多片式湿式离合器带排转矩损失实验

摘要

　　湿式离合器具有传递转矩容量大、接合平顺.、磨损均匀等优点,尤其是装有大尺寸摩擦片的离合器,因其传递转矩容量更大、单位面积产生热量更小、寿命更长的优点,在重型履带车辆中运用广泛。本文所选取研究的大尺寸多片式湿式离合器的摩擦片外径大于400mm,远远大于其余车辆一般不超过150mm的离合器摩擦片外径,具有重大研究意义。

　　同时研究表明,当湿式离合器处于空转状态时,摩擦副间的油液因为剪切应力产生带排转矩,一方面会产生热量,引起摩擦片的翘曲变形;另一方面会造成带排损失。因此,减小空转过程中产生的带排转矩对于提高湿式离合器的性能至关重要,本文基于此对其进行了深入系统的研究。具体内容包含以下几个方面:

　　(1)对流体动力学控制方程、流场模型边界条件、对流换热系数计算方法等进行了研究。在SoMworks中建立了四种沟槽形式的摩擦片三维模型,简化后通过布尔运算得到油层模型,将其导入到Workbench/Fluent中划分网格和设置边界条件,对其在空转过程的流场进行了动态仿真,并在此基础上研究了摩擦副相对转速、润滑油流速、进油口油温和摩擦片沟槽形式对温度场的影响。同时,对试验台架流道也进行了动态仿真。

　　(2)在传统带排转矩数学模型的基础上,考虑了润滑油流量、离心力对带排转矩的影响,并根据润滑油径向速度随摩擦副相对转速的变化规律,引入了油膜等效半径,建立了新的带排转矩数学模型,并在此基础上得到了无沟槽、径向槽、双圆弧槽和复合槽摩擦片的带排转矩数学模型。

　　(3)针对油膜收缩的现象,对湿式离合器内的气液两相特性进行了研究。同时对其在空转过程中产生的带排转矩进行了仿真分析,并在此基础上又研究了润滑油流量、润滑油粘度、摩擦副间隙和摩擦片沟槽形式对带排转矩的影响,并将上述参数对带排转矩的敏感度进行了分析,找到了对带排转矩影响最大的参数。

　　(4)搭建了　“大尺寸多片式摩擦元件带排试验系统”,基于LABVEEW编程软件编写了控制、数据采集和数据分析软件程序,并对湿式离合器空转过程中的带排转矩进行了试验分析。并将试验结果与仿真结果进行了对比,验证了仿真模型的正确性和有效性。

　　关键词：大尺寸多片式湿式离合器;流场动态仿真;带排转矩;沟槽形式;气液两相

Abstract

　　Wet clutch has many advantages,  such as large capac of transmission torque, smooth engagement and uniform wear. Especially for the wet clutch which has large-size friction plates, is widely used in crawler vehicles because of its greater torque transmission capac smaller heat generation per unit area and longer service life. In this paper.

　　(1)Study the relevant equations of hydrodynamics, the boundary conditions of flow field model and the calculation method of convective heat transfer coe}cient.  In Solidworks,  create three-dimensional models of wet friction plates with four different typical oil groove structures,complete necessary simplification. Import the models into fluent software, and then generate and set the boundary  conditions.  Carry out the dynamic  simulation.  Meanwhile,  dynamic simulation also be carried out on the actual oil flow field.

　　(2) On the basis of the traditional mathematical model of drag torque, consider the influe nce of lubricant flow rate and centrifugal force on the drag torque, and the relationship between the radial velocof lubricant  and the relative rotation speed of friction pair, obtain the oil film equivalent radius, and establish another new drag losses model Present three mathematical model with different帅ical oil groove structures.

　　(3) Aiming  at the phenomenon  of oil film  shrinkage,  study the airoil two-phase flow characteristics inside the wet clutch. Take one of the friction plates as an example,  simulate and analyze the drag losses in the process of idling.  On the basis of this, study the effects of the lubricating o}1 flow rate, lubricant viscosity, clearance of friction pair and friction plate groove structure on the drag torque. The sensitivity  of the above parameters to the drag torque is calculated, and the greatest influential one is found out.

