考慮熱效應(yīng)影響的液黏調(diào)速離合器流體剪切轉(zhuǎn)矩預(yù)測(cè)研究

， ，2， 　(.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院， 北京　0008； 2.北京理工大學(xué) 車(chē)輛傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京　0008)

引言

液黏調(diào)速離合器具有無(wú)級(jí)調(diào)速、啟動(dòng)沖擊小和同步傳動(dòng)等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備節(jié)能降耗的有效手段，一直是世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)，既可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的調(diào)速，也可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的軟啟動(dòng)[1-5]。

在液黏調(diào)速離合器穩(wěn)態(tài)調(diào)速工作過(guò)程中，由于主、從動(dòng)摩擦片之間大部分時(shí)間處于滑差狀態(tài)，會(huì)不斷產(chǎn)生黏性耗散熱，從而造成工作油液和摩擦副溫度升高。溫度的變化反過(guò)來(lái)對(duì)工作油黏度產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響流體剪切轉(zhuǎn)矩的傳遞。因此, 考慮熱效應(yīng)的影響能更加準(zhǔn)確預(yù)測(cè)摩擦副間流體剪切轉(zhuǎn)矩。同時(shí)，對(duì)摩擦副間流體傳熱影響的研究也將有助于了解導(dǎo)致摩擦片表面過(guò)熱，工作介質(zhì)黏度急劇降低及熱應(yīng)力產(chǎn)生的原因。

Tatara[6]采用雷諾方程或修正雷諾方程對(duì)濕式離合器嚙合過(guò)程中的傳熱進(jìn)行研究；Marklund[7]研究摩擦片處于邊界潤(rùn)滑條件下，熱效應(yīng)對(duì)濕式離合器轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)性能的影響，但他們沒(méi)有考慮流體黏度與溫度之間的關(guān)系。謝方偉[8]通過(guò)簡(jiǎn)化的N-S方程對(duì)液黏調(diào)速離合器無(wú)溝槽或徑向溝槽摩擦片的壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和流體剪切轉(zhuǎn)矩進(jìn)行數(shù)值研究。黃家海[9]等在考慮油液黏度隨溫度變化的基礎(chǔ)上通過(guò)仿真研究了流體潤(rùn)滑條件下液黏調(diào)速離合器無(wú)溝槽摩擦副間隙內(nèi)流體主要傳熱方式。CUI Hong-wei[10]考慮高轉(zhuǎn)速時(shí)油膜收縮不能充滿整個(gè)摩擦副時(shí)，對(duì)無(wú)溝槽摩擦片的液黏調(diào)速離合器流體剪切轉(zhuǎn)矩進(jìn)行研究。

因此，本研究以圓弧油槽摩擦片與對(duì)偶鋼片之間的流體為研究對(duì)象，建立考慮熱的三維CFD模型，對(duì)摩擦副間的流場(chǎng)分析得到熱效應(yīng)對(duì)油膜的壓力、溫度分布和流體剪切轉(zhuǎn)矩的影響，對(duì)流體剪切轉(zhuǎn)矩做出了更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

1　幾何模型

液黏調(diào)速離合器利用油膜剪切傳遞轉(zhuǎn)矩，摩擦副的幾何模型如圖1所示。由于雙圓弧摩擦片60對(duì)油槽結(jié)構(gòu)循環(huán)對(duì)稱的特征，為減小計(jì)算量和加快計(jì)算速度，建立摩擦副間隙內(nèi)流體的流場(chǎng)模型為1/60單周期模型，通過(guò)給定周期性邊界條件模擬整個(gè)摩擦副的流動(dòng)情況，取完整油膜的1/60模型為計(jì)算分析的對(duì)象，如圖2所示。

圖1　雙圓弧槽摩擦副組成

2　控制方程

假設(shè)摩擦副間的流體是不可壓縮非等溫流體，并且忽略重力和其他外部體積力。穩(wěn)態(tài)條件下，守恒方程表示為如下形式。

質(zhì)量守恒方程:

▽·(ρV)=0

(1)

圖2　1/60油膜幾何模型

動(dòng)量守恒方程:

ρ(V·▽)V=-▽p+▽·(μ▽V)

(2)

能量方程:

ρcpV·▽T=▽·(λf▽T)+ST

(3)

