離心脫開型超越離合器彈流潤滑分析*

葉 金 董紅濤 陳思雨 陳星宇 寧鳳蓮 朱月明

(1.中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖南長沙 410083; 2.中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所 湖南株洲 412002)

離心脫開型超越離合器作為高速傳動零部件，被廣泛應(yīng)用于直升機(jī)主減速器、固定翼飛機(jī)渦輪起動機(jī)等航空產(chǎn)品中，其主要功能是使主動軸與從動軸能夠按工況需求及時(shí)正確地接合與分離[1-3]。作為航空產(chǎn)品常用傳動零部件，其經(jīng)常在高速、重載、高溫的工況下工作[4]，因此超越離合器的潤滑分析對避免高溫磨損、疲勞破壞、延長超越離合器工作壽命具有重要意義。

目前，針對高速重載的接觸副潤滑問題的研究主要為彈流潤滑分析[5]。自從20世紀(jì)60年代DOWSON和HIGGINSON[6]、HAMROCK和DOWSON[7]提出線、點(diǎn)接觸膜厚公式以來，彈流潤滑問題一直是摩擦學(xué)領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)[8-9]。LUBRECHT等[10]、溫詩鑄和楊沛然[11]、郭峰[12]對彈流潤滑求解算法進(jìn)行了研究與分析，并確定了多重網(wǎng)格法為求解彈流問題強(qiáng)有力的工具。文獻(xiàn)[13-15]通過線接觸、有限長線接觸、點(diǎn)接觸等接觸形式對直齒、斜齒、弧齒等齒輪彈流潤滑問題進(jìn)行了深入研究；文獻(xiàn)[16-18]以同樣的方法對軸承彈流潤滑問題進(jìn)行了深入研究；文獻(xiàn)[19-21]對凸輪機(jī)構(gòu)等高副機(jī)構(gòu)進(jìn)行了彈流潤滑分析。以上的研究針對多種高副接觸機(jī)構(gòu)進(jìn)行了不同方面的彈流潤滑分析，但針對超越離合器的彈流潤滑分析幾乎沒有。不同于上述高副接觸機(jī)構(gòu)，離心脫開型超越離合器雖然結(jié)構(gòu)與軸承相似，但其具有低速楔合傳動、高速離心脫開的特性，使離合器在不同工作模式下接觸載荷與轉(zhuǎn)速呈不同的關(guān)系，這為超越離合器的潤滑研究分析帶來很大的不便，因此需要對不同工況下離心脫開型超越離合器彈流潤滑性能進(jìn)行分析。

本文作者在彈性流體動壓潤滑理論的基礎(chǔ)上，對離心脫開型超越離合器的彈流潤滑性能進(jìn)行分析，通過對彈流潤滑數(shù)值求解，分析研究速度、進(jìn)油溫度對彈流潤滑性能的影響，為離心脫開型超越離合器潤滑分析研究提供了理論基礎(chǔ)。

1 彈流潤滑建模

1.1 離心脫開型超越離合器結(jié)構(gòu)分析

如圖1所示為離心脫開型超越離合器結(jié)構(gòu)，該超越離合器主要由外圈、楔塊、保持架、彈簧帶、內(nèi)圈組成。外圈與保持架通過脹緊固定在一起，保持架與彈簧帶限制楔塊并與其同步運(yùn)動，超越離合器內(nèi)外圈通過楔塊楔緊進(jìn)行扭矩傳遞。在超越離合器工作時(shí)，僅有楔塊與內(nèi)圈間存在相對運(yùn)動，因此，研究主要針對楔塊與內(nèi)圈間的接觸副進(jìn)行彈流潤滑分析。

圖1 離心脫開型超越離合器結(jié)構(gòu)

1.2 接觸模型

超越離合器楔塊與內(nèi)圈間接觸為線接觸。由赫茲接觸理論[5,22-23]可知，線接觸時(shí)，兩接觸體間當(dāng)量曲率半徑R的計(jì)算公式為

(1)

式中：R1、R2分別為兩接觸表面的曲率半徑，mm。

兩接觸體材料的綜合彈性模量E的計(jì)算公式為

(2)

式中：E1、E2分別為兩接觸體的彈性模量，MPa，μ1、μ2分別為兩接觸體泊松比。

平行接觸時(shí)，接觸區(qū)域接觸半寬b的計(jì)算公式為

(3)

式中：FN為接觸區(qū)域載荷，N；L為有效接觸區(qū)域長度，mm。

兩接觸體間潤滑油卷吸速度vm的計(jì)算公式為

(4)

式中：v1、v2分別為兩接觸體表面的切向速度，mm/s。

1.3 彈流潤滑基本方程

(1)Reynolds方程

(5)

Reynolds方程邊界條件：

(2)膜厚方程

(6)

(3)黏壓方程為

η*=exp{(lnη0+9.67)[(1+5.1×10-9pHP)0.68-1]}

(7)

