高線速狀態濕式離合器帶排轉矩特性研究

李 杰 馬 超 王曉燕

1.北京建筑大學機電與車輛工程學院,北京,102616 2.北京物資學院信息學院,北京,101149

0 引言

濕式離合器廣泛應用于大型機械[1]。濕式離合器在分離階段,摩擦片與對偶鋼片的間隙中存在冷卻潤滑油,摩擦片空轉狀態下,由于潤滑油的黏性,使摩擦片與潤滑油發生黏性剪切,產生帶排轉矩[2],造成功率的損失。

在帶排轉矩的研究方面,LLOYD等[3]率先搭建了試驗臺對濕式離合器進行試驗分析,通過試驗測得帶排轉矩,他們認為速度是影響帶排轉矩的最重要參數,增加油量會增加帶排轉矩,不同溝槽的摩擦片對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,結論不太準確。HASHIMOTO等[4]根據流體力學理論推導出止推軸承紊流方程,為濕式離合器帶排轉矩研究提供了借鑒,但不完全適用。KITABAYASHI等[5]進行了帶排轉矩試驗,認為離合器槽對帶排轉矩的影響較小,流量對帶排轉矩的影響很大,帶排轉矩隨著速度的增大而增大,在達到峰值后會降低,但沒有分析空氣的進入和高速工況。IQBAL等[6-7]根據連續性方程和Navier-Stokes方程,提出考慮層流的模型來計算帶排轉矩并使用SAE2號測試裝置進行試驗驗證,但模型對間隙中的多相流的量化可能不準確。周曉軍等[8]、PAN等[9-10]根據流體力學理論建立了考慮溝槽的氣液兩相模型,通過建立VOF仿真驗證油膜的收縮變化,并通過試驗進行驗證,但當離合器片間隙不變時高速帶排轉矩也會增大。NEUPERT等[11-13]設計了新的試驗臺,得到影響帶排轉矩的相關因素,通過試驗布置的高速相機進行記錄,與CFD模型進行了對比,他們還提出了一種測試濕式離合器片產生的流體軸向力的方法,分析了軸向力與離合器凹槽設計參數的相關性,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]利用相關邊界條件確定油膜分離產生邊界位置,進行試驗并分析了結果,證明轉速范圍對濕式制動器的重要性,但濕式制動器轉速范圍較低,與濕式離合器使用工況差距較大。ROGKAS等[16]設計了一種新型凹槽來分析帶排轉矩變化,通過CFD仿真分析流場,但缺少實際試驗進行驗證。LEISTER等[17]討論了濕式離合器中帶排轉矩求解的必要簡化,通過參數量綱一化將問題簡化為基本自由度,但模型的實際準確性還需檢驗。HU等[18]、彭增雄等[19]考慮摩擦片角向擺動和自振的情況對濕式離合器高速帶排轉矩的影響,但摩擦片的角向擺動現象還沒有被完全發現。成宵等[20]通過仿真分析了入口流量、溝槽槽角對帶排轉矩的影響,但仿真轉速沒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,但側重點在濕式離合器的分離過程,沒有考慮帶排轉矩。

由上可知,研究發現在高線速狀態下潤滑油膜不能完全覆蓋整個帶排間隙,油膜會收縮減小,摩擦片對潤滑油油膜黏性剪切降低,帶排轉矩減小,但在實際應用中發現帶排轉矩在高線速工況下會有回升的現象發生,在試驗測試過程中精確控制帶排間隙后發現帶排轉矩在高線速下仍呈現增大的情況。本文針對高線速狀態下帶排轉矩產生回升的變化特性,基于流體動力學模型對間隙油膜進行分析,考慮表面張力對油膜的影響和油-氣兩相流的變化,使帶排轉矩預測模型在高線速狀態下也能被準確預測。通過高速帶排試驗系統分析帶排間隙,潤滑油溫度、流量,轉速,摩擦片尺寸等參數對帶排轉矩的影響規律。

