濕式離合器阻力矩預(yù)測模型外文文獻翻譯、中英文翻譯,離合器,阻力,預(yù)測,模型,外文,文獻,翻譯,中英文 濕式離合器阻力矩預(yù)測模型 車輛傳動國家重點實驗室，北京理工大學(xué)，北京10081，中國 2008年9月16接收，2009年2月23修訂，2009年2月26接受，2009年2月27電子出版 摘要：減少分離的濕式離合器的阻力力矩是提高車輛傳動性能的一個重要方法，離合器油膜間隙的流動已經(jīng)被研究過了，基于層流的三維納維葉－斯托克斯方程提出了拖動轉(zhuǎn)矩模型，壓力和速度分布推導(dǎo)出徑向和圓周方向，理論分析表明，由徑向力引起的油膜徑向加速度是油膜收縮的主要原因。阻力力矩的峰值出現(xiàn)在油膜開始收縮時，引入一個變量可以很好的評價有效油膜面積和收縮后的阻力矩。在工作狀態(tài)下，測試在不同離合器轉(zhuǎn)速和油液粘度下阻力力矩曲線，測試確認試驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果一致。這個模型在預(yù)測阻力力矩上表現(xiàn)良好，為減少阻力矩奠定了理論基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞：濕式離合器、阻力矩、數(shù)學(xué)模型 1、說明 減少濕式離合器的阻力矩是車輛傳動研究的重點，因為這是提高傳動效率的一個有效方法。因此有必要構(gòu)建一個水動力模型,揭示濕式離合器的阻力矩特征。 傳統(tǒng)的基于離合器層流和完整油膜的模型在離合器高轉(zhuǎn)速時表現(xiàn)不佳： 方程（1）只能代表一個典型的阻力矩曲線的上升部分在低速區(qū)域充滿了油膜間隙時。 1993年，KATO推導(dǎo)出了描述離合器片間油膜的壓力分布和阻力矩的方程： 在KATO的論文中， 提出了一個完整油膜的等效半徑法，打破了離心力和阻力矩的峰值預(yù)測，他的論文揭示了油膜收縮的規(guī)律并制定了阻力矩模型開發(fā)的框架。由于有效區(qū)域的等效半徑被忽視了，他的模型在高轉(zhuǎn)速時的表現(xiàn)也不佳，當?shù)刃О霃綔p少時，阻力矩在高轉(zhuǎn)速時顯著下降。 2007年，YUAN，介紹了油的表面張力效應(yīng)壓力方程來評估這個因素對阻力矩的影響的預(yù)測，但是結(jié)果是矛盾的，因為相比高速時離心力的影響，表面張力的影響不是主要的。 從上述對以前論文的回顧，很明顯，應(yīng)該建立一種不僅在低速區(qū)域而且在高速區(qū)域都有效的數(shù)學(xué)模型來預(yù)測阻力矩。這項工作是引入納維葉－斯托克斯方程推導(dǎo)出流速度分布,合理描述油膜收縮后的有效面積和阻力矩。 在模型分析的基礎(chǔ)上，試驗論證。 2、 理論分析 在分離狀態(tài)下的濕式離合器真是工況下，作出如下假設(shè)： （1） 液體不可壓縮和狀態(tài)穩(wěn)定； （2） 在濕式離合器間隙中的流體是層流和對稱的； （3） 忽略重力的影響； （4） 流體在三個坐標方向有一下三個方程： 其中是圓周方向的速度，是徑向速度，是軸向速度 在穩(wěn)定狀態(tài)下，無溝槽分離的濕式離合器摩擦盤和分離盤之間不可壓縮的油膜如圖1所示： 圖1，濕式離合器示意圖 納維葉－斯托克斯方程變形如下： 其中ρ是油液密度，μ是油液粘度，p是油壓 圖1中，上述方程的邊界條件如下： 其中是離合器轉(zhuǎn)速，是外層半徑油壓，是內(nèi)層半徑油壓，是進給壓力，h是軸向間隙，r是半徑 參考CHANG和考慮到邊界條件，我們知道了在摩擦盤和壓盤間隙之間油液的徑向速度分布： 其中z是離合器間隙的軸向距離，Q是理想的進給流率 進給流率可以有徑向速度的積分得出： 將方程（7）代入方程（8）中 徑向壓力分布可以用方程（9）在徑向的積分和邊界條件求出， 其中是離合器外層半徑，是離合器內(nèi)側(cè)半徑 將方程（6）代入方程（10）中，得到進給壓力為： 從方程（1）可以看出壓力分布與幾何參數(shù)、h，油液參數(shù)ρ、μ和Q、有關(guān)，這表明離合器轉(zhuǎn)速和進給流率影響壓力分布，特別是Q、很大時。方程（10）由三個壓力分布構(gòu)成，第一個由兩個固定盤間的穩(wěn)定流引起，第二個由慣性離心力引起，第三個由流動慣性引起。