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                        多片式濕式離合器帶排轉矩損失實驗

                        添加時間:2019/07/26 來源:浙江大學 作者:林天昊
                        本論文以實驗室工程項目“大尺寸多片式摩擦元件帶排試驗系統”和“慣性負載摩擦元件全工況試驗臺”為基礎,以大尺寸多片式濕式離合器為研究對象,結合“大尺寸濕式多片式離合器功率損失規律研究”展開。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘要

                          濕式離合器具有傳遞轉矩容量大、接合平順.、磨損均勻等優點,尤其是裝有大尺寸摩擦片的離合器,因其傳遞轉矩容量更大、單位面積產生熱量更小、壽命更長的優點,在重型履帶車輛中運用廣泛。本文所選取研究的大尺寸多片式濕式離合器的摩擦片外徑大于400mm,遠遠大于其余車輛一般不超過150mm的離合器摩擦片外徑,具有重大研究意義。

                          同時研究表明,當濕式離合器處于空轉狀態時,摩擦副間的油液因為剪切應力產生帶排轉矩,一方面會產生熱量,引起摩擦片的翹曲變形;另一方面會造成帶排損失。因此,減小空轉過程中產生的帶排轉矩對于提高濕式離合器的性能至關重要,本文基于此對其進行了深入系統的研究。具體內容包含以下幾個方面:

                          (1)對流體動力學控制方程、流場模型邊界條件、對流換熱系數計算方法等進行了研究。在SoMworks中建立了四種溝槽形式的摩擦片三維模型,簡化后通過布爾運算得到油層模型,將其導入到Workbench/Fluent中劃分網格和設置邊界條件,對其在空轉過程的流場進行了動態仿真,并在此基礎上研究了摩擦副相對轉速、潤滑油流速、進油口油溫和摩擦片溝槽形式對溫度場的影響。同時,對試驗臺架流道也進行了動態仿真。

                          (2)在傳統帶排轉矩數學模型的基礎上,考慮了潤滑油流量、離心力對帶排轉矩的影響,并根據潤滑油徑向速度隨摩擦副相對轉速的變化規律,引入了油膜等效半徑,建立了新的帶排轉矩數學模型,并在此基礎上得到了無溝槽、徑向槽、雙圓弧槽和復合槽摩擦片的帶排轉矩數學模型。

                          (3)針對油膜收縮的現象,對濕式離合器內的氣液兩相特性進行了研究。同時對其在空轉過程中產生的帶排轉矩進行了仿真分析,并在此基礎上又研究了潤滑油流量、潤滑油粘度、摩擦副間隙和摩擦片溝槽形式對帶排轉矩的影響,并將上述參數對帶排轉矩的敏感度進行了分析,找到了對帶排轉矩影響最大的參數。

                          (4)搭建了 “大尺寸多片式摩擦元件帶排試驗系統”,基于LABVEEW編程軟件編寫了控制、數據采集和數據分析軟件程序,并對濕式離合器空轉過程中的帶排轉矩進行了試驗分析。并將試驗結果與仿真結果進行了對比,驗證了仿真模型的正確性和有效性。

                          關鍵詞:大尺寸多片式濕式離合器;流場動態仿真;帶排轉矩;溝槽形式;氣液兩相

                        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帥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

                          我國汽車行業是國民經濟支柱產業,約占經濟總量2%左右。2016年汽車行業運行形勢喜人,規模以上企業工業增加值增速、主營業務收入、利潤總額明顯高于上年,有力地支撐了經濟平穩較快增長。

                          2016年,汽車行業擁有規模以上企業14110余家,工業增加值同比增長15.5%,分別高于國內生產總值和規模以上工業增速8.8個百分點、9.5個百分點,推動經濟增長0.3個百分點,對經濟增長的貢獻率高達4.5%。汽車產銷分別完成2811.8萬輛和2802.8萬輛,比上年同期分別增長14.5%和13.7%,高于上年同期11.2和9.0個百分點。實現主營業務收入80185.8億元,同比增長14.1%,增幅比規模以上工業高出9.2個百分點。實現利潤總額6677.4億元,同比增長10.8%,增幅比規模以上工業高出2.3個百分點。完成固定資產投資12037億元,同比增長4.5%,增幅比規模以上工業高出0.9個百分點[1]。

                          隨著汽車行業的高速發展,離合器的需求量也逐年增加。2015年,我國汽車離合器的產量突破2500萬套,市場規模超過330億元。但是,在重型履帶車輛的離合器研發、制造等方面,相比于國外的一些知名離合器廠商,如Sachs、Luk、Valeo、Exedy等,我們國內廠商還有很長的路要走。

                          反過來思考,如果剎車片單位面積產生的極限熱量為定值時,剎車片面積增大,則整個接觸面積所能承受的總熱量可增大,所以能夠承受更大的制動功率(當然需要增大制動壓力),也就是制動效果更好(前提是輪胎與地面不打滑)。

