（机械工程专业论文）液体粘性调速离合器摩擦片表面结构优化及仿真.pdf

南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 摘要 本文论述了液体粘性离合器的工作机理、结构以及工作特性，对摩擦片之间的油膜特性进 行了受力分析，为控制系统的设计提供了理论依据；着重关注了摩擦片表面的沟槽结构对油膜 承载能力的影响。对摩擦片表面沟槽的类型及数量、宽度、深度对油膜承载能力的影响进行了 分析。 作为液粘离合器的核心部件摩擦片，对其材料的选用、内外径尺寸的确定、摩擦片表面沟 槽结构对制动器性能的影响做出了深入的研究。同时选用了合理的摩擦片表面烧结材料，计算 出了t l m s t 系列减速机各种型号要求的制动器所需要的摩擦片内外径。 对液体粘性离合器摩擦片间的油膜，利用有限元分析软件a n s y s 分别对摩擦片低速和高 速旋转时油膜压力分布和流场进行了分析，当摩擦片处于高速运转时，摩擦片的油膜压力在径 向和圆周向并非均匀分布。在综合考虑各种沟槽优缺点的基础上提出了一种改进的复合型沟槽， 经过仿真分析验证了其有较好的成膜能力和散热能力，并且形成的油膜压力分布均匀，是一种 比较理想的结构。对于液体粘性离合器而言，对油液的散热能力有较高的要求，在液体润滑的 状态下，离合器传递转矩，同时要求油膜有比较好的成膜能力；虽然进过改进的复合型沟槽可 以较好的满足其要求。但是对于不同型号的离合器，复合型沟槽的设计参数需要具体考虑液体 粘性离合器的所传递的扭矩，转速差等设计参数。 对主动轴和摩擦片进行了瞬态响应分析，得到了液体粘性离合器在启动过程中摩擦片的应 力和速度变化的情况。分析了静摩擦工况下内摩擦片花键应力分布，发现在花键与主动轴接触 的地方出现了应力集中，在设计过程中应给予充分考虑。对摩擦片表面压力的分布进行了仿真， 给出了压力随时间变化的规律和压力在摩擦片表面的分布。 对摩擦片表面的温度分析结果可知：摩擦片径向温度逐渐升高，温度比较大的地方集中在 摩擦片外沿，同时也是摩擦片表面压力集中的区域。较高的温度和应力集中在摩擦片的某一区 域是摩擦片失效变形的主要原因。最后对径向沟槽的摩擦片表面温度分布进行了计算，发现温 度分布规律和无沟槽的摩擦片大体一致，只不过有沟槽的部分温度很低。 最后对工作进行了总结，提出了需要继续深入研究的问题。 关键词：液体粘性传动，制动器，应力，温度，摩擦片，表面结构设计。 本文得到了教育部“新世纪优秀人才支持计划 项目n c e t 1 0 0 0 6 8 、教育部 博士点基金博导类项目2 0 0 9 3 2 1 8 1 1 0 0 2 6 、江苏省自然科学基金重点项目 b k 2 0 1 0 0 7 4 、机械传动国家重点实验室开放基金项目s l 丑m t k f k t 2 0 1 0 0 5 的资助。 本文论文工作在机械结构力学及控制国家重点实验室完成。 液体粘性调速离合器摩擦片表面结构优化与摩擦性能研究 a b s t r a c t h y d m - v i s c o u sc l u t c ht r a n s r l l i s s i o ni s ak j n d o fs t e p l e s s s p e e d r e g u l a t i n gd e c eb a s e d o nh y d r 0 - v i s c o u s 血v ea i l do i lf i l m s h e 撕n gt l l e o w m c hi sw i d e l yu s e di nm g h - p o w e rf - 趾s ， p 啪p s a n do t l l e ra s p e c t s t h i s p 印e rd i s c u s s e s t 1 1 ew o r h n gm e c h a n i s m ，s 饥l c t u r ea i l do p e r a t i i l g c h a r a c t e r i s t i c so fh y d r o v i s c o u sc l u t c h ，a l s oc 枷e so u tf - o r c ea 1 1 a l y s i so nm eo i lf i l mb e 铆e e n m e 伍c t i o np l a t e st op r o v i d ea 也e o r e t i c a lb a s i sf o rt 1 1 ed e s i g no f 廿1 ec o n 仃0 1s y s t e m ；a 1 1 d 砒a c h e s i m p o 咖c et om ei n n u e n c eo fg r 0 0 v es 缸u c n l r eo n 廿1 es u 而c eo f 衔c t i o np l a t e s 0 nm eb e 疵l g c a p a c 时o f o i lf i l m i i la d d i t i o n ，廿l i sp a p e ra l s oa i l a l y z e sm ei n n u e n c eo ft ) p ea i l dq u a l l t i 劬谢d m ， d 印也o fg r o o v e so nm es 删f a c eo f 衔c 右o np l a t e st om eb e 撕n gc a p a c 蚵o f o i l6 l m a st 1 1 em c t i o np l a t ei st 1 1 ec o r ec o i n p o n e n to fh y d r 0 一v i s c o u sc l u t c h ，m i sp a p e rm a k e sad e 印 s t u d yt oi t sm a t e r i a ls e l e c t i o n ，廿l ed e t e r m i i l a t i o no fs i z ei ni m e ra n do u t e rd i 锄e t e r ，t 1 1 ei n n u e n c eo f 目0 0 v es 仇l c t i l r eo n 也es u r f a c eo f 伍c t i o np l a t e so nm eb r a k ep e r f o r r m m c e i nt h j sp a p e r ，r e 2 l s o n a _ b l e s i n t e r e dm a t e r i a l sa r es e l e c t e df o rm es u r f