高線速狀態(tài)濕式離合器帶排轉(zhuǎn)矩特性研究

李 杰 馬 超 王曉燕

1.北京建筑大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院,北京,102616 2.北京物資學(xué)院信息學(xué)院,北京,101149

0 引言

濕式離合器廣泛應(yīng)用于大型機(jī)械[1]。濕式離合器在分離階段,摩擦片與對(duì)偶鋼片的間隙中存在冷卻潤(rùn)滑油,摩擦片空轉(zhuǎn)狀態(tài)下,由于潤(rùn)滑油的黏性,使摩擦片與潤(rùn)滑油發(fā)生黏性剪切,產(chǎn)生帶排轉(zhuǎn)矩[2],造成功率的損失。

在帶排轉(zhuǎn)矩的研究方面,LLOYD等[3]率先搭建了試驗(yàn)臺(tái)對(duì)濕式離合器進(jìn)行試驗(yàn)分析,通過試驗(yàn)測(cè)得帶排轉(zhuǎn)矩,他們認(rèn)為速度是影響帶排轉(zhuǎn)矩的最重要參數(shù),增加油量會(huì)增加帶排轉(zhuǎn)矩,不同溝槽的摩擦片對(duì)功率造成的損失不同,摩擦材料影響不大,但研究存在局限性,結(jié)論不太準(zhǔn)確。HASHIMOTO等[4]根據(jù)流體力學(xué)理論推導(dǎo)出止推軸承紊流方程,為濕式離合器帶排轉(zhuǎn)矩研究提供了借鑒,但不完全適用。KITABAYASHI等[5]進(jìn)行了帶排轉(zhuǎn)矩試驗(yàn),認(rèn)為離合器槽對(duì)帶排轉(zhuǎn)矩的影響較小,流量對(duì)帶排轉(zhuǎn)矩的影響很大,帶排轉(zhuǎn)矩隨著速度的增大而增大,在達(dá)到峰值后會(huì)降低,但沒有分析空氣的進(jìn)入和高速工況。IQBAL等[6-7]根據(jù)連續(xù)性方程和Navier-Stokes方程,提出考慮層流的模型來計(jì)算帶排轉(zhuǎn)矩并使用SAE2號(hào)測(cè)試裝置進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,但模型對(duì)間隙中的多相流的量化可能不準(zhǔn)確。周曉軍等[8]、PAN等[9-10]根據(jù)流體力學(xué)理論建立了考慮溝槽的氣液兩相模型,通過建立VOF仿真驗(yàn)證油膜的收縮變化,并通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,但當(dāng)離合器片間隙不變時(shí)高速帶排轉(zhuǎn)矩也會(huì)增大。NEUPERT等[11-13]設(shè)計(jì)了新的試驗(yàn)臺(tái),得到影響帶排轉(zhuǎn)矩的相關(guān)因素,通過試驗(yàn)布置的高速相機(jī)進(jìn)行記錄,與CFD模型進(jìn)行了對(duì)比,他們還提出了一種測(cè)試濕式離合器片產(chǎn)生的流體軸向力的方法,分析了軸向力與離合器凹槽設(shè)計(jì)參數(shù)的相關(guān)性,但所提方法較理想化,也沒有考慮高速情況下的變化。MORRIS等[14-15]利用相關(guān)邊界條件確定油膜分離產(chǎn)生邊界位置,進(jìn)行試驗(yàn)并分析了結(jié)果,證明轉(zhuǎn)速范圍對(duì)濕式制動(dòng)器的重要性,但濕式制動(dòng)器轉(zhuǎn)速范圍較低,與濕式離合器使用工況差距較大。ROGKAS等[16]設(shè)計(jì)了一種新型凹槽來分析帶排轉(zhuǎn)矩變化,通過CFD仿真分析流場(chǎng),但缺少實(shí)際試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。LEISTER等[17]討論了濕式離合器中帶排轉(zhuǎn)矩求解的必要簡(jiǎn)化,通過參數(shù)量綱一化將問題簡(jiǎn)化為基本自由度,但模型的實(shí)際準(zhǔn)確性還需檢驗(yàn)。HU等[18]、彭增雄等[19]考慮摩擦片角向擺動(dòng)和自振的情況對(duì)濕式離合器高速帶排轉(zhuǎn)矩的影響,但摩擦片的角向擺動(dòng)現(xiàn)象還沒有被完全發(fā)現(xiàn)。成宵等[20]通過仿真分析了入口流量、溝槽槽角對(duì)帶排轉(zhuǎn)矩的影響,但仿真轉(zhuǎn)速?zèng)]有包含離合器全部工況。鄭良杰等[21]通過控制油壓分析濕式離合器分離的變化,但側(cè)重點(diǎn)在濕式離合器的分離過程,沒有考慮帶排轉(zhuǎn)矩。

由上可知,研究發(fā)現(xiàn)在高線速狀態(tài)下潤(rùn)滑油膜不能完全覆蓋整個(gè)帶排間隙,油膜會(huì)收縮減小,摩擦片對(duì)潤(rùn)滑油油膜黏性剪切降低,帶排轉(zhuǎn)矩減小,但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)帶排轉(zhuǎn)矩在高線速工況下會(huì)有回升的現(xiàn)象發(fā)生,在試驗(yàn)測(cè)試過程中精確控制帶排間隙后發(fā)現(xiàn)帶排轉(zhuǎn)矩在高線速下仍呈現(xiàn)增大的情況。本文針對(duì)高線速狀態(tài)下帶排轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生回升的變化特性,基于流體動(dòng)力學(xué)模型對(duì)間隙油膜進(jìn)行分析,考慮表面張力對(duì)油膜的影響和油-氣兩相流的變化,使帶排轉(zhuǎn)矩預(yù)測(cè)模型在高線速狀態(tài)下也能被準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。通過高速帶排試驗(yàn)系統(tǒng)分析帶排間隙,潤(rùn)滑油溫度、流量,轉(zhuǎn)速,摩擦片尺寸等參數(shù)對(duì)帶排轉(zhuǎn)矩的影響規(guī)律。

