拖拉機(jī)濕式離合器連續(xù)換擋溫升特性仿真分析

丁華,趙敬彥,陳潘明,上官興興

(江蘇大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院,鎮(zhèn)江 212013)

拖拉機(jī)的工作場(chǎng)景一般在田間,而且在工作過(guò)程中經(jīng)常因?yàn)樨?fù)載的變化頻繁需要連續(xù)換擋。例如進(jìn)行采挖作業(yè)時(shí),需要將作物從田地里挖掘出來(lái),還需使作物和土壤進(jìn)行分離,在整個(gè)采挖過(guò)程中負(fù)載一直在變化;進(jìn)行開(kāi)溝作業(yè)時(shí),由于阻力不同,拖拉機(jī)負(fù)載和速度會(huì)經(jīng)常發(fā)生改變。濕式離合器作為傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,承擔(dān)著傳遞轉(zhuǎn)矩的作用。濕式離合器是依靠摩擦片和鋼片之間的摩擦進(jìn)行轉(zhuǎn)矩傳遞,連續(xù)換擋意味著摩擦片和鋼片的多次接合與分離,在接合與分離過(guò)程中由于存在轉(zhuǎn)速差會(huì)產(chǎn)生滑摩,滑摩時(shí)產(chǎn)生大量熱量,使摩擦副溫度快速上升[1]。在熱應(yīng)力的作用下,摩擦副溫度不均會(huì)產(chǎn)生熱彈性變形,綜合機(jī)械壓力的作用會(huì)產(chǎn)生熱失效,造成摩擦副的燒蝕、摩擦材料脫落、翹曲變形和斷裂等影響離合器的工作可靠性[2-3]。所以,連續(xù)換擋時(shí)濕式離合器的溫升特性研究對(duì)提高拖拉機(jī)工作可靠性以及延長(zhǎng)使用壽命具有重要的工程意義。

目前,中外學(xué)者針對(duì)濕式離合器溫度場(chǎng)、流場(chǎng)進(jìn)行了大量的研究。在國(guó)內(nèi)學(xué)者中,王雨彤等[4]針對(duì)接合油壓、摩擦副的相對(duì)轉(zhuǎn)速對(duì)拖拉機(jī)液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器(hydro-mechanical continuously variable transmission,HMCVT)濕式離合器鋼片溫度的影響進(jìn)行了仿真與試驗(yàn)研究,結(jié)果表明鋼片外徑溫度最低,中徑溫度最高。周啟豪[5]利用MATLAB軟件通過(guò)編程分析了濕式離合器連續(xù)5次起步工況下的熱負(fù)荷特性,結(jié)果表明第2次起步時(shí)溫升最大,但并未對(duì)不同起步頻次的濕式離合器熱負(fù)荷特性進(jìn)行分析。朱茂桃等[6]和成宵[7]在考慮氣相的基礎(chǔ)上利用STAR-CCM+軟件對(duì)含徑向油槽的濕式離合器進(jìn)行了流場(chǎng)、溫度場(chǎng)仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證。但在研究過(guò)程中把摩擦副間隙假設(shè)為定值,沒(méi)有考慮摩擦副的軸向運(yùn)動(dòng)。張志剛等[8-9]利用ABAQUS軟件研究了鋼片平行度對(duì)濕式離合器熱特性的影響以及通過(guò)建立熱流固耦合模型對(duì)濕式離合器進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真分析。胡東方等[10]利用ABAQUS軟件分析了滑摩時(shí)溫度以及壓力對(duì)拖拉機(jī)壓盤(pán)的影響,并根據(jù)仿真結(jié)果改進(jìn)結(jié)構(gòu)減小壓盤(pán)的受熱變形。代吉超等[11]以液黏離合器為研究對(duì)象,通過(guò)CFX軟件建立摩擦副流固耦合仿真模型,求得了摩擦副與油液之間的對(duì)流換熱系數(shù)分布以及不同因素對(duì)該系數(shù)的影響程度。衛(wèi)小強(qiáng)等[12]針對(duì)摩擦副的熱屈曲變形問(wèn)題,在考慮實(shí)際工作溫度的基礎(chǔ)上,研究了不同約束條件下的溫度場(chǎng)分布,為延長(zhǎng)摩擦副的壽命提供了參考。在國(guó)外學(xué)者中,Kim等[13]仿真分析了3種油槽形式的摩擦副冷卻油路,研究了不同油槽形式下冷卻油的流場(chǎng)特性和溫度場(chǎng)特性,并進(jìn)行優(yōu)化。Terzi等[14]利用仿真優(yōu)化冷卻油的分布,降低摩擦片溫度并通過(guò)對(duì)比與試驗(yàn)驗(yàn)證。Novi等[15]和Mahmud等[16]研究了輸入轉(zhuǎn)速、冷卻油初始溫度、流量等對(duì)摩擦副間隙油膜溫度的影響規(guī)律。Pahlovy等[17]提出一種預(yù)測(cè)模型對(duì)冷卻油溫度隨不同轉(zhuǎn)速差、分離間隙以及摩擦片大小變化規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)。Abdullah等[18-19]通過(guò)二維模型仿真分析出摩擦片失效的主要原因是局部燒蝕,并得出結(jié)論減小燒蝕情況即使得壓力更加均勻分布可以將摩擦片厚度增加。