因此，離合器轉(zhuǎn)速和進給流率在濕式離合器的壓力分布中起重要作用。 在很多情況下，進給壓力和離合器出口壓力幾乎相等，即=，方程（11）能夠用來求出離合器間隙中完整油膜的進給流率。 如方程（7）所示，徑向壓力分布也是由三部分構(gòu)成，第一部是兩塊固定板間的穩(wěn)定流，當半徑減小時流速減小，第二部分是慣性離心力，當速度和半徑增加是它的速度也增加，第三部分是流動慣性，當進給流率很大時，不能被忽略。因此，慣性離心力和流動慣性加速了離合器壓盤間隙中油液的流速。在很多情況下，進給流率是常數(shù)。當徑向速度增加時，由質(zhì)量守恒定律，徑向交叉區(qū)域必須收縮。在較低的轉(zhuǎn)速下，離心力很小，當流體靠近外層半徑時徑向速度減小以滿足質(zhì)量守恒定律，因此，離合器壓盤間存在完整的油膜。當轉(zhuǎn)速提高時，離心力成為推動流體流向外層的主要因素，流體在徑向方向開始加速。結(jié)果，為了滿足質(zhì)量守恒定律，是的壓盤間流淌的油液增加，如圖2所示。用來評價從油膜開始收縮時的不完整的油膜。 圖2 離合器局部油膜示意圖 在邊界條件下，外層半徑壓力為0，油膜開始收縮時的壓力與外層半徑一樣，所以方程（10）可以作如下變形： 是工作狀態(tài)下的進給流量 可以當知道后從方程（13）中解出，將方程（9）代入方程（7）中，可以得當徑向的速度分布： 徑向速度分布可以分解為三個分速度，是與固定盤間流量有關(guān)的穩(wěn)定速度分布，是與離心力有關(guān)的離心速度分布，是與進給流量有關(guān)的流體慣性速度分布。當轉(zhuǎn)速增加時，離心速度分布成為主要因素，因此徑向速度增加，為滿足質(zhì)量守恒定律，油膜開始收縮。 為了評價在高轉(zhuǎn)速油膜開始收縮后，阻力矩的影響，我們需要一個基于質(zhì)量守恒定律的模型來描述有效油膜阻力矩。油膜開始收縮的交叉區(qū)域面積和整個油膜面積的比值定義為（r）。 為計算徑向速度的最大值，方程（14）可以寫成如下形式： 之后我們從=0得出徑向速度的最大值（r），事實上，由于方程（15）是一個高階方程，我們可以用數(shù)字解法求出（r），本論文中求解（r）的方法是用的數(shù)字解法。 從（r）的定義，我們有， 而 旋轉(zhuǎn)盤間的剪切應(yīng)力： 在每個旋轉(zhuǎn)盤上的阻力矩可以表達為， 將方程（18）代入方程（19）中，可以得到離合器阻力矩， 其中，N是摩擦盤的數(shù)目 以上所有分析都是基于層流的，為了評價這個模型，我們必須檢查雷諾數(shù)。 其中，d是液體直徑，是油液粘度 3、 模型檢驗 用模型預(yù)測和試驗結(jié)果之間的比較來驗證上述模型，幾何參數(shù)列在表1中，實驗條件列在表2中。 表1 幾何參數(shù) 序號 外徑 /mm 內(nèi)徑 /mm 離合器間隙 H/mm 1 86 125 0.5 2 86 125 0.5 表2 試驗條件 序號 進給流率 /（L/min) 密度 /(kg/) 粘度 /() 摩擦盤數(shù) N 1 6 882 0.06 12 2 9.6 882 0.06 12 KATO提出的模型結(jié)果與傳統(tǒng)模型結(jié)果的比較，更好的證明了新模型是對舊有模型的改進。 如圖3所示，是在進給流率是6L/min時，固定盤穩(wěn)流在徑向方向的速度分布。半徑增加時徑向速度減小，在外徑時達到最小值。圖中減號意味著減少的速度沿徑向方向。 圖3 固定盤穩(wěn)流在徑向方向的速度分布 圖4是在轉(zhuǎn)速為550r/min時，由離心力所引起的徑向速度分布，圖5是由流動慣性引起的速度分布。很明顯，后者比前者更小，因此，當進給流率很小時，流動慣性的影響可以忽略。 圖4 由離心力所引起的徑向速度分布 圖5 流動慣性引起的速度分布 在間隙中的徑向速度分布如圖6所示。徑向速度剛剛大于零時的點表示使油液向外流動的主要因素是離心力，從這些點開始油膜開始收縮，相反，在離合器中存在完整的油膜。 圖6 間隙中的徑向速度分布 如圖7所示是上訴模型根據(jù)方程16預(yù)測出的油膜外徑，是離合器速度的函數(shù)。在序號1中，當離合器速度從0開始增加時，直到轉(zhuǎn)速達到500r/min時，離合器間隙中都是完整的油膜，只是外徑開始減小。