1 模型的建立

濕式離合器結(jié)構(gòu)如圖1所示,它主要由摩擦片、對(duì)偶鋼片、壓盤、離合器內(nèi)轂、外轂、回位彈簧、潤(rùn)滑油油道、液壓油油道、輸入、輸出軸等組成。液壓系統(tǒng)控制液壓油壓使壓盤迅速壓緊摩擦片與對(duì)偶鋼片,回位彈簧控制壓盤的回位,壓盤與回位彈簧控制摩擦片與鋼片的分離與接合,潤(rùn)滑油能夠帶走摩擦片與鋼片接觸過程中產(chǎn)生的熱量與碎屑。當(dāng)摩擦片與對(duì)偶鋼片處于空載分離時(shí),摩擦片與對(duì)偶鋼片存在相對(duì)轉(zhuǎn)速,潤(rùn)滑油流經(jīng)帶排間隙,潤(rùn)滑油具有黏性,摩擦片的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)潤(rùn)滑油造成黏性剪切,產(chǎn)生帶排轉(zhuǎn)矩。

圖1 濕式離合器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure diagram of wet clutch

1.1 帶排間隙流體模型

濕式離合器為多片式摩擦副結(jié)構(gòu),在空載分離階段,摩擦副間工作狀態(tài)相同,在分析中簡(jiǎn)化為一對(duì)摩擦副。如圖2所示,摩擦片與對(duì)偶鋼片在分離帶排過程中,間隙保持不變,離合器間隙遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于摩擦片的徑向尺寸,忽略潤(rùn)滑油軸向速度與重力的影響。潤(rùn)滑油為牛頓流體不可壓縮,雷諾數(shù)小于1400時(shí)潤(rùn)滑油為層流,忽略摩擦片與鋼片表面粗糙度對(duì)流動(dòng)的影響,建立流體Navier-Stokes方程：

圖2 濕式離合器簡(jiǎn)化模型Fig.2 Simplified model of wet clutch

(1)

式中,r、θ、z分別為徑坐標(biāo)、角坐標(biāo)、軸坐標(biāo);vr、vθ、vz分別為r、θ、z方向速度分量,m/s;ρ為潤(rùn)滑油密度,kg/m3;p為油膜壓力,Pa;τ為剪切應(yīng)力,Pa。

根據(jù)帶排間隙流場(chǎng)邊界條件：

(2)

對(duì)式(1)進(jìn)行軸向積分,應(yīng)用流場(chǎng)邊界條件[22]：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中,h為帶排間隙;ω為角速度;T為轉(zhuǎn)矩;Reh為離合器間隙潤(rùn)滑油流動(dòng)雷諾數(shù);μ為潤(rùn)滑油黏度,Pa·s;Gr、Gθ分別為潤(rùn)滑油沿徑向與軸向的紊流系數(shù);vrm、vθm分別為潤(rùn)滑油徑向與軸向平均速度分量,m/s。

潤(rùn)滑油徑向平均速度

vθm=rω/2

(8)

潤(rùn)滑油軸向平均速度

(9)

根據(jù)式(9)變形,可得壓力的變化：

(10)

流經(jīng)帶排間隙的潤(rùn)滑油流量

(11)

式中,rm為油膜平均半徑。

1.2 油膜表面張力模型

潤(rùn)滑油在帶排間隙中流動(dòng),油膜的形狀取決于流體所受到的離心力、黏性力和油膜表面張力。潤(rùn)滑油流過帶排間隙,與摩擦片、對(duì)偶鋼片表面接觸帶走熱量以及摩擦產(chǎn)生的碎屑。低速情況下,潤(rùn)滑油的黏性力和油膜表面張力與離心力保持平衡,油液充滿整個(gè)間隙,油液體積分?jǐn)?shù)不變。隨著轉(zhuǎn)速的增加,摩擦片線速度增大,油膜離心力的作用大于潤(rùn)滑油黏性和表面張力,油膜產(chǎn)生收縮,空氣從摩擦片外徑處進(jìn)入,帶排間隙中潤(rùn)滑油流場(chǎng)由單相流變?yōu)橛?氣兩相流。隨著轉(zhuǎn)速的增加,油膜減小,油相減小,油氣兩相流增大。假設(shè)間隙流場(chǎng)中存在一個(gè)半徑ro,使實(shí)際流場(chǎng)中油膜的面積與半徑ro內(nèi)的油膜面積相等,ro與r2之間為油液與空氣兩相流混合,如圖3所示。

式(11)中,流量是在油膜平均半徑處計(jì)算求得的,平均半徑在內(nèi)外徑之間。將式(11)代入式(10),在內(nèi)徑r1與半徑r之間積分可得摩擦片間隙流場(chǎng)不同徑向位置的壓差：

(12)

間隙流場(chǎng)油膜內(nèi)表面ro-與摩擦片內(nèi)徑r1的壓力差為

(13)

在流體與空氣接觸的界面之間存在油膜表面張力,油膜曲面存在壓力突變,因?yàn)殡x心力而甩出的油膜的流體與空氣形成兩相流,不考慮表面張力。在假設(shè)的等效油膜半徑處存在油膜曲面,如圖4所示。

