹏

中国人民解放军65053部队

车辆离合器局部高温区产生原因及其影响因素理论探讨

魏鹏

中国人民解放军65053部队

车辆离合器失效，主要原因是摩擦副表面的局部高温，而摩擦副表面出现局部高温的原因主要来源于车辆离合器在接合过程中出现的热弹性不稳定性。所以要讨论车辆离合器局部高温区产生的原因及其影响因素，首先要分析何为热弹性不稳定理论，在什么情况下会导致系统进入特弹性不稳定状态，进而才能弄清楚在热弹性不稳定状态下如何出现离合器局部高温区及其影响因素。本文就热弹性不稳定理论展开探讨。

车辆离合器；局部高温区；热弹性不稳定性；临界速度

一、何为热弹性不稳定理论

热弹性不稳定理论是1969年由Barber提出的，主要是用来研究车辆摩擦原件在不均匀分布的温度场中，如何引起材料的不均匀热膨胀的过程。该理论认为，局部高温区的产生原因是离合器摩擦副相对速度大于临界速度，系统进入TEI状态，而摩擦副表面受到不均匀的接触压力，是引起摩擦热不均匀分布的主要原因，也是导致温度场不均匀分布的主要因素。由于材料的热胀冷缩性质，在不均匀的温度场中，材料会产生不均匀热膨胀，而这种热膨胀还会加重接触面的非均匀性，如此恶性循混，在摩擦副相对速度不但增大的情况下，一旦相对速度大于临界速度，将会加速温度场的不均匀分布，最终迫使系统进入热弹性不稳定状态，即TEI，导致摩擦副表面的局部高温，引发离合器失效。

二、引发热弹性不稳定状态的影响因素

继Barber提出的热弹性不稳定理论之后到今天，应用有限元和仿真方法在研究TEI问题中有了重大突破，系统发生TEI的因素有很多，摩擦副材料、临界速度、迁移速度等等，下文将做详细介绍。

（一）摩擦材料不同，导致材料热变形不同

选用两种不同的摩擦材料，一为纸基材料，二为金属材料。在相同的温度场中，不同的材料由于本身性质、密度及热扩散率的不同，会产生不同的热变形，其对应不同的边界条件，根据不同的边界条件，可以解得两种材料的温度场扰动关系，相关计算，在此不做详细说明。

（二）摩擦副材料的不同，导致临界速度与迁移速度的不同

同样选取纸基材料和金属材料两种摩擦材料，选用合金钢作为对偶钢片，进行计算两种不同材料的临界速度和迁移速度，根据摩擦因数f＝0.3，对偶钢片厚度2 a＝5mm,可以求出临界速度，根据反对称模型下的温度场扰动关系，可以求解出想相于钢片的迁移速度。

可以得出以下结论：①不同的热变形模型，在相同的温度场中，临界速度不同；②反对称模型的临界速度较对称模型的小；③对称模型的临界速度大于离合器的工作速度；④由以上三点可知，钢片上的局部高温呈反对称分布，所以反对称模型的临界速度就是系统发生热弹性不稳定状态（TEI）的临界速度；⑤钢片厚度一定时，不同波长的扰动可有不同的临界速度；⑥钢片厚度一定及扰动波长一定的情况下，系统发生TEI的临界速度最小；⑦钢片上的热点位置会跟随时间的推移而发生变化，且导热性能好的材料，迁移速度更小。

正是由于临界速度和迁移速度的存在，才会更易于促发TEI的发生，所以精确计算不同材料的临界速度和迁移速度非常重要。

（三）导热系数

要避免系统发生TEI，提高临界速度是关键，而临界速度与摩擦材料的导热系数有着密切的关系。提高摩擦材料的导热系数，可以促使摩擦热向摩擦片传导，有效减少钢片的表面热流，对减少钢片表面局部热点几率和降低系统出现热弹性不稳定状态的利率有很大帮助。所以高导热系数的摩擦材料是设计高速或重载车辆的离合器的首先选择。

三、以多片式离合器为例，解释车辆离合器局部高温区产生原因及其影响因素

多片式离合器失效也是摩擦副出现表面局部高温区而导致对偶钢片表面损伤的结果，根据局部高温产生的原因及形式，可以将离合器局部高温区分为粗糙型、畸变型、焦点型和区域型四种类型。

首先，粗糙型高温区出现主要是由接触面的粗糙度所决定的，接触面的粗糙程度，直接影响了摩擦副在滑摩过程中的瞬间高温。其次是焦点型高温区，该区的出现主要是有系统的热弹性不稳定引起的，如上文所说，当滑摩速度大于临界速度时，就会出现系统TEI，进而导致系统失稳。此类型的局部高温，会灼烧接触面，留下灼烧痕迹，故称之为焦点型。而区域型和畸变型高温区产生的原因分别是系统参数的不均匀性及热变形所引起的，对离合器的性能影响不大，故不作详细介绍。

对于多片式离合器出现局部高温区，进而导致离合器失效，除了与其高温区的类型密切相关外，还与离合器材料参数有关。

在研究离合器系统TEI状态是的临界速度中，还可以采取仿真方法进行求解分析，因为材料长度和扰动波长之比等于热点数，所以在不同的扰动模态下，会有不同的临界速度。离合器接合超过临界速度且滑摩时间足够长时，就有可能使得摩擦副产生热点，导致系统进入热弹性不稳定状态。

四、总结

车辆离合器出现局部高温区主要是因为离合器在工作过程中，进入了热弹性不稳定状态，在热弹性不稳定理论（TEI）的支持下，摩擦副表面温度在不均匀的温度场中有着不均匀的局部高温区分布。所以影响摩擦副表面局部高温的因素，即为影响离合器局部高温的因素。通过上文的分析探讨，和多片式离合器的案例分析，可以知道临界速度、迁移速度、摩擦材料导热性、扰动波长、弹性和对偶钢片厚度等等因素皆可以引发摩擦副的表面局部高温，触发离合器进入热弹性不稳定状态，最终可导致离合器失效。

[1]赵家昕,马彪.车辆离合器局部高温区成因及其影响因素理论研究[J].北京理工大学机械与车辆学院，2011，24（5）：282-284.

[2]李和言，陈漫.多片式离合器局部高温区成因与系统稳定性研究[J].北京理工大学机械与车辆学院，2010，25(1):8—10.

魏鹏（1979-），男,汉族，河北省定州人，学历：学士学历，助理讲师，主要研究方向：机械学，工作单位：中国人民解放军65053部队。