1 模型的建立

濕式離合器結構如圖1所示,它主要由摩擦片、對偶鋼片、壓盤、離合器內轂、外轂、回位彈簧、潤滑油油道、液壓油油道、輸入、輸出軸等組成。液壓系統控制液壓油壓使壓盤迅速壓緊摩擦片與對偶鋼片,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,潤滑油能夠帶走摩擦片與鋼片接觸過程中產生的熱量與碎屑。當摩擦片與對偶鋼片處于空載分離時,摩擦片與對偶鋼片存在相對轉速,潤滑油流經帶排間隙,潤滑油具有黏性,摩擦片的轉動對潤滑油造成黏性剪切,產生帶排轉矩。

圖1 濕式離合器結構簡圖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構,在空載分離階段,摩擦副間工作狀態相同,在分析中簡化為一對摩擦副。如圖2所示,摩擦片與對偶鋼片在分離帶排過程中,間隙保持不變,離合器間隙遠遠小于摩擦片的徑向尺寸,忽略潤滑油軸向速度與重力的影響。潤滑油為牛頓流體不可壓縮,雷諾數小于1400時潤滑油為層流,忽略摩擦片與鋼片表面粗糙度對流動的影響,建立流體Navier-Stokes方程：

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

(1)

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

根據帶排間隙流場邊界條件：

(2)

對式(1)進行軸向積分,應用流場邊界條件[22]：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

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

潤滑油徑向平均速度

vθm=rω/2

(8)

潤滑油軸向平均速度

(9)

根據式(9)變形,可得壓力的變化：

(10)

流經帶排間隙的潤滑油流量

(11)

式中,rm為油膜平均半徑。

1.2 油膜表面張力模型

潤滑油在帶排間隙中流動,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。潤滑油流過帶排間隙,與摩擦片、對偶鋼片表面接觸帶走熱量以及摩擦產生的碎屑。低速情況下,潤滑油的黏性力和油膜表面張力與離心力保持平衡,油液充滿整個間隙,油液體積分數不變。隨著轉速的增加,摩擦片線速度增大,油膜離心力的作用大于潤滑油黏性和表面張力,油膜產生收縮,空氣從摩擦片外徑處進入,帶排間隙中潤滑油流場由單相流變為油-氣兩相流。隨著轉速的增加,油膜減小,油相減小,油氣兩相流增大。假設間隙流場中存在一個半徑ro,使實際流場中油膜的面積與半徑ro內的油膜面積相等,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算求得的,平均半徑在內外徑之間。將式(11)代入式(10),在內徑r1與半徑r之間積分可得摩擦片間隙流場不同徑向位置的壓差：

(12)

間隙流場油膜內表面ro-與摩擦片內徑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,因為離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。在假設的等效油膜半徑處存在油膜曲面,如圖4所示。

對帶排間隙內油膜曲面進行放大,分析表面結構與受力,在潤滑油邊界表面取單位長度ΔL,將對應的表面張力ΔFσ進行分解。

平行、垂直于摩擦片方向的分力分別為

ΔFσ∥=ΔFσsinθ

(14)

ΔFσ⊥=ΔFσcosθ

(15)

沿L進行積分,其中,沿軸向的分力抵消,作用在潤滑油表面張力為

(16)

因為

Fσ=σL

(17)

故將式(17)代入式(16)且L=πh,假定油膜收縮系數為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徑處于油膜外表面之間壓差：

(21)

在濕式離合器中,潤滑油進口處壓力與出口處壓力大致相等,即p(ro+)-p(r1)=0,并且在實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影響帶排轉矩,對摩擦片間隙進行修正：

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。

1.3 帶排轉矩高線速模型

在低速區間,油膜完整覆蓋整個帶排間隙,等效半徑ro=r2,等于外徑,當油膜收縮時,等效半徑小于外徑但大于或等于內徑。即

(23)

