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外文翻译有限元热分析的陶瓷离合器
有限元热分析的陶瓷离合器
摘要:
这项研究涉及了有限元（FE）热建模干燥的陶瓷离合器盘，和实验数据比较得知适用于乘用车。
这个问题可以处理由两个独立的有限元模型相连的热量分配在时间和空间上的变化。
考虑到在时间和空间上的热对流系数的变化，建模应用分布式的发热体热源。
关键词：
陶瓷离合器盘传热分析摩擦热分区有限元分析
1、引言
干式砂轮离合器行驶车辆会并力锁合联轴器。
转矩和速度传输确保两个压合面之间产生的摩擦力。
陶瓷的应用范围作为摩擦介质的原因包括：
良好的耐热性和耐磨损性，它能提供机会以驱动更高的压力，和更低的密度。
因此，提高功率密度启用了一个平行的最小化建筑空间。
测量的第一个原型离合器盘使用的陶瓷衬片在卡尔斯鲁厄大学实验室进行了专门从事客运汽车驱动系统测试。
在分析过程中的有限元（FE）模型是所知的测量数据，并具有构建测量条件。
计算的目的是要阻止挖掘在对应的时间测量点离合器盘在每个时刻的环境和其温度分布。
至关重要的是检查系统的磨损特性实在熟悉的温度范围之内，因此，重要的信息是来自测量数据。
在临界载荷情况下，为了保护测量在时间和空间上的预估，预期的最高温度必须靠近仪器所散发的热量。
本研究的目的是分析和改善离合器系统。
通过改善该系统的热传导和对流，或增加的能量转换成摩擦热以便提供更好的工作条件。
此外，它是更有效的更好的设计离合器系统的理想方案。
用宇宙设计之星软件进行计算。
在模型的开发过程中，由于大量的硬件要求瞬态计算，必须仔细采取进行适当简化的几何元素的大小，正确的调整时间和步骤。
例如表面的热对流系数和热负荷变化，即热物性参数的变化，必需在一个持续的基础上考虑到时间和位置方面。
双方的分析测试离合器系统只能通过链接由两个独立的模型的热分区进行管理，根据假设，即两侧接触温度必须是相同的，它们之间的值，有适当的接触，必须调整迭代。
计算表明，热分区由周期改变，它沿着内外不同的接触环。
作为一个结果，在不同的冷却之间的陶瓷和钢的侧面的特征，热流从陶瓷的侧面向钢的侧面推出。
此热流通过迭代也被确定，它的值也改变周期和沿内部和外部的不同接触环
2.第一架采用工程陶瓷摩擦材料的离合器原型机
根据“陶瓷”产品开发过程中建立在研究所的产品开发（IPEK）在卡尔斯鲁厄大学的发展研究离合器盘[1]。
这在开发过程已经有可能更有用于连接到一个真正的传动轴;进一步，它有一个的坐垫弹簧装置，用于允许良好的启动行为的衬片。
砂轮式离合器必须符合下列基本要求：
高扭矩传递，高摩擦系数，
高舒适性（振动通过自我引发的抖动），
均匀的温度分布，
低磨耗特性。
磨盘的开关是一个关键因素。
设计方面需极其谨慎，必须选择合适的材料。
注意恒定高的摩擦系数，耐磨性和耐热性要求的特性。
离合器盘（图1和图2），而不是普遍适用的环状磨料入口有两排SSIC（“烧结”）陶瓷团粒。
这些颗粒被放置在6个不同的部分。
分部通过铆钉固定到中央集线器。
每个部分由4块板组成，2个作为弹簧和2个作为载体工作。
图1.要检查的离合器盘
图2.要检查的离合器盘
3.测量
3.1测量内容
在卡尔斯鲁厄大学（TH）的研究型大学开发研究所动力总成产品开发（IPEK），其中一类IV组件试验台用于测试新的摩擦材料新材料和考试部门进行测量真正的离合器片。
真正的条件适用于模拟行驶阻力（例如，在飞机上，从山上）。
图3.测量装置
试验台如图3所示。
这是一个平整的分量试验台上的第四位置摩擦测试环境[2]。
为了满足尺寸要求：
设备的长度是约4-5米。