對(duì)帶排間隙內(nèi)油膜曲面進(jìn)行放大,分析表面結(jié)構(gòu)與受力,在潤(rùn)滑油邊界表面取單位長(zhǎng)度ΔL,將對(duì)應(yīng)的表面張力ΔFσ進(jìn)行分解。

平行、垂直于摩擦片方向的分力分別為

ΔFσ∥=ΔFσsinθ

(14)

ΔFσ⊥=ΔFσcosθ

(15)

沿L進(jìn)行積分,其中,沿軸向的分力抵消,作用在潤(rùn)滑油表面張力為

(16)

因?yàn)?/p>

Fσ=σL

(17)

故將式(17)代入式(16)且L=πh,假定油膜收縮系數(shù)為0.9,有

Fσ⊥=0.9πhσcosθ

(18)

油膜的曲面面積

(19)

在油膜表面存在壓力突變,油膜內(nèi)表面與外表面壓差即為表面張力與表面的比值：

(20)

將式(20)與式(13)相減,可以求得帶排間隙內(nèi)徑處于油膜外表面之間壓差：

(21)

在濕式離合器中,潤(rùn)滑油進(jìn)口處壓力與出口處壓力大致相等,即p(ro+)-p(r1)=0,并且在實(shí)際條件下入口流量已知,因此可以求出油膜等效半徑ro。

摩擦片表面溝槽也會(huì)影響帶排轉(zhuǎn)矩,對(duì)摩擦片間隙進(jìn)行修正：

hs=h+ζdgpg

(22)

式中,dg為溝槽深度;pg為溝槽面積與摩擦片面積的比值;ζ為修正系數(shù)。

1.3 帶排轉(zhuǎn)矩高線速模型

在低速區(qū)間,油膜完整覆蓋整個(gè)帶排間隙,等效半徑ro=r2,等于外徑,當(dāng)油膜收縮時(shí),等效半徑小于外徑但大于或等于內(nèi)徑。即

(23)

潤(rùn)滑油膜產(chǎn)生的帶排轉(zhuǎn)矩為

(24)

在油膜破裂區(qū),除潤(rùn)滑油還有油氣混合油霧[19],油霧產(chǎn)生的帶排轉(zhuǎn)矩Tm為

(25)

m副摩擦片的總帶排轉(zhuǎn)矩為

Tdrag=m(Tm+Tv)

(26)

濕式離合器在實(shí)際使用過程中比較關(guān)注摩擦片最大線速度,在試驗(yàn)研究中主要以轉(zhuǎn)速為研究重點(diǎn),二者關(guān)系為：

vx=rsnπ/30

(27)

式中,vx為半徑rs處線速度,m/s;n為摩擦片轉(zhuǎn)速,r/min。

潤(rùn)滑油的黏性會(huì)影響帶排轉(zhuǎn)矩的結(jié)果,在摩擦片間隙中,摩擦片對(duì)油液的黏性剪切作用產(chǎn)生熱量,導(dǎo)致潤(rùn)滑油溫度升高,黏性下降,熱量的產(chǎn)生也會(huì)造成帶排功率的損失,因此需建立溫度與摩擦片黏性的關(guān)系：

(28)

μx=0.18 MPa·s

根據(jù)上式可得到試驗(yàn)潤(rùn)滑油在不同溫度下黏度變化曲線,如圖5所示。可以看出：隨著溫度的升高,潤(rùn)滑油的黏性減小,在30 ℃前,黏度隨溫度的升高下降明顯;在30 ℃后,黏度隨溫度的升高下降逐漸變緩,但此時(shí)黏度較低。

圖5 潤(rùn)滑油黏溫特性曲線Fig.5 Viscosity temperature characteristic curve of lubricating oil

1.4 VOF (volume of fluid)流體仿真

對(duì)理論油膜和油-氣兩相流的變化規(guī)律進(jìn)行驗(yàn)證,使用流體仿真軟件FLUENT,基于VOF模型建立摩擦片1/30模型,應(yīng)用周期邊界對(duì)油膜流體進(jìn)行仿真。由圖6a可以看出在300 r/min轉(zhuǎn)速時(shí),油膜有部分收縮,空氣從外徑處進(jìn)入,形成油-氣兩相流,油膜占帶排間隙體積90%。由圖6b可以明顯看出油膜在帶排間隙已經(jīng)很小,油-氣兩相流占帶排間隙體積70%。由圖6、圖7可以看出：隨著轉(zhuǎn)速的增加,油膜會(huì)減小,空氣從外徑進(jìn)入帶排間隙,轉(zhuǎn)速越大,油膜越小,帶排間隙空氣體積分?jǐn)?shù)越大,油液體積分?jǐn)?shù)α越小,試驗(yàn)過程中觀察到摩擦片外轂處有氣泡產(chǎn)生。

(a)300 r/min時(shí)流體狀態(tài)

圖7 油液體積分?jǐn)?shù)Fig.7 Oil fraction

由流體仿真數(shù)據(jù)與數(shù)學(xué)模型結(jié)果對(duì)比(圖7)可以發(fā)現(xiàn)：油液體積分?jǐn)?shù)隨著轉(zhuǎn)速的增加在開始低速時(shí)沒有改變,間隙為單向流,隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增加,VOF仿真在200 r/min左右油液體積分?jǐn)?shù)開始減小,間隙油膜破裂收縮,空氣進(jìn)入,而數(shù)學(xué)模型此時(shí)油液體積分?jǐn)?shù)仍然不變,在400 r/min左右模型油液體積分?jǐn)?shù)開始減小。在500 r/min后隨著轉(zhuǎn)速增大,油液體積分?jǐn)?shù)減小,模型與仿真的變化一致。轉(zhuǎn)速越大,油液體積分?jǐn)?shù)越小。轉(zhuǎn)速越大,油液體積分?jǐn)?shù)越小,模型與流體仿真的帶排間隙潤(rùn)滑油量隨著轉(zhuǎn)速的變化一致,證明流體的模型變化準(zhǔn)確。

