車用濕式多片離合器油液冷卻研究

張鳳蓮，馬　彪,2，李和言,2，熊涔博，朱禮安

(1.北京理工大學機械與車輛學院， 北京100081； 2.北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心， 北京100081；3.江麓機電集團有限公司， 湖南湘潭411100)

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車用濕式多片離合器油液冷卻研究

張鳳蓮1，馬彪1,2，李和言1,2，熊涔博1，朱禮安3

(1.北京理工大學機械與車輛學院， 北京100081； 2.北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心， 北京100081；3.江麓機電集團有限公司， 湖南湘潭411100)

摘要：濕式多片離合器需要潤滑冷卻來防止高轉速大扭矩引起的高溫燒蝕。工程實際中，多通過經(jīng)驗來確定需求流量值，為了從理論上確定冷卻所需合適的潤滑油流量，根據(jù)熱平衡理論建立了濕式多片離合器的油液冷卻模型，推導了鋼片隨時間的平均溫升和油液出口油溫變化規(guī)律，研究了離合器對流換熱系數(shù)和熱流分配的影響，并通過計算和實驗，得到潤滑流量增加到一定程度時冷卻效果不再顯著增加的規(guī)律，并指出對于所研究的濕式多片離合器，合適的供油量為單副(1.5～2.0) L/min，為工程應用中供油量選擇提供理論指導。

關鍵詞：濕式多片離合器；熱平衡理論；冷卻模型；潤滑流量

0引言

濕式多片離合器在工作過程中會產(chǎn)生大量的熱，冷卻不充分會導致摩擦元件溫度急劇上升，引起摩擦元件高溫燒蝕或變形，影響離合器正常工作。

關于濕式多片離合器摩擦片溫度場和應力場方面的研究很多，張金樂等[1]應用有限元軟件建立了離合器摩擦副的三維有限元模型，揭示了換擋過程中摩擦副溫度場及應力場分布規(guī)律。趙家昕等[2]基于熱彈性不穩(wěn)定性理論，通過理論建模與分析，提出了車輛離合器局部高溫區(qū)的成因和影響因素。張家元等[3]對帶槽摩擦片的應力場溫度場進行仿真，并分析了油槽對溫度分布的影響。關于冷卻方面的研究，王小虎等[4]通過CFD(計算流體動力學)軟件進行流體仿真，計算和對比了兩種不同結構的濕式離合器摩擦片分離時的冷卻系統(tǒng)熱流場分布狀況，結果表明油路結構對冷卻效果影響顯著。J.Y.Jang等[5-6]建立了三維熱流體動力學模型，分析溝槽參數(shù)對離合器工作特性的影響。R.A.Tatara等[7]針對離合器不同的工作狀態(tài)建立了濕式多片離合器的熱傳導模型。

國內外油液冷卻的研究主要針對對流對摩擦元件溫度場分布的影響[8-9]及不同溝槽和油路結構的流場仿真[10-11]。在油液冷卻效果研究方面多基于油溫不變的假設，但實際工程中，潤滑油在離合器不同工作狀態(tài)及滑摩時間長度下，溫度是變化的。為了使計算結果更符合工程實際，本文根據(jù)熱平衡理論，假設徑向油溫從入口到出口線性增加，進行冷卻分析，得到鋼片溫度，同時還能得到出口油溫隨時間的變化情況。在建立冷卻模型的過程中，考慮了工作過程中對流換熱和熱流分配的影響，從而確定離合器冷卻潤滑油流量等參數(shù)。通過計算和實驗研究，分析了潤滑油流量對冷卻效果的影響。

1理論模型

1.1模型建立

圖1　多片離合器示意圖Fig.1　Multidisc clutch

所研究的濕式多片離合器內部結構如圖1所示，潤滑油在離心力和內外徑壓差作用下，從離合器摩擦副內徑經(jīng)間隙流到外徑，對離合器摩擦副進行冷卻。

滑摩過程中，熱流分配系數(shù)kq與鋼片和摩擦片的物理參數(shù)相關，滑摩產(chǎn)生的總熱流密度q，分配給鋼片的熱流密度qs，分配給摩擦片的熱流密度qf。分配關系為[12]：

假設鋼片摩擦表面壓力均勻分布，由于鋼片薄，熱傳導系數(shù)大，傳熱快，假設滑摩過程中，鋼片上各部分溫度相同。

鋼片單位時間熱量輸入：

(a) 摩擦副俯視圖　　(b) 摩擦副側視圖　　(c) 分析對象

(1)