两个电动机的轴向力是由计算机独立控制的，从而许多操作状态可以被实现。
这使得设备完成了无数的摩擦测量，同时建模在乘用车适当地离合器盘的操作。
还配备有一个自动的IT测量系统。
可测量的量包括以下内容：
两个重型电机（150KW，“缪勒DS160L-305）
器件非常适合施加的轴向力
扭矩计（MF100方式）
轴向力计
钢盘摩擦力
可更换头部固定的设备进行测试，
温度沿两个不同的半径在0.4mm以下的研磨表面的钢盘（欧米茄HJMTSSIM100U
150-2000，J型铁的热电偶）
每分钟转数为两面的和（保利达LSV065）。
温度测量的最大的挑战，是因为我们想知道的旋转钢盘的温度。
两个热元件放置在钢盘的正向并置于0.4mm以下的研磨表面的两个相对的圆弧的钢盘的离合器盘上，所得数据通过无线蓝牙系统传到计算机。
3.2测量过程
由于成分分析和降低成本，所以只有一侧的离合器盘被安装陶瓷表面。
因此，嵌合了陶瓷的离合器盘被称为陶瓷侧，与陶瓷侧一起旋转的作为磨料的钢盘将被称为钢材侧。
在测量的过程中，根据图4所示的时间曲线进行测量，采样频率在100Hz到1000Hz。
在测量开始时钢侧（驱动侧）每分钟的转动通过增加一个特定的值（1500rpm）。
然后，陶瓷侧（从动侧），保持在零rpm时，被推向钢盘被施加指定的值的轴向力，直到达到（4200N）。
当达到指定的轴向力时被释放，并与陶瓷侧双方开始同步。
几秒钟后同步，轴向负荷为零，一段时间后，钢铁和陶瓷双方以相同的速度放缓，然后循环。
这被认为是一个测量周期。
一个单一的测量过程中需要10个周期来完成。
在应用轴向力的过程中陶瓷侧被保持在零的转速，直到达到所需的力，以确保每个循环同步发生在几乎相同的时间。
从测量和计算的两个观点考虑，这是不利的。
进行测量通常是通过改变3个参数：
速度，轴向负荷和惯性。
下面的数字自由组合：
转速n：
700，1100和1500（RPM）
轴向力F：
4200，6400和8400（N）
实验测量，约推出，在10-15分钟之间，系统冷却至约30-401C。
这使得计算变得很困难，测量开始时还没有已知的系统的确切温度分布。
但是，它可以被认为是几乎均匀的温度分布，以产生足够的10-15分钟的时间段。
用转速n¼1500rpm，轴向力F4200N和下面模拟中的情况下已被选用的参数惯性矩I¼1kgm2。
图4.测量周期的时间图
4.产生的热量的计算
两个期间摩擦消耗的机械能机构被转化成热量。
所产生的热量可以以下简单的公式计算的：
其中
是摩擦系数，
是滑动速度;F是力，垂直于表面向下。
而表面每单位的热流密度是：
其中p是作为力的比率，并计算出的接触表面的压力。
由于陶瓷片被放置在两个不同的半径的离合器盘，产生的热量必须以每个半径分别计算。
滑动可分为两个部分。
在第一部分中，陶瓷侧被保持在一个固定的位置，同时通过制动的轴向载荷增加，因此压缩过程中的时间有变化，而双方之间的速度差是恒定的。
在第二部分（同步）的速度差时，被均衡的力的值是恒定的，所以在同一时间速度有变化。
在此基础上，产生的热量是：
在给定的24和18环上的陶瓷片表面上的接触面积总和。
“陶瓷片的直径的是：
dpellet¼16毫米。
”
进行计算负载时，主要由以下几个参数确定：
恒定的摩擦系数为0.4是实验测量成立的基础。
已知半径可计算出速度。
假设载荷的均匀分布，可以计算作为一个比值的轴向力和接触表面压力。
因此，所产生的热量的最大值是：
在滑动的第一部分，所产生的热量的上升是由于负载力的增加，在第二部分中，热量的降低是由于均衡的速度差。
各滑动部的时间，以可以指生成的加热时间曲线。
从测量的数据可以确定时间曲线。