2 仿真分析

根據(jù)推導(dǎo)模型,對(duì)濕式離合器空載過程中帶排轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生與變化機(jī)理進(jìn)行研究,分析潤(rùn)滑油溫度、流量、帶排間隙、摩擦片尺寸對(duì)帶排轉(zhuǎn)矩的影響。具體參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)與仿真參數(shù)

濕式離合器帶排轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖8所示?？梢钥吹?帶排扭矩隨轉(zhuǎn)速的變化可以分為三個(gè)區(qū)間,在低轉(zhuǎn)速區(qū)間,帶排轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的增加而增大,帶排間隙滿油膜狀態(tài),達(dá)到第一臨界轉(zhuǎn)速時(shí),帶排轉(zhuǎn)矩到達(dá)最大值。這是由于在低轉(zhuǎn)速區(qū)間,潤(rùn)滑油充滿摩擦片與對(duì)偶片的整個(gè)間隙[23],帶排轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速類似成線性關(guān)系。在中轉(zhuǎn)速區(qū)間,隨著轉(zhuǎn)速的增加,離心力增大,油膜的黏性力與表面張力無法抵抗離心力,油膜收縮,等效半徑減小,帶排轉(zhuǎn)矩減小。在高轉(zhuǎn)速區(qū)間,油膜減小,等效半徑減小,隨著轉(zhuǎn)速的增加,油氣兩相流的增加使帶排間隙的油霧增加,油霧的黏性產(chǎn)生帶排轉(zhuǎn)矩,影響高速帶排轉(zhuǎn)矩。并且高速階段摩擦片會(huì)有概率產(chǎn)生負(fù)氣壓碰撞,使高速階段帶排轉(zhuǎn)矩增大。本研究以摩擦片最高轉(zhuǎn)速5000 r/min下線速度分別為87.44 m/s、97.38 m/s、104.19 m/s為摩擦片高線速工作狀態(tài)。

圖8 帶排轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化規(guī)律Fig.8 Variation law of drag torque with rotational speed

2.1 油溫與溝槽的影響分析

有無徑向槽條件下濕式離合器帶排轉(zhuǎn)矩變化曲線如圖9所示,可以看出,在低速區(qū)間帶排轉(zhuǎn)矩變化相同,兩曲線基本重合,徑向槽使第一臨界轉(zhuǎn)速減小,帶排轉(zhuǎn)矩最大值減小,中高速區(qū)間溝槽對(duì)帶排轉(zhuǎn)矩的影響基本不變。摩擦片表面溝槽的存在使?jié)櫥屯ㄟ^帶排間隙的能力增強(qiáng),使間隙潤(rùn)滑油膜保持能力降低,在相同轉(zhuǎn)速下,油膜減小,使帶排轉(zhuǎn)矩降低。圖10所示為不同潤(rùn)滑油溫度對(duì)帶排轉(zhuǎn)矩的影響,可以發(fā)現(xiàn),潤(rùn)滑油溫度的升高在一開始就會(huì)對(duì)帶排轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生影響,在低速區(qū)間兩種條件下帶排轉(zhuǎn)矩差別不大,潤(rùn)滑油溫度對(duì)帶排轉(zhuǎn)矩最大值的影響較明顯,且在第一臨界轉(zhuǎn)速后,隨著轉(zhuǎn)速的增大,對(duì)帶排轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩的影響愈加明顯,見表2。隨著溫度升高,潤(rùn)滑油黏度降低,會(huì)使帶排轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩減小,且黏度降低會(huì)使油膜表面張力減小,黏性系數(shù)減小,油膜受轉(zhuǎn)速敏感性增加。

表2 不同潤(rùn)滑油溫度下仿真對(duì)比

圖9 仿真溝槽對(duì)帶排轉(zhuǎn)矩的影響Fig.9 Effect of simulated groove on drag torque

圖10 仿真不同油溫下的帶排轉(zhuǎn)矩Fig.10 Simulation of drag torque at different oil temperatures

2.2 流量與間隙的影響分析

圖11所示為不同流量下濕式離合器空載時(shí)帶排轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的變化曲線,在低速階段流量對(duì)帶排轉(zhuǎn)矩?zé)o影響,但流量會(huì)影響低速區(qū)間的范圍,流量越大,低速區(qū)間越大,完整油膜保持的時(shí)間越長(zhǎng),且隨著流量的增大,第一臨界轉(zhuǎn)速與最大帶排轉(zhuǎn)矩增大。當(dāng)流量為1.8 L/min時(shí),第一臨界轉(zhuǎn)速在200 r/min左右,帶排轉(zhuǎn)矩最大值為11.75 N·m;當(dāng)流量為3,6,9,12 L/min時(shí),第一臨界轉(zhuǎn)速和最大帶排轉(zhuǎn)矩分別為：300 r/min、14.06 N·m,300 r/min、18.59 N·m,400 r/min、23.75 N·m,400 r/min、26.05 N·m。在中轉(zhuǎn)速區(qū)間,油膜破裂縮小,帶排轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的增加而減小,不同流量下變化相同;在高速區(qū)間,隨著流量的增加,帶排轉(zhuǎn)矩上升的趨勢(shì)增大,流量最小時(shí)上升趨勢(shì)最不明顯,流量的增大不僅影響間隙油膜的大小,也會(huì)影響油-氣兩相流的黏度大小,從而影響高速帶排轉(zhuǎn)矩的變化。在2000 r/min之后的高速區(qū)間,流量12 L/min的條件下,2000,3000,4000,5000 r/min對(duì)應(yīng)的帶排轉(zhuǎn)矩分別為4.62,6.73,9.65,13.29 N·m。環(huán)比增長(zhǎng)率分別為45.6%、43.3%、37.7%。而流量分別為9,6,3,1.8 L/min時(shí),相同轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)環(huán)比增長(zhǎng)率分別為：38.7%、39.7%、35.5%,29.4%、25%、31.9%,13%、22.1%、24.4%和4.4%、12%、17.6%?？梢钥闯?隨著流量的增大,高速區(qū)間帶排轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的增長(zhǎng)速度也在變大。流量的增大使高線速狀態(tài)下油-氣兩相流的黏度增大,流量越大,高線速下帶排轉(zhuǎn)矩回升越大。

