高线速状态湿式离合器带排转矩特性研究

李 杰 马 超 王晓燕

1.北京建筑大学机电与车辆工程学院,北京,102616 2.北京物资学院信息学院,北京,101149

0 引言

湿式离合器广泛应用于大型机械[1]。湿式离合器在分离阶段,摩擦片与对偶钢片的间隙中存在冷却润滑油,摩擦片空转状态下,由于润滑油的黏性,使摩擦片与润滑油发生黏性剪切,产生带排转矩[2],造成功率的损失。

在带排转矩的研究方面,LLOYD等[3]率先搭建了试验台对湿式离合器进行试验分析,通过试验测得带排转矩,他们认为速度是影响带排转矩的最重要参数,增加油量会增加带排转矩,不同沟槽的摩擦片对功率造成的损失不同,摩擦材料影响不大,但研究存在局限性,结论不太准确。HASHIMOTO等[4]根据流体力学理论推导出止推轴承紊流方程,为湿式离合器带排转矩研究提供了借鉴,但不完全适用。KITABAYASHI等[5]进行了带排转矩试验,认为离合器槽对带排转矩的影响较小,流量对带排转矩的影响很大,带排转矩随着速度的增大而增大,在达到峰值后会降低,但没有分析空气的进入和高速工况。IQBAL等[6-7]根据连续性方程和Navier-Stokes方程,提出考虑层流的模型来计算带排转矩并使用SAE2号测试装置进行试验验证,但模型对间隙中的多相流的量化可能不准确。周晓军等[8]、PAN等[9-10]根据流体力学理论建立了考虑沟槽的气液两相模型,通过建立VOF仿真验证油膜的收缩变化,并通过试验进行验证,但当离合器片间隙不变时高速带排转矩也会增大。NEUPERT等[11-13]设计了新的试验台,得到影响带排转矩的相关因素,通过试验布置的高速相机进行记录,与CFD模型进行了对比,他们还提出了一种测试湿式离合器片产生的流体轴向力的方法,分析了轴向力与离合器凹槽设计参数的相关性,但所提方法较理想化,也没有考虑高速情况下的变化。MORRIS等[14-15]利用相关边界条件确定油膜分离产生边界位置,进行试验并分析了结果,证明转速范围对湿式制动器的重要性,但湿式制动器转速范围较低,与湿式离合器使用工况差距较大。ROGKAS等[16]设计了一种新型凹槽来分析带排转矩变化,通过CFD仿真分析流场,但缺少实际试验进行验证。LEISTER等[17]讨论了湿式离合器中带排转矩求解的必要简化,通过参数量纲一化将问题简化为基本自由度,但模型的实际准确性还需检验。HU等[18]、彭增雄等[19]考虑摩擦片角向摆动和自振的情况对湿式离合器高速带排转矩的影响,但摩擦片的角向摆动现象还没有被完全发现。成宵等[20]通过仿真分析了入口流量、沟槽槽角对带排转矩的影响,但仿真转速没有包含离合器全部工况。郑良杰等[21]通过控制油压分析湿式离合器分离的变化,但侧重点在湿式离合器的分离过程,没有考虑带排转矩。

由上可知,研究发现在高线速状态下润滑油膜不能完全覆盖整个带排间隙,油膜会收缩减小,摩擦片对润滑油油膜黏性剪切降低,带排转矩减小,但在实际应用中发现带排转矩在高线速工况下会有回升的现象发生,在试验测试过程中精确控制带排间隙后发现带排转矩在高线速下仍呈现增大的情况。本文针对高线速状态下带排转矩产生回升的变化特性,基于流体动力学模型对间隙油膜进行分析,考虑表面张力对油膜的影响和油-气两相流的变化,使带排转矩预测模型在高线速状态下也能被准确预测。通过高速带排试验系统分析带排间隙,润滑油温度、流量,转速,摩擦片尺寸等参数对带排转矩的影响规律。

1 模型的建立

湿式离合器结构如图1所示,它主要由摩擦片、对偶钢片、压盘、离合器内毂、外毂、回位弹簧、润滑油油道、液压油油道、输入、输出轴等组成。液压系统控制液压油压使压盘迅速压紧摩擦片与对偶钢片,回位弹簧控制压盘的回位,压盘与回位弹簧控制摩擦片与钢片的分离与接合,润滑油能够带走摩擦片与钢片接触过程中产生的热量与碎屑。当摩擦片与对偶钢片处于空载分离时,摩擦片与对偶钢片存在相对转速,润滑油流经带排间隙,润滑油具有黏性,摩擦片的转动对润滑油造成黏性剪切,产生带排转矩。