其中,V為速度矢量；ρ為流體密度；p為流體微元體上的壓力；T為溫度；cp為比熱容；λf為流體的傳熱系數(shù)；ST為黏性耗散項(xiàng)；μ為流體的動(dòng)力黏度，考慮流體黏溫特性[11]。

(4)

其中，t為油溫，℃。

2.1　CFD模型和邊界條件

假設(shè)流體的入口和出口壓力均為定值，流體區(qū)域的兩側(cè)均為循環(huán)邊界。摩擦片有一個(gè)旋轉(zhuǎn)速度，對(duì)偶鋼片無(wú)旋轉(zhuǎn)速度，假設(shè)流體和固體的接觸面均無(wú)相對(duì)滑動(dòng)。

不考慮熱效應(yīng)的CFD模型，入口油溫為定值，并且不考慮溫度對(duì)流體黏度的影響。對(duì)于考慮熱效應(yīng)的CFD模型，考慮黏溫特性的影響，流體區(qū)域與固體區(qū)域均為對(duì)流熱交換，假設(shè)壁面上的對(duì)流熱傳導(dǎo)系數(shù)相等，表示為hc。計(jì)算模型所需要的參數(shù)如表1所示。

表1　模型參數(shù)

(續(xù)表)

2.2　數(shù)值求解和計(jì)算流程

研究中利用一種商業(yè)CFD軟件CFD-CAE+，選擇其中的流動(dòng)和熱傳導(dǎo)模塊。首先在三維建模軟件Pro/E中建立幾何模型，將其導(dǎo)入到前處理軟件CFD-GEOM中生成網(wǎng)格。為了加強(qiáng)模型計(jì)算的準(zhǔn)確性，采用五面體棱柱行網(wǎng)格，生成的棱柱形網(wǎng)格如圖3所示。

圖3　模型網(wǎng)格

將網(wǎng)格模型導(dǎo)入求解軟件CFD-ACE+中，首先選擇求解器模塊，這里用到流動(dòng)和熱傳導(dǎo)模塊，然后對(duì)材料的性質(zhì)以及邊界條件進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置黏度時(shí)選擇用關(guān)于溫度t的分段函數(shù)方式。模型一旦設(shè)定，求解器所需的控制參數(shù)也就選定了，流動(dòng)速度的求解方法選擇共軛梯度的方法，壓力和能量方程選擇代數(shù)多重網(wǎng)格方法。所有求解器收斂標(biāo)準(zhǔn)都設(shè)為10-4。

所有參數(shù)設(shè)定后，求解器進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)設(shè)定的參數(shù)和條件所得的計(jì)算結(jié)果保存在模型文件夾下。后處理任務(wù)是通過(guò)單獨(dú)的后處理軟件CFD-VIEW完成。

3　計(jì)算結(jié)果分析

3.1　壓力分布

給定的壓力入口條件是入口壓力大于出口壓力，所以整體趨勢(shì)是呈內(nèi)大外小的趨勢(shì)，圖4為轉(zhuǎn)速為3000 r/min，膜厚在0.3 mm條件下油膜上的壓力等高線分布圖。圖4a為考慮熱效應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，圖4b為忽略熱效應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。發(fā)現(xiàn)兩種模型下的壓力分布幾乎相同，均是高壓區(qū)發(fā)生在接近入口處，并且與旋轉(zhuǎn)方向相反的槽內(nèi)側(cè)壓力較小，一部分原因是因?yàn)檫@些位置的走向與離心力的方向夾角較大。不同之處是圖4b圖中的最大壓力略高于圖4a圖的最大壓力0.01 MPa。 如此說(shuō)明熱效應(yīng)對(duì)摩擦副壁面的壓力影響不大。

圖4　壓力分布云圖

3.2　溫度分布

熱效應(yīng)必然會(huì)對(duì)流體內(nèi)部溫度造成影響。圖5為考慮熱效應(yīng)的模型在轉(zhuǎn)速為3000 r/min，膜厚為0.3 mm 條件下油膜在z向不同位置上的x-y平面上的溫度分布圖，圖下面的值為截面在z方向上的位置。其中-0.25 mm