圖11 仿真不同潤(rùn)滑油流量下的帶排轉(zhuǎn)矩Fig.11 Simulation of different lubricating oil flow with drag torque

圖12所示為不同間隙下帶排轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的變化,可以明顯看出,間隙對(duì)帶排轉(zhuǎn)矩的影響在低速與中速區(qū)間比較明顯,在高速區(qū)間影響較小。在第一臨界轉(zhuǎn)速,帶排轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值,間隙分別為3.0,3.6,4.2,4.8 mm時(shí),帶排轉(zhuǎn)矩分別為26.05,22.89,15.44,11.34 N·m,帶排轉(zhuǎn)矩隨間隙的增大而減小。間隙分別為4.8,4.2,3.6,3.0 mm時(shí),隨著間隙的減小,帶排轉(zhuǎn)矩在中低速區(qū)間平均增長(zhǎng)率為40.9%、36.4%、36.6%,在高速區(qū)間內(nèi)平均增長(zhǎng)率為11.2%、6.8%、11.3%,可以看出間隙對(duì)帶排轉(zhuǎn)矩的影響在中低速約是高速的3.8倍。這是因?yàn)樵谥械退俜秶?間隙的大小對(duì)油膜的狀態(tài)影響較大,間隙的增大使相同轉(zhuǎn)速下相同油膜狀態(tài)需要的潤(rùn)滑油流量增大,但流量不變,會(huì)使油膜較早收縮,油膜的收縮變化發(fā)生在中低速區(qū)間,因此對(duì)中低速區(qū)間帶排轉(zhuǎn)矩的影響較大,在高速階段,油膜已經(jīng)收縮較小,潤(rùn)滑油膜對(duì)間隙變化的敏感度降低,此時(shí)間隙越小,間隙體積越小,油-氣兩相流的黏度增大,高速帶排轉(zhuǎn)矩增大。

圖12 仿真不同間隙下的帶排轉(zhuǎn)矩Fig.12 Simulation of drag torque with different gaps with row

2.3 摩擦片尺寸影響分析

圖13所示為表1參數(shù)條件下三種不同尺寸摩擦片的帶排轉(zhuǎn)矩變化,隨著摩擦片尺寸的增加,帶排轉(zhuǎn)矩增大,但對(duì)轉(zhuǎn)速區(qū)間并沒有影響,低速、中速、高速區(qū)間基本相同,在低速區(qū)間,摩擦片尺寸越大,油膜的面積越大,摩擦片對(duì)油膜剪切作用也越大,導(dǎo)致帶排轉(zhuǎn)矩增大。在第一臨界轉(zhuǎn)速時(shí)摩擦片1、2、3最大帶排轉(zhuǎn)矩分別為26.05 N·m、37.75 N·m、49.88 N·m。在高速階段,隨摩擦片的增大帶排轉(zhuǎn)矩增長(zhǎng)速度變快,在1000 r/min時(shí),摩擦片1、2、3帶排轉(zhuǎn)矩分別為4.18 N·m、5.57 N·m、6.72 N·m,摩擦片1、2與2、3分別相差1.39 N·m和1.15 N·m;在5000 r/min時(shí),摩擦片1、2、3帶排轉(zhuǎn)矩分別為13.29 N·m、20.32 N·m、27.84 N·m,摩擦片1、2與2、3分別相差7.03 N·m和7.52 N·m?？梢钥闯?隨著轉(zhuǎn)速的增大,不同尺寸摩擦片帶排轉(zhuǎn)矩的增長(zhǎng)趨勢(shì)不同。

圖13 仿真不同摩擦片帶排轉(zhuǎn)矩Fig.13 Simulation of drag torque of different friction linings with row

3 試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

濕式離合器帶排特性試驗(yàn)測(cè)試如圖14所示,主要包括：動(dòng)力單元系統(tǒng),試驗(yàn)箱,力-位移雙環(huán)控制伺服加壓系統(tǒng),冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng),數(shù)據(jù)采集和控制單元。其中,主電機(jī)最高轉(zhuǎn)速10 000 r/min,輔電機(jī)最高轉(zhuǎn)速5000 r/min,力-位移雙環(huán)控制的伺服壓力系統(tǒng)精確度可達(dá)±0.03 mm,冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)潤(rùn)滑油的流量與溫度。

(a)離合器試驗(yàn)臺(tái)的3D結(jié)構(gòu)