图1 湿式离合器结构简图Fig.1 Structure diagram of wet clutch

1.1 带排间隙流体模型

湿式离合器为多片式摩擦副结构,在空载分离阶段,摩擦副间工作状态相同,在分析中简化为一对摩擦副。如图2所示,摩擦片与对偶钢片在分离带排过程中,间隙保持不变,离合器间隙远远小于摩擦片的径向尺寸,忽略润滑油轴向速度与重力的影响。润滑油为牛顿流体不可压缩,雷诺数小于1400时润滑油为层流,忽略摩擦片与钢片表面粗糙度对流动的影响,建立流体Navier-Stokes方程：

图2 湿式离合器简化模型Fig.2 Simplified model of wet clutch

(1)

式中,r、θ、z分别为径坐标、角坐标、轴坐标;vr、vθ、vz分别为r、θ、z方向速度分量,m/s;ρ为润滑油密度,kg/m3;p为油膜压力,Pa;τ为剪切应力,Pa。

根据带排间隙流场边界条件：

(2)

对式(1)进行轴向积分,应用流场边界条件[22]：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中,h为带排间隙;ω为角速度;T为转矩;Reh为离合器间隙润滑油流动雷诺数;μ为润滑油黏度,Pa·s;Gr、Gθ分别为润滑油沿径向与轴向的紊流系数;vrm、vθm分别为润滑油径向与轴向平均速度分量,m/s。

润滑油径向平均速度

vθm=rω/2

(8)

润滑油轴向平均速度

(9)

根据式(9)变形,可得压力的变化：

(10)

流经带排间隙的润滑油流量

(11)

式中,rm为油膜平均半径。

1.2 油膜表面张力模型

润滑油在带排间隙中流动,油膜的形状取决于流体所受到的离心力、黏性力和油膜表面张力。润滑油流过带排间隙,与摩擦片、对偶钢片表面接触带走热量以及摩擦产生的碎屑。低速情况下,润滑油的黏性力和油膜表面张力与离心力保持平衡,油液充满整个间隙,油液体积分数不变。随着转速的增加,摩擦片线速度增大,油膜离心力的作用大于润滑油黏性和表面张力,油膜产生收缩,空气从摩擦片外径处进入,带排间隙中润滑油流场由单相流变为油-气两相流。随着转速的增加,油膜减小,油相减小,油气两相流增大。假设间隙流场中存在一个半径ro,使实际流场中油膜的面积与半径ro内的油膜面积相等,ro与r2之间为油液与空气两相流混合,如图3所示。

式(11)中,流量是在油膜平均半径处计算求得的,平均半径在内外径之间。将式(11)代入式(10),在内径r1与半径r之间积分可得摩擦片间隙流场不同径向位置的压差：

(12)

间隙流场油膜内表面ro-与摩擦片内径r1的压力差为

(13)

在流体与空气接触的界面之间存在油膜表面张力,油膜曲面存在压力突变,因为离心力而甩出的油膜的流体与空气形成两相流,不考虑表面张力。在假设的等效油膜半径处存在油膜曲面,如图4所示。

对带排间隙内油膜曲面进行放大,分析表面结构与受力,在润滑油边界表面取单位长度ΔL,将对应的表面张力ΔFσ进行分解。

平行、垂直于摩擦片方向的分力分别为

ΔFσ∥=ΔFσsinθ

(14)

ΔFσ⊥=ΔFσcosθ

(15)

沿L进行积分,其中,沿轴向的分力抵消,作用在润滑油表面张力为

(16)

因为

Fσ=σL

(17)

故将式(17)代入式(16)且L=πh,假定油膜收缩系数为0.9,有

Fσ⊥=0.9πhσcosθ

(18)

油膜的曲面面积

(19)

在油膜表面存在压力突变,油膜内表面与外表面压差即为表面张力与表面的比值：

(20)

将式(20)与式(13)相减,可以求得带排间隙内径处于油膜外表面之间压差：

(21)