綜上,中外學(xué)者對(duì)于濕式離合器溫度場(chǎng)一般采用計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)仿真來(lái)研究分析,且受限于CFD仿真的特點(diǎn),只研究一次接合時(shí)的溫度分布情況。現(xiàn)建立具有連續(xù)的熱質(zhì)量元件的濕式離合器系統(tǒng)模型以研究連續(xù)換擋即多次接合時(shí)溫度分布,且額外用兩個(gè)熱質(zhì)量元件考慮鋼片和摩擦片與離合器轂之間的熱傳遞。

1 熱傳遞形式

濕式離合器在接合過(guò)程或分離不徹底情況下會(huì)因?yàn)榛Ξa(chǎn)生大量熱量,與干式離合器不同,濕式離合器處于一個(gè)封閉環(huán)境中,摩擦片與鋼片間一直存在油液,滑摩產(chǎn)生的熱量不僅可能會(huì)導(dǎo)致摩擦副的熱失效,還會(huì)使冷卻油液溫度上升黏度降低等問(wèn)題[6]。因此分析工作過(guò)程中摩擦副溫度的變化非常重要。

摩擦副滑摩會(huì)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,使摩擦副溫度升高。根據(jù)熱力學(xué)第二定律:熱在自然情況下只能從熱處傳遞到冷處。在離合器中,熱就會(huì)由高溫的摩擦副傳遞到相對(duì)低溫的油液、離合器轂或互相接觸但溫度相對(duì)低的摩擦片、鋼片等。由溫差引起的熱傳遞現(xiàn)象傳遞方式主要有:熱輻射、熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)[20]。

熱輻射是非接觸的傳熱過(guò)程,其熱量傳遞是依靠電磁波輻射實(shí)現(xiàn)。因?yàn)槭峭ㄟ^(guò)電磁波傳遞能量,所以在真空下也可以傳熱,且任何物體溫度大于0 K(絕對(duì)零度)都有熱輻射,其熱輻射能力與溫度相關(guān)。由斯特藩-玻爾茲曼定律得

(1)

式(1)中:j*為輻射度;σ為斯特藩常量,約等于5.67×10-8W/(m2·K4);ε為輻射系數(shù);TK為絕對(duì)溫度。

熱對(duì)流也可以叫作對(duì)流傳熱,在工程領(lǐng)域比較常見(jiàn)的是固體表面與流動(dòng)的流體之間的熱傳遞,其熱量傳遞是憑借流體流動(dòng)中質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。一般用牛頓冷卻定律表示,即

qw=hΔT

(2)

(3)

ΔT=Tw-Tf

(4)

式中:qw為熱流密度;h為對(duì)流傳熱系數(shù);ΔT為溫差;Φ為傳熱速率;A為傳熱面積;Rα為對(duì)流傳熱熱阻;Tw為與流體接觸的固體表面溫度;Tf為流體溫度。

熱傳導(dǎo)是當(dāng)物體沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)物體之間的傳熱,實(shí)質(zhì)上是因?yàn)榉肿釉谶M(jìn)行熱運(yùn)動(dòng)時(shí),分子與分子之間相互碰撞,使能量從熱處到低處,溫差是必要條件。熱傳導(dǎo)是固體傳熱的主要形式。熱傳導(dǎo)的數(shù)學(xué)表達(dá)可用傅里葉定律描述,即

(5)

(6)

式中:λ為熱導(dǎo)率;T為溫度;n為導(dǎo)熱面上的坐標(biāo)。

摩擦副滑摩時(shí)的由機(jī)械能轉(zhuǎn)化成的內(nèi)能主要由摩擦片、鋼片和油液吸收,但因?yàn)橛鸵簜鳠徇€有熱對(duì)流的方式、摩擦片與鋼片材料差異,所以吸收的熱量也不同即熱流分配不同[21]。摩擦片與鋼片熱流分配系數(shù)為