可以很容易地从陶瓷侧的速度确定同步时间。
速度的提升是线性的。
力的增加是非线性的。
为了简单起见，计算这样的直线下方的区域和曲线下方的面积几乎是相同的，于是力增大的曲线被取代为一条直线。
因此，第一滑动部的时间是直线的两个端点之间的时间差。
方法如图5所示。
图5.测定滑动的时间
上述的方法应用于每个周期，并指定它们的平均值。
基于这些结果，下面的值被确定为滑动时间：
施加力的时间：
同步时间：
现在能够产生的热量生成的时间曲线。
每个周期使用相同的曲线，在每个周期中参数之间没有显着性差异。
所产生的热量的时间曲线，如图6所示。
图6.产生热量的时间曲线
计算所产生的热量，这样会出现作为热模型中的热负荷。
考虑到热分区，热负荷必须被适当地分配在接触表面。
热分区需要在两个接触表面上的温度是相同的。
正确的调整需要反复迭代。
5.有限元模型
有限元计算的目的是要确定在对应测量时间的每个时刻的离合器盘和它的环境温度分布。
这就要求瞬态热计算[3,4]。
熟悉的温度范围内的检查系统的磨损特性是必不可少的。
这为将完成的实验测量提供了重要的信息。
在关键负载的情况下，预期的最高温度必须预测，以便保护靠近发热体位置的工具。
5.1几何模型
一个三维几何模型，有限元分别计算钢和陶瓷双方。
不幸的是，双方必须是两个独立的有限元计算模型在处理。
几何模型示于图7a和b。
图7.（a）陶瓷侧（b）钢侧
下一阶段涉及到简化的几何形状。
原来，在过程中，车轴上的钢侧的第一计算温度没有影响结果，因此它不必须被包含。
实验测量热电偶在指定的区域对这一理论的结论进行了验证。
至于几何形状，边界条件和载荷都是对称的，它是没有必要考虑的，适用于整个模型。
离合器盘由6个数据段组成的，因此六分之一的陶瓷侧考虑在内。
考虑到钢侧的情况，要使钢侧的十二分之一足够适用的模型。
（参见图8a和b）
图8.（a）陶瓷侧，材料性质和（b）钢侧，材料属性
5.2材料特性
三种材料的特性必须是已知的热计算。
材料特性包括密度，比热和热传导系数。
该模型包括6个类型的材料。
大部分的组件是由钢制成的，包括100Cr6钢制成的减少热传导系数的材料和轴承的磁盘。
离合器盘组件的磨料是SiC陶瓷片。
之前对
颗粒进行了测试，但它们以较少的碎片改变了SiC更高的摩擦磨损性能和更稳定的摩擦系数[5]。
离合器盘是由铝制成的承载头。
钢盘和磁盘的周围也有一个绝缘环。
表1示出了应用的材料特性。
表1.在模型中材料的性能[5]
5.3边界条件
与空气接触的部分方面，第三热边界条件指与空气接触的部分表面为完整的绝热（对称）平面。
根据相对表面速度的功能被改变的黄金热对流系数[7]。
在一个固定的位置，以5W/（
）为指定的值，并在1500rpm，15，20，35，和40W/（
）作以相对表面速度m/s的函数。
恒定值5W/（
）适用于表面较少的空运动。
图9示出的时间函数为一个周期的热对流系数。
图10a和b示出指定热对流表面，以黑色突出显示。
图上的数字表明此处指定的时间曲线的数量。
实验的数据表示热对流系数。
它们准确的确定所需要的复杂流动数值的计算，和它们的值不断变化，这导致很难在热模型中指定它们。
对代替流量计算进行精度测试。
整个模型是完全隔离的（无热对流表面）。
钢侧是几乎不敏感而陶瓷侧对热对流条件只是稍微敏感。
在隔热的箱子中，280秒内陶瓷侧的温度上升到
，;而钢侧仅有
。
在此基础上可以得出结论，热传导是主导因素，热对流是可以忽略不计的，并且不需要施加。
图9.热对流系数的时间曲线
图10.（a）陶瓷侧热对流系数和（b）钢侧热对流系数;
5.4热负荷