式中，f為表面摩擦系數(shù)，r1、r2分別為鋼片內外半徑。

圖3　離合器內部油路結構Fig.3　Structure of oil way inside clutch

離合器內部油路結構如圖3所示，對于鋼片外表面，由于油液由出口流出后直接進入油箱，無對流作用。內表面對流換熱帶走熱量：

對流帶走總熱量：

(2)

根據(jù)傳熱原理，接觸面上鋼片與摩擦片溫度相同，潤滑油溫升來自潤滑油與鋼片和摩擦片接觸表面的對流，所以油液同鋼片的對流換熱熱量和潤滑油溫升的關系為：

(3)

內外徑壓差和油液離心力作用下潤滑油流量[13]：

式中，δ為油膜厚度，p1為內外徑壓差，ω1、ω2分別是主動端和被動端角速度，μ為油液粘度。

Δt時間內鋼片溫升：

(4)

假設入口油溫不變，為Tin，取ΔTs(t)、ΔToil(t)分別為：

ΔTs(t)=Ts(t+Δt)-Ts(t)，

(5)

ΔToil(t)=Tout(t+Δt)-Tin。

(6)

t到t+Δt時間里，由式(3)、(4)得出潤滑油出口溫升同鋼片溫升的關系：

(7)

由式(2)、(4)得：

(8)

其中，J=clρlql-hsAs，M=clρlql·(hinAin+hsAs)·Δt。

通過式(5)、(8)可對鋼片溫度進行計算，得到不同熱流輸入和油液流量輸入下鋼片溫度隨時間變化規(guī)律，由式(6)、(7)可得出口油溫的變化。

1.2對流換熱系數(shù)

對于離合器摩擦元件，其內表面對流換熱可近似為橫掠圓柱體的強迫對流換熱[14]：

摩擦片無油槽時，鋼片的摩擦表面對流換熱可等效為橫掠平板換熱：

其中，l為平板長度，l=r2-r1；u為油液橫掠平板速度。

摩擦片帶徑向槽時，對流可近似為管槽內強制對流換熱：

2離合器潤滑情況分析

車用濕式多片離合器在換擋滑摩過程中不可避免的要消耗功率產(chǎn)生大量的熱，離合器單次結合時間短，潤滑油散熱有限，傳遞轉矩過大溫升過高會引起摩擦元件燒蝕；離合器由于徑向溫差引起熱應力導致摩擦元件塑性變形，頻繁換擋或是長時滑摩，導致塑性變形累積，接觸不均勻；局部溫度過高破壞油膜，也會出現(xiàn)局部干摩擦，引起摩擦元件變形失效。由于車用重載濕式多片離合器高轉速大扭矩的特點，需要通過合理的潤滑油冷卻使離合器能夠正常工作。

2.1單次結合潤滑情況分析

圖4　離合器接合過程動力學模型Fig.4　Dynamic model of clutch engagement

離合器單次結合過程動力學模型簡化如圖4，分別對濕式離合器主動端和被動端建立轉矩平衡方程：

表1　摩擦元件計算參數(shù)

表2　潤滑油計算參數(shù)(40 ℃)

研究中，離合器結合過程活塞表面平均壓強p變化如圖5所示，離合器結合壓力F=p·Ab-Fs，其中Ab為活塞表面積，F(xiàn)s為離合器彈簧回復力。離合器在結合壓力作用下進行滑摩，相對轉速逐漸減小，直到轉速為0，結合完成，主被動端轉速變化過程如圖6所示。

圖5結合過程壓力曲線

Fig.5Pressure change when engagement

圖6結合過程轉速曲線

Fig.6Revolving speed when engagement

如圖7，油液冷卻降低了單次結合時鋼片最高溫度，并且結合完成后，能夠將鋼片溫度迅速降低，保證離合器的正常工作。給定不同潤滑流量時，冷卻效果不同。由圖7知，鋼片在0.6 s左右溫度最高，對這一時刻鋼片溫度進行仿真分析，結果如圖8所示，實線是0.6 s時不同潤滑流量下鋼片溫度變化，虛線是溫差(即每增加0.024 L/min的流量，在當前流量下能使鋼片降低的溫度)，可以看出當油液流量增加到2.0 L/min后，繼續(xù)增加時，冷卻效果并沒有明顯的改善。因此，在不會影響離合器正常工作的條件下，潤滑油流量可以選擇2.0 L/min，既能降低高溫，又能夠保證潤滑油的有效使用。