(7)

式(7)中:Kq為熱流分配系數(shù);λm為摩擦片熱導(dǎo)率;ρm為摩擦片密度;cm為摩擦片比熱容;λg為鋼片熱導(dǎo)率;ρg為鋼片密度;cg為鋼片比熱容。

摩擦片與鋼片熱流密度分別為

(8)

(9)

式中:qm為摩擦片熱流密度;ξ為滑磨功產(chǎn)生的熱量由摩擦片和鋼片吸收的百分比;qg為鋼片熱流密度。

2 仿真模型建立

鋼片和摩擦片位于離合器組件中,多片數(shù)意味著多個(gè)滑動(dòng)界面,因此可以實(shí)現(xiàn)較大的扭矩傳遞。離合器通過(guò)活塞缸施加法向力來(lái)接合,當(dāng)摩擦片和鋼片壓在一起時(shí),離合器將扭矩從輸入軸傳遞到輸出軸。離合器布置如圖1所示,包括3個(gè)鋼片和2個(gè)摩擦片。

2.1 花鍵力

花鍵由兩組齒組成:摩擦片上的一組內(nèi)齒和離合器內(nèi)轂上的外齒?；ㄦI的作用是允許摩擦片沿軸向前后滑動(dòng),但迫使摩擦片和離合器內(nèi)轂一起旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)離合器鋼片和摩擦片在接合過(guò)程中沿花鍵滑動(dòng)時(shí),會(huì)產(chǎn)生摩擦。花鍵中摩擦的作用是導(dǎo)致作用在每個(gè)摩擦表面上的軸向力發(fā)生變化,并降低離合器每個(gè)摩擦片傳遞的扭矩值。在AMESim軟件中搭建花鍵摩擦模型,如圖2所示。

圖2 花鍵摩擦模型

2.2 仿真模型與傳熱計(jì)算

定義摩擦副編號(hào)從左開(kāi)始依次為鋼片1、摩擦片1、鋼片2、摩擦片2、鋼片3,并假設(shè)鋼片3不會(huì)產(chǎn)生軸向位移。仿真模型如圖3所示。在仿真中,定義了兩種不同的固體特性數(shù)據(jù):一種用于摩擦片,另一種用于鋼片。油液型號(hào)是15W40。用7個(gè)熱質(zhì)量元件分別表示鋼片、摩擦片、離合器內(nèi)轂、離合器外轂的傳熱。

Temperature-Heat-flow-Computation是一個(gè)超級(jí)元件,如圖4所示。定義了熱流的分布與溫度的平均值。熱流分布是表面的函數(shù)。由于摩擦片和鋼片的接觸面相等,因此這種分布是均勻的。溫度的平均值作為每個(gè)摩擦片或鋼片的質(zhì)量的函數(shù)來(lái)計(jì)算。

圖4 Temperature-heat flow-computation超級(jí)元件

設(shè)置油液溫度333.15 K,流量2 L/min,初始轉(zhuǎn)速954 r/min,發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩與活塞力輸入如圖5所示。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和活塞軸向力

3 仿真結(jié)果分析

主從動(dòng)軸轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果即換擋過(guò)程如圖6所示,當(dāng)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速與從動(dòng)軸一致時(shí),表示離合器完全接合,摩擦副沒(méi)有轉(zhuǎn)速差不發(fā)生滑摩。當(dāng)主動(dòng)軸與從動(dòng)軸轉(zhuǎn)速差減小時(shí)表示離合器處于接合過(guò)程,摩擦副間隙逐漸減小,反之則表示離合器處于分離過(guò)程,摩擦副間隙逐漸增大。

圖6 主從動(dòng)軸轉(zhuǎn)速

如圖7所示摩擦副第一次接合時(shí)鋼片與摩擦片的軸向位移,可以看出鋼片1最先開(kāi)始運(yùn)動(dòng),且總位移最大。每個(gè)摩擦片與鋼片的位移差值均為摩擦副間隙,符合離合器的工作過(guò)程。

圖7 鋼片與摩擦片軸向位移

3.1 溫度仿真結(jié)果分析

如圖8所示摩擦片和鋼片平均溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn),根據(jù)仿真結(jié)果可以看出在接合過(guò)程開(kāi)始時(shí),只要存在差速,溫度就會(huì)急劇升高。當(dāng)摩擦片和鋼片速度達(dá)到一致時(shí),熱輸入結(jié)束,溫度下降,最初有陡峭的梯度。其中通過(guò)油液的散熱是一個(gè)潛在的影響。之后,只要離合器保持接合,散熱就保持不變。分離后,由于摩擦片和鋼片的分離,相應(yīng)的油液體積增加,散熱顯著增加。最高溫度出現(xiàn)在鋼片2,摩擦片1次之,因此對(duì)鋼片2進(jìn)行不同工況下的溫度仿真分析。

