湿式离合器摩擦片油槽传热特性的仿真分析

何佩芸 苏楚奇

(武汉理工大学汽车工程学院1) 武汉 430070) (现代汽车零部件技术湖北省重点实验室2) 武汉 430070)

湿式离合器摩擦片油槽传热特性的仿真分析

何佩芸1,2)苏楚奇1,2)

(武汉理工大学汽车工程学院1)武汉 430070) (现代汽车零部件技术湖北省重点实验室2)武汉 430070)

针对汽车适时四驱系统轴间湿式离合器在极限工况易出现过热，从而导致摩擦片失效的现象，论文基于传统油槽的结构，提出了一种新的斜T型油槽以提高摩擦片的散热能力.根据结构特点，基于温度云图、速度云图、迹线图分析其传热特性并与传统径向油槽进行对比分析.研究结果表明，斜T型油槽增加了对流换热面积，加速了摩擦片散热，有效缓解了摩擦片的热失效.

湿式离合器；油槽；对流换热；热失效；适时四驱

0 引 言

湿式离合器作为汽车传动系统的关键部件，在四驱汽车中有着举足轻重的地位[1]，而目前针对汽车适时四驱系统轴间离合器的研究很少.适时四驱系统轴间湿式离合器因布置空间的限制，体积小、油路短，在极限工况时容易出现过热现象，从而导致摩擦片失效.合适的油槽结构可起到刮油、冷却的作用，有助于加强离合器的散热能力.近年来有不少学者分析了径向油槽和复合油槽的传热特性[2-4]，2种油槽结构各有其优缺点.径向油槽结构简单，但是油道短，散热能力有限且摩擦系数低,不利于传递转矩.复合油槽结构复杂，虽然对于摩擦材料的散热能力有所加强，但是油液容易长时间停留在油道内，造成油液温度过高，导致油液粘度降低、热分解等问题.基于传统油槽的不足，有必要针对汽车适时四驱系统研究新的油槽结构，使之既能满足摩擦片散热的需要，又可以避免油液温升过高，故提出了一种新的斜T型油槽结构.

1 系统结构特点及理论分析

1.1 系统结构特点

适时四驱从两驱到四驱的转换机构称为液力耦合器，液力耦合器由湿式离合器、活塞、前后油泵及油泵体组成，内置于后差速器总成中，与其合成为一体，见图1a).系统既轻便又紧凑，不同于全时四驱，适时四驱只有在前后轮达到一定的转速差，前后油泵的液压差足够大时，活塞才会推动轴间湿式离合器接合，车辆自动转换成四驱模式.

图1b)为湿式离合器的结构分解图，它由导套、轴套、隔板、摩擦片、压盘等组成.其中，导套通过结合法兰与传动轴连接，并接收来自分动器总成的驱动力，在油泵体中驱动隔板和前油泵旋转.轴套驱动摩擦片和后油泵旋转，并将驱动力传递到后差速器.

图1 适时四驱湿式离合器

图2a)为传统径向油槽，文中提出1种新的斜T型油槽结构，见图2b).新的结构将径向油槽连通起来，且连通部分与径向部分成一定的倾斜角度，使油液能够及时流出油道，避免了油液在油道中长时间停留，导致温度过高，从而对油液的工作性能造成影响.斜T型油槽结构的特点符合适时四驱系统轴间湿式离合器的实际工作情况，满足其工作需要.

图2 摩擦片几何模型

1.2 摩擦片油槽流场特性数值计算方法

湿式离合器浸于油液内，油液的循环流动会直接影响离合器的散热能力及使用寿命.因此，文中主要从流体力学的角度，对摩擦片油槽的传热特性进行分析与探讨.摩擦片油槽内的润滑油流动受到油槽结构及离合器工作状况的影响，油液流动比较复杂.针对润滑油的流动特性，利用流体力学，选用相关的数值计算方法，对不同油槽结构的摩擦片流场特性进行数值计算.

1.2.1 基本假设及三维流动基本方程

在进行摩擦片油槽流场特性仿真之前，为了简化计算，对模型进行如下的假设[5-6]：①润滑油的密度及粘度为常数，工作介质为不可压缩的非定常粘性流动；②摩擦片油槽入口温度始终保持不变；③工作腔内的介质全部都是液体；④忽略油液泄漏及热辐射.

任何流动问题都必须满足质量守恒、动量守恒及能量守恒定律，根据守恒定律[7]，结合模型的假设，得到三维流动基本方程.

div(v)=0

(1)

(2)

(3)

式(1)为质量守恒方程，v为速度矢量，引入矢量符号div(v)=∂u/∂x+∂v/∂y+∂w/∂z，其中u，v，w为速度矢量在x，y，z 3个方向的分量.