在湿式离合器中,润滑油进口处压力与出口处压力大致相等,即p(ro+)-p(r1)=0,并且在实际条件下入口流量已知,因此可以求出油膜等效半径ro。

摩擦片表面沟槽也会影响带排转矩,对摩擦片间隙进行修正：

hs=h+ζdgpg

(22)

式中,dg为沟槽深度;pg为沟槽面积与摩擦片面积的比值;ζ为修正系数。

1.3 带排转矩高线速模型

在低速区间,油膜完整覆盖整个带排间隙,等效半径ro=r2,等于外径,当油膜收缩时,等效半径小于外径但大于或等于内径。即

(23)

润滑油膜产生的带排转矩为

(24)

在油膜破裂区,除润滑油还有油气混合油雾[19],油雾产生的带排转矩Tm为

(25)

m副摩擦片的总带排转矩为

Tdrag=m(Tm+Tv)

(26)

湿式离合器在实际使用过程中比较关注摩擦片最大线速度,在试验研究中主要以转速为研究重点,二者关系为：

vx=rsnπ/30

(27)

式中,vx为半径rs处线速度,m/s;n为摩擦片转速,r/min。

润滑油的黏性会影响带排转矩的结果,在摩擦片间隙中,摩擦片对油液的黏性剪切作用产生热量,导致润滑油温度升高,黏性下降,热量的产生也会造成带排功率的损失,因此需建立温度与摩擦片黏性的关系：

(28)

μx=0.18 MPa·s

根据上式可得到试验润滑油在不同温度下黏度变化曲线,如图5所示。可以看出：随着温度的升高,润滑油的黏性减小,在30 ℃前,黏度随温度的升高下降明显;在30 ℃后,黏度随温度的升高下降逐渐变缓,但此时黏度较低。

图5 润滑油黏温特性曲线Fig.5 Viscosity temperature characteristic curve of lubricating oil

1.4 VOF (volume of fluid)流体仿真

对理论油膜和油-气两相流的变化规律进行验证,使用流体仿真软件FLUENT,基于VOF模型建立摩擦片1/30模型,应用周期边界对油膜流体进行仿真。由图6a可以看出在300 r/min转速时,油膜有部分收缩,空气从外径处进入,形成油-气两相流,油膜占带排间隙体积90%。由图6b可以明显看出油膜在带排间隙已经很小,油-气两相流占带排间隙体积70%。由图6、图7可以看出：随着转速的增加,油膜会减小,空气从外径进入带排间隙,转速越大,油膜越小,带排间隙空气体积分数越大,油液体积分数α越小,试验过程中观察到摩擦片外毂处有气泡产生。

(a)300 r/min时流体状态

图7 油液体积分数Fig.7 Oil fraction

由流体仿真数据与数学模型结果对比(图7)可以发现：油液体积分数随着转速的增加在开始低速时没有改变,间隙为单向流,随着转速的继续增加,VOF仿真在200 r/min左右油液体积分数开始减小,间隙油膜破裂收缩,空气进入,而数学模型此时油液体积分数仍然不变,在400 r/min左右模型油液体积分数开始减小。在500 r/min后随着转速增大,油液体积分数减小,模型与仿真的变化一致。转速越大,油液体积分数越小。转速越大,油液体积分数越小,模型与流体仿真的带排间隙润滑油量随着转速的变化一致,证明流体的模型变化准确。

2 仿真分析

根据推导模型,对湿式离合器空载过程中带排转矩的产生与变化机理进行研究,分析润滑油温度、流量、带排间隙、摩擦片尺寸对带排转矩的影响。具体参数见表1。

表1 试验与仿真参数

湿式离合器带排转矩随转速的关系如图8所示。可以看到,带排扭矩随转速的变化可以分为三个区间,在低转速区间,带排转矩随转速的增加而增大,带排间隙满油膜状态,达到第一临界转速时,带排转矩到达最大值。这是由于在低转速区间,润滑油充满摩擦片与对偶片的整个间隙[23],带排转矩与转速类似成线性关系。在中转速区间,随着转速的增加,离心力增大,油膜的黏性力与表面张力无法抵抗离心力,油膜收缩,等效半径减小,带排转矩减小。在高转速区间,油膜减小,等效半径减小,随着转速的增加,油气两相流的增加使带排间隙的油雾增加,油雾的黏性产生带排转矩,影响高速带排转矩。并且高速阶段摩擦片会有概率产生负气压碰撞,使高速阶段带排转矩增大。本研究以摩擦片最高转速5000 r/min下线速度分别为87.44 m/s、97.38 m/s、104.19 m/s为摩擦片高线速工作状态。

