Research on thermoelastic instability and temperature-pressure perturbation characteristics of friction pairs in disc clutches

CUI Hongwei; LI Donghui; MEI Bizhou; SUO Yiran; ZHANG Lingqing; CUI Long; LI Qi

doi:10.16578/j.issn.1004.2539.2025.03.001

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Research on thermoelastic instability and temperature-pressure perturbation characteristics of friction pairs in disc clutches

Theory·Research | 更新时间：2025-03-20

- Research on thermoelastic instability and temperature-pressure perturbation characteristics of friction pairs in disc clutches
- Journal of Mechanical Transmission Vol. 49, Issue 3, Pages: 1-7(2025)
- 作者机构：
  
  1.天津大学电气自动化与信息工程学院，天津 300072
  2.浙江易锻精密机械有限公司，宁波 315702
  3.太原理工大学机械与运载工程学院，太原 030024
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2025.03.001
  CLC： U463.21
- Received：07 December 2023，
  
  Revised：06 February 2024，
  
  Published：15 March 2025
- 稿件说明：
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崔红伟，李冬辉，梅碧舟，等.片式离合器摩擦副热弹性不稳定性温度-压力扰动特性研究［J］.机械传动，2025，49（3）：1-7.

CUI Hongwei，LI Donghui，MEI Bizhou，et al. Research on thermoelastic instability and temperature-pressure perturbation characteristics of friction pairs in disc clutches［J］. Journal of Mechanical Transmission，2025，49（3）：1-7.
崔红伟，李冬辉，梅碧舟，等.片式离合器摩擦副热弹性不稳定性温度-压力扰动特性研究［J］.机械传动，2025，49（3）：1-7. DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2025.03.001.

CUI Hongwei，LI Donghui，MEI Bizhou，et al. Research on thermoelastic instability and temperature-pressure perturbation characteristics of friction pairs in disc clutches［J］. Journal of Mechanical Transmission，2025，49（3）：1-7. DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2025.03.001.

摘要

目的

为了研究多层材料摩擦副热弹性不稳定性（Thermoelastic Instability

TEI）及扰动场分布规律，针对摩擦元件最常见的摩擦片对称-对偶钢片反对称变形模态，采用伽辽金法建立了摩擦副热弹性不稳定性有限元模型。

方法

结合Matlab数值模型分析，通过坐标变换得到了对称-反对称模态下临界速度的径向分布与扰动增长系数变化规律；基于扰动法并结合有限元模型提出滑摩表面瞬态扰动场计算模型，获得了摩擦副滑摩表面温度和压力扰动场分布规律。

结果

结果表明，对称-反对称模态下，最低临界速度对应的扰动频率为主特征扰动，该扰动频率下，扰动增长系数增加最快；摩擦副外径处最先进入热弹性不稳定状态，然后随着相对滑摩角速度的增加而逐渐向内径扩展；温度和压力扰动场的波动沿摩擦副周向呈周期性分布，但线速度沿径向分布的差异导致外径处扰动幅值高于内径；当相对滑摩速度超过临界速度时，由于指数增长效应，扰动幅值会随相对滑摩时间的增加而迅速增长。研究结果为后续探究摩擦副热点形成机制以及温度和压力场分布规律提供了参考。

Abstract

Objective

The finite element model under symmetric (friction disc)-antisymmetric (steel disc) was established to investigate the thermoelastic instability (TEI) and perturbation field distribution of multi-layer material friction pairs

which was based on the Galerkin method.

Methods

The radial distribution of critical speed and perturbation growth rate variation were obtained through coordinate transformation and Matlab numerical model analysis. A transient perturbation field calculation model for sliding surfaces was proposed based on the perturbation method and finite element model

and the distribution of temperature and pressure perturbation field on the sliding surface was obtained.

Results

The results indicate that the wave number corresponding to the minimum critical speed is the main characteristic wave number at which the perturbation growth rate increases the fastest. Thermoelastic instability first occurs at the outer diameter of the friction pair

and then gradually expands towards the inner diameter as the angular speed increases. The temperature and pressure perturbation fields are periodically distributed along the circumference of the friction pair

but the amplitude of perturbation at the outer diameter side is higher than that at the inner diameter side due to the difference in radial distribution of the linear speed. The amplitude of perturbation will rapidly increase with the relative sliding time due to the exponential growth effect when the relative sliding speed exceeds the critical speed. The results provide a basis for further research on the formation mechanism of hot spots and the distribution of temperature and pressure fields.

关键词

Keywords

references

BARBER J R . Thermoelastic instabilities in the sliding of conforming solids ［J］. Wear ， 1970 ， 15 （ 4 ）： 296 .

YI Y B ， BARBER J R ， ZAGRODZKI P . Eigenvalue solution of thermoelastic instability problems using Fourier reduction ［J］. Proceedings of the Royal Society of London Series A：Mathematical，Physical and Engineering Sciences ， 2000 ， 456 （ 2003 ）： 2799 - 2821 .

乔一军 . 液黏离合器摩擦副瞬态热弹性不稳定性研究［D］. 太原：太原理工大学， 2022 ： 15 - 46 .