正如已经提到的第4节中，由摩擦产生的热量，将在双方之间的分布的模型中出现一个热负荷。
热分区正确地调整迭代。
这就是所谓的分布式热源用于应用的热负荷[6]。
这意味着，沿着接触表面产生的热量均匀地分布。
在此实例中，接触陶瓷粒沿24环外半径和沿18环的内半径，并且被假定为一个分布式的热源提供足够精确的结果。
图11a和b示出的突出显示指定的热负荷的位置。
图11.（a）陶瓷侧的热负荷及（b）钢侧的热负荷
所产生的热量，如在第4章中的计算必须在接触表面之间（我们正在谈论两个彼此独立的模型），在整个期间的接触，接触的温度应该是相同的。
在下面的公式中，x表示钢盘所产生的热量的比例，。
在FE软件，它是更合宜的指定，而不是所产生的热量的热通量密度。
因此，我们使用的模型，如图11所示。
当n=1,2,…...,10-------n为周期数。
5.5有限元网格
为了减少计算，不得不努力做出最大元素大小的选择以提供足够准确的结果。
10节点四面体单元，用于计算。
图12a和b显示了双方啮合1.5-7mm平均单元尺寸的钢和陶瓷的有限元网格。
计算时每个陶瓷和钢的双方运行使用相同的参数，但约1.5倍的单元的大小。
曲线有关于两个不同的参数难以彼此区分。
这意味着，就已经足够执行具有较大的元素的大小的计算，但是，这样一来我们可以肯定，进一步的网状致密化不会使结果更准确。
图12.
（一）陶瓷侧（41,108元素）和（b）钢侧（37,867元素）
5.6时间步长调整
调整正确的时间步骤，用于瞬态热计算是非常重要的，因为它大大影响计算命令的结果的准确性。
计算所需的时间与计算软件确定在整个温度范围内每一个步骤中的步骤的数目成正比。
在这种情况下，将计算的时间范围（测量长度）是280s。
根据上述结果，应足够精确的把时间段分为280s。
时间曲线也是值得观察的，因为如过没有计算温度的变化范围那么最高温度将无法得知。
在该实验中，1秒的时间步长遵守这三个标准。
因此，280s的步长的计算是足够的，并且它们可以适当地调整时间曲线。
此外，计算的时间也是可以接受的。
双方分别计算了1小时15分钟。
较长的计算也可以进行，但由于重复迭代的必要性，正确的结果的确定需花费更多的时间。
对0.1秒的时间步长的精确度进行测试。
在第52秒，用两个不同的时间步长计算出的温度差异，钢材侧仅为
陶瓷侧为
。
由这些值推断，在0.1s的时间步长内钢侧温度
低于陶瓷侧温度
。
这代表11.3％的错误，即使在陶瓷侧，在循环结束时，它下降到2％，是可以接受的。
5.7热电阻
无接触热电阻应用于热模型，然而考虑到在几何结构中，气隙强烈影响热传导。
在每个周期中，在轴向方向上的力冲击离合器盘簧板。
这意味着，热传导板之间随着时间推移的变化。
遗憾的的是，这种影响不能被考虑在模型中作为不依赖于时间的因素，可以在指定有限元模型随着时间的推移不能被修改几何结构。
此外，无论如何接触热阻不能被控制在时间的过程中，然而，结果被认为是可以接受的，因为轴向力仅保持柔性板3-4个周期的压缩相当于25-27的平均周期时间。
6．有限元分析结果
6.1热分区的测定
在第一计算过程中，它表明，热分区随着时间的变化是不恒定的。
它被周期和外环和内环不同的热分区所改变。
图13所示的图表是非常有帮助的热量分配迭代。
该图显示了与内环和外环的两侧沿每个热分区相关联的温度增量。
在同一个地方下跌的温度增量，具有良好的近似性成一条直线。
两个颜色相似的趋势线的交点指定当两者的温度时，表示在第一个周期中陶瓷和钢侧具有相同的温度。
所以，相同的温度跳转时，需要达到的共同的接触温度。
如果在相同的环的两侧的接触温度是已知的，在滑动过程中的任何周期的开始，热分区也将可以从图中读出。