　　(4) Set up a "high-speed friction element drag torque testing system", write control and data acquisition program based on the LABVIEW language, and then conduct the test analysis of the process of idling. The test results are compared with the simulation resuhs to verify the correctness and validity of the simulation model.

　　Key Words:large-size mufti-plate wet clutch; flow field dynamic simulation

　　我国汽车行业是国民经济支柱产业,约占经济总量2%左右。2016年汽车行业运行形势喜人,规模以上企业工业增加值增速、主营业务收入、利润总额明显高于上年,有力地支撑了经济平稳较快增长。

　　2016年,汽车行业拥有规模以上企业14110余家,工业增加值同比增长15.5%,分别高于国内生产总值和规模以上工业增速8.8个百分点、9.5个百分点,推动经济增长0.3个百分点,对经济增长的贡献率高达4.5%。汽车产销分别完成2811.8万辆和2802.8万辆,比上年同期分别增长14.5%和13.7%,高于上年同期11.2和9.0个百分点。实现主营业务收入80185.8亿元,同比增长14.1%,增幅比规模以上工业高出9.2个百分点。实现利润总额6677.4亿元,同比增长10.8%,增幅比规模以上工业高出2.3个百分点。完成固定资产投资12037亿元,同比增长4.5%,增幅比规模以上工业高出0.9个百分点[1]。

　　随着汽车行业的高速发展,离合器的需求量也逐年增加。2015年,我国汽车离合器的产量突破2500万套,市场规模超过330亿元。但是,在重型履带车辆的离合器研发、制造等方面,相比于国外的一些知名离合器厂商,如Sachs、Luk、Valeo、Exedy等,我们国内厂商还有很长的路要走。

　　反过来思考,如果刹车片单位面积产生的极限热量为定值时,刹车片面积增大,则整个接触面积所能承受的总热量可增大,所以能够承受更大的制动功率(当然需要增大制动压力),也就是制动效果更好(前提是轮胎与地面不打滑)。

　　同时,因为重型履带车辆的负载较大,而摩擦片和压盘传递的最大扭矩有限,所以通常会采用多片式离合器以提升离合器的扭矩容量,即离合器内有多组压盘和摩擦片,在摩擦片间,通常夹有数组对偶钢片来增加摩擦效果。

　　湿式离合器和干式离合器的冷却方式不同,是通过离合器油来冷却摩擦片的。在工作过程中,油液的流速、粘度、温度,主从摩擦片的相对转速,摩擦片的材料和沟槽形式等都将对离合器的工作特性带来很大的影响,因此有必要对湿式离合器摩擦副间润滑油油路进行流场动态仿真。

　　并仿真了油膜状态在单相、多相流场中随转速的变化,并用试验验证了油膜状态对带排转矩的影响。Wei[6]等人建立了三位有限元模型,在Fluent流体仿真软件中模拟了在气液两相状态下油液体积分数随转速的变化规律,并通过试验验证了油液体积分数对带排转矩的影响,与CFD仿真进行了对比。AndreasHakansson等人采用RANS　k-　e　CFD模型对高压均浆阀进行流场动态分析,并与试验结果进行了对比,结果表明该模型可以很好地表达出阀内流场的变化情况。SayantanSengupta等人建立了　Tesla调轮三维流场和流场迹线,描绘了三维模型随径向速度、切向速度和流场压力变化的变化规律,通过解析法和数值仿真法进行对比,验证了模型的可靠性。S.A.Hambric[9]等人以弯管为例,进行了基于流固耦合的流场动态特性分析,并进行了试验验证,日后可将该模型用于U型、T型管道的流场动态分析。Seleznev　V[1G]等人以长距离、多分支管道系统中的气体混合物为研究对象,在高精度CFD模拟器中仿真了气体混合物在管道中的流动情况,并将仿真结果与实际气体传输站测量的结果进行了对比,验证了输气管道系统模拟方法的正确性。Tieii-人利用变量分离技术建立了　CFD分析模型,来模拟湿式离合器在一次接合过程中由于摩擦片和钢片非连续摩擦和相对运动引起的温升。他们在实际台架中安装了热电偶,并在考虑系统惯量、转矩和转速的基础上,对湿式离合器进行了接合试验,并与仿真结果进行了对比。Shoaib　Iqbal[12]等人为了更好地了解湿式离合器振动特性和动力学特性,建立了基于拓展复位积分器的摩擦学模型,该模型考虑了在接合过程中经试验验证的Stribeck函数,以及粘滞效应和驱动压力信号的延迟情况。之后,该模型通过试验进行了验证,结果表明振动振幅幅度与所施加的接触压力波动幅度无关。等人在CFD仿真软件中采用子域混合网格法对开放水域中的螺旋桨尾流场特性进行数值模拟。

