拖拉機濕式離合器連續換擋溫升特性仿真分析

丁華,趙敬彥,陳潘明,上官興興

(江蘇大學汽車與交通工程學院,鎮江 212013)

拖拉機的工作場景一般在田間,而且在工作過程中經常因為負載的變化頻繁需要連續換擋。例如進行采挖作業時,需要將作物從田地里挖掘出來,還需使作物和土壤進行分離,在整個采挖過程中負載一直在變化;進行開溝作業時,由于阻力不同,拖拉機負載和速度會經常發生改變。濕式離合器作為傳動系統的關鍵部件,承擔著傳遞轉矩的作用。濕式離合器是依靠摩擦片和鋼片之間的摩擦進行轉矩傳遞,連續換擋意味著摩擦片和鋼片的多次接合與分離,在接合與分離過程中由于存在轉速差會產生滑摩,滑摩時產生大量熱量,使摩擦副溫度快速上升[1]。在熱應力的作用下,摩擦副溫度不均會產生熱彈性變形,綜合機械壓力的作用會產生熱失效,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,連續換擋時濕式離合器的溫升特性研究對提高拖拉機工作可靠性以及延長使用壽命具有重要的工程意義。

目前,中外學者針對濕式離合器溫度場、流場進行了大量的研究。在國內學者中,王雨彤等[4]針對接合油壓、摩擦副的相對轉速對拖拉機液壓機械無級變速器(hydro-mechanical continuously variable transmission,HMCVT)濕式離合器鋼片溫度的影響進行了仿真與試驗研究,結果表明鋼片外徑溫度最低,中徑溫度最高。周啟豪[5]利用MATLAB軟件通過編程分析了濕式離合器連續5次起步工況下的熱負荷特性,結果表明第2次起步時溫升最大,但并未對不同起步頻次的濕式離合器熱負荷特性進行分析。朱茂桃等[6]和成宵[7]在考慮氣相的基礎上利用STAR-CCM+軟件對含徑向油槽的濕式離合器進行了流場、溫度場仿真與試驗驗證。但在研究過程中把摩擦副間隙假設為定值,沒有考慮摩擦副的軸向運動。張志剛等[8-9]利用ABAQUS軟件研究了鋼片平行度對濕式離合器熱特性的影響以及通過建立熱流固耦合模型對濕式離合器進行溫度場仿真分析。胡東方等[10]利用ABAQUS軟件分析了滑摩時溫度以及壓力對拖拉機壓盤的影響,并根據仿真結果改進結構減小壓盤的受熱變形。代吉超等[11]以液黏離合器為研究對象,通過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流換熱系數分布以及不同因素對該系數的影響程度。衛小強等[12]針對摩擦副的熱屈曲變形問題,在考慮實際工作溫度的基礎上,研究了不同約束條件下的溫度場分布,為延長摩擦副的壽命提供了參考。在國外學者中,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特性和溫度場特性,并進行優化。Terzi等[14]利用仿真優化冷卻油的分布,降低摩擦片溫度并通過對比與試驗驗證。Novi等[15]和Mahmud等[16]研究了輸入轉速、冷卻油初始溫度、流量等對摩擦副間隙油膜溫度的影響規律。Pahlovy等[17]提出一種預測模型對冷卻油溫度隨不同轉速差、分離間隙以及摩擦片大小變化規律進行預測。Abdullah等[18-19]通過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,中外學者對于濕式離合器溫度場一般采用計算流體力學(computational fluid dynamics,CFD)仿真來研究分析,且受限于CFD仿真的特點,只研究一次接合時的溫度分布情況?，F建立具有連續的熱質量元件的濕式離合器系統模型以研究連續換擋即多次接合時溫度分布,且額外用兩個熱質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程或分離不徹底情況下會因為滑摩產生大量熱量,與干式離合器不同,濕式離合器處于一個封閉環境中,摩擦片與鋼片間一直存在油液,滑摩產生的熱量不僅可能會導致摩擦副的熱失效,還會使冷卻油液溫度上升黏度降低等問題[6]。因此分析工作過程中摩擦副溫度的變化非常重要。

摩擦副滑摩會將機械能轉化為內能,使摩擦副溫度升高。根據熱力學第二定律:熱在自然情況下只能從熱處傳遞到冷處。在離合器中,熱就會由高溫的摩擦副傳遞到相對低溫的油液、離合器轂或互相接觸但溫度相對低的摩擦片、鋼片等。由溫差引起的熱傳遞現象傳遞方式主要有:熱輻射、熱對流、熱傳導[20]。