轉(zhuǎn)速達到550r/min時，只有在外徑是0.13m時才有完整的油膜，超過730r/min時，就沒有完整油膜了。當轉(zhuǎn)速達到2000r/min時，油膜的面積就更小了，僅僅是圓的十分之一。根據(jù)方程（20）清楚的知道，幽默半徑開始減小的轉(zhuǎn)速與阻力矩的峰值有關(guān)。 圖7 新模型預(yù)測的油膜外徑 理想的進給流率是離合器轉(zhuǎn)速的函數(shù)，可以從方程（12）中推到出來。當離合器轉(zhuǎn)速增加時，進給流率必須增加以保證完整的油膜。如圖8所示，進給流率不足的是導(dǎo)致油膜收縮的主要原因。事實上，很少有在潤滑離合器時進給流率是足夠的，如序號1中的6L/min。所以必須有高轉(zhuǎn)速部分的油膜區(qū)域。 圖8 完整油膜的理想進給流率曲線 阻力矩可以從方程（20）的積分得到，圖9是新模型預(yù)測的阻力矩與序號1中測試條件下阻力矩的比較，從圖9和圖7可以清楚的看出，油膜開始減小的轉(zhuǎn)速與阻力矩峰值相關(guān)。超過500r/min，由于部分油膜阻力矩減小。 傳統(tǒng)模型在低速區(qū)域的斜率遵循阻力矩曲線，由于傳統(tǒng)模型中，阻力矩隨轉(zhuǎn)速的增加單調(diào)上升，就不可能預(yù)測在轉(zhuǎn)速超過500r/min的高轉(zhuǎn)速區(qū)域的值。 在另一方面，KATO的模型在轉(zhuǎn)速超過400r/min是阻力矩急劇增加。KATO在合成流率和總阻力矩等于原始油膜時引入等效半徑，超過等效半徑時，由油液流動引起的阻力矩可以忽略。在離合器轉(zhuǎn)速在150r/min到2000r/min的區(qū)間內(nèi)，新模型的預(yù)測結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)非常符合。特別是轉(zhuǎn)速在500r/min阻力矩達到峰值與油膜開始收縮相關(guān)良好。如圖7所示。 圖9 新模型預(yù)測的阻力矩與序號1中測試條件下阻力矩的比較 從方程（13）和方程（16）可以看出，（r）和是進給流率的函數(shù)。圖10是試驗1和試驗2試驗結(jié)果的比較，在進給流率較高時，油膜開始收縮時的轉(zhuǎn)速要更高，阻力矩的峰值也會增加。很明顯，如果離合器的熱容量足夠，減少進給流率是減少阻力矩的直接措施。 圖10 試驗1和試驗2中阻力矩的比較 如方程（20）中所示，油液粘度在離合器阻力矩中起重要作用，粘度越小阻力矩越小，從油液的屬性，溫度越高，油液密度越小。圖11是在進給流率為6L/min，轉(zhuǎn)速為500r/min，油液溫度從40到75條件下的阻力矩曲線，該曲線與試驗數(shù)據(jù)很好的符合。溫度升高，油液粘度降低，阻力矩減小。 圖11 不同溫度小阻力矩曲線 為評價離合器間隙中的流動狀況需要檢查雷諾數(shù)，從方程（21）可知，試驗1中，轉(zhuǎn)速為2000r/min時，雷諾數(shù)是10.9，離合器轉(zhuǎn)速為2000r/min時，雷諾數(shù)是344，因此在普通離合器轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，流體流動為層流。上訴的假設(shè)是合理的。 4、 結(jié)論 建立一個基于納維葉－斯托克斯方程的數(shù)學(xué)模型，這個模型對無溝槽離合器阻力矩的預(yù)測結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)很好的符合。通過計算和試驗，我們可以得出以下結(jié)論： （1） 在離合器轉(zhuǎn)速較低時，間隙中存在有完整的油膜，離合器阻力矩線性增加直道與離合器速度有關(guān)的臨界轉(zhuǎn)速，超過臨界轉(zhuǎn)速，由于徑向速度增加時，油膜面積減少，阻力矩單調(diào)下降。 （2） 模型和試驗數(shù)據(jù)表明，臨界轉(zhuǎn)速是進給流率的函數(shù)，減小進給流率是減小臨界速度和峰值阻力矩的主要措施。 （3） 通過引入（r）很好的描述了在高轉(zhuǎn)速時油膜面積和阻力矩之間的關(guān)系，新模型與試驗數(shù)據(jù)很好的符合。