潤滑油膜產生的帶排轉矩為

(24)

在油膜破裂區,除潤滑油還有油氣混合油霧[19],油霧產生的帶排轉矩Tm為

(25)

m副摩擦片的總帶排轉矩為

Tdrag=m(Tm+Tv)

(26)

濕式離合器在實際使用過程中比較關注摩擦片最大線速度,在試驗研究中主要以轉速為研究重點,二者關系為：

vx=rsnπ/30

(27)

式中,vx為半徑rs處線速度,m/s;n為摩擦片轉速,r/min。

潤滑油的黏性會影響帶排轉矩的結果,在摩擦片間隙中,摩擦片對油液的黏性剪切作用產生熱量,導致潤滑油溫度升高,黏性下降,熱量的產生也會造成帶排功率的損失,因此需建立溫度與摩擦片黏性的關系：

(28)

μx=0.18 MPa·s

根據上式可得到試驗潤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,但此時黏度較低。

圖5 潤滑油黏溫特性曲線Fig.5 Viscosity temperature characteristic curve of lubricating oil

1.4 VOF (volume of fluid)流體仿真

對理論油膜和油-氣兩相流的變化規律進行驗證,使用流體仿真軟件FLUENT,基于VOF模型建立摩擦片1/30模型,應用周期邊界對油膜流體進行仿真。由圖6a可以看出在300 r/min轉速時,油膜有部分收縮,空氣從外徑處進入,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：隨著轉速的增加,油膜會減小,空氣從外徑進入帶排間隙,轉速越大,油膜越小,帶排間隙空氣體積分數越大,油液體積分數α越小,試驗過程中觀察到摩擦片外轂處有氣泡產生。

(a)300 r/min時流體狀態

圖7 油液體積分數Fig.7 Oil fraction

由流體仿真數據與數學模型結果對比(圖7)可以發現：油液體積分數隨著轉速的增加在開始低速時沒有改變,間隙為單向流,隨著轉速的繼續增加,VOF仿真在200 r/min左右油液體積分數開始減小,間隙油膜破裂收縮,空氣進入,而數學模型此時油液體積分數仍然不變,在400 r/min左右模型油液體積分數開始減小。在500 r/min后隨著轉速增大,油液體積分數減小,模型與仿真的變化一致。轉速越大,油液體積分數越小。轉速越大,油液體積分數越小,模型與流體仿真的帶排間隙潤滑油量隨著轉速的變化一致,證明流體的模型變化準確。

2 仿真分析

根據推導模型,對濕式離合器空載過程中帶排轉矩的產生與變化機理進行研究,分析潤滑油溫度、流量、帶排間隙、摩擦片尺寸對帶排轉矩的影響。具體參數見表1。

表1 試驗與仿真參數

濕式離合器帶排轉矩隨轉速的關系如圖8所示。可以看到,帶排扭矩隨轉速的變化可以分為三個區間,在低轉速區間,帶排轉矩隨轉速的增加而增大,帶排間隙滿油膜狀態,達到第一臨界轉速時,帶排轉矩到達最大值。這是由于在低轉速區間,潤滑油充滿摩擦片與對偶片的整個間隙[23],帶排轉矩與轉速類似成線性關系。在中轉速區間,隨著轉速的增加,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,帶排轉矩減小。在高轉速區間,油膜減小,等效半徑減小,隨著轉速的增加,油氣兩相流的增加使帶排間隙的油霧增加,油霧的黏性產生帶排轉矩,影響高速帶排轉矩。并且高速階段摩擦片會有概率產生負氣壓碰撞,使高速階段帶排轉矩增大。本研究以摩擦片最高轉速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。