熱輻射是非接觸的傳熱過程,其熱量傳遞是依靠電磁波輻射實現。因為是通過電磁波傳遞能量,所以在真空下也可以傳熱,且任何物體溫度大于0 K(絕對零度)都有熱輻射,其熱輻射能力與溫度相關。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;TK為絕對溫度。

熱對流也可以叫作對流傳熱,在工程領域比較常見的是固體表面與流動的流體之間的熱傳遞,其熱量傳遞是憑借流體流動中質點移動實現的。一般用牛頓冷卻定律表示,即

qw=hΔT

(2)

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ΔT=Tw-Tf

(4)

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

熱傳導是當物體沒有相對運動時物體之間的傳熱,實質上是因為分子在進行熱運動時,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。熱傳導是固體傳熱的主要形式。熱傳導的數學表達可用傅里葉定律描述,即

(5)

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式中:λ為熱導率;T為溫度;n為導熱面上的坐標。

摩擦副滑摩時的由機械能轉化成的內能主要由摩擦片、鋼片和油液吸收,但因為油液傳熱還有熱對流的方式、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為

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式(7)中:Kq為熱流分配系數;λm為摩擦片熱導率;ρm為摩擦片密度;cm為摩擦片比熱容;λg為鋼片熱導率;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,多片數意味著多個滑動界面,因此可以實現較大的扭矩傳遞。離合器通過活塞缸施加法向力來接合,當摩擦片和鋼片壓在一起時,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個鋼片和2個摩擦片。

2.1 花鍵力

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

當離合器鋼片和摩擦片在接合過程中沿花鍵滑動時,會產生摩擦?；ㄦI中摩擦的作用是導致作用在每個摩擦表面上的軸向力發生變化,并降低離合器每個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 仿真模型與傳熱計算

定義摩擦副編號從左開始依次為鋼片1、摩擦片1、鋼片2、摩擦片2、鋼片3,并假設鋼片3不會產生軸向位移。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據:一種用于摩擦片,另一種用于鋼片。油液型號是15W40。用7個熱質量元件分別表示鋼片、摩擦片、離合器內轂、離合器外轂的傳熱。

Temperature-Heat-flow-Computation是一個超級元件,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。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摩擦片或鋼片的質量的函數來計算。

圖4 Temperature-heat flow-computation超級元件

設置油液溫度333.15 K,流量2 L/min,初始轉速954 r/min,發動機扭矩與活塞力輸入如圖5所示。

圖5 發動機扭矩和活塞軸向力

3 仿真結果分析

主從動軸轉速仿真結果即換擋過程如圖6所示,當主動軸轉速與從動軸一致時,表示離合器完全接合,摩擦副沒有轉速差不發生滑摩。當主動軸與從動軸轉速差減小時表示離合器處于接合過程,摩擦副間隙逐漸減小,反之則表示離合器處于分離過程,摩擦副間隙逐漸增大。

圖6 主從動軸轉速

如圖7所示摩擦副第一次接合時鋼片與摩擦片的軸向位移,可以看出鋼片1最先開始運動,且總位移最大。每個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程。

圖7 鋼片與摩擦片軸向位移

3.1 溫度仿真結果分析

如圖8所示摩擦片和鋼片平均溫度隨時間變化曲線,根據仿真結果可以看出在接合過程開始時,只要存在差速,溫度就會急劇升高。當摩擦片和鋼片速度達到一致時,熱輸入結束,溫度下降,最初有陡峭的梯度。其中通過油液的散熱是一個潛在的影響。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,相應的油液體積增加,散熱顯著增加。最高溫度出現在鋼片2,摩擦片1次之,因此對鋼片2進行不同工況下的溫度仿真分析。

圖8 換擋過程中摩擦片與鋼片溫度

拖拉機在田間作業時,如播種、施肥、收割等,為保證作業質量其作業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濟性,拖拉機在低檔位區間換擋速度間隔一般為0.3～1 km/h,對于傳統拖拉機來說檔位使用時間比較短暫,需要經常換擋,換擋時間一般為1～2 s[23]。因此,針對不同的檔位使用時間設置為1、2、3、4、5 s,檔位使用時間越短代表換擋越頻繁。