图8 带排转矩随转速变化规律Fig.8 Variation law of drag torque with rotational speed

2.1 油温与沟槽的影响分析

有无径向槽条件下湿式离合器带排转矩变化曲线如图9所示,可以看出,在低速区间带排转矩变化相同,两曲线基本重合,径向槽使第一临界转速减小,带排转矩最大值减小,中高速区间沟槽对带排转矩的影响基本不变。摩擦片表面沟槽的存在使润滑油通过带排间隙的能力增强,使间隙润滑油膜保持能力降低,在相同转速下,油膜减小,使带排转矩降低。图10所示为不同润滑油温度对带排转矩的影响,可以发现,润滑油温度的升高在一开始就会对带排转矩产生影响,在低速区间两种条件下带排转矩差别不大,润滑油温度对带排转矩最大值的影响较明显,且在第一临界转速后,随着转速的增大,对带排转矩转矩的影响愈加明显,见表2。随着温度升高,润滑油黏度降低,会使带排转矩转矩减小,且黏度降低会使油膜表面张力减小,黏性系数减小,油膜受转速敏感性增加。

表2 不同润滑油温度下仿真对比

图9 仿真沟槽对带排转矩的影响Fig.9 Effect of simulated groove on drag torque

图10 仿真不同油温下的带排转矩Fig.10 Simulation of drag torque at different oil temperatures

2.2 流量与间隙的影响分析

图11所示为不同流量下湿式离合器空载时带排转矩随转速的变化曲线,在低速阶段流量对带排转矩无影响,但流量会影响低速区间的范围,流量越大,低速区间越大,完整油膜保持的时间越长,且随着流量的增大,第一临界转速与最大带排转矩增大。当流量为1.8 L/min时,第一临界转速在200 r/min左右,带排转矩最大值为11.75 N·m;当流量为3,6,9,12 L/min时,第一临界转速和最大带排转矩分别为：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。在中转速区间,油膜破裂缩小,带排转矩随转速的增加而减小,不同流量下变化相同;在高速区间,随着流量的增加,带排转矩上升的趋势增大,流量最小时上升趋势最不明显,流量的增大不仅影响间隙油膜的大小,也会影响油-气两相流的黏度大小,从而影响高速带排转矩的变化。在2000 r/min之后的高速区间,流量12 L/min的条件下,2000,3000,4000,5000 r/min对应的带排转矩分别为4.62,6.73,9.65,13.29 N·m。环比增长率分别为45.6%、43.3%、37.7%。而流量分别为9,6,3,1.8 L/min时,相同转速下对应环比增长率分别为：38.7%、39.7%、35.5%,29.4%、25%、31.9%,13%、22.1%、24.4%和4.4%、12%、17.6%。可以看出,随着流量的增大,高速区间带排转矩随转速的增长速度也在变大。流量的增大使高线速状态下油-气两相流的黏度增大,流量越大,高线速下带排转矩回升越大。

图11 仿真不同润滑油流量下的带排转矩Fig.11 Simulation of different lubricating oil flow with drag torque

图12所示为不同间隙下带排转矩随转速的变化,可以明显看出,间隙对带排转矩的影响在低速与中速区间比较明显,在高速区间影响较小。在第一临界转速,带排转矩达到最大值,间隙分别为3.0,3.6,4.2,4.8 mm时,带排转矩分别为26.05,22.89,15.44,11.34 N·m,带排转矩随间隙的增大而减小。间隙分别为4.8,4.2,3.6,3.0 mm时,随着间隙的减小,带排转矩在中低速区间平均增长率为40.9%、36.4%、36.6%,在高速区间内平均增长率为11.2%、6.8%、11.3%,可以看出间隙对带排转矩的影响在中低速约是高速的3.8倍。这是因为在中低速范围,间隙的大小对油膜的状态影响较大,间隙的增大使相同转速下相同油膜状态需要的润滑油流量增大,但流量不变,会使油膜较早收缩,油膜的收缩变化发生在中低速区间,因此对中低速区间带排转矩的影响较大,在高速阶段,油膜已经收缩较小,润滑油膜对间隙变化的敏感度降低,此时间隙越小,间隙体积越小,油-气两相流的黏度增大,高速带排转矩增大。