圖8 帶排轉矩隨轉速變化規律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矩變化曲線如圖9所示,可以看出,在低速區間帶排轉矩變化相同,兩曲線基本重合,徑向槽使第一臨界轉速減小,帶排轉矩最大值減小,中高速區間溝槽對帶排轉矩的影響基本不變。摩擦片表面溝槽的存在使潤滑油通過帶排間隙的能力增強,使間隙潤滑油膜保持能力降低,在相同轉速下,油膜減小,使帶排轉矩降低。圖10所示為不同潤滑油溫度對帶排轉矩的影響,可以發現,潤滑油溫度的升高在一開始就會對帶排轉矩產生影響,在低速區間兩種條件下帶排轉矩差別不大,潤滑油溫度對帶排轉矩最大值的影響較明顯,且在第一臨界轉速后,隨著轉速的增大,對帶排轉矩轉矩的影響愈加明顯,見表2。隨著溫度升高,潤滑油黏度降低,會使帶排轉矩轉矩減小,且黏度降低會使油膜表面張力減小,黏性系數減小,油膜受轉速敏感性增加。

表2 不同潤滑油溫度下仿真對比

圖9 仿真溝槽對帶排轉矩的影響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帶排轉矩隨轉速的變化曲線,在低速階段流量對帶排轉矩無影響,但流量會影響低速區間的范圍,流量越大,低速區間越大,完整油膜保持的時間越長,且隨著流量的增大,第一臨界轉速與最大帶排轉矩增大。當流量為1.8 L/min時,第一臨界轉速在200 r/min左右,帶排轉矩最大值為11.75 N·m;當流量為3,6,9,12 L/min時,第一臨界轉速和最大帶排轉矩分別為：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。在中轉速區間,油膜破裂縮小,帶排轉矩隨轉速的增加而減小,不同流量下變化相同;在高速區間,隨著流量的增加,帶排轉矩上升的趨勢增大,流量最小時上升趨勢最不明顯,流量的增大不僅影響間隙油膜的大小,也會影響油-氣兩相流的黏度大小,從而影響高速帶排轉矩的變化。在2000 r/min之后的高速區間,流量12 L/min的條件下,2000,3000,4000,5000 r/min對應的帶排轉矩分別為4.62,6.73,9.65,13.29 N·m。環比增長率分別為45.6%、43.3%、37.7%。而流量分別為9,6,3,1.8 L/min時,相同轉速下對應環比增長率分別為：38.7%、39.7%、35.5%,29.4%、25%、31.9%,13%、22.1%、24.4%和4.4%、12%、17.6%。可以看出,隨著流量的增大,高速區間帶排轉矩隨轉速的增長速度也在變大。流量的增大使高線速狀態下油-氣兩相流的黏度增大,流量越大,高線速下帶排轉矩回升越大。

圖11 仿真不同潤滑油流量下的帶排轉矩Fig.11 Simulation of different lubricating oil flow with drag torque

圖12所示為不同間隙下帶排轉矩隨轉速的變化,可以明顯看出,間隙對帶排轉矩的影響在低速與中速區間比較明顯,在高速區間影響較小。在第一臨界轉速,帶排轉矩達到最大值,間隙分別為3.0,3.6,4.2,4.8 mm時,帶排轉矩分別為26.05,22.89,15.44,11.34 N·m,帶排轉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,隨著間隙的減小,帶排轉矩在中低速區間平均增長率為40.9%、36.4%、36.6%,在高速區間內平均增長率為11.2%、6.8%、11.3%,可以看出間隙對帶排轉矩的影響在中低速約是高速的3.8倍。這是因為在中低速范圍,間隙的大小對油膜的狀態影響較大,間隙的增大使相同轉速下相同油膜狀態需要的潤滑油流量增大,但流量不變,會使油膜較早收縮,油膜的收縮變化發生在中低速區間,因此對中低速區間帶排轉矩的影響較大,在高速階段,油膜已經收縮較小,潤滑油膜對間隙變化的敏感度降低,此時間隙越小,間隙體積越小,油-氣兩相流的黏度增大,高速帶排轉矩增大。