(4)密壓方程

(8)

(5)載荷平衡方程

(9)

2 數(shù)值計(jì)算參數(shù)設(shè)定

超越離合器參數(shù)主要有：楔塊內(nèi)半徑3.25 mm，內(nèi)圈外半徑9.7 mm，進(jìn)油溫度40～120 ℃。內(nèi)、外圈材料為9310鋼，楔塊材料為GCr15，潤滑油選用美孚DTE中級-渦輪機(jī)/循環(huán)系統(tǒng)油，潤滑油黏度等級為ISO VG 46。

2.1 進(jìn)油溫度參數(shù)設(shè)定

為研究進(jìn)油溫度對離心脫開型超越離合器彈流潤滑性能的影響，設(shè)置進(jìn)油溫度分別為40、60、80、100、120 ℃，并考慮溫度對材料物理屬性參數(shù)的影響，查閱資料[24]，材料物理屬性參數(shù)見表1。

表1 不同溫度下材料物理屬性參數(shù)

2.2 速度參數(shù)設(shè)定

為研究速度參數(shù)對離心脫開型超越離合器彈流潤滑性能的影響，對超越離合器工作狀態(tài)進(jìn)行分析。

該超越離合器有4種工作模式：啟動狀態(tài)、工作狀態(tài)、風(fēng)車轉(zhuǎn)速狀態(tài)、空中起動狀態(tài)。

啟動狀態(tài)時(shí)，內(nèi)圈轉(zhuǎn)動并通過楔塊楔緊帶動外圈轉(zhuǎn)動，并在達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后，楔塊與離合器內(nèi)圈離心脫開，內(nèi)圈與楔塊基本不發(fā)生相對滑動，因此不進(jìn)行彈流潤滑分析。

工作狀態(tài)時(shí)，超越離合器外圈轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，內(nèi)圈減速至停止，楔塊與內(nèi)套已分離脫開，此狀態(tài)下楔塊與內(nèi)圈不接觸，因此也不進(jìn)行彈流潤滑分析。

風(fēng)車轉(zhuǎn)速狀態(tài)時(shí)，超越離合器外圈與楔塊長期保持在一定轉(zhuǎn)速，內(nèi)圈轉(zhuǎn)速為0，選取外圈轉(zhuǎn)速為2 108、3 613、6 022 r/min，離合器內(nèi)套轉(zhuǎn)速為0，此時(shí)楔塊未達(dá)到離心脫開狀態(tài)，楔塊與內(nèi)圈間存在相對運(yùn)動，需對該工作模式下楔塊與內(nèi)圈接觸副進(jìn)行彈流潤滑分析。

空中啟動狀態(tài)時(shí)，離合器外圈保持在2 108、3 613、6 022 r/min，離合器內(nèi)圈開始轉(zhuǎn)動。在空中啟動狀態(tài)初期，內(nèi)圈轉(zhuǎn)速小于外套轉(zhuǎn)速，此后，內(nèi)圈轉(zhuǎn)速與外圈轉(zhuǎn)速相同時(shí)，楔塊楔緊，內(nèi)圈帶動外圈加速。因此，在空中啟動初期，離合器內(nèi)圈與楔塊存在差速運(yùn)動，轉(zhuǎn)速相同后與啟動狀態(tài)相同，需對該工作模式下前期楔塊與內(nèi)圈接觸副進(jìn)行彈流潤滑分析。設(shè)置外套與楔塊轉(zhuǎn)速為3 613 r/min時(shí)，內(nèi)套轉(zhuǎn)速為2 108 r/min；外套與楔塊轉(zhuǎn)速為6 022 r/min時(shí)，內(nèi)套轉(zhuǎn)速為3 613、2 108 r/min。

同時(shí)，由于超越離合器具有低速楔合傳動、高速離心脫開的特性，使其接觸載荷隨工作模式與速度變化而變化，因此，不對載荷影響進(jìn)行研究，同時(shí)設(shè)置6組速度參數(shù)，速度參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 速度參數(shù)設(shè)置

3 計(jì)算結(jié)果及分析

對量綱一化方程進(jìn)行離散，并采用多重網(wǎng)格法進(jìn)行等溫彈流潤滑分析，設(shè)置初始參數(shù)為：節(jié)點(diǎn)數(shù)為150，量綱一化后入口、出口坐標(biāo)分別為Xin=-2.5、Xout=1.6，膜厚方向?qū)訑?shù)為5，通過軟件編程求解[25-27]，得到計(jì)算區(qū)域內(nèi)潤滑油膜厚度與油膜壓力分布情況。