图12 仿真不同间隙下的带排转矩Fig.12 Simulation of drag torque with different gaps with row

2.3 摩擦片尺寸影响分析

图13所示为表1参数条件下三种不同尺寸摩擦片的带排转矩变化,随着摩擦片尺寸的增加,带排转矩增大,但对转速区间并没有影响,低速、中速、高速区间基本相同,在低速区间,摩擦片尺寸越大,油膜的面积越大,摩擦片对油膜剪切作用也越大,导致带排转矩增大。在第一临界转速时摩擦片1、2、3最大带排转矩分别为26.05 N·m、37.75 N·m、49.88 N·m。在高速阶段,随摩擦片的增大带排转矩增长速度变快,在1000 r/min时,摩擦片1、2、3带排转矩分别为4.18 N·m、5.57 N·m、6.72 N·m,摩擦片1、2与2、3分别相差1.39 N·m和1.15 N·m;在5000 r/min时,摩擦片1、2、3带排转矩分别为13.29 N·m、20.32 N·m、27.84 N·m,摩擦片1、2与2、3分别相差7.03 N·m和7.52 N·m。可以看出,随着转速的增大,不同尺寸摩擦片带排转矩的增长趋势不同。

图13 仿真不同摩擦片带排转矩Fig.13 Simulation of drag torque of different friction linings with row

3 试验分析

3.1 试验设备与方法

湿式离合器带排特性试验测试如图14所示,主要包括：动力单元系统,试验箱,力-位移双环控制伺服加压系统,冷却润滑系统,数据采集和控制单元。其中,主电机最高转速10 000 r/min,辅电机最高转速5000 r/min,力-位移双环控制的伺服压力系统精确度可达±0.03 mm,冷却润滑系统可以调节润滑油的流量与温度。

(a)离合器试验台的3D结构

3.2 试验摩擦片

本次试验有三种尺寸铜基摩擦片,进行三组系列带排转矩试验,摩擦片如图15所示。

图15 试验摩擦片Fig.15 Test friction disc

3.3 试验流程

测试时,主电机驱动摩擦片旋转,同时对偶钢片保持静止状态,具体流程如下：

(1)启动润滑油温度控制系统,使流体温度保持在正常工作温度范围内。

(2)伺服线性驱动系统采用力-位移闭环控制,当系统检测到压力的变化时,将其保存为位移零点,并切换到位移闭环控制,使间隙达到设定的要求。

(3)主电机带动摩擦片旋转,转速范围在0～5000 r/min。在升速过程中,保持恒速30 s以稳定润滑油膜,记录该转速下对应的转速值,从而分析转速对转矩的影响。考虑到低速区的转矩变化比较剧烈,则低速区的记录间隔为20 r/min,在高转速区的记录间隔为200 r/min。

(4)改变润滑油流量,润滑油温度,分离间隙等条件,重复上述过程。

试验过程中转速与转矩随时间的变化如图16所示,随着时间的增加,转速按照预先设好的流程进行改变,转矩在不同的转速下有不同的变化。可以看出带排转矩有两个明显的转折点,对应的转速分别为第一临界转速和第二临界转速,其中,第一临界速度为带排转矩到达最大值时转速,第二临界转速为带排转矩最小值时转速。

图16 试验过程中转速、转矩随时间的变化Fig.16 Variation of speed and torque with time during the test

4 试验结果分析

4.1 转向与油温对带排转矩的影响

根据湿式离合器带排测试系统,得到带排转矩随转速的变化曲线。图17所示为摩擦片不同旋转方向对带排转矩的影响变化,当湿式离合器处于空载摩擦片空转时,在低转速阶段,顺时针与逆时针旋转方向带排转矩无较大变化,但对带排转矩最大值的影响明显。顺时针旋转时在第一临界转速(约400 r/min)处达到带排转矩最大值17.7 N·m,而逆时针旋转方向带排转矩最大值不明显,没有出现较大峰值,在转速约500 r/min处,带排转矩达到最大值12.6 N·m。在中转速阶段带排转矩变化曲线基本重合,在转速1500 r/min时,逆时针与顺时针旋转方向带排转矩分别为2.89 N·m、2.21 N·m,相差0.68 N·m;在转速5000 r/min时,逆时针与顺时针旋转方向带排转矩分别为4.24 N·m、3.53 N·m,相差0.69 N·m;在高速阶段,顺时针旋转方向带排转矩一直小于逆时针旋转方向带排转矩且两者差值基本不变。由此可以得到以下结论：顺时针旋转方向在中低转速第一临界转速前后带排转矩较大,高速阶段带排转矩较小,而逆时针旋转方向在中低速带排转矩较小,但高速阶段带排转矩较大。对于高线速工况,应优先考虑逆时针旋转方向。