　　在国内,张家元等人建立了摩擦片的三维有限元模型,考虑了热结构耦合作用,在Ansys仿真软件中对摩擦片进行了热结构耦合分析,得到了摩擦片温度、应力随时间、半径及摩擦因素等条件的变化规律。王清等人在Ansys仿真软件中建立了实际油路结构的参数化有限元模型,结合摩擦片瞬态运动方程,得到了润滑油路的压力场、速度场、各摩擦片所受合力随时间变化的曲线及油层厚度分布情况。林腾蛟等人建立了多种不同离合器润滑油道结构的三维有限元模型,采用增强型压力耦合方程组的半隐式算法求解,得到了不同油路结构下的流场特性分布情况,并进行了试验验证。张传芳等人建立了径向槽和复合槽两种结构的摩擦片三维有限元模型,考虑了对流换热,得到了两种槽结构的流场特性以及对带排转矩的影响,并进行了试验验证以作为日后仿真研究的基础。马智慧等人建立了摩擦片的三维模型,采用多场耦合动态分析方法,进行了多刚体动力学分析,得到了摩擦片在接合过程中温度最高时摩擦片上的温度分布和等效应力分布。张金乐[19]等人在Abaqus有限元分析软件中建立了摩擦副的三维模型,并考虑了热机耦合等因素,进行了流场动态分析,得到了在不同摩擦副转速差、不同对偶铜片厚度及不同油压下的温度场和应力场分布。陈荣[2G]等人建立了三种沟槽形式的摩擦片三维模型,分别为:径向油槽、射线油槽、方形油槽,基于RNGk-e和Realizable　k-e双方程,在流场仿真软件Fluent中对这三种沟槽形式的摩擦片间流体的压力分布、速度分布和温度分布特性金夏丽仿真研究,并进行了试验研究,验证了仿真结果的有效性。冯珊珊[21]等人以陈勇液黏调速离合器为研究对象,考虑热效应、空化现象和两相流现象,利用CFD流体仿真软件,开展了相关流体传动特性研究,并进行了试验进行对比。罗倡[22]等人建立了湿式离合器摩擦副的简化模型,以不同起步工况下主从摩擦片相对转速曲线和接合压力曲线为边界条件,并考虑了热弹不稳定理论,在ANSYS中进行了温度特性和压力特性的研究,并讨论了两者之间的相互关系,为设计车辆起步过程控制策略提出了建议。吕和生[23]、潘丽[24]等人基于RNGk-e方程和不可压缩流体控制方程,建立了不同油路结构下船用湿式离合器的模型,并在ANSYS中开展了流场特性分析,结果表明为保证离合器在高速情况下不会发生过热现象,可以将现有湿式离合器部分喷油孔与摩擦片座内腔连接起来,在这种情况下的压力分布更为均匀。同时进行了试验验证,与仿真结果的误差较小。