3.2 試驗(yàn)?zāi)Σ疗?/h3>

本次試驗(yàn)有三種尺寸銅基摩擦片,進(jìn)行三組系列帶排轉(zhuǎn)矩試驗(yàn),摩擦片如圖15所示。

圖15 試驗(yàn)?zāi)Σ疗現(xiàn)ig.15 Test friction disc

3.3 試驗(yàn)流程

測(cè)試時(shí),主電機(jī)驅(qū)動(dòng)摩擦片旋轉(zhuǎn),同時(shí)對(duì)偶鋼片保持靜止?fàn)顟B(tài),具體流程如下：

(1)啟動(dòng)潤(rùn)滑油溫度控制系統(tǒng),使流體溫度保持在正常工作溫度范圍內(nèi)。

(2)伺服線性驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用力-位移閉環(huán)控制,當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到壓力的變化時(shí),將其保存為位移零點(diǎn),并切換到位移閉環(huán)控制,使間隙達(dá)到設(shè)定的要求。

(3)主電機(jī)帶動(dòng)摩擦片旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速范圍在0～5000 r/min。在升速過程中,保持恒速30 s以穩(wěn)定潤(rùn)滑油膜,記錄該轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速值,從而分析轉(zhuǎn)速對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響?？紤]到低速區(qū)的轉(zhuǎn)矩變化比較劇烈,則低速區(qū)的記錄間隔為20 r/min,在高轉(zhuǎn)速區(qū)的記錄間隔為200 r/min。

(4)改變潤(rùn)滑油流量,潤(rùn)滑油溫度,分離間隙等條件,重復(fù)上述過程。

試驗(yàn)過程中轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間的變化如圖16所示,隨著時(shí)間的增加,轉(zhuǎn)速按照預(yù)先設(shè)好的流程進(jìn)行改變,轉(zhuǎn)矩在不同的轉(zhuǎn)速下有不同的變化?？梢钥闯鰩呸D(zhuǎn)矩有兩個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn),對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速分別為第一臨界轉(zhuǎn)速和第二臨界轉(zhuǎn)速,其中,第一臨界速度為帶排轉(zhuǎn)矩到達(dá)最大值時(shí)轉(zhuǎn)速,第二臨界轉(zhuǎn)速為帶排轉(zhuǎn)矩最小值時(shí)轉(zhuǎn)速。

圖16 試驗(yàn)過程中轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間的變化Fig.16 Variation of speed and torque with time during the test

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 轉(zhuǎn)向與油溫對(duì)帶排轉(zhuǎn)矩的影響

根據(jù)濕式離合器帶排測(cè)試系統(tǒng),得到帶排轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的變化曲線。圖17所示為摩擦片不同旋轉(zhuǎn)方向?qū)呸D(zhuǎn)矩的影響變化,當(dāng)濕式離合器處于空載摩擦片空轉(zhuǎn)時(shí),在低轉(zhuǎn)速階段,順時(shí)針與逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向帶排轉(zhuǎn)矩?zé)o較大變化,但對(duì)帶排轉(zhuǎn)矩最大值的影響明顯。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)在第一臨界轉(zhuǎn)速(約400 r/min)處達(dá)到帶排轉(zhuǎn)矩最大值17.7 N·m,而逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向帶排轉(zhuǎn)矩最大值不明顯,沒有出現(xiàn)較大峰值,在轉(zhuǎn)速約500 r/min處,帶排轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值12.6 N·m。在中轉(zhuǎn)速階段帶排轉(zhuǎn)矩變化曲線基本重合,在轉(zhuǎn)速1500 r/min時(shí),逆時(shí)針與順時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向帶排轉(zhuǎn)矩分別為2.89 N·m、2.21 N·m,相差0.68 N·m;在轉(zhuǎn)速5000 r/min時(shí),逆時(shí)針與順時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向帶排轉(zhuǎn)矩分別為4.24 N·m、3.53 N·m,相差0.69 N·m;在高速階段,順時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向帶排轉(zhuǎn)矩一直小于逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向帶排轉(zhuǎn)矩且兩者差值基本不變。由此可以得到以下結(jié)論：順時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向在中低轉(zhuǎn)速第一臨界轉(zhuǎn)速前后帶排轉(zhuǎn)矩較大,高速階段帶排轉(zhuǎn)矩較小,而逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向在中低速帶排轉(zhuǎn)矩較小,但高速階段帶排轉(zhuǎn)矩較大。對(duì)于高線速工況,應(yīng)優(yōu)先考慮逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向。

圖17 不同轉(zhuǎn)向?qū)呸D(zhuǎn)矩的影響試驗(yàn)結(jié)果Fig.17 The results of different steering pairs against drag torque

圖18所示為不同油溫下帶排轉(zhuǎn)矩的變化曲線,與仿真結(jié)果較一致。轉(zhuǎn)速約260 r/min后、潤(rùn)滑油溫度20 ℃時(shí)的帶排轉(zhuǎn)矩一直大于潤(rùn)滑油溫度40 ℃時(shí)的帶排轉(zhuǎn)矩,第一臨界轉(zhuǎn)速分別為360 r/min和260 r/min,對(duì)應(yīng)帶排轉(zhuǎn)矩為27.1 N·m和19.8 N·m,之后兩條帶排轉(zhuǎn)矩曲線差值無太大波動(dòng),在轉(zhuǎn)速3000 r/min后,潤(rùn)滑油溫度20 ℃時(shí)的帶排轉(zhuǎn)矩增長(zhǎng)明顯,潤(rùn)滑油溫度40 ℃時(shí)的帶排轉(zhuǎn)矩基本不變。當(dāng)潤(rùn)滑油溫度升高后黏度下降,在轉(zhuǎn)速260 r/min前對(duì)帶排轉(zhuǎn)矩的影響不明顯,黏度的改變會(huì)使油膜與摩擦片和對(duì)偶鋼片的黏性力與表面張力發(fā)生變化,對(duì)離心力的敏感度增加,使第一臨界轉(zhuǎn)速與最大帶排轉(zhuǎn)矩減小。在高速階段,油-氣混合物的黏度也與潤(rùn)滑油溫度有關(guān),會(huì)對(duì)高線速帶排轉(zhuǎn)矩造成影響。