                          同時,因為重型履帶車輛的負載較大,而摩擦片和壓盤傳遞的最大扭矩有限,所以通常會采用多片式離合器以提升離合器的扭矩容量,即離合器內有多組壓盤和摩擦片,在摩擦片間,通常夾有數組對偶鋼片來增加摩擦效果。

                          濕式離合器和干式離合器的冷卻方式不同,是通過離合器油來冷卻摩擦片的。在工作過程中,油液的流速、粘度、溫度,主從摩擦片的相對轉速,摩擦片的材料和溝槽形式等都將對離合器的工作特性帶來很大的影響,因此有必要對濕式離合器摩擦副間潤滑油油路進行流場動態仿真。

                          并仿真了油膜狀態在單相、多相流場中隨轉速的變化,并用試驗驗證了油膜狀態對帶排轉矩的影響。Wei[6]等人建立了三位有限元模型,在Fluent流體仿真軟件中模擬了在氣液兩相狀態下油液體積分數隨轉速的變化規律,并通過試驗驗證了油液體積分數對帶排轉矩的影響,與CFD仿真進行了對比。AndreasHakansson等人采用RANS k- e CFD模型對高壓均漿閥進行流場動態分析,并與試驗結果進行了對比,結果表明該模型可以很好地表達出閥內流場的變化情況。SayantanSengupta等人建立了 Tesla調輪三維流場和流場跡線,描繪了三維模型隨徑向速度、切向速度和流場壓力變化的變化規律,通過解析法和數值仿真法進行對比,驗證了模型的可靠性。S.A.Hambric[9]等人以彎管為例,進行了基于流固耦合的流場動態特性分析,并進行了試驗驗證,日后可將該模型用于U型、T型管道的流場動態分析。Seleznev V[1G]等人以長距離、多分支管道系統中的氣體混合物為研究對象,在高精度CFD模擬器中仿真了氣體混合物在管道中的流動情況,并將仿真結果與實際氣體傳輸站測量的結果進行了對比,驗證了輸氣管道系統模擬方法的正確性。Tieii-人利用變量分離技術建立了 CFD分析模型,來模擬濕式離合器在一次接合過程中由于摩擦片和鋼片非連續摩擦和相對運動引起的溫升。他們在實際臺架中安裝了熱電偶,并在考慮系統慣量、轉矩和轉速的基礎上,對濕式離合器進行了接合試驗,并與仿真結果進行了對比。Shoaib Iqbal[12]等人為了更好地了解濕式離合器振動特性和動力學特性,建立了基于拓展復位積分器的摩擦學模型,該模型考慮了在接合過程中經試驗驗證的Stribeck函數,以及粘滯效應和驅動壓力信號的延遲情況。之后,該模型通過試驗進行了驗證,結果表明振動振幅幅度與所施加的接觸壓力波動幅度無關。等人在CFD仿真軟件中采用子域混合網格法對開放水域中的螺旋槳尾流場特性進行數值模擬。

                          在國內,張家元等人建立了摩擦片的三維有限元模型,考慮了熱結構耦合作用,在Ansys仿真軟件中對摩擦片進行了熱結構耦合分析,得到了摩擦片溫度、應力隨時間、半徑及摩擦因素等條件的變化規律。王清等人在Ansys仿真軟件中建立了實際油路結構的參數化有限元模型,結合摩擦片瞬態運動方程,得到了潤滑油路的壓力場、速度場、各摩擦片所受合力隨時間變化的曲線及油層厚度分布情況。林騰蛟等人建立了多種不同離合器潤滑油道結構的三維有限元模型,采用增強型壓力耦合方程組的半隱式算法求解,得到了不同油路結構下的流場特性分布情況,并進行了試驗驗證。張傳芳等人建立了徑向槽和復合槽兩種結構的摩擦片三維有限元模型,考慮了對流換熱,得到了兩種槽結構的流場特性以及對帶排轉矩的影響,并進行了試驗驗證以作為日后仿真研究的基礎。馬智慧等人建立了摩擦片的三維模型,采用多場耦合動態分析方法,進行了多剛體動力學分析,得到了摩擦片在接合過程中溫度最高時摩擦片上的溫度分布和等效應力分布。張金樂[19]等人在Abaqus有限元分析軟件中建立了摩擦副的三維模型,并考慮了熱機耦合等因素,進行了流場動態分析,得到了在不同摩擦副轉速差、不同對偶銅片厚度及不同油壓下的溫度場和應力場分布。陳榮[2G]等人建立了三種溝槽形式的摩擦片三維模型,分別為:徑向油槽、射線油槽、方形油槽,基于RNGk-e和Realizable k-e雙方程,在流場仿真軟件Fluent中對這三種溝槽形式的摩擦片間流體的壓力分布、速度分布和溫度分布特性金夏麗仿真研究,并進行了試驗研究,驗證了仿真結果的有效性。馮珊珊[21]等人以陳勇液黏調速離合器為研究對象,考慮熱效應、空化現象和兩相流現象,利用CFD流體仿真軟件,開展了相關流體傳動特性研究,并進行了試驗進行對比。羅倡[22]等人建立了濕式離合器摩擦副的簡化模型,以不同起步工況下主從摩擦片相對轉速曲線和接合壓力曲線為邊界條件,并考慮了熱彈不穩定理論,在ANSYS中進行了溫度特性和壓力特性的研究,并討論了兩者之間的相互關系,為設計車輛起步過程控制策略提出了建議。呂和生[23]、潘麗[24]等人基于RNGk-e方程和不可壓縮流體控制方程,建立了不同油路結構下船用濕式離合器的模型,并在ANSYS中開展了流場特性分析,結果表明為保證離合器在高速情況下不會發生過熱現象,可以將現有濕式離合器部分噴油孔與摩擦片座內腔連接起來,在這種情況下的壓力分布更為均勻。同時進行了試驗驗證,與仿真結果的誤差較小。