QIAO Yijun . Research on transient thermoelastic instability of friction pair in hydro-viscous clutch ［D］. Taiyuan ： Taiyuan University of Technology ， 2022 ： 15 - 46 .

王其良，崔红伟，廉自生，等 . 基于轴对称模型的摩擦副热弹性特性研究［J］. 煤炭学报， 2018 ， 43 （增刊2 ）： 600 - 605 .

WANG Qiliang ， CUI Hongwei ， LIAN Zisheng ， et al . Research the thermo-elastic characteristics of friction pairs based on axisym-metric model ［J］. Journal of China Coal Society ， 2018 ， 43 （ Suppl.2 ）： 600 - 605 .

QIAO Y J ， CIAVARELLA M ， YI Y B ， et al . Effect of wear on frictionally excited thermoelastic instability：a finite element approach ［J］. Journal of Thermal Stresses ， 2020 ， 43 （ 12 ）： 1564 - 1576 .

QIAO Y J ， YI Y B ， WANG T ， et al . Effect of wear on thermoelastic instability involving friction pair thickness in automotive clutches ［J］. Journal of Tribology ， 2022 ， 144 （ 4 ）： 041202 .

SHPENEV A G . The influence of the thermoelastic instability on the wear of composite brake discs ［J］. Journal of Friction and Wear ， 2021 ， 42 （ 1 ）： 30 - 37 .

马彪，李明阳，李和言，等 . 变形摩擦元件对系统热弹性不稳定性的影响［J］. 北京理工大学学报， 2019 ， 39 （ 3 ）： 241 - 247 .

MA Biao ， LI Mingyang ， LI Heyan ， et al . Influence of deformed friction components on the thermoelastic instability ［J］. Transactions of Beijing Institute of Technology ， 2019 ， 39 （ 3 ）： 241 - 247 .

夏德茂，奚鹰，朱文翔，等 . 摩擦片材料和结构对制动器热弹性失稳影响［J］. 同济大学学报（自然科学版）， 2016 ， 44 （ 1 ）： 119 - 127 .

XIA Demao ， XI Ying ， ZHU Wenxiang ， et al . Effect of material properties and structure of frictional pad on thermoelastic instability of disc brake ［J］. Journal of Tongji University （Natural Science）， 2016 ， 44 （ 1 ）： 119 - 127 .

WANG Q L ， CUI H W ， LIAN Z S ， et al . Thermoelastic analysis of friction pairs in hydro-viscous drive combined thermal and mechanical loads under soft startup condition ［J］. Numerical Heat Transfer，Part A：Applications ， 2019 ， 75 （ 5 ）： 327 - 341 .

姜宇宇，崔红伟，乔一军，等 . 液黏摩擦副马鞍形屈曲变形接触及温度场分布特性研究［J］. 机械传动， 2022 ， 46 （ 5 ）： 17 - 24 .

JIANG Yuyu ， CUI Hongwei ， QIAO Yijun ， et al . Research on the contact and temperature field distribution characterstic of the saddle-shaped buckling deformation in hydro-viscous friction pair ［J］. Journal of Mechanical Transmission ， 2022 ， 46 （ 5 ）： 17 - 24 .

WU J P ， MA B ， LI H Y ， et al . The temperature field of friction disc in wet clutch involving the unconventional heat dissipation on the contact surface ［J］. Tribology Transactions ， 2021 ， 64 （ 1 ）： 1 - 9 .

WU J P ， MA B ， STANCIULESCU I ， et al . Experimental investigation of friction disc temperature field under cooling fluid ［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part C：Journal of Mechanical Engineering Science ， 2021 ， 235 （ 17 ）： 3377 - 3388 .

吴邦治，秦大同，胡建军，等 . 考虑摩擦副接触应力场和冷却流场的湿式离合器温度场分析［J］. 机械工程学报， 2020 ， 56 （ 22 ）： 190 - 200 .

WU Bangzhi ， QIN Datong ， HU Jianjun ， et al . Analysis of temperature field of wet clutch considering contact stress field and cooling flow field of friction pair ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2020 ， 56 （ 22 ）： 190 - 200 .

张志刚，彭彩虹，张子阳，等 . 同步器同步过程摩擦副温度场仿真研究［J］. 机械强度， 2022 ， 44 （ 1 ）： 184 - 191 .

ZHANG Zhigang ， PENG Caihong ， ZHANG Ziyang ， et al . Simulation study on temperature field of friction pair in synchronizer synchronization process ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2022 ， 44 （ 1 ）： 184 - 191 .

STOJANOVIC N ， ABDULLAH O I ， RAKISHEVA Z B ， et al . The effect of applied pressure function on thermo-elastic problem in the dry friction clutches ［J］. Journal of Failure Analysis and Prevention ， 2020 ， 20 ： 2145 - 2152 .

ABDULLAH O I ， SCHLATTMANN J ， SENATORE A ， et al . Investigation of thermoelastic problem of multiple-disc friction clutches applying different thermal loads ［J］. Heat and Mass Transfer ， 2018 ， 54 （ 11 ）： 3461 - 3471 .

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