多片式湿式离合器带排转矩损失实验：

大尺寸多片式摩擦元件带排试验系统结构模型

大尺寸多片式摩擦元件带排试验系统现场图

试验台架软件系统组成

试验参数配置界面

试验选择界面

试验主界面

目录

　　摘要
　　Abstract
　　目录
　　第1章 绪论
　　　　1.1 课题研究的背景及意义
　　　　1.2 课题国内外研究现状
　　　　　　1.2.1 流场动态仿真的国内外研究现状
　　　　　　1.2.2 湿式离合器空损特性的国内外研究现状
　　　　1.3 本文研究的主要内容
　　第2章 湿式离合器空转过程的流场动态仿真
　　　　2.1 引言
　　　　2.2 流体动力学控制方程
　　　　　　2.2.1 质量守恒方程
　　　　　　2.2.2 动量守恒方程
　　　　　　2.2.3 能量守恒方程
　　　　　　2.2.4 湍流模型方程
　　　　2.3 摩擦副实体模型建立
　　　　　　2.3.1 三维模型尺寸
　　　　　　2.3.2 三维模型创建
　　　　2.4 模型网格前处理
　　　　　　2.4.1 模型简化
　　　　　　2.4.2 网格处理
　　　　2.5 数值计算预处理
　　　　　　2.5.1 基本假设
　　　　　　2.5.2 边界条件
　　　　　　2.5.3 对流换热系数计算
　　　　2.6 摩擦副间温度场动态仿真
　　　　　　2.6.1 摩擦副相对转速对温度场的影响
　　　　　　2.6.2 润滑油流速对温度场的影响
　　　　　　2.6.3 进油口油温对温度场的影响
　　　　　　2.6.4 摩擦片沟槽形式对温度场的影响
　　　　2.7 试验台架流场动态仿真
　　　　2.8 本章小结
　　第3章 湿式离合器空转过程带排转矩的数学模型
　　　　3.1 引言
　　　　3.2 带排转矩的理论分析
　　　　　　3.2.1 牛顿内摩擦定律
　　　　　　3.2.2 带排转矩的传统计算模型
　　　　　　3.2.3 速度分布模型
　　　　　　3.2.4 等效油膜半径模型
　　　　　　3.2.5 带排转矩的新计算模型
　　　　　　3.2.6 功率损失模型
　　　　3.3 无沟槽带排转矩模型
　　　　3.4 径向槽带排转矩模型
　　　　3.5 双圆弧槽带排转矩模型
　　　　3.6 复合槽带排转矩模型
　　　　3.7 本章小结
　　第4章 湿式离合器空转过程带排转矩的仿真分析
　　　　4.1 引言
　　　　4.2 气液两相模型的仿真分析
　　　　4.3 带排转矩的仿真分析
　　　　4.4 带排转矩的影响因素分析
　　　　　　4.4.1 润滑油流量对带排转矩的影响
　　　　　　4.4.2 润滑油粘度对带排转矩的影响
　　　　　　4.4.3 摩擦副问隙对带排转矩的影响
　　　　　　4.4.4 摩擦片沟槽形式对带排转矩的影响
　　　　4.5 敏感度分析
　　　　4.6 本章小结
　　第5章 湿式离合器空转过程带排转矩的试验分析
　　　　5.1 引言
　　　　5.2 大尺寸多片式摩擦元件带排试验系统
　　　　　　5.2.1 试验台架组成及控制原理
　　　　　　5.2.2 试验台架软件设计
　　　　　　5.2.3 试验准备与条件
　　　　　　5.2.4 试验步骤
　　　　5.3 试验结果分析
　　　　　　5.3.1 相对转速与带排转矩的关系
　　　　　　5.3.2 摩擦副问隙与带排转矩的关系
　　　　　　5.3.3 润滑油流量与带排转矩的关系
　　　　　　5.3.4 摩擦片沟槽形式与带排转矩的关系
　　　　5.4 本章小结
　　第6章 结论与展望
　　　　6.1 总结
　　　　6.2 展望
　　参考文献
　　致谢
　　作者在攻读学位期间参与的科研项目