圖7單次結合鋼片平均溫度變化

Fig.7Average temperature change of

separator disc when engaging

圖80.6 s時鋼片溫度隨流量變化

Fig.8Change of separator disc

temperature along flow on 0.6 s

2.2長時滑摩潤滑情況分析

長時滑摩會導致離合器摩擦元件溫度持續(xù)上升，變形累積，使離合器失效。圖9是在0.5 MPa控制壓力、84 rad/s相對轉速(即800 r/min)、持續(xù)滑摩3 s時鋼片的溫度變化。

長時滑摩下，由于熱流的持續(xù)輸入，使鋼片溫度上升很快，圖9顯示不同潤滑油流量下的溫度變化情況，工程中具體潤滑流量要結合摩擦元件耐熱程度及變形狀況進行選擇。從圖9中可以看出，0.5 L/min的供油流量下，冷卻效果相對無潤滑油時明顯，當流量增大到2.0 L/min時，與1.5 L/min流量下的冷卻效果相差不大。為了更具體的分析流量持續(xù)增加時潤滑油的冷卻效果，本文針對相同工況下，當離合器滑摩相同時間時，不同潤滑流量所對應的溫度值進行仿真分析如圖10所示。從圖10中可以看出，流量高于1.5 L/min時潤滑油冷卻效果不再顯著增加。

圖9長時滑摩鋼片平均溫度變化

Fig.9Average temperature change of separator

disc when sliding for long time

圖10不同時間鋼片溫度隨流量變化

Fig.10Change of separator disc temperature

along flow at different times

3實驗驗證

試驗臺架的原理圖及實物圖如圖11所示，動力從電機輸出給離合器主動端，離合器被動端制動，離合器有四個摩擦副，溫度傳感器分布在鋼片不同半徑深度上，滑摩過程中采集鋼片溫度值進行分析。

(a) 試驗臺架原理圖

圖11試驗臺架

Fig.11Experiment bench

圖12　實驗與仿真對比Fig.12　Test date and simulation date

為分析油液流量對冷卻效果的影響，離合器主動端轉速31.4 rad/s(即300 r/min)，被動端制動，控制壓力0.05 MPa，潤滑流量分別為0 L/min、1.125 L/min、2.25 L/min，進行滑摩，采集鋼片溫度，并求平均值，得到圖12所示不同流量下鋼片溫度變化，同仿真值進行對比。

由圖12，實驗值和仿真值相符，實驗中潤滑流量1.125 L/min和2.25 L/min時，鋼片溫度很接近，即潤滑效果相差不大，與以上理論分析結論相同。

4結論

根據(jù)熱平衡理論，對濕式多片離合器建立了冷卻模型，并分析了對流換熱系數(shù)、熱流密度及分配的計算方法。通過仿真研究和臺架實驗得到以下結論：

①分別對單次結合和長時滑摩時鋼片冷卻建立模型，為工程應用中熱平衡設計提供理論方法。

②潤滑流量達到一定值后再持續(xù)增加，冷卻效果改善不明顯，通過理論計算，可以合理分析和設計潤滑流量。對于本文中研究對象，每個副提供(1.5～2.0) L/min的潤滑流量，冷卻效果較好。

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(責任編輯梁健)

Study on cooling model of the vehicle multidisc wet clutch

ZHANG Feng-lian1, MA Biao1,2, LI He-yan1,2, XIONG Cen-bo1, ZHU Li-an

(1.School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;2.Collaborative Innovation Center of Electric Vehicles in Beijing, Beijing 100081, China;3.Norinco Group Jianglu Machinery and Electronics Group Company, Xiangtan 411100, China)

Abstract：High speed and large torque cause the multidisc wet clutch ablate under high-temperature, so effective cooling is needed. For the engineering practice, the need of flow is determined generally based on experience. To get the proper flow value for cooling theoretically, a cooling model for multidisc wet clutch was established by the heat balance equation. The average temperature change of separator disc and export oil temperature was derived. During calculation, clutch oil leakage, convective coefficient and heat distribution were considered. The results of numerical calculation and experiment indicated that the oil flow decreased the separate disk temperature, but this effect was limited when the flow increased to a degree and for the studied multidisc wet clutch, the suitable flow was (1.5～2.0) L/min per pair, providing theoretical guidance for engineering application.

Key word:multidisc wet clutch; heat balance equation; cooling model; lubrication flow

中圖分類號：U463.2

文獻標識碼：A

文章編號：1001-7445(2016)02-0443-08

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0443

通訊作者：馬彪(1964—)，男，北京理工大學教授，博士生導師；E-mail：mabiao@bit.edu.cn。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51575042)

收稿日期：2015-12-12；

修訂日期：2016-01-13

引文格式：張鳳蓮，馬彪，李和言，等.車用濕式多片離合器油液冷卻研究[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(2)：443-450.