根據(jù)計(jì)算區(qū)域內(nèi)潤滑油膜厚度分布情況，繪制不同進(jìn)油溫度時(shí)，不同速度參數(shù)下潤滑油膜厚度分布圖，并對出口區(qū)域油膜分布放大觀察，如圖2所示。如圖2(a)所示，從速度1到速度6，潤滑油卷吸速度逐漸增加，油膜厚度逐漸增加，潤滑油膜厚度區(qū)分明顯，出口區(qū)油膜形狀收縮明顯。而速度4卷吸速度小于速度3，因此速度3潤滑油膜厚度大于速度4潤滑油膜厚度。由圖2可知，隨進(jìn)油溫度的增加，速度參數(shù)的改變對油膜厚度分布的影響逐漸減小，潤滑油油膜厚度分布情況逐漸重合，且出口區(qū)油膜形狀收縮逐漸減小。這是由于隨進(jìn)油溫度的增加，潤滑油黏度逐漸減小，接觸區(qū)域出口處潤滑油流動的阻礙逐漸減小，使得油膜收縮現(xiàn)象逐漸減小。

圖2 不同進(jìn)油溫度、速度下油膜厚度分布

為研究速度與進(jìn)油溫度對潤滑油油膜厚度的影響，選取計(jì)算區(qū)域內(nèi)最小油膜厚度數(shù)據(jù)，見表3，并繪制最小油膜厚度隨進(jìn)油溫度與速度變化關(guān)系，如圖3所示。隨進(jìn)油溫度增加以及卷吸速度降低，最小油膜厚度逐漸減小，且最小油膜厚度受進(jìn)油溫度的影響十分明顯。這是由于隨進(jìn)油溫度的增加，潤滑油黏度減小，出口處潤滑油流動阻礙減小，使得最小油膜厚度減??；而隨卷吸速度的降低，潤滑油流動速度降低，最小油膜厚度減?。煌瑫r(shí)，由于潤滑油黏度主要受溫度、壓力的影響，使得最小油膜厚度受進(jìn)油溫度的影響十分明顯。

表3 不同速度、進(jìn)油溫度下最小油膜厚度

圖3 最小油膜厚度隨速度、進(jìn)油溫度變化

繪制不同進(jìn)油溫度、速度下油膜壓力分布情況，并對二次壓力峰區(qū)域放大觀察，如圖4所示。如圖4(a)所示，同潤滑油膜厚分布情況相似，隨速度參數(shù)變化，潤滑油卷吸速度增加，潤滑油壓力分布曲線區(qū)分較明顯，且二次壓力峰逐漸增加并越來越明顯。

圖4 不同進(jìn)油溫度、速度下油膜壓力分布

由圖4可知，隨進(jìn)油溫度的增加，速度參數(shù)對油膜壓力分布以及二次壓力峰的大小與分布的影響逐漸減小，潤滑油油膜壓力分布曲線逐漸趨于重合，且二次壓力峰值逐漸減小并趨于消失。這是由于隨進(jìn)油溫度的增加，潤滑油黏度減小使出口處油液流動阻礙減小，從而使得接觸區(qū)域出口出油膜壓力逐漸減小，即二次壓力峰逐漸減小并趨向于消失。

為研究速度與進(jìn)油溫度對潤滑油油膜壓力的影響，選取二次壓力峰峰值壓力數(shù)據(jù)，見表4，并繪制二次壓力峰峰值壓力隨進(jìn)油溫度與速度變化關(guān)系，如圖5所示。隨進(jìn)油溫度增加以及卷吸速度降低，二次壓力峰峰值壓力逐漸減小，且二次壓力峰峰值壓力受進(jìn)油溫度的影響十分明顯。同最小油膜厚度影響情況相似，隨進(jìn)油溫度的增加，潤滑油黏度降低，潤滑油流動阻礙減小，二次壓力峰峰值壓力減小；同時(shí)卷吸速度的降低使得潤滑油流動速度降低，二次壓力峰峰值壓力減小。同樣的，潤滑油黏度受進(jìn)油溫度影響明顯，使得二次壓力峰峰值壓力受進(jìn)油溫度影響十分明顯。

表4 不同速度、進(jìn)油溫度下二次壓力峰峰值壓力

圖5 二次壓力峰峰值壓力隨速度、進(jìn)油溫度變化

4 結(jié)論

(1)隨進(jìn)油溫度的增加，速度對離心脫開型超越離合器油膜厚度、壓力的影響逐漸減小，不同速度下的膜厚、壓力分布逐漸重合。

(2)隨進(jìn)油溫度增加以及卷吸速度降低，最小油膜厚度、二次壓力峰峰值壓力逐漸減小，且最小油膜厚度、二次壓力峰峰值壓力受進(jìn)油溫度的影響十分明顯。

(3)進(jìn)油溫度對離心脫開型超越離合器彈流潤滑性能有很大影響，降低潤滑油進(jìn)油溫度有助于提升超越離合器彈流潤滑性能。研究結(jié)果為離心脫開型超越離合器潤滑分析研究提供了參考。