圖12 仿真不同間隙下的帶排轉矩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1參數條件下三種不同尺寸摩擦片的帶排轉矩變化,隨著摩擦片尺寸的增加,帶排轉矩增大,但對轉速區間并沒有影響,低速、中速、高速區間基本相同,在低速區間,摩擦片尺寸越大,油膜的面積越大,摩擦片對油膜剪切作用也越大,導致帶排轉矩增大。在第一臨界轉速時摩擦片1、2、3最大帶排轉矩分別為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矩增長速度變快,在1000 r/min時,摩擦片1、2、3帶排轉矩分別為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,摩擦片1、2、3帶排轉矩分別為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。可以看出,隨著轉速的增大,不同尺寸摩擦片帶排轉矩的增長趨勢不同。

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

3 試驗分析

3.1 試驗設備與方法

濕式離合器帶排特性試驗測試如圖14所示,主要包括：動力單元系統,試驗箱,力-位移雙環控制伺服加壓系統,冷卻潤滑系統,數據采集和控制單元。其中,主電機最高轉速10 000 r/min,輔電機最高轉速5000 r/min,力-位移雙環控制的伺服壓力系統精確度可達±0.03 mm,冷卻潤滑系統可以調節潤滑油的流量與溫度。

(a)離合器試驗臺的3D結構

3.2 試驗摩擦片

本次試驗有三種尺寸銅基摩擦片,進行三組系列帶排轉矩試驗,摩擦片如圖15所示。

圖15 試驗摩擦片Fig.15 Test friction disc

3.3 試驗流程

測試時,主電機驅動摩擦片旋轉,同時對偶鋼片保持靜止狀態,具體流程如下：

(1)啟動潤滑油溫度控制系統,使流體溫度保持在正常工作溫度范圍內。

(2)伺服線性驅動系統采用力-位移閉環控制,當系統檢測到壓力的變化時,將其保存為位移零點,并切換到位移閉環控制,使間隙達到設定的要求。

(3)主電機帶動摩擦片旋轉,轉速范圍在0～5000 r/min。在升速過程中,保持恒速30 s以穩定潤滑油膜,記錄該轉速下對應的轉速值,從而分析轉速對轉矩的影響。考慮到低速區的轉矩變化比較劇烈,則低速區的記錄間隔為20 r/min,在高轉速區的記錄間隔為200 r/min。

(4)改變潤滑油流量,潤滑油溫度,分離間隙等條件,重復上述過程。

試驗過程中轉速與轉矩隨時間的變化如圖16所示,隨著時間的增加,轉速按照預先設好的流程進行改變,轉矩在不同的轉速下有不同的變化。可以看出帶排轉矩有兩個明顯的轉折點,對應的轉速分別為第一臨界轉速和第二臨界轉速,其中,第一臨界速度為帶排轉矩到達最大值時轉速,第二臨界轉速為帶排轉矩最小值時轉速。

圖16 試驗過程中轉速、轉矩隨時間的變化Fig.16 Variation of speed and torque with time during the test

4 試驗結果分析

4.1 轉向與油溫對帶排轉矩的影響

根據濕式離合器帶排測試系統,得到帶排轉矩隨轉速的變化曲線。圖17所示為摩擦片不同旋轉方向對帶排轉矩的影響變化,當濕式離合器處于空載摩擦片空轉時,在低轉速階段,順時針與逆時針旋轉方向帶排轉矩無較大變化,但對帶排轉矩最大值的影響明顯。順時針旋轉時在第一臨界轉速(約400 r/min)處達到帶排轉矩最大值17.7 N·m,而逆時針旋轉方向帶排轉矩最大值不明顯,沒有出現較大峰值,在轉速約500 r/min處,帶排轉矩達到最大值12.6 N·m。在中轉速階段帶排轉矩變化曲線基本重合,在轉速1500 r/min時,逆時針與順時針旋轉方向帶排轉矩分別為2.89 N·m、2.21 N·m,相差0.68 N·m;在轉速5000 r/min時,逆時針與順時針旋轉方向帶排轉矩分別為4.24 N·m、3.53 N·m,相差0.69 N·m;在高速階段,順時針旋轉方向帶排轉矩一直小于逆時針旋轉方向帶排轉矩且兩者差值基本不變。由此可以得到以下結論：順時針旋轉方向在中低轉速第一臨界轉速前后帶排轉矩較大,高速階段帶排轉矩較小,而逆時針旋轉方向在中低速帶排轉矩較小,但高速階段帶排轉矩較大。對于高線速工況,應優先考慮逆時針旋轉方向。