圖18 不同油溫對(duì)帶排轉(zhuǎn)矩的影響試驗(yàn)結(jié)果Fig.18 The results of different oil temperatures on the drag torque

4.2 試驗(yàn)流量與間隙對(duì)帶排轉(zhuǎn)矩的影響

圖19所示為不同流量下帶排轉(zhuǎn)矩的變化曲線,在320 r/min前,不同流量曲線重合,帶排轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩相同,隨著流量的增加,第一臨界轉(zhuǎn)速和最大帶排轉(zhuǎn)矩分別為：318 r/min、18.57.06 N·m,359 r/min、19.7 N·m,417 r/min、22.26 N·m,492 r/min、24.33 N·m。在轉(zhuǎn)速500～1500 r/min范圍,油膜破裂,帶排轉(zhuǎn)矩減小,在轉(zhuǎn)速1500 r/min后,帶排轉(zhuǎn)矩隨流量的增大而增大且變化曲線較一致。

圖19 不同流量下帶排轉(zhuǎn)矩結(jié)果Fig.19 The results of drag torque under different flow rates

圖20所示為帶排轉(zhuǎn)矩在相同轉(zhuǎn)速下隨流量增大的變化曲線,在100 r/min與200 r/min時(shí),不同流量下帶排轉(zhuǎn)矩不變;在400 r/min與800 r/min時(shí),帶排轉(zhuǎn)矩隨流量的增大而增大,為曲線變化;在1600 r/min 、3200 r/min與5000 r/min時(shí),帶排轉(zhuǎn)矩隨流量增大而增大,且基本呈線性變化。與仿真結(jié)果較一致,可以發(fā)現(xiàn)隨著流量的增加帶排轉(zhuǎn)矩曲線增大：在低速階段帶排轉(zhuǎn)矩曲線重合,潤(rùn)滑油流量對(duì)帶排轉(zhuǎn)矩基本無影響,流量增大,第一臨界轉(zhuǎn)速增大,帶排轉(zhuǎn)矩最大值增大。在中高速階段,帶排轉(zhuǎn)矩變化趨勢(shì)相同,但流量越大,帶排轉(zhuǎn)矩越大。在低速階段,帶排轉(zhuǎn)矩滿油膜狀態(tài),流量對(duì)帶排轉(zhuǎn)矩?zé)o影響,流量越大,油膜覆蓋間隙能力越強(qiáng),油膜收縮轉(zhuǎn)速越大,相同轉(zhuǎn)速等效半徑增大;在高速階段,流量越大,油氣兩相流油霧黏度越大。

圖20 帶排轉(zhuǎn)矩隨流量的變化Fig.20 Variation of drag torque with flow rate

圖21所示為不同帶排間隙下帶排轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)變化曲線,可以發(fā)現(xiàn)：在300 r/min前,不同間隙帶排轉(zhuǎn)矩曲線基本重合,帶排轉(zhuǎn)矩相同,隨著間隙的減小,低轉(zhuǎn)速區(qū)間增大,第一臨界轉(zhuǎn)速和最大帶排轉(zhuǎn)矩增大,分別為：300 r/min、330 r/min、440 r/min、495 r/min和13.55 N·m、17.35 N·m、22.26 N·m、27.72 N·m。中轉(zhuǎn)速階段,油膜破裂帶排轉(zhuǎn)矩減小,其中間隙4.8 mm、4.2 mm、3.6 mm曲線在此階段有明顯波動(dòng),間隙3 mm曲線無波動(dòng)。在轉(zhuǎn)速1500 r/min后,帶排轉(zhuǎn)矩曲線較平穩(wěn),間隙越小,帶排轉(zhuǎn)矩越大,間隙4.8 mm與4.2 mm處帶排轉(zhuǎn)矩曲線較接近且在4000 r/min高轉(zhuǎn)速下接近3.6 mm帶排轉(zhuǎn)矩曲線,與間隙3 mm處帶排轉(zhuǎn)矩曲線有明顯差距。

圖21 不同間隙帶排轉(zhuǎn)矩結(jié)果Fig.21 Drag torque results with different clearances

圖22所示為相同轉(zhuǎn)速下帶排轉(zhuǎn)矩隨間隙的變化,可以看出：在轉(zhuǎn)速100 r/min時(shí),不同間隙下帶排轉(zhuǎn)矩相同;在轉(zhuǎn)速200 r/min時(shí),間隙由3 mm增大到3.6 mm但帶排轉(zhuǎn)矩基本不變,間隙由3.6 mm增大到4.2 mm時(shí)帶排轉(zhuǎn)矩由13.6 N·m變?yōu)?1.4 N·m,間隙由4.2 mm增大到4.8 mm時(shí)帶排轉(zhuǎn)矩略有下降。轉(zhuǎn)速400 r/min、800 r/min、1600 r/min時(shí),帶排轉(zhuǎn)矩隨間隙的增大而減小,兩曲線變化一致;在轉(zhuǎn)速3200 r/min、5000 r/min時(shí),間隙3 mm、3.6 mm處帶排轉(zhuǎn)矩變化不大,隨轉(zhuǎn)速的增加,間隙4.2 mm、4.8 mm處帶排轉(zhuǎn)矩增大,帶排轉(zhuǎn)矩隨間隙的增大而下降。在相同流量下,間隙越小,帶排轉(zhuǎn)矩總體會(huì)增大。在低速階段,不同間隙帶排轉(zhuǎn)矩曲線重合,間隙越小,第一臨界轉(zhuǎn)速越大,帶排轉(zhuǎn)矩最大值越大。在中速階段,間隙對(duì)帶排轉(zhuǎn)矩最大值的影響較大,在高速階段間隙的影響會(huì)下降。相同流量間隙的降低等效于相同間隙流量的增大,但二者的不同在于間隙的影響在中速階段較明顯,而流量的影響在高速階段較明顯,在低速階段至第一臨界轉(zhuǎn)速,二者帶排轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律基本相同。

