同步器摩擦环碳布固化过程的传热分析

陈强 刘亚军

摘要：文章采用UG 后处理模块NXNASTRAN求解器对同步器摩擦环固化过程的导热特性进行数值分析，确认摩擦环在粘接固化过程中夹具、零件、胶膜、碳布各相关件的温度变化曲线，分析传热特性，结合生产实际对工艺优化提升提供理论支撑。

关键词：同步器摩擦环;温度;胶膜;碳布

前言

同步器是变速箱的重要部件，而其中以摩擦环尤为关键。摩擦环是金属基体与碳纤维复合材料通过胶膜粘接结合的产物，两种材料的粘接固化工艺直接影响摩擦性能，进而对变速箱传动性能产生巨大影响。文章主要采用UG的后处理模块NASTRAN对粘接固化过程的传热特性进行瞬态分析，确定夹具、零件、胶膜各个模块的温度-时间变化曲线，探索传热对粘接固化过程的影响，为粘接工艺优化提升提供理论参考及依据。

1摩擦环粘接固化传热模型介绍

如图1所示，摩擦环基体与摩擦材料（碳布）通过某种胶粘接为一体，其过程需要限定外形尺寸，同时持续加热使胶固化，以保证粘接强度。因而需要专用夹具进行限位及导热。上下两个热板内嵌热电偶，进行持续性的热量传输。

初始状态时，热板因有热源持续传热，可简化其为恒温体（200℃）;夾具与热板相连，其初始温度与热板相同;摩擦环放入夹具内部，其初始温度为室温20℃，各模块的热物理参数及边界条件如表1所示。

模型整体网格划分90W，针对胶膜，碳布等尺寸较小的部件做了局部网格加密和细化，同时忽略空气热对流及热辐射，忽略热板的温度微小波动，假设系统传热过程理想，分析系统的瞬态传热特性。

2数值仿真计算

利用UG软件后处理模块的NASTRAN求解器进行瞬态非线性热分析，考虑实际生产预热时间为5分钟，时间步长设置为300s，增量1s。根据表1设置各部件的热物理参数及接触关系。初始状态如图2所示。

3仿真结果及分析

通过300s非线性数值分析，各部件温度已趋近于设定温度200℃，仿真已基本收敛，参见图3。零件由室温放入200℃的夹具内，与夹具接触面迅速吸热升温，此时零件芯部区域温度较低，随时间的增加，整体温度迅速上升。

通过关键部位采点，得到各部件的时间-温度变化曲线，如下图所示。

对比图4、图5可以发现，摩擦环在放入夹具瞬间，由于与夹具表面有巨大温差（摩擦环20℃，夹具200℃），且碳布热导率极高（700W/mK），热交换迅速;而紧贴碳布的胶膜其导热率很小（2W/mK），热量不能及时转移，其温度迅速上升，温差减小，吸热因而减少，放热相对增加，造成温度的再次下降，此现象直观体现在摩擦环放入夹具初期碳布温度剧烈上下波动。

而胶膜在吸热初期虽然热导率及比热与碳布差异较大，但考虑到碳布厚度0.6mm，而胶膜实际厚度仅为0.07mm，厚度极薄，且质量极轻，温度变化敏感，其温度紧随碳布温度，二者在温度时间变化趋势上印证了这一点。

夹具在接触零件后，其作为热量输出方，接触区域附近温度在5s内迅速降低至144℃;现场实测温度降低至140℃，此降温过程得到验证，见表2所示，夹具实测温度与仿真温度趋势一致，数值接近。其后由于热板不断补充热量，夹具温度得以回升。

根据比热计算公式Q=CmΔT，当夹具质量增加时，温降减缓，传递热量更迅速，零件也能更快的升温。

对于零件基体而言，其作为最后的受热方，热量由外部传至芯部，故而芯部温度上升最慢，参见图3。

此外，对比各零件温度-时间曲线发现，在240s时，各部件温度均已超过195℃，基本进入稳态，现场实际设

定预热温度为5分钟，符合温度控制要求。

4总结

4.1对于摩擦环而言，其基体升温过程存在温差，而关键固化区域碳布及胶膜温升曲线一致，且均在5分钟内达到设定温度。

4.2考虑提升效率，减少预热时间，则需增加夹具质量以增加储热，使碳布及胶膜迅速升温至设定温度。

4.3对比温度云图，零件热量由外向内传递，零件重量及外形尺寸对传热影响很大

4.4对比夹具表面温度实测及仿真数据，二者误差在10%以内，此仿真模型针对生产实际具有重要指导和参考意义。