圖17 不同轉向對帶排轉矩的影響試驗結果Fig.17 The results of different steering pairs against drag torque

圖18所示為不同油溫下帶排轉矩的變化曲線,與仿真結果較一致。轉速約260 r/min后、潤滑油溫度20 ℃時的帶排轉矩一直大于潤滑油溫度40 ℃時的帶排轉矩,第一臨界轉速分別為360 r/min和260 r/min,對應帶排轉矩為27.1 N·m和19.8 N·m,之后兩條帶排轉矩曲線差值無太大波動,在轉速3000 r/min后,潤滑油溫度20 ℃時的帶排轉矩增長明顯,潤滑油溫度40 ℃時的帶排轉矩基本不變。當潤滑油溫度升高后黏度下降,在轉速260 r/min前對帶排轉矩的影響不明顯,黏度的改變會使油膜與摩擦片和對偶鋼片的黏性力與表面張力發生變化,對離心力的敏感度增加,使第一臨界轉速與最大帶排轉矩減小。在高速階段,油-氣混合物的黏度也與潤滑油溫度有關,會對高線速帶排轉矩造成影響。

圖18 不同油溫對帶排轉矩的影響試驗結果Fig.18 The results of different oil temperatures on the drag torque

4.2 試驗流量與間隙對帶排轉矩的影響

圖19所示為不同流量下帶排轉矩的變化曲線,在320 r/min前,不同流量曲線重合,帶排轉矩轉矩相同,隨著流量的增加,第一臨界轉速和最大帶排轉矩分別為：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。在轉速500～1500 r/min范圍,油膜破裂,帶排轉矩減小,在轉速1500 r/min后,帶排轉矩隨流量的增大而增大且變化曲線較一致。

圖19 不同流量下帶排轉矩結果Fig.19 The results of drag torque under different flow rates

圖20所示為帶排轉矩在相同轉速下隨流量增大的變化曲線,在100 r/min與200 r/min時,不同流量下帶排轉矩不變;在400 r/min與800 r/min時,帶排轉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,帶排轉矩隨流量增大而增大,且基本呈線性變化。與仿真結果較一致,可以發現隨著流量的增加帶排轉矩曲線增大：在低速階段帶排轉矩曲線重合,潤滑油流量對帶排轉矩基本無影響,流量增大,第一臨界轉速增大,帶排轉矩最大值增大。在中高速階段,帶排轉矩變化趨勢相同,但流量越大,帶排轉矩越大。在低速階段,帶排轉矩滿油膜狀態,流量對帶排轉矩無影響,流量越大,油膜覆蓋間隙能力越強,油膜收縮轉速越大,相同轉速等效半徑增大;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矩試驗變化曲線,可以發現：在300 r/min前,不同間隙帶排轉矩曲線基本重合,帶排轉矩相同,隨著間隙的減小,低轉速區間增大,第一臨界轉速和最大帶排轉矩增大,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。中轉速階段,油膜破裂帶排轉矩減小,其中間隙4.8 mm、4.2 mm、3.6 mm曲線在此階段有明顯波動,間隙3 mm曲線無波動。在轉速1500 r/min后,帶排轉矩曲線較平穩,間隙越小,帶排轉矩越大,間隙4.8 mm與4.2 mm處帶排轉矩曲線較接近且在4000 r/min高轉速下接近3.6 mm帶排轉矩曲線,與間隙3 mm處帶排轉矩曲線有明顯差距。

