【技術(shù)分享】基于CFD的離合器摩擦片熱分析研究

2017-03-31 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

背景描述

離合器是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件,離合器在工作的過程中會(huì)產(chǎn)生很大的熱量,摩擦片的溫度也會(huì)升高,如果摩擦片溫度過高就會(huì)引起摩擦片翹曲變形而導(dǎo)致永久失效,這樣就降低了離合器的使用壽命。目前計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展與汽車行業(yè)的聯(lián)系越來越密切,通過汽車試驗(yàn)加上計(jì)算機(jī)技術(shù),汽車領(lǐng)域的開發(fā)通道不僅得到了拓延,還節(jié)省了成本縮短了開發(fā)周期。目前,采用CFD技術(shù)對離合器進(jìn)行熱分析研究是一個(gè)非常有效的手段,可以為離合器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供高效的指導(dǎo)。

技術(shù)關(guān)注點(diǎn)

對離合器進(jìn)行CFD仿真時(shí),主要的技術(shù)關(guān)注點(diǎn)有:摩擦片溫度、鋼片溫度、離合器出口油液溫度、活塞沖油過程以及離合器傳遞性能等。

技術(shù)難點(diǎn)

離合器CFD分析的技術(shù)難點(diǎn)如下:

結(jié)構(gòu)復(fù)雜,網(wǎng)格劃分困難;
需要同時(shí)考慮流體和固體的熱效應(yīng);
從結(jié)構(gòu)來看,多為運(yùn)動(dòng)部件,需要考慮運(yùn)動(dòng)過程,且轉(zhuǎn)速不一致;
離合器內(nèi)部溫度變化劇烈,流體屬性隨溫度變化差異大,需要考慮物性隨溫度的影響;
若對充油進(jìn)行分析,則需要考慮活塞的運(yùn)動(dòng)以及氣液兩相分析;
對求解器要求較高;
在極低溫度下滑油的物性參數(shù)變化劇烈,需要準(zhǔn)確描述滑油的物性參數(shù)變化。

應(yīng)用案例:離合器摩擦片熱分析研究

離合器幾何結(jié)構(gòu)

離合器幾何結(jié)構(gòu)如下圖所示。其中包含了6片鋼片,5片摩擦片,分析時(shí)考慮流體、鋼片、摩擦片的流固熱耦合,離合器摩擦生熱時(shí),處于壓緊狀態(tài)。

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圖1 離合器幾何結(jié)構(gòu)

離合器計(jì)算網(wǎng)格

離合器計(jì)算網(wǎng)格如下圖所示,網(wǎng)格數(shù)量為230萬體網(wǎng)格,1040萬面網(wǎng)格。網(wǎng)格由PumpLinx網(wǎng)格劃分模塊自動(dòng)生成。

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圖2 離合器計(jì)算網(wǎng)格

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圖3 摩擦片網(wǎng)格、摩擦片凹槽流體網(wǎng)格和鋼片網(wǎng)格

CFD模型設(shè)置及邊界條件

離合器CFD模型設(shè)置如下:

數(shù)學(xué)模型:質(zhì)量守恒,動(dòng)量守恒,能量守恒(不考慮熱輻射);

活塞最大行程:2.65mm;

活塞回位彈簧預(yù)緊力560N,有效作用面積0.005574m2,彈簧剛度120N/mm;

初始條件:溫度60攝氏度,離合器壓力12bar,潤滑流量15L/min,輸入軸轉(zhuǎn)速2500rpm(輸入軸總成、活塞、鋼片),輸出轉(zhuǎn)速0-2500rpm,仿真時(shí)間3.2s;

摩擦功計(jì)算公式如下圖所示。

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圖4 摩擦功計(jì)算公式

離合器壓緊狀態(tài),活塞腔壓力12bar,轉(zhuǎn)速差隨時(shí)間變化,在3.2s內(nèi)由2500rpm逐漸減小為0,摩擦片與鋼片接觸面摩擦生熱,提供熱源。入口為流量邊界15L/min;出口為壓力邊界101325pa。油品物性參數(shù)隨溫度變化。

仿真結(jié)果分析

監(jiān)測點(diǎn)1-5的位置如下圖紅點(diǎn)所示。

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圖5 監(jiān)測點(diǎn)位置

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圖6 監(jiān)測點(diǎn)溫度變化曲線

監(jiān)測點(diǎn)2-4溫度變化趨勢相仿,在0.6s左右溫度達(dá)到最大值;監(jiān)測點(diǎn)1和5溫度相對較低,在0.5s左右溫度達(dá)到最高;總體趨勢一致,先急劇上升,再緩慢下降。這是因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)速差的減小,摩擦產(chǎn)生的熱量也逐漸減少,加上油槽與冷卻液的對流換熱作用也越顯著,因此溫度開始緩慢降低。

鋼片3在2.1s的溫度分布如下圖所示。

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圖7 鋼片3溫度分布

摩擦片3在2.1s的溫度分布如下圖所示。

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圖8 摩擦片3溫度分布

油槽溫度在2.1s的溫度分布如下圖所示。

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圖9 油槽溫度分布

在2.1s,溫度傳遞已基本達(dá)到均勻,徑向呈明顯的溫度梯度,隨半徑增大而升高,這與熱流量的加載方式有關(guān)。

油孔流量如下圖所示。

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圖10 油孔流量

總結(jié)

本案例很高效的處理了離合器的網(wǎng)格,進(jìn)行了離合器全三維模型的分析,計(jì)算結(jié)果與理論分析的趨勢一致,云圖分布合理,考慮了轉(zhuǎn)速差隨時(shí)間的變化,油液物性隨溫度的變化,以及摩擦功隨時(shí)間的變化特征,與真實(shí)應(yīng)用相符,可以為離合器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有效的指導(dǎo)。

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