                        多片式濕式離合器帶排轉矩損失實驗:

                        大尺寸多片式摩擦元件帶排試驗系統結構模型
                        大尺寸多片式摩擦元件帶排試驗系統結構模型

                        大尺寸多片式摩擦元件帶排試驗系統現場圖
                        大尺寸多片式摩擦元件帶排試驗系統現場圖

                        試驗臺架軟件系統組成
                        試驗臺架軟件系統組成

                        試驗參數配置界面
                        試驗參數配置界面

                        試驗選擇界面
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                        試驗主界面
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                        目錄

                          摘要
                          Abstract
                          目錄
                          第1章 緒論
                            1.1 課題研究的背景及意義
                            1.2 課題國內外研究現狀
                              1.2.1 流場動態仿真的國內外研究現狀
                              1.2.2 濕式離合器空損特性的國內外研究現狀
                            1.3 本文研究的主要內容
                          第2章 濕式離合器空轉過程的流場動態仿真
                            2.1 引言
                            2.2 流體動力學控制方程
                              2.2.1 質量守恒方程
                              2.2.2 動量守恒方程
                              2.2.3 能量守恒方程
                              2.2.4 湍流模型方程
                            2.3 摩擦副實體模型建立
                              2.3.1 三維模型尺寸
                              2.3.2 三維模型創建
                            2.4 模型網格前處理
                              2.4.1 模型簡化
                              2.4.2 網格處理
                            2.5 數值計算預處理
                              2.5.1 基本假設
                              2.5.2 邊界條件
                              2.5.3 對流換熱系數計算
                            2.6 摩擦副間溫度場動態仿真
                              2.6.1 摩擦副相對轉速對溫度場的影響
                              2.6.2 潤滑油流速對溫度場的影響
                              2.6.3 進油口油溫對溫度場的影響
                              2.6.4 摩擦片溝槽形式對溫度場的影響
                            2.7 試驗臺架流場動態仿真
                            2.8 本章小結
                          第3章 濕式離合器空轉過程帶排轉矩的數學模型
                            3.1 引言
                            3.2 帶排轉矩的理論分析
                              3.2.1 牛頓內摩擦定律
                              3.2.2 帶排轉矩的傳統計算模型
                              3.2.3 速度分布模型
                              3.2.4 等效油膜半徑模型
                              3.2.5 帶排轉矩的新計算模型
                              3.2.6 功率損失模型
                            3.3 無溝槽帶排轉矩模型
                            3.4 徑向槽帶排轉矩模型
                            3.5 雙圓弧槽帶排轉矩模型
                            3.6 復合槽帶排轉矩模型
                            3.7 本章小結
                          第4章 濕式離合器空轉過程帶排轉矩的仿真分析
                            4.1 引言
                            4.2 氣液兩相模型的仿真分析
                            4.3 帶排轉矩的仿真分析
                            4.4 帶排轉矩的影響因素分析
                              4.4.1 潤滑油流量對帶排轉矩的影響
                              4.4.2 潤滑油粘度對帶排轉矩的影響
                              4.4.3 摩擦副問隙對帶排轉矩的影響
                              4.4.4 摩擦片溝槽形式對帶排轉矩的影響
                            4.5 敏感度分析
                            4.6 本章小結
                          第5章 濕式離合器空轉過程帶排轉矩的試驗分析
                            5.1 引言
                            5.2 大尺寸多片式摩擦元件帶排試驗系統
                              5.2.1 試驗臺架組成及控制原理
                              5.2.2 試驗臺架軟件設計
                              5.2.3 試驗準備與條件
                              5.2.4 試驗步驟
                            5.3 試驗結果分析
                              5.3.1 相對轉速與帶排轉矩的關系
                              5.3.2 摩擦副問隙與帶排轉矩的關系
                              5.3.3 潤滑油流量與帶排轉矩的關系
                              5.3.4 摩擦片溝槽形式與帶排轉矩的關系
                            5.4 本章小結
                          第6章 結論與展望
                            6.1 總結
                            6.2 展望
                          參考文獻
                          致謝
                          作者在攻讀學位期間參與的科研項目

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