圖8 換擋過(guò)程中摩擦片與鋼片溫度

拖拉機(jī)在田間作業(yè)時(shí),如播種、施肥、收割等,為保證作業(yè)質(zhì)量其作業(yè)速度需要在適宜范圍,一般最低速不低于5 km/h,最高速度不高于9 km/h[22]。為獲得更好的燃油經(jīng)濟(jì)性,拖拉機(jī)在低檔位區(qū)間換擋速度間隔一般為0.3～1 km/h,對(duì)于傳統(tǒng)拖拉機(jī)來(lái)說(shuō)檔位使用時(shí)間比較短暫,需要經(jīng)常換擋,換擋時(shí)間一般為1～2 s[23]。因此,針對(duì)不同的檔位使用時(shí)間設(shè)置為1、2、3、4、5 s,檔位使用時(shí)間越短代表?yè)Q擋越頻繁。

如圖9所示,為不同檔位使用時(shí)間連續(xù)換擋時(shí)的溫升曲線(xiàn),可以看出,第1次接合時(shí),因?yàn)楦黜?xiàng)參數(shù)都一致所以溫升也相同。從第2次接合開(kāi)始,溫度開(kāi)始出現(xiàn)差距。換擋越頻繁,其溫升起始溫度也較高,在第2次接合時(shí),檔位使用時(shí)間從1～5 s,其溫升起始溫度分別為67.14、67.58、68.14、68.83、69.59 ℃。通過(guò)曲線(xiàn)可以看出溫度下降趨勢(shì)是一致的,但因?yàn)閾Q擋頻率不同,換擋頻率快的還未完全散熱即要進(jìn)行下一次接合,所以溫升起始溫度就比較高。而第2次接合時(shí)起始溫度差距不大的原因是因?yàn)殡x合器只經(jīng)歷過(guò)一次接合,相比于多次接合后的溫度還比較低,到第3次接合時(shí)溫升起始溫度差距就比較明顯,檔位使用時(shí)間從1～5 s,其溫升起始溫度分別為75.65、77.77、80.34、83.35、86.97 ℃。每次接合時(shí)的最高溫度也和其起始溫度相關(guān),并且可以看出,溫升幅度越來(lái)越小。

文獻(xiàn)[5,24]分析了濕式離合器連續(xù)換擋的溫升特性:第2次接合時(shí)溫升幅度最大且通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比了連續(xù)4次和連續(xù)5次換擋時(shí)的溫升特性,得到了與本文上述仿真結(jié)果相類(lèi)似的結(jié)論,因此認(rèn)為本文所搭建模型有效,可用于后續(xù)研究。

為了更直觀地看出其溫升特性,將每次接合時(shí)的最高溫度以及對(duì)應(yīng)的溫升起始溫度進(jìn)行非線(xiàn)性擬合。

采用單指數(shù)模型中的一階衰減指數(shù)函數(shù)進(jìn)行非線(xiàn)性擬合,選取連續(xù)9次接合時(shí)的溫度進(jìn)行擬合,圖10所示為不同換擋頻率下多次接合時(shí)溫度最大值擬合曲線(xiàn),其中調(diào)整后R2均為0.99以上,擬合效果較好。圖10中的點(diǎn)代表仿真結(jié)果,曲線(xiàn)代表根據(jù)仿真結(jié)果的點(diǎn)采用單指數(shù)模型擬合后的趨勢(shì)。由仿真結(jié)果可知,不同換擋頻率連續(xù)多次換擋后溫度趨于穩(wěn)定,例如檔位使用時(shí)間為1 s時(shí),其溫度最大值在第7次接合后溫升幅度小于1 ℃;而檔位使用時(shí)間為5 s時(shí),其溫度最大值在第6次接合后溫升幅度就已經(jīng)小于0.5 ℃。由擬合曲線(xiàn)也可以看出在多次接合后已經(jīng)趨于水平。針對(duì)不同換擋頻率下的最高溫度,檔位使用時(shí)間從5～1 s,換擋頻率每加快1 s,其最高溫度上升幅度為1.77%、2.21%、2.83%、3.62%。因?yàn)殡S著換擋頻率的加快,離合器產(chǎn)熱速度加快,而散熱速度和傳熱量有限,所以溫度上升幅度越來(lái)越大。但換擋頻率不可能無(wú)限制加快,所以不用擔(dān)心換擋極快時(shí)溫度持續(xù)上升。