图17 不同转向对带排转矩的影响试验结果Fig.17 The results of different steering pairs against drag torque

图18所示为不同油温下带排转矩的变化曲线,与仿真结果较一致。转速约260 r/min后、润滑油温度20 ℃时的带排转矩一直大于润滑油温度40 ℃时的带排转矩,第一临界转速分别为360 r/min和260 r/min,对应带排转矩为27.1 N·m和19.8 N·m,之后两条带排转矩曲线差值无太大波动,在转速3000 r/min后,润滑油温度20 ℃时的带排转矩增长明显,润滑油温度40 ℃时的带排转矩基本不变。当润滑油温度升高后黏度下降,在转速260 r/min前对带排转矩的影响不明显,黏度的改变会使油膜与摩擦片和对偶钢片的黏性力与表面张力发生变化,对离心力的敏感度增加,使第一临界转速与最大带排转矩减小。在高速阶段,油-气混合物的黏度也与润滑油温度有关,会对高线速带排转矩造成影响。

图18 不同油温对带排转矩的影响试验结果Fig.18 The results of different oil temperatures on the drag torque

4.2 试验流量与间隙对带排转矩的影响

图19所示为不同流量下带排转矩的变化曲线,在320 r/min前,不同流量曲线重合,带排转矩转矩相同,随着流量的增加,第一临界转速和最大带排转矩分别为：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。在转速500～1500 r/min范围,油膜破裂,带排转矩减小,在转速1500 r/min后,带排转矩随流量的增大而增大且变化曲线较一致。

图19 不同流量下带排转矩结果Fig.19 The results of drag torque under different flow rates

图20所示为带排转矩在相同转速下随流量增大的变化曲线,在100 r/min与200 r/min时,不同流量下带排转矩不变;在400 r/min与800 r/min时,带排转矩随流量的增大而增大,为曲线变化;在1600 r/min 、3200 r/min与5000 r/min时,带排转矩随流量增大而增大,且基本呈线性变化。与仿真结果较一致,可以发现随着流量的增加带排转矩曲线增大：在低速阶段带排转矩曲线重合,润滑油流量对带排转矩基本无影响,流量增大,第一临界转速增大,带排转矩最大值增大。在中高速阶段,带排转矩变化趋势相同,但流量越大,带排转矩越大。在低速阶段,带排转矩满油膜状态,流量对带排转矩无影响,流量越大,油膜覆盖间隙能力越强,油膜收缩转速越大,相同转速等效半径增大;在高速阶段,流量越大,油气两相流油雾黏度越大。

图20 带排转矩随流量的变化Fig.20 Variation of drag torque with flow rate

图21所示为不同带排间隙下带排转矩试验变化曲线,可以发现：在300 r/min前,不同间隙带排转矩曲线基本重合,带排转矩相同,随着间隙的减小,低转速区间增大,第一临界转速和最大带排转矩增大,分别为：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。中转速阶段,油膜破裂带排转矩减小,其中间隙4.8 mm、4.2 mm、3.6 mm曲线在此阶段有明显波动,间隙3 mm曲线无波动。在转速1500 r/min后,带排转矩曲线较平稳,间隙越小,带排转矩越大,间隙4.8 mm与4.2 mm处带排转矩曲线较接近且在4000 r/min高转速下接近3.6 mm带排转矩曲线,与间隙3 mm处带排转矩曲线有明显差距。

