基于ABAQUS的摩擦副最高温度研究①

(中国船舶重工集团公司第七○三研究所，黑龙江 哈尔滨 150078)

0 引 言

摩擦离合器在接合过程中依靠摩擦片和对偶钢片之间的滑摩运动传递扭矩，当滑摩过程中的热负荷过大时，盘片温度升高，导致钢片烧蚀变形，摩擦片摩擦材料磨损脱落[1]。吕和生,吴瑾[2～3]等人基于热流密度模型原理，将热量相关参数作为模型的边界条件,对摩擦副温度场进行了分析。为得到更为接近实际情况的有限元模型，在忽略摩擦片表面沟槽结构以及散热的条件下，借助ABAQUS有限元分析软件，建立摩擦副的接触模型，直接对模型施加转速、压力等动力学参数，对摩擦副摩擦生热过程进行有限元分析，得到了摩擦副最高温度未出现在摩擦区域最外圈的原因，以及单位面积滑摩功率为500W/cm2时摩擦片厚度和钢片厚度对摩擦副最高温度的影响规律。

1 摩擦功及平均温升计算模型

在研究的过程中，对离合器系统进行简化，其动力学模型如图1所示。Ta为驱动力矩，Ts为阻力矩，Tf为接排时的摩擦力矩，Tf’为接排时的反摩擦力矩，ωin为输入轴角速度，ωout为输出轴角速度，Ja为主动部分当量转动惯量，Js为从动部分当量转动惯量。

图1 离合器系统简化动力学模型

滑摩功计算公式：

(1)

ωrel为相对转速

滑摩功率计算公式：

(2)

Q为轴向力，Rv为当量摩擦半径

单位面积滑摩功率：

(3)

A为摩擦副有效工作面积

热分配系数[4]：

(4)

ks为钢片导热系数;kf为摩擦片导热系数;ρf为摩擦片密度

cs为钢片比热容;cf为摩擦片比热容

平均温升：

(5)

2 有限元模型及边界条件

摩擦离合器摩擦副由两部分构成，分别为摩擦片和对偶钢片，皆为具有一定厚度的圆环结构。对偶钢片为光片，摩擦片中间为芯板，两侧为铜基粉末冶金材料。摩擦副的材料参数及边界条件如表1～表2所示。摩擦副三维及有限元模型如图2所示。摩擦副有限元模型网格为六面体网格，类型为C3D8T，摩擦片单元数为3128，节点数为4896，钢片单元数为1152，节点数为2592。

表1 摩擦副材料参数

图2 摩擦副三维及有限元模型

表2 摩擦副边界条件

为方便分析，对接合情况进行如下假设：

(1)摩擦副各项同性，整个过程摩擦系数为常数，忽略材料参数随温度的变化；

(2)摩擦热只传递给摩擦片和对偶钢片；

(3)不考虑摩擦片沟槽和润滑油的散热；

(4)忽略热辐射散热。

3 理论计算及有限元分析结果

摩擦片及对偶钢片表面温度场如图3所示。

图3 摩擦副有限元分析结果

摩擦片以及钢片最高温度均出现在靠近最外圈的位置。实际摩擦片的失效位置也位于靠近最外圈处。理想状况下，随着径向尺寸的增大，线速度升高，摩擦剧烈，最高温度应出现在径尺寸最大的位置，即摩擦区域的最外圈。将摩擦副截面在0.001s和0.1s沿轴向的形变尺寸分别放大10000倍和100倍并进行观察。摩擦副截面形变情况及最外圈节点沿轴向形变随时间的变化如图4～图5所示。

图4 摩擦副截面形变

图5 摩擦副最外圈轴向形变曲线

随着压力的增大，摩擦副产生微小形变，随着滑摩过程的进行，在热膨胀及应力的作用下，摩擦副最外圈形变增大，导致其脱离摩擦转态，实际摩擦区域变小，最高温度出现在仍处于摩擦状态的径向尺寸最大的位置，即靠近最外圈的地方。由于摩擦副材料的各向同性，温度最高的位置即为破坏失效位置。随着滑摩时间的增加，摩擦副最外圈形变量逐渐变大，最后稳定在0.025mm左右。摩擦副计算结果如表3所示。

表3 摩擦副计算结果

摩擦片的计算平均温升为38.4℃，仿真结果最高温升为65.6℃；钢片的计算平均温升为23.1℃，仿真结果最高温升为69.3℃。平均温升为摩擦产生的热量被摩擦副全部材料均匀吸收所产生的温升，而仿真分析中，摩擦产生的热量主要集中于摩擦表面上，摩擦副最外圈产生轴向形变脱离滑摩状态，有效摩擦区域变小，导致仿真结果最高温升与理论计算平均温升存在较大差异，其中摩擦片仿真结果为计算结果的1.7倍，钢片仿真结果为计算结果的3倍。