圖22 試驗(yàn)帶排轉(zhuǎn)矩隨間隙的變化Fig.22 Test drag torque changes with clearance

4.3 不同尺寸摩擦片帶排轉(zhuǎn)矩

圖23所示為表1三種不同尺寸摩擦片試驗(yàn)帶排轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化曲線,摩擦片1、2、3的內(nèi)徑、外徑依次增大。在轉(zhuǎn)速200 r/min前,三種摩擦片帶排轉(zhuǎn)矩曲線差別不大,摩擦片1、3曲線基本重合,摩擦片3尺寸最大,第一臨界轉(zhuǎn)速時(shí)帶排轉(zhuǎn)矩最大,摩擦片2尺寸大于摩擦片1尺寸,但中低速帶排轉(zhuǎn)矩小于摩擦片1帶排轉(zhuǎn)矩,在1500 r/min之后階段,摩擦片1帶排轉(zhuǎn)矩最平穩(wěn),摩擦片3轉(zhuǎn)矩波動(dòng)頻率最高。摩擦片尺寸會(huì)影響濕式離合器大小,不同尺寸濕式離合器在中低速范圍帶排轉(zhuǎn)矩?zé)o規(guī)律差異,在高速階段,隨著摩擦片尺寸的增大,易發(fā)生不穩(wěn)定碰撞而導(dǎo)致帶排轉(zhuǎn)矩變化。

圖23 不同尺寸濕式離合器帶排轉(zhuǎn)矩結(jié)果Fig.23 Drag torque results of wet clutch with different sizes

4.4 模型與試驗(yàn)對(duì)比分析

采用上述仿真與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,對(duì)仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)在低轉(zhuǎn)速階段(0～400 r/min)和中轉(zhuǎn)速階段(400～1200 r/min)、高轉(zhuǎn)速階段(1200～5000 r/min)進(jìn)行分析,得到圖24。仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線一致,在低速范圍,試驗(yàn)與仿真都呈線性快速增長(zhǎng),轉(zhuǎn)速360 r/min為試驗(yàn)第一臨界轉(zhuǎn)速,帶排轉(zhuǎn)矩為27.1 N·m,轉(zhuǎn)速400 r/min為仿真第一臨界轉(zhuǎn)速,帶排轉(zhuǎn)矩為27.24 N·m;在中轉(zhuǎn)速區(qū)間,仿真帶排轉(zhuǎn)矩與試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致,隨轉(zhuǎn)速增大而減小,但降幅更大,在此區(qū)間油膜開始收縮,模型忽略摩擦片與鋼片表面粗糙度對(duì)油膜狀態(tài)的影響;在高轉(zhuǎn)速區(qū)間,仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)隨轉(zhuǎn)速的變化而變化,模型能夠更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)濕式離合器帶排轉(zhuǎn)矩的變化。

5 結(jié)論

(1)帶排轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化先線性快速增大,在第一臨界轉(zhuǎn)速時(shí)達(dá)到最大值,之后間隙油膜破裂收縮,帶排轉(zhuǎn)矩減小,在高速階段,摩擦片的高線速使油-氣兩相流產(chǎn)生部分帶排轉(zhuǎn)矩不能被忽視,此階段帶排轉(zhuǎn)矩變化與油-氣兩相流有關(guān),減小油氣兩相流黏度對(duì)于減小高速帶排轉(zhuǎn)矩有著重要意義。

(2)潤(rùn)滑油溫度會(huì)對(duì)帶排轉(zhuǎn)矩造成影響,隨著溫度的升高,潤(rùn)滑油黏性降低,帶排轉(zhuǎn)矩減小。

(3)旋轉(zhuǎn)方向的改變會(huì)對(duì)溝槽摩擦片帶排轉(zhuǎn)矩造成影響,不同旋轉(zhuǎn)方向會(huì)對(duì)摩擦片溝槽的排油能力造成影響。

(4)潤(rùn)滑油流量的增大會(huì)使帶排轉(zhuǎn)矩增大,帶排間隙的減小會(huì)使帶排轉(zhuǎn)矩增大。流量增大與間隙減小兩因素在低速階段至第一臨界轉(zhuǎn)速對(duì)帶排轉(zhuǎn)矩的影響相同,但間隙減小在中速階段比流量增大對(duì)帶排轉(zhuǎn)矩的影響更大,流量增大在高速階段比間隙減小對(duì)帶排轉(zhuǎn)矩的影響更大。在滿足濕式離合器的使用條件下,應(yīng)盡量增大摩擦片間隙或減小潤(rùn)滑油流量,以減小損失功率。

(5)摩擦片在高線速狀態(tài)下,尺寸越大,帶排轉(zhuǎn)矩越不穩(wěn)定,故設(shè)計(jì)摩擦片時(shí)應(yīng)避免在高線速下摩擦片尺寸過大。