圖21 不同間隙帶排轉矩結果Fig.21 Drag torque results with different clearances

圖22所示為相同轉速下帶排轉矩隨間隙的變化,可以看出：在轉速100 r/min時,不同間隙下帶排轉矩相同;在轉速200 r/min時,間隙由3 mm增大到3.6 mm但帶排轉矩基本不變,間隙由3.6 mm增大到4.2 mm時帶排轉矩由13.6 N·m變為11.4 N·m,間隙由4.2 mm增大到4.8 mm時帶排轉矩略有下降。轉速400 r/min、800 r/min、1600 r/min時,帶排轉矩隨間隙的增大而減小,兩曲線變化一致;在轉速3200 r/min、5000 r/min時,間隙3 mm、3.6 mm處帶排轉矩變化不大,隨轉速的增加,間隙4.2 mm、4.8 mm處帶排轉矩增大,帶排轉矩隨間隙的增大而下降。在相同流量下,間隙越小,帶排轉矩總體會增大。在低速階段,不同間隙帶排轉矩曲線重合,間隙越小,第一臨界轉速越大,帶排轉矩最大值越大。在中速階段,間隙對帶排轉矩最大值的影響較大,在高速階段間隙的影響會下降。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速,二者帶排轉矩的變化規律基本相同。

圖22 試驗帶排轉矩隨間隙的變化Fig.22 Test drag torque changes with clearance

4.3 不同尺寸摩擦片帶排轉矩

圖23所示為表1三種不同尺寸摩擦片試驗帶排轉矩隨轉速變化曲線,摩擦片1、2、3的內徑、外徑依次增大。在轉速200 r/min前,三種摩擦片帶排轉矩曲線差別不大,摩擦片1、3曲線基本重合,摩擦片3尺寸最大,第一臨界轉速時帶排轉矩最大,摩擦片2尺寸大于摩擦片1尺寸,但中低速帶排轉矩小于摩擦片1帶排轉矩,在1500 r/min之后階段,摩擦片1帶排轉矩最平穩,摩擦片3轉矩波動頻率最高。摩擦片尺寸會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矩無規律差異,在高速階段,隨著摩擦片尺寸的增大,易發生不穩定碰撞而導致帶排轉矩變化。

圖23 不同尺寸濕式離合器帶排轉矩結果Fig.23 Drag torque results of wet clutch with different sizes

4.4 模型與試驗對比分析

采用上述仿真與試驗結果進行對比分析,對仿真與試驗數據在低轉速階段(0～400 r/min)和中轉速階段(400～1200 r/min)、高轉速階段(1200～5000 r/min)進行分析,得到圖24。仿真與試驗數據曲線一致,在低速范圍,試驗與仿真都呈線性快速增長,轉速360 r/min為試驗第一臨界轉速,帶排轉矩為27.1 N·m,轉速400 r/min為仿真第一臨界轉速,帶排轉矩為27.24 N·m;在中轉速區間,仿真帶排轉矩與試驗數據一致,隨轉速增大而減小,但降幅更大,在此區間油膜開始收縮,模型忽略摩擦片與鋼片表面粗糙度對油膜狀態的影響;在高轉速區間,仿真與試驗數據隨轉速的變化而變化,模型能夠更加準確地預測濕式離合器帶排轉矩的變化。

5 結論

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

(2)潤滑油溫度會對帶排轉矩造成影響,隨著溫度的升高,潤滑油黏性降低,帶排轉矩減小。

(3)旋轉方向的改變會對溝槽摩擦片帶排轉矩造成影響,不同旋轉方向會對摩擦片溝槽的排油能力造成影響。

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

(5)摩擦片在高線速狀態下,尺寸越大,帶排轉矩越不穩定,故設計摩擦片時應避免在高線速下摩擦片尺寸過大。