船用气胎摩擦离合器摩擦副瞬态热分析.pdf

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1、第39卷第3期2010年6月船海工程SHIP&OCEANENGINEERINGVoL39No．3JurL2010IX)L10．3963／j．issn．1671-7953．2010．03．007船用气胎摩擦离合器摩擦副瞬态热分析陈文聘。周剑平，廖慧君，马永明(中国船舶重工集团公司第704研究所，上海200031)摘要：利用动力学分析软件MSC．Adams和有限元软件MSC．Marc分别建立离合器摩擦副的动力学分析模型和有限元分析模型，分析径向偏移工况下离合器的动力学特性和摩擦副热机耦合特性。通过比较径向偏移工况与正常工况，分析由径向偏移引起的摩擦副接触状态变化将对离合器的传

2、扭性能及摩擦副性能带来的影响。分析结果表明，轴线径向偏移对接合时间以及瞬态温升影响较大，而对传扭能力影响不大。关键词：气胎摩擦离合器；摩擦副；径向偏移；热机耦合；有限元法；动力学中图分类号：U664．22文献标志码：A文章编号：1671—7953(2010)03—0027—05气胎摩擦离合器是船舶推进轴系中重要的传动装置，其主要功能是实现主机与轴系在短时间内方便、平稳地接合和分离L11；由于气胎具有一定的柔性，可以作为弹性元件适当补偿因主从动部分轴线偏置而造成的轴线间径向偏移。针对某型船用气胎摩擦离合器接合过程的摩擦副进行瞬态热机耦合分析，目的在于确定摩擦片与内鼓轮在接合

3、状态时的温度场。分析的关键问题在于准确地模拟滑摩时间和滑摩功，分析时需要关注如下几个问题。1)本气胎离合器共有24块摩擦片，每一块都要与内鼓轮接触，而且摩擦片的厚度较薄，需要保证其厚度方向上有三层单元，以便刻划其厚度方向上的变形，这使得摩擦片的单元数目较多，增加了分析问题的T作量。2)热机耦合分析时，计算摩擦力做功生热，需要模拟摩擦片和内鼓轮的相互逐渐接触并产生摩擦；而接触和摩擦都是强非线性问题，在数值计算中需要更多的迭代步数，且动静摩擦的转换会带来数值计算的不连续性，导致数值计算困难。虽然对摩擦模型做相应的简化，可以在一定程度上控制数值计算难度，但也会大大增加计算工作量

4、。3)本次摩擦接触问题的接触面是圆弧面与圆弧面接触，而网格却是以离散的线段表示弧线，如何控制网格使得用离散体表征出连续的圆弧特收稿日期：2010—01—14修回日期：2010-02-15作者简介：陈文聘(1985一)，男，硕士生。研究方向：机械电子工程。E-mail：ln—wen@163．com征也是一大难点。利用多体动力学软件M℃Adams和有限元分析软件撇：Marc相互结合、相互辅助的办法来解决上述问题，并对单元形状和接触参数进行控制，选用适当的摩擦模型和作适当的简化处理等。1数学模型1．1摩擦理论模型拟采用滑动库仑摩擦模型，分为滑移段和粘着段，用式(1)表示：厂t≤

5、肛^f(1)式中：^——切向摩擦力；^——法向反作用力；f厂摩擦系数；卜—一相对滑动速度方向上的切向单位矢量。可以看到摩擦力会随着切向位移增量Au。的值的变化产生阶梯函数状的变化，由于这种不连续性在数值计算时会非常困难，MSC．Marc采用双线性化处理，修正了该模型，见图1。，t^。z106＼‘厍仑摩擦模型修正库仑摩擦模型图l摩擦模型该模型基于接触体问的相对滑动位移，d是滑动阈值。低于此值可近似认为发生粘性摩擦，用线性变化代替突变，Marc中可以根据分析时的摩擦情况自动计算该值来保证其精度[2]。27第3期船海工程第39卷1．2传热理论模型物体内部的热交换采用以下的热传导

6、方程(Fourier方程)来描述[3]：∥宝一未(k赛)+未(A，嘉)+菱(A：瓦onr)+Q(2’式中：r密度，kg／m3；c——比热容，J／(kg·K)；k，A，，A：——导热系数，W／(m·K)；卜温度，℃；￡——时间，s；O一内热源密度，w／m3。对于各向同性材料，不同方向上的导热系数相同，热传导方程可写为：∥瓦0一A雾+A舅+A掰320q．_万、(3)初始条件：0I剐=00(z，Y，z)(4)2摩擦副瞬态温度场分析2．1简化及建模分析过程中为保证合适的计算量，在保证精度的情况下作适当的简化。1)热机耦合分析时，考虑内鼓轮为刚性传热体。这是因为内鼓轮和摩擦片的弹性

7、模量相比差近70倍，而内鼓轮和摩擦片的刚度相差更多，可以将内鼓轮考虑为刚性传热体(即不考虑其变形，只考虑其运动形式和传热)；2)考虑到离合器的接合过程很短，故认为接合过程中产生的热量全部用于温升。该气胎离合器摩擦副的二维轴对称模型见图2。三维网格模型见图3。共有59236个节点，49200个单元。28气胎摩擦内鼓轮图2摩擦副二维网格模型图3摩擦副三维网格模型3)摩擦副材料参数。摩擦片材料的弹性模量为3GPa，泊松比为0．2，密度为2000kg／m3，不考虑屈服。内鼓轮材料为铸钢，弹性模量为206GPa，泊松比为0．3，密度为7