考虑热效应影响的液黏调速离合器流体剪切转矩预测研究

， ，2， 　(.北京理工大学 机械与车辆学院， 北京　0008； 2.北京理工大学 车辆传动国家重点实验室， 北京　0008)

引言

液黏调速离合器具有无级调速、启动冲击小和同步传动等特点，是实现机械设备节能降耗的有效手段，一直是世界各国研究的热点，既可以实现机械设备运行过程中的调速，也可以实现机械设备的软启动[1-5]。

在液黏调速离合器稳态调速工作过程中，由于主、从动摩擦片之间大部分时间处于滑差状态，会不断产生黏性耗散热，从而造成工作油液和摩擦副温度升高。温度的变化反过来对工作油黏度产生影响，进而影响流体剪切转矩的传递。因此, 考虑热效应的影响能更加准确预测摩擦副间流体剪切转矩。同时，对摩擦副间流体传热影响的研究也将有助于了解导致摩擦片表面过热，工作介质黏度急剧降低及热应力产生的原因。

Tatara[6]采用雷诺方程或修正雷诺方程对湿式离合器啮合过程中的传热进行研究；Marklund[7]研究摩擦片处于边界润滑条件下，热效应对湿式离合器转矩传动性能的影响，但他们没有考虑流体黏度与温度之间的关系。谢方伟[8]通过简化的N-S方程对液黏调速离合器无沟槽或径向沟槽摩擦片的压力场、温度场和流体剪切转矩进行数值研究。黄家海[9]等在考虑油液黏度随温度变化的基础上通过仿真研究了流体润滑条件下液黏调速离合器无沟槽摩擦副间隙内流体主要传热方式。CUI Hong-wei[10]考虑高转速时油膜收缩不能充满整个摩擦副时，对无沟槽摩擦片的液黏调速离合器流体剪切转矩进行研究。

因此，本研究以圆弧油槽摩擦片与对偶钢片之间的流体为研究对象，建立考虑热的三维CFD模型，对摩擦副间的流场分析得到热效应对油膜的压力、温度分布和流体剪切转矩的影响，对流体剪切转矩做出了更准确的预测。

1　几何模型

液黏调速离合器利用油膜剪切传递转矩，摩擦副的几何模型如图1所示。由于双圆弧摩擦片60对油槽结构循环对称的特征，为减小计算量和加快计算速度，建立摩擦副间隙内流体的流场模型为1/60单周期模型，通过给定周期性边界条件模拟整个摩擦副的流动情况，取完整油膜的1/60模型为计算分析的对象，如图2所示。

图1　双圆弧槽摩擦副组成

2　控制方程

假设摩擦副间的流体是不可压缩非等温流体，并且忽略重力和其他外部体积力。稳态条件下，守恒方程表示为如下形式。

质量守恒方程:

▽·(ρV)=0

(1)

图2　1/60油膜几何模型

动量守恒方程:

ρ(V·▽)V=-▽p+▽·(μ▽V)

(2)

能量方程:

ρcpV·▽T=▽·(λf▽T)+ST

(3)

其中,V为速度矢量；ρ为流体密度；p为流体微元体上的压力；T为温度；cp为比热容；λf为流体的传热系数；ST为黏性耗散项；μ为流体的动力黏度，考虑流体黏温特性[11]。

(4)

其中，t为油温，℃。

2.1　CFD模型和边界条件

假设流体的入口和出口压力均为定值，流体区域的两侧均为循环边界。摩擦片有一个旋转速度，对偶钢片无旋转速度，假设流体和固体的接触面均无相对滑动。

不考虑热效应的CFD模型，入口油温为定值，并且不考虑温度对流体黏度的影响。对于考虑热效应的CFD模型，考虑黏温特性的影响，流体区域与固体区域均为对流热交换，假设壁面上的对流热传导系数相等，表示为hc。计算模型所需要的参数如表1所示。

表1　模型参数

(续表)

2.2　数值求解和计算流程

研究中利用一种商业CFD软件CFD-CAE+，选择其中的流动和热传导模块。首先在三维建模软件Pro/E中建立几何模型，将其导入到前处理软件CFD-GEOM中生成网格。为了加强模型计算的准确性，采用五面体棱柱行网格，生成的棱柱形网格如图3所示。

图3　模型网格

将网格模型导入求解软件CFD-ACE+中，首先选择求解器模块，这里用到流动和热传导模块，然后对材料的性质以及边界条件进行设置，设置黏度时选择用关于温度t的分段函数方式。模型一旦设定，求解器所需的控制参数也就选定了，流动速度的求解方法选择共轭梯度的方法，压力和能量方程选择代数多重网格方法。所有求解器收敛标准都设为10-4。