圖5　油膜截面溫度分布云圖

圖5中可以觀察到半徑方向上，流體溫度隨著半徑的增大而升高，因?yàn)殡S著半徑增大，流體的剪切線速度增大，產(chǎn)生的黏性耗散熱較多。結(jié)合壁面上的壓力分布，壓力較大的位置溫度并沒(méi)有因此而變化很大，說(shuō)明影響溫度最主要的因素是油膜剪切的線速度。對(duì)比觀察在同一徑向位置處靠近槽部分(z=0.1 mm)流體的溫度發(fā)現(xiàn)無(wú)槽部分流體溫度要高于有槽部分的溫度，說(shuō)明油槽對(duì)促進(jìn)油液帶走熱量能夠起一定的作用。

3.3　流體剪切轉(zhuǎn)矩分析

針對(duì)不同工況下的油膜的流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析，圖6為油膜厚度為0.1 mm，入口油壓為0.3 MPa工況下，各個(gè)模型計(jì)算所得流體剪切轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化規(guī)律與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。忽略熱效應(yīng)的計(jì)算模型的流體轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的升高呈線性增長(zhǎng)，并且隨著轉(zhuǎn)速的增大越來(lái)越偏離實(shí)驗(yàn)結(jié)果；而考慮熱效應(yīng)的計(jì)算模型的流體剪切轉(zhuǎn)矩增大的趨勢(shì)隨著轉(zhuǎn)速增加而變得緩慢，其走向與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合，計(jì)算結(jié)果之所以略大于實(shí)驗(yàn)結(jié)果是由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在著其他的損失，如軸承、花鍵等的損失。因此，考慮熱效應(yīng)的計(jì)算模型對(duì)于預(yù)測(cè)流體剪切轉(zhuǎn)矩比較準(zhǔn)確。

圖6　仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較

圖7所示為三種油膜厚度油膜的流體剪切轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。流體剪切轉(zhuǎn)矩隨著油膜厚度的增大而減小，隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大。轉(zhuǎn)速越大流體剪切轉(zhuǎn)矩的增加速率就越緩慢，這是因?yàn)榱黧w剪切的線速度增大，溫度升高造成流體的黏度減小， 傳遞流體剪切轉(zhuǎn)矩的能力降低，但此時(shí)仍然是轉(zhuǎn)速占主導(dǎo)地位，所以流體剪切轉(zhuǎn)矩依然增大，但增大的速率變小。

圖7　不同油膜厚度下流體剪切轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律

3.4　油膜厚度影響分析

圖8所示為轉(zhuǎn)速為3000 r/min時(shí)不同厚度的油膜隨著轉(zhuǎn)速的變化傳遞到對(duì)偶鋼片上流體剪切轉(zhuǎn)矩的變化。流體剪切轉(zhuǎn)矩隨著油膜厚度的增加而變小，因?yàn)槟Σ赁D(zhuǎn)矩的大小與油膜的承受負(fù)載能力有關(guān)，油膜的承受負(fù)載能力隨著油膜厚度的增加而減小，而隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大。并且隨著油膜厚度的不斷變大，摩擦轉(zhuǎn)矩的變化不如油膜厚度較小(0.1～0.2 mm)時(shí)候的變化明顯，所以在運(yùn)用這種裝置傳遞流體剪切轉(zhuǎn)矩時(shí)利用較多的是油膜厚度較小的階段。

圖8　流體剪切轉(zhuǎn)矩隨油膜厚度變化規(guī)律

4　結(jié)論

應(yīng)用商業(yè)CFD軟件建立了考慮熱效應(yīng)影響的三維流體模型，求解得到了摩擦副間流體的壓力分布，溫度分布和流體剪切轉(zhuǎn)矩。分析得到如下結(jié)論：

(1) 熱效應(yīng)對(duì)摩擦副間流體的壓力分布影響不大，壓力僅略大于不考慮熱效應(yīng)的情況。影響溫度分布的主要因素是流體剪切的線速度，壓力對(duì)溫度分布影響不大；

(2) 流體剪切轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大，但規(guī)律并非線性，而是隨著轉(zhuǎn)速增加，增大速率逐漸變慢。流體剪切轉(zhuǎn)矩隨著油膜厚度的增加而減小，而且在薄油膜階段下降的要更快一些。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出考慮熱效應(yīng)影響的三維CFD模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)流體剪切轉(zhuǎn)矩。

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