图21 不同间隙带排转矩结果Fig.21 Drag torque results with different clearances

图22所示为相同转速下带排转矩随间隙的变化,可以看出：在转速100 r/min时,不同间隙下带排转矩相同;在转速200 r/min时,间隙由3 mm增大到3.6 mm但带排转矩基本不变,间隙由3.6 mm增大到4.2 mm时带排转矩由13.6 N·m变为11.4 N·m,间隙由4.2 mm增大到4.8 mm时带排转矩略有下降。转速400 r/min、800 r/min、1600 r/min时,带排转矩随间隙的增大而减小,两曲线变化一致;在转速3200 r/min、5000 r/min时,间隙3 mm、3.6 mm处带排转矩变化不大,随转速的增加,间隙4.2 mm、4.8 mm处带排转矩增大,带排转矩随间隙的增大而下降。在相同流量下,间隙越小,带排转矩总体会增大。在低速阶段,不同间隙带排转矩曲线重合,间隙越小,第一临界转速越大,带排转矩最大值越大。在中速阶段,间隙对带排转矩最大值的影响较大,在高速阶段间隙的影响会下降。相同流量间隙的降低等效于相同间隙流量的增大,但二者的不同在于间隙的影响在中速阶段较明显,而流量的影响在高速阶段较明显,在低速阶段至第一临界转速,二者带排转矩的变化规律基本相同。

图22 试验带排转矩随间隙的变化Fig.22 Test drag torque changes with clearance

4.3 不同尺寸摩擦片带排转矩

图23所示为表1三种不同尺寸摩擦片试验带排转矩随转速变化曲线,摩擦片1、2、3的内径、外径依次增大。在转速200 r/min前,三种摩擦片带排转矩曲线差别不大,摩擦片1、3曲线基本重合,摩擦片3尺寸最大,第一临界转速时带排转矩最大,摩擦片2尺寸大于摩擦片1尺寸,但中低速带排转矩小于摩擦片1带排转矩,在1500 r/min之后阶段,摩擦片1带排转矩最平稳,摩擦片3转矩波动频率最高。摩擦片尺寸会影响湿式离合器大小,不同尺寸湿式离合器在中低速范围带排转矩无规律差异,在高速阶段,随着摩擦片尺寸的增大,易发生不稳定碰撞而导致带排转矩变化。

图23 不同尺寸湿式离合器带排转矩结果Fig.23 Drag torque results of wet clutch with different sizes

4.4 模型与试验对比分析

采用上述仿真与试验结果进行对比分析,对仿真与试验数据在低转速阶段(0～400 r/min)和中转速阶段(400～1200 r/min)、高转速阶段(1200～5000 r/min)进行分析,得到图24。仿真与试验数据曲线一致,在低速范围,试验与仿真都呈线性快速增长,转速360 r/min为试验第一临界转速,带排转矩为27.1 N·m,转速400 r/min为仿真第一临界转速,带排转矩为27.24 N·m;在中转速区间,仿真带排转矩与试验数据一致,随转速增大而减小,但降幅更大,在此区间油膜开始收缩,模型忽略摩擦片与钢片表面粗糙度对油膜状态的影响;在高转速区间,仿真与试验数据随转速的变化而变化,模型能够更加准确地预测湿式离合器带排转矩的变化。

5 结论

(1)带排转矩随转速变化先线性快速增大,在第一临界转速时达到最大值,之后间隙油膜破裂收缩,带排转矩减小,在高速阶段,摩擦片的高线速使油-气两相流产生部分带排转矩不能被忽视,此阶段带排转矩变化与油-气两相流有关,减小油气两相流黏度对于减小高速带排转矩有着重要意义。

(2)润滑油温度会对带排转矩造成影响,随着温度的升高,润滑油黏性降低,带排转矩减小。

(3)旋转方向的改变会对沟槽摩擦片带排转矩造成影响,不同旋转方向会对摩擦片沟槽的排油能力造成影响。

(4)润滑油流量的增大会使带排转矩增大,带排间隙的减小会使带排转矩增大。流量增大与间隙减小两因素在低速阶段至第一临界转速对带排转矩的影响相同,但间隙减小在中速阶段比流量增大对带排转矩的影响更大,流量增大在高速阶段比间隙减小对带排转矩的影响更大。在满足湿式离合器的使用条件下,应尽量增大摩擦片间隙或减小润滑油流量,以减小损失功率。

(5)摩擦片在高线速状态下,尺寸越大,带排转矩越不稳定,故设计摩擦片时应避免在高线速下摩擦片尺寸过大。