式(2)为动量守恒方程，U为速度的矩阵向量形式；ρ为流体的密度；μ为流体的粘度；p为微元体上的压力.式子gradU=∂U/∂x+∂U/∂y+∂U/∂z；Su，Sv，Sw为动量守恒方程的广义源项，Su=Fx+sx，Sv=Fy+sy，Sw=Fz+sz，其中Fx，Fy，Fz是微元体的体力，对于粘度为常数的不可压缩流体sx=sy=sz=0.

式(3)为能量守恒方程，cp是比定压热容；T为温度；k为流体的传热系数；ST为流体的内热源及流体机械能转换成热能的部分，该部分主要是由于粘性作用产生的.

1.2.2 湍流数值计算方法

经计算，文中讨论的油液的雷诺数大于雷诺临界值，故油液的流动状态为湍流，流动变为无序的混乱状态，它是1种三维非稳态且高度复杂的不规则流动，故系统还要遵守附加的湍流运动方程.

针对湿式离合器摩擦片的流场具有强旋流的特征，需要选用收敛速度快的湍流模型，模型的稳定性要好且具有适当的计算精度，故选择RNGk-ε湍流模型.在形式上，RNGk-ε模型和标准k-ε模型相似，但是前者在ε方程中增加了一个附加项Rε，使RNG模型对于应变和流线曲率的变化有更快的响应速度.RNG模型考虑了带有弯曲壁面的流体流动情况，修正了湍流粘度，并且考虑了湍流中涡流的产生，有效地提高了计算精度.对于湍流普朗特数部分，标准k-ε模型使用的是用户自定义的常数，而RNG理论为湍流普朗特数提供了一个解析公式，进一步改善了计算精度.通过以上的修正与完善，RNGk-ε模型更适用于高应变率及流线曲率较大的流动，并且能够更好地处理湍流中的涡流.RNGk-ε模型中的k方程、ε方程及附加项Rε分别为

(4)

(5)

(6)

式中：k为湍流动能；ε为湍流动能的耗散率；Gk为由平均速度梯度而引起的湍流动能；C1ε，C2ε为经验系数，C1ε=1.42，C2ε=1.68；σk，σε分别为k方程、ε方程对应的湍流普朗特数，在高雷诺数的情况下，σk=σε≈1.393；μeff为有效的粘度，μeff=μ+μt，在高雷诺数的情况下，μeff可用μt进行替代，μt=ρCμk2/ε，Cμ=0.0845.在附加项Rε等式中，η=Sk/ε,η0=4.38，β=0.012.

2 仿真模型的建立

2.1 基本参数的选取及几何模型的简化

为确保对比分析的可靠性，径向油槽摩擦片和斜T型油槽摩擦片仿真模型选取相同的几何尺寸及材料.基于某适时四驱SUV的实际测量，摩擦片的几何尺寸见表1.根据SUV的实际情况，摩擦片基体选用45钢，摩擦材料选用铜基烧结合金摩擦材料，润滑油选用CD40，其物性参数具体见表2[8]. 摩擦片参与计算的部分是基体钢片和摩擦材料，因为摩擦片的内齿不参与计算，为了精简计算，提高计算效率，将不参与计算的部分通过布尔减运算删除，简化后的模型见图3.

表1 摩擦片几何参数

表2 材料物性参数

2.2 网格的划分及有限元计算软件的选取

ICEM CFD是一种专业的CAE前处理软件，在CFD分析中得到广泛应用，论文选用ICEM CFD划分网格.使用Delaunay方法，先生成面网格，然后在此基础上生成非结构四面体网格.因为油槽结构为主要研究对象，所以油槽的网格尺寸要小于其他部分，以得到更加精确的仿真结果，以

图3 简化后的摩擦片几何模型

此思想划分网格得到径向油槽和斜T型油槽摩擦片模型的网格数分别为1 263 936和1 738 472.

对于有限元计算软件的选择，FLUENT软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法，具有基于网格节点和网格单元的梯度算法，有利于提高模型的计算精度.论文主要考虑流体加传热，即无相变的槽内强制对流换热过程的仿真计算，FLUENT含有热传导的相关模块，有利于提高计算速度，故选用FLUENT进行仿真计算.

2.3 边界条件的确定

将摩擦片仿真模型分成摩擦材料固体域、钢片固体域和流体域3个不同的区域，选择三维基于压力的隐式求解器进行计算.根据该SUV的结构和性能参数，计算得到离合器的转速为50.93 rad/s，摩擦片接合的初始压力为1.2 MPa.结合具体工况及文献[9]，润滑油的初始温度取为300 K，油槽入口油液流速为1 m/s，环境温度为300 K，摩擦片与环境的表面传热系数为100 W/(m2·K).

3 数值仿真分析

3.1 径向油槽和斜T型油槽的温度场分析

径向油槽摩擦片的整体表面温度在344～420 K之间，见图4a)，因为油液的循环流动，油槽中的温度明显低于其他部分，而摩擦片的内外端浸于油液中也带走了一部分热量，所以摩擦材料部分的温度从边缘到中间呈梯度上升，最高温度是420 K.