如圖9所示,為不同檔位使用時間連續換擋時的溫升曲線,可以看出,第1次接合時,因為各項參數都一致所以溫升也相同。從第2次接合開始,溫度開始出現差距。換擋越頻繁,其溫升起始溫度也較高,在第2次接合時,檔位使用時間從1～5 s,其溫升起始溫度分別為67.14、67.58、68.14、68.83、69.59 ℃。通過曲線可以看出溫度下降趨勢是一致的,但因為換擋頻率不同,換擋頻率快的還未完全散熱即要進行下一次接合,所以溫升起始溫度就比較高。而第2次接合時起始溫度差距不大的原因是因為離合器只經歷過一次接合,相比于多次接合后的溫度還比較低,到第3次接合時溫升起始溫度差距就比較明顯,檔位使用時間從1～5 s,其溫升起始溫度分別為75.65、77.77、80.34、83.35、86.97 ℃。每次接合時的最高溫度也和其起始溫度相關,并且可以看出,溫升幅度越來越小。

文獻[5,24]分析了濕式離合器連續換擋的溫升特性:第2次接合時溫升幅度最大且通過試驗對比了連續4次和連續5次換擋時的溫升特性,得到了與本文上述仿真結果相類似的結論,因此認為本文所搭建模型有效,可用于后續研究。

為了更直觀地看出其溫升特性,將每次接合時的最高溫度以及對應的溫升起始溫度進行非線性擬合。

采用單指數模型中的一階衰減指數函數進行非線性擬合,選取連續9次接合時的溫度進行擬合,圖10所示為不同換擋頻率下多次接合時溫度最大值擬合曲線,其中調整后R2均為0.99以上,擬合效果較好。圖10中的點代表仿真結果,曲線代表根據仿真結果的點采用單指數模型擬合后的趨勢。由仿真結果可知,不同換擋頻率連續多次換擋后溫度趨于穩定,例如檔位使用時間為1 s時,其溫度最大值在第7次接合后溫升幅度小于1 ℃;而檔位使用時間為5 s時,其溫度最大值在第6次接合后溫升幅度就已經小于0.5 ℃。由擬合曲線也可以看出在多次接合后已經趨于水平。針對不同換擋頻率下的最高溫度,檔位使用時間從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%。因為隨著換擋頻率的加快,離合器產熱速度加快,而散熱速度和傳熱量有限,所以溫度上升幅度越來越大。但換擋頻率不可能無限制加快,所以不用擔心換擋極快時溫度持續上升。

圖10 多次接合溫度最大值擬合曲線

如圖11所示,針對每次接合時的起始溫度采用同樣的方法擬合,調整后R2為0.96以上,擬合曲線可以接受。其趨勢與不同換擋頻率下多次接合時溫度最大值擬合曲線趨勢一致。針對不同換擋頻率下每次接合時的起始溫度,檔位使用時間從5 s到1 s,換擋頻率每加快1 s,其接合時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,是因為隨著換擋頻率的加快,散熱時間縮短,所以每次接合時起始溫度就越來越高。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定。

圖11 多次接合時起始溫度擬合曲線

3.2 傳熱仿真結果分析

由前文分析知,在連續換擋過程中,摩擦片1和鋼片2溫度較高,因此針對二者的傳熱情況進行仿真分析。

圖12所示為摩擦片1和鋼片2滑摩生熱情況曲線,可以看出在短時間內,產生熱量較大,可達6 000 W以上。且多次接合后產熱量趨于穩定,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。對于鋼片2來說,其熱量主要來自滑摩時的摩擦生熱以及摩擦片1對其傳熱,所以鋼片2溫度較高。在滑摩時摩擦片1向鋼片2傳熱,其他時候是鋼片1向摩擦片1傳熱。其中摩擦片2瞬時吸熱量接近900 W,油液瞬時吸熱量不到800 W,摩擦片2最大瞬時吸熱量為油液的113.11%。所以鋼片2的熱量更多是由摩擦片2吸收,因為鋼片2和摩擦片1接合時溫度較高,隨后再與溫度較低的摩擦片2接合,此時,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進行熱傳遞。這也是摩擦片2吸熱較油液滯后的原因。而對于多次接合后,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 結論

采用AMESim軟件建立了拖拉機用濕式離合器系統模型,在考慮離合器轂的傳熱基礎上,仿真分析了濕式離合器連續換擋時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,得到如下結論。

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

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

(3)研究結果對拖拉機濕式離合器換擋時間控制以及摩擦副熱負荷設計具有一定的參考意義。