简单的任务是找到热分区即两个相同颜色的趋势线之的温度差的值。
图13.温度增量
6.2考虑之后行为同步的结果
计算结果表明，因为离合器盘间有很大的热电阻之间的气隙，所以双方的降温特性是不同的。
因此，在J/kg的钢侧的热容量比同步后启动温暖侧到冷却器侧的热流通高得多。
这的热流下发生的触点负载同步速度（e.g.t=13-18s）。
由于这两个模型是独立的，这种交换来实现从温暖的边侧（陶瓷）具有负的热通量，并通过除去一定量的热量，将其添加到另一侧的热负载。
与热分区相同，这个值可能在每个周期中改变，在内环和外环方面显示出差异。
因为这两个模型之间的热量分配比的调整需要更多的时间，这使得热分区的迭代调整被规定至今。
如图14所示，热负荷的时间图进行了修改该图显示了所产生的热的陶瓷的外接触环和在6个周期时钢侧指定同步参数（
）时的规定数据。
该方法的一个基本条件是两条曲线（及经签署的总的曲线下面的区域），一起产生原始的热负荷。
考虑模型的热分区之间的热流动，如图15所示。
需要注意的是75％指的是向钢侧输送的装置总热量的75％。
图14.修改的周期6中的热负荷图15.热分区
接下来，280步瞬态热工计算的结果应用在前面两节所描述的参数。
它们在钢和陶瓷两侧进行。
为符合测量结果，初始温度为
（均相）。
如图16a和b示出的模型的温度分布的热负荷时，在第一次循环期间，达到其最大值，并在18次循环的第二部分同步开始。
图17a和b表示出了钢侧和陶瓷侧在265s第10次循环中的最高温度。
温标的数字是一致的。
周期10（后280S）结束时得到的温度分布在可参照和b所示。
图片表明，在陶瓷侧的热传导比在钢侧即使是有绝热缘的钢侧要差。
这些现象可以解释钢侧高得多的热容量（储热）。
图19中示出的时间—温度变化图更明了。
它描述了钢侧和陶瓷侧双方作为时间函数的外接触环的平均表面温度。
根据热分区，这两条曲线必须是相同周期，条件是陶瓷片和钢盘有良好的接触。
与上述类似，图20示出平均直径的内接触环的温度特性。
图19和20表示通过考虑到这两个模型之间的热通量，在内环和外环侧面之间的接触过程中可以实现相等的接触温度。
图21和22表示的是在钢盘的表面0.4mm以下和计算机的预测值和实验测得的数据进行比较。
图表这些数字分别代表中的内部和外部的接触环。
这些数字清楚地显示测量数据和计算数据之间的差异。
计算和测量的峰值温度之间的差异，可以通过所反应时间热电偶（直径1mm）说明。
通过减少热电偶的直径（例如0.5mm）可以增加实验数据，它影响在另一侧的旋转温度测量装置的可靠性。
图17.（a）陶瓷侧（265s）和（b）钢侧（265s）。
图18.（a）陶瓷侧（280s）（b）钢侧（280s）
图19.外环温度
图20.内环温度
7.结论
已开发的瞬态FE技术研究对陶瓷离合器的热性能测量结果进行验证测试配置。
为了达到相同的接触温度，有限元模型的两个“摩擦侧面”控制热量分配的变化。
热量结果与测得的温度数据相符合。
热状态的完整描述有助于重新设计的离合器的组件和它们的连接，以便修改的热条件，能实现目标吸收较高的热能量，以及在一个较小的单元，提供更有效的热对流。
在不久的将来，我们的目的是考虑离合器系统的连接组件之间的热阻来改善模型。
热为进一步的学习摩擦磨损分析状态和磨损机制提供输入数据。
致谢
作者要感谢DAAD德意志研究联合会（DFG）的资金支持“框架内的项目和卓越中心的研究CER483MOBDAAD高性能高滑动和摩擦系统基于高级的陶瓷材料”。
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