濕式離合器冷卻系統(tǒng)的數(shù)值仿真

王小虎，劉桓龍，于蘭英，王國(guó)志，柯堅(jiān)

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031)

濕式多片離合器具有轉(zhuǎn)矩范圍大、使用壽命長(zhǎng)、摩擦性能穩(wěn)定、熱衰退小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種車輛和工程機(jī)械。理想狀態(tài)下，離合器脫排時(shí)摩擦片在冷卻油的作用下自動(dòng)分離。離合器空轉(zhuǎn)時(shí)摩擦片間隙內(nèi)都充滿冷卻油，不會(huì)產(chǎn)生很大的熱量，但在實(shí)際情況下，當(dāng)離合器冷卻散熱系統(tǒng)的油路結(jié)構(gòu)欠佳時(shí)，摩擦片間隙大小不均勻，仍會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象。間隙較小的摩擦片處于相對(duì)滑動(dòng)速度較高、冷卻不良的狀態(tài)，導(dǎo)致冷卻油溫升過(guò)高而影響正常工作［1－3］。

在摩擦片片數(shù)較多且空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，過(guò)熱現(xiàn)象更加明顯。目前，濕式多片摩擦離合器發(fā)熱問(wèn)題的研究主要集中在摩擦片溫度場(chǎng)計(jì)算、摩擦片材料及油槽結(jié)構(gòu)試驗(yàn)等方面。隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)的日趨成熟，結(jié)合計(jì)算機(jī)三維建模，可以對(duì)復(fù)雜流場(chǎng)問(wèn)題進(jìn)行分析，但對(duì)摩擦離合器冷卻油路系統(tǒng)的流體仿真研究極為少見(jiàn)［4－6］。

文中采用CFD 方法研究濕式多片摩擦離合器的冷卻油路結(jié)構(gòu)對(duì)摩擦片間隙處油壓分布以及摩擦片溫度的影響，從而對(duì)離合器冷卻系統(tǒng)的改進(jìn)提出指導(dǎo)意見(jiàn)。

1 濕式離合器冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

濕式摩擦離合器的結(jié)構(gòu)主要由徑向油槽摩擦片、對(duì)偶鋼片、支架和壓力彈簧等部件組成。圖1 所示為濕式離合器冷卻系統(tǒng)的部分結(jié)構(gòu)圖，其中摩擦片10片，對(duì)偶片11 片。支架上開(kāi)有兩組噴油孔，每組10個(gè)，均勻分布在90°和180°圓周位置上。離合器空轉(zhuǎn)時(shí)，噴油孔噴出的油充滿摩擦片間隙中，使摩擦片在冷卻油的作用下分離并得到散熱。理想狀態(tài)下，由摩擦片和對(duì)偶片形成的10 個(gè)環(huán)狀間隙大小應(yīng)相等，并假設(shè)間隙大小值都相等，都為0.4 mm。

圖1 濕式摩擦離合器的油路結(jié)構(gòu)

將圖1 中的冷卻油路簡(jiǎn)化得到冷卻油路結(jié)構(gòu)一，如圖2 (a)所示。結(jié)構(gòu)一采用了全充液強(qiáng)制性冷卻方式進(jìn)行冷卻，循環(huán)的壓力油經(jīng)過(guò)摩擦片表面帶走熱量。但實(shí)際和仿真結(jié)果顯示，此種冷卻方式對(duì)于摩擦片過(guò)熱時(shí)的冷卻效果并不理想，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)作業(yè)的系統(tǒng)不能起到較好的保護(hù)作用。因此提出一種采用離心軸輸送冷卻液的改進(jìn)方式，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖主要部分如圖2 (b)所示。

圖2 潤(rùn)滑油路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖3 離心軸冷卻方式結(jié)構(gòu)圖

2 油路三維流場(chǎng)建模

圖4 油路結(jié)構(gòu)一網(wǎng)格模型

在ANSYS 軟件中建立流場(chǎng)的三維模型后，為保證計(jì)算精度及收斂速度，采用ICEM 軟件進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分。圖4 為油路結(jié)構(gòu)一的流場(chǎng)模型網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為301 520 個(gè)，網(wǎng)格單元總數(shù)為220 656 個(gè)。圖5為油路結(jié)構(gòu)二的三維流場(chǎng)的整體模型網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為338 056 個(gè)，網(wǎng)格單元總數(shù)為255 036 個(gè)。

圖5 油路結(jié)構(gòu)二網(wǎng)格模型

3 仿真計(jì)算及結(jié)果分析

離合器冷卻系統(tǒng)使用的冷卻油密度為870 kg/m3，質(zhì)量熱容為1 760 J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.136 W/(m·K)。入口流量為3 L/min，入口溫度為298 K，壁面平均溫度為453 K。有限元模型中管壁邊界采用無(wú)滑移的固壁條件，即所有固壁面速度為0。

采用壓力耦合方程組的半隱式算法求湍流模型穩(wěn)態(tài)解，以此得到兩種不同冷卻結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果。圖6所示為兩種結(jié)構(gòu)分離間隙入口處的壓力曲線，圖7 所示為摩擦片分離間隙在兩種結(jié)構(gòu)下的溫度云圖。

圖6 間隙處入口壓力曲線

圖7 兩種冷卻結(jié)構(gòu)摩擦片表面溫度云圖

圖6 所示壓力曲線圖表明兩種方式對(duì)于分離間隙入口處的壓強(qiáng)并不存在較大的區(qū)別。從圖7 兩種冷卻系統(tǒng)溫度分布可知，結(jié)構(gòu)一的最高溫度為360.5 K，結(jié)構(gòu)二的最高溫度為310.5 K;溫度分布存在較大差異，在結(jié)構(gòu)一上存在較為明顯的熱斑。圖8 平均溫度顯示結(jié)構(gòu)一的平均溫度要差于結(jié)構(gòu)二。圖9 的熱量統(tǒng)計(jì)則表明，結(jié)構(gòu)二的散熱能力明顯優(yōu)于結(jié)構(gòu)一。

圖8 摩擦片表面平均溫度

圖9 間隙處出口熱量統(tǒng)計(jì)

從圖7 中結(jié)構(gòu)二的溫度分布可知，摩擦片的壁面溫度不均勻。在圖7 (b)中90°和270°附近壁面溫度相對(duì)較高。而圓周上其他地方溫度較低且分布均勻。因此在分離間隙中選取參考直線line 1、line 2 和line 3，如圖7 (b)所示，并將直線與間隙相交處進(jìn)行平均取點(diǎn)分析，得到分離間隙內(nèi)參考點(diǎn)的溫度曲線圖10 和流速曲線圖11。由圖可知，在90°和270°處流速較快，對(duì)流換熱的程度相對(duì)其他地方要差些。

圖10 分離間隙參考點(diǎn)處溫度曲線

圖11 分離間隙參考點(diǎn)處速度曲線

4 結(jié)論

應(yīng)用CFD 流體仿真的方法，通過(guò)建立冷卻油路的三維模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，計(jì)算了兩種不同結(jié)構(gòu)的濕式離合器摩擦片分離時(shí)的冷卻系統(tǒng)熱流場(chǎng)分布狀況。結(jié)果表明，采用離心軸輸送冷卻液的方式要優(yōu)于傳統(tǒng)全充液強(qiáng)制性冷卻方式，新結(jié)構(gòu)對(duì)于濕式多片離合器冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義。

【1】孫冬野，秦大同，楊亞聯(lián)，等.濕式多片制動(dòng)器瞬態(tài)溫度場(chǎng)有限元分析［J］. 中國(guó)公路學(xué)報(bào)，1998，11(4):116 －120.

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