斜T型油槽摩擦片的整体表面温度在342～403 K之间，见图4b)，且摩擦片最高温度是403 K，

图4 温度场

明显低于径向油槽摩擦片表面的最高温度.斜T型油槽径向部分的温度没有太大的变化，而连通部分的温度有局部升高，见图4c).斜T型油槽进出口的油液温度差明显高于径向油槽，提高油液的利用率.

通过2个摩擦片模型温度场的分析，可以看出斜T型油槽有效降低摩擦片表面的最高温度，热交换更充分，散热能力明显强于径向油槽.以下通过斜T型油槽速度场和迹线图的单独分析，解释其散热能力强的原因.

3.2 斜T型油槽的速度场和迹线图分析

由图5a)所示的斜T型油槽摩擦片的速度场中可知，油槽中的油液流速变化跨度较大，在0.33～3.10 m/s之间.在斜T型油槽的大多数连通部分，油液流速比径向部分大.然而，在少数油槽的连通部分，油液流速极小，见图5b).

跟踪油液粒子轨迹得到斜T型油槽摩擦片中油液的迹线图，特别是油液流速极大或极小的一些典型部分的局部放大图，以分析油液在油槽中的流动情况，见图6.图6b)和c)为大部分油槽中油液的流动情况，油液从入口垂直流入，部分经过油槽连通部分从下一个出口流出，另一部分油液流动的路径较长，从第三、四甚至更远的出口流出.在这些油槽中，油液对流换热的效果明显有所增强.部分油液在油槽连通部分冲击壁面受到阻碍而产生涡流，扰乱油液流动，降低了油液的流速，影响了油液对流换热的效果，故该处温度明显高于其他油槽部分，造成了局部热现象，但温度值小于摩擦片的最高温度及润滑油黏度下降的极限温度，对摩擦片和润滑油的正常工作没有影响.

图5 速度场

图6 斜T型油槽油液迹线的局部放大图

4 结 论

1) 斜T型油槽的进出口油液温度差明显大于径向油槽，有效地提高了油液的利用率.

2) 斜T型油槽增加了对流换热的面积，使热交换更充分，有效降低了摩擦片表面的最高温度，提高了摩擦片的散热能力，缓解了摩擦片的热失效.

3) 斜T型油槽的连通部分存在一定的角度，所以油液在足够的热交换之后能够及时的流出.油液不会在油槽中长时间停留，而造成油液温度升高，避免了油液粘度降低、热分解等问题.

[1]LI M, KHONSARI M M, MCCARTHY D M C. Parametric analysis for a paper-based wet clutch with groove consideration[J]. Tribology International,2014,80:222-233.

[2]刘小川.湿式离合器温度场及控制策略研究[D].重庆：重庆理工大学,2015.

[3]陈遥飞.湿式多片离合器热失效及摩擦特性研究[D].重庆：重庆大学,2009.

[4]韩勇.基于CFD技术的湿式摩擦片仿真分析研究[D].长春：吉林大学,2011.

[5]张传芳.基于CFD的多片湿式离合器摩擦片间流体特性研究[D].长春：吉林大学,2014.

[6]高耀东,李新利.离合器摩擦片温度场的有限元分析[J].煤矿机械,2007(6):73-75.

[7]莫乃榕.工程流体力学[M].2版.武汉：华中科技大学出版社,2009.

[8]潘丽.温式多片摩擦离合器流场动态仿真及流道优化[D].重庆：重庆大学,2012.

[9]JANG J Y, KHONSARI M M. Three dimensional thermohydrodynamic analysis of a wet clutch with consideration of grooved friction surfaces[J].Tribol-tasme，2011，33:15-19.

Simulation Analysis on Heat Transfer of Wet Multi-plate Clutch with Consideration of Grooved Friction Surfaces

HE Peiyun1,2)SU Chuqi1,2)

(SchoolofAutomotiveEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)1)(KeyLaboratoryofModernAutomobilePartsTechnologyofHubeiProvince,Wuhan430070,China)2)

The wet clutch between the transmission shafts in real-time all-wheel drive tends to lose efficacy in some extreme working conditions, due to the overheating of the friction plates. Based on traditional oil grooves, a new skew T-Junction oil groove structure is proposed in this paper. The temperature and velocity fields and stream traces are presented for analyzing the heat transfer characteristics of oil grooves. Research results indicate that compared with radial grooves, skew T-junction oil grooves increase the area of heat convection. In addition, the heat dissipation of the friction plates is accelerated. Consequently, this new groove effectively improves the thermal failure of the friction plates.

wet clutch; grooves; heat convection; thermal failure; real-time all-wheel drive

2016-12-19

U463.2

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.01.035

何佩芸(1992—)：女，硕士生，主要研究领域为汽车底盘