所有参数设定后，求解器进入运行状态，通过设定的参数和条件所得的计算结果保存在模型文件夹下。后处理任务是通过单独的后处理软件CFD-VIEW完成。

3　计算结果分析

3.1　压力分布

给定的压力入口条件是入口压力大于出口压力，所以整体趋势是呈内大外小的趋势，图4为转速为3000 r/min，膜厚在0.3 mm条件下油膜上的压力等高线分布图。图4a为考虑热效应的计算结果，图4b为忽略热效应的计算结果。发现两种模型下的压力分布几乎相同，均是高压区发生在接近入口处，并且与旋转方向相反的槽内侧压力较小，一部分原因是因为这些位置的走向与离心力的方向夹角较大。不同之处是图4b图中的最大压力略高于图4a图的最大压力0.01 MPa。 如此说明热效应对摩擦副壁面的压力影响不大。

图4　压力分布云图

3.2　温度分布

热效应必然会对流体内部温度造成影响。图5为考虑热效应的模型在转速为3000 r/min，膜厚为0.3 mm 条件下油膜在z向不同位置上的x-y平面上的温度分布图，图下面的值为截面在z方向上的位置。其中-0.25 mm

图5　油膜截面温度分布云图

图5中可以观察到半径方向上，流体温度随着半径的增大而升高，因为随着半径增大，流体的剪切线速度增大，产生的黏性耗散热较多。结合壁面上的压力分布，压力较大的位置温度并没有因此而变化很大，说明影响温度最主要的因素是油膜剪切的线速度。对比观察在同一径向位置处靠近槽部分(z=0.1 mm)流体的温度发现无槽部分流体温度要高于有槽部分的温度，说明油槽对促进油液带走热量能够起一定的作用。

3.3　流体剪切转矩分析

针对不同工况下的油膜的流场进行计算分析，图6为油膜厚度为0.1 mm，入口油压为0.3 MPa工况下，各个模型计算所得流体剪切转矩随转速变化规律与实验结果的对比。忽略热效应的计算模型的流体转矩随着转速的升高呈线性增长，并且随着转速的增大越来越偏离实验结果；而考虑热效应的计算模型的流体剪切转矩增大的趋势随着转速增加而变得缓慢，其走向与实验结果比较吻合，计算结果之所以略大于实验结果是由于实验过程中存在着其他的损失，如轴承、花键等的损失。因此，考虑热效应的计算模型对于预测流体剪切转矩比较准确。

图6　仿真结果与实验结果的比较

图7所示为三种油膜厚度油膜的流体剪切转矩随转速变化的仿真结果与实验结果的对比。流体剪切转矩随着油膜厚度的增大而减小，随着转速的增大而增大。转速越大流体剪切转矩的增加速率就越缓慢，这是因为流体剪切的线速度增大，温度升高造成流体的黏度减小， 传递流体剪切转矩的能力降低，但此时仍然是转速占主导地位，所以流体剪切转矩依然增大，但增大的速率变小。

图7　不同油膜厚度下流体剪切转矩变化规律

3.4　油膜厚度影响分析

图8所示为转速为3000 r/min时不同厚度的油膜随着转速的变化传递到对偶钢片上流体剪切转矩的变化。流体剪切转矩随着油膜厚度的增加而变小，因为摩擦转矩的大小与油膜的承受负载能力有关，油膜的承受负载能力随着油膜厚度的增加而减小，而随着转速的增加而增大。并且随着油膜厚度的不断变大，摩擦转矩的变化不如油膜厚度较小(0.1～0.2 mm)时候的变化明显，所以在运用这种装置传递流体剪切转矩时利用较多的是油膜厚度较小的阶段。

图8　流体剪切转矩随油膜厚度变化规律

4　结论

应用商业CFD软件建立了考虑热效应影响的三维流体模型，求解得到了摩擦副间流体的压力分布，温度分布和流体剪切转矩。分析得到如下结论：

(1) 热效应对摩擦副间流体的压力分布影响不大，压力仅略大于不考虑热效应的情况。影响温度分布的主要因素是流体剪切的线速度，压力对温度分布影响不大；

(2) 流体剪切转矩随着转速的增大而增大，但规律并非线性，而是随着转速增加，增大速率逐渐变慢。流体剪切转矩随着油膜厚度的增加而减小，而且在薄油膜阶段下降的要更快一些。

对比实验结果，得出考虑热效应影响的三维CFD模型能够较为准确地预测流体剪切转矩。

参考文献：

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[7]MARKLUND P,M′ KI R, LARSSON R, et al.Thermal Influence on Torque Transfer of Wet Clutches in Limited Slip Differential Applications [J]. Tribology International,2007,40(5):876-884.

[8]谢方伟.温度场及变形界面对液黏传动特性影响规律的研究[D].徐州：中国矿业大学，2010.

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[10]CUI Hong-wei,et al. Mathematical Model and Experiment Validation of Fluid Torque by Shear Stress Under Influence of Fluid Temperature in Hydro-viscous Clutch[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering (English Edition), 2014,27(1):32-40.

[11]刘丁华.车辆传动系统流体动压型涨圈密封润滑特性研究[D].北京：北京理工大学，2012.