圖10 多次接合溫度最大值擬合曲線(xiàn)

如圖11所示,針對(duì)每次接合時(shí)的起始溫度采用同樣的方法擬合,調(diào)整后R2為0.96以上,擬合曲線(xiàn)可以接受。其趨勢(shì)與不同換擋頻率下多次接合時(shí)溫度最大值擬合曲線(xiàn)趨勢(shì)一致。針對(duì)不同換擋頻率下每次接合時(shí)的起始溫度,檔位使用時(shí)間從5 s到1 s,換擋頻率每加快1 s,其接合時(shí)起始溫度上升幅度為4.04%、5.04%、6.14%、7.99%?？梢钥闯?起始溫度溫升幅度比最高溫度溫升幅度大,是因?yàn)殡S著換擋頻率的加快,散熱時(shí)間縮短,所以每次接合時(shí)起始溫度就越來(lái)越高。而隨著最高溫度的不再上升,所以在多次接合后,接合起始溫度也趨于穩(wěn)定。

圖11 多次接合時(shí)起始溫度擬合曲線(xiàn)

3.2 傳熱仿真結(jié)果分析

由前文分析知,在連續(xù)換擋過(guò)程中,摩擦片1和鋼片2溫度較高,因此針對(duì)二者的傳熱情況進(jìn)行仿真分析。

圖12所示為摩擦片1和鋼片2滑摩生熱情況曲線(xiàn),可以看出在短時(shí)間內(nèi),產(chǎn)生熱量較大,可達(dá)6 000 W以上。且多次接合后產(chǎn)熱量趨于穩(wěn)定,與溫度變化一致。

圖12 摩擦副滑摩生熱情況

圖13和圖14所示為摩擦片1、鋼片2與摩擦片、油液、離合器外轂的傳熱情況。對(duì)于鋼片2來(lái)說(shuō),其熱量主要來(lái)自滑摩時(shí)的摩擦生熱以及摩擦片1對(duì)其傳熱,所以鋼片2溫度較高。在滑摩時(shí)摩擦片1向鋼片2傳熱,其他時(shí)候是鋼片1向摩擦片1傳熱。其中摩擦片2瞬時(shí)吸熱量接近900 W,油液瞬時(shí)吸熱量不到800 W,摩擦片2最大瞬時(shí)吸熱量為油液的113.11%。所以鋼片2的熱量更多是由摩擦片2吸收,因?yàn)殇撈?和摩擦片1接合時(shí)溫度較高,隨后再與溫度較低的摩擦片2接合,此時(shí),一方面是鋼片2與摩擦片2的滑磨生熱,另一方面則是鋼片2的高溫向低溫的摩擦片2進(jìn)行熱傳遞。這也是摩擦片2吸熱較油液滯后的原因。而對(duì)于多次接合后,摩擦片2的溫度也隨之升高,因此,鋼片2向摩擦片2的熱傳遞也逐漸減小,摩擦片2對(duì)鋼片2的傳熱量在-900～350 W變化。與摩擦片一樣,鋼片與離合器外轂之間的傳熱量也比較小,最大值為39.05 W,只有油液傳熱量的4.95%。

圖13 摩擦片1傳熱情況

圖14 鋼片2傳熱情況

4 結(jié)論

采用AMESim軟件建立了拖拉機(jī)用濕式離合器系統(tǒng)模型,在考慮離合器轂的傳熱基礎(chǔ)上,仿真分析了濕式離合器連續(xù)換擋時(shí)摩擦片和鋼片熱傳遞情況以及在不同換擋頻率下的溫升特性,得到如下結(jié)論。

(1)連續(xù)換擋溫升特性可用單指數(shù)模型擬合,在連續(xù)7次換擋后溫升幅度小于1 ℃。隨著換擋頻率加快,連續(xù)換擋后最高溫度上升幅度逐漸增大。

(2)摩擦片瞬時(shí)傳熱量從大到小依次為油液、鋼片、離合器內(nèi)轂。鋼片瞬時(shí)傳熱量從大到小依次為摩擦片、油液、離合器外轂。其中摩擦片通過(guò)油液瞬時(shí)散熱量大于其他瞬時(shí)散熱量的總和。單個(gè)摩擦片或鋼片與離合器轂的瞬時(shí)傳熱量小于40 W。低于油液瞬時(shí)傳熱量的5%。

(3)研究結(jié)果對(duì)拖拉機(jī)濕式離合器換擋時(shí)間控制以及摩擦副熱負(fù)荷設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。