4 摩擦副厚度对温度场的影响

为探究摩擦片及钢片的厚度对摩擦副最高温度的影响，在保持滑摩功率及滑摩功不变的前提下，进行以下对比分析：

1)摩擦片的厚度不变，仅改变钢片的厚度，分析钢片厚度的变化对温度场的影响；

2)钢片的厚度不变，仅改变摩擦片摩擦层的厚度，分析摩擦层厚度的变化对温度场的影响；

3)钢片与摩擦片一侧摩擦层的总厚度不变，分别改变钢片和摩擦层的厚度，分析钢片和摩擦层厚度占比对温度场的影响。

除改变的参数外，其他参数与上述参数相同。

图6 钢片厚度-最高温度曲线

4.1 钢片温度场的影响

摩擦层厚度恒定为2mm，钢片初始厚度2mm，每增加0.2mm计算一次，摩擦副最高温度变化如图6所示。

由图6可知，当滑摩功和摩擦片厚度一定时，随着钢片厚度的增加，摩擦副的最高温度逐渐降低，且钢片的最高温度始终高于摩擦片的最高温度，由于钢片的导热系数较大，吸收的热量更多，钢片厚度尺寸的改变对摩擦副整体温度的影响较大，但当钢片厚度超过一定数值时，摩擦副最高温度基本不再下降。

4.2 摩擦片厚度对温度场的影响

摩擦片基板的温升很小，予以忽略，温升主要体现在与钢片进行摩擦的一侧摩擦层上，在探究摩擦片厚度对温度场的影 响时，变量为摩擦片单侧摩擦层的厚度。钢片厚度为5mm，摩擦片单侧摩擦层厚度每变化0.2mm分析一次，摩擦副最高温度变化如图8所示。

图7 摩擦片厚度-最高温度曲线

由图7可知，当改变摩擦层厚度时，摩擦副的温度在65℃～90℃波动，整体无明显吧变化趋势，由于摩擦层导热系数较小，吸收热量小，以及钢片和摩擦片之间的热交换，导致摩擦层厚度的变化对摩擦副整体最高温度的影响不大。

4.3 摩擦副厚度占比对温度场的影响

钢片和单侧摩擦层厚度总和分别为4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm，钢片和摩擦层厚度每次变化0.2mm，将钢片厚度做为横坐标，最高温度为纵坐标，摩擦副最高温度随钢片厚度的变化情况如图8所示。

由图8可知，当总厚度为4mm～7mm时，整体呈现较一致的规律性，及摩擦副的最高温度会在钢片厚度小于临界值时急剧升高，在钢片厚度大于临界值时，摩擦副的最高温度随着钢片厚度的减小呈缓慢上升趋势。当总厚度为8mm～10mm时，钢片厚度过大或过小，摩擦副的最高温度均会急剧上升，当钢片厚度处于两个临界值之间时，整个摩擦副的最高温度整体呈缓慢上升趋势。将上述两种的情况中温度突变的厚度成为临界厚度。钢片厚度是影响摩擦副温升的主要因素，故主要对钢片的临界厚度进行分析，钢片临界厚度如表4所示。

图8 摩擦副不同总厚度最高温度曲线

表4 钢片临界厚度表

由表4可知，单位面积滑摩功率为500W/cm2时，不同摩擦副厚度钢片的临界厚度介于1.4mm～2mm之间，在设计钢片尺寸时，钢片的厚度应不低于2mm，适当增加钢片厚度能一定程度上降低摩擦副的最高温度，但不宜过大，由图8中分析，较为理想的钢片厚度为4mm～5mm，摩擦副的最高温度较钢片临界厚度时的最高温度降低20-40℃。

5 结 论

通过ABAQUS有限元仿真软件模拟摩擦离合器摩擦副在接合过程中的温升情况，对仿真结果进行观察分析，理论计算平均温升与仿真结果最高温升存在较大差异，得到摩擦副温度场最高温度的总结如下：

1)摩擦副在接合滑摩的过程中，由于应力及热膨胀等因素，导致摩擦副出现微小形变，导致摩擦副最外圈脱离滑摩状态，最高温度出现在仍处于滑摩状态区域的最大半径位置；

2)在滑摩功不变的情况下，钢片厚度的变化对温度场的影响更大，也更直接，适当增大钢片的厚度能有效地降低摩擦副的最高温度；而摩擦片厚度的变化对摩擦副的温度影响很小，且没有明显的变化趋势。

3)单位面积滑摩功率为500W/cm2时，钢片厚度不应低于2mm，在4mm～5mm之间取值较为合适，摩擦副最高温度相较于钢片临界厚度时的最高温度降低20-40℃。