a c eo f 衔c t i o np l a t e s ，c a l c u l a t i n g 油e ra n do u t e rd i 锄e t e r s o f 伍c 廿o np l a t e sr e q u i r e d b yv 商o u st ) ，p e so f b r 呔e s 矗) rt l m s ts 缸e sr e d u c e r a st ot l l eo i lf i l mb e 锕e e nh y d r 0 v i s c o u sc l u t c h 箭c t i o np l a t e s ，u s i l l gt 1 1 e 缸i t ee l 锄e n ta i l a l y s i s s o f h v 扣o fa n s y s ，t k sp a p e rr e s p e c d v e l ya n a l y z e sp r e s s u i ed i s t r i b u t i o na n df l o wf i e l do fo i lf i h n w h e n 衔c t i o np l a t e sr o t a t e 、) l ，i 吐ll o ws p e e da 1 1 d1 1 i 曲s p e e d ；w h e nm e 伍c t i o np l a t ea th i 曲s p e e d ，o i l f i l mp r e s s u r eo f 伍c t i o n p l a t e s d o e sn o tf 0 册u 1 1 i f o md i s 劬u d o ni 1 1r a d i a ld n c t i o na 1 1 d c i r c u i i l | e r e 以a 1d i r e c t i o n t h i sp a p e rp r e s e n t sa ni n l p r o v e dc o m p o u n d 粤1 0 0 v eb yc o m p r e h e n s i v e c o n s i d e r 撕o no fm ea d v a n t a g e sa i l dd i s a d v a i l t a g e so fv 撕o u s 铲o o v e s ，a i l dv e r i f i e s 也eg o o d f i l m - f i ) 衄i i l ga n dr a d ia 血gc 印a c 时o fm eg r o o v e s 吐d u 曲s i m u l 撕o na i l a l y s i s 谢me v e no i lf i l i i l p r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ，s om a ti ti s ak i n do fi d e a ls 仃u c t u r e f o rh y d r o 一访s c o u sc l u t c h ，m eh n p r 0 v e d c o m p o u n d 印o v ec a nb e t t e rm e e t 也ep e r f b r m a n c er e q u i r e m e n t s f o rd i f f e r e n t 咖e so fc l u t c h e s ，t 1 1 e d e s i 弘p 撇e t e r so fc o m p l e xg r o o v es h o u l db eb a s e do ns p e c i f i ct o r q u eo f h y d r 0 - 访s c o u s ，s p e e d d i 丘e r e n c ea n do t h e rd e s i g np a r a r l l e t e r s h lt h i s p 印e r 也ec h a l l g e i 1 1s 仃e s sa i l ds p e e do f 伍c t i o np l a t ei sa v z l i l a b l e ，h e ns t a r 血g h y d m - 、，i s c o u sc l u t c h l r o u 曲咖s i e n tr e s p o n s ea n a l y s i so nm e 拭v i l l gs h a r ，n l e1 i q u i dv i s c o u sc l u t c h 衔c t i o np l a t ei i lm eb o o tp r o c e s sa 1 1 ds p e e do fsi 1 1s i t u a t i o i l s t 1 1 i sp 印e ra 1 1 a 1 ) ，z e sm es 仃e s s d i s t r i b u t i o no f 伍c t i o np l a t es p l i i l eu n d e rs t a t i c 伍c t i o nc o n d i t i o nd i s c o v e 血g 廿l a ts 廿e s sc o n s i d e 枷o n i sa v a i l a b l ea tm ec o n t a c ta r e ab e t w e e ns p l i i l ea i l dd r i n gs h a r ，s om a ti ts h o u l db e 百v e i l 血1 l c o n s i d e 枷o ni i lm ed e s i g n t h e1 a w 吐l a tp r e s s u r ec h a l l g e sw i t l lt i m ea 1 1 dm ed i s t r i b u t i o no fp r e s s u r e o n 也e 衔c t i o np l a t es u r f a c eb ym es i n m l a t i o nt o 伍c t i o np l a t es u r f a c ep r e s s u r e a n a l y s i sr e s u l t so nt e m p e r a t l l r eo f 伍c t i o np l a t es u r f a c es h o w sm a tm em d i a lt e m p e r a t u r eo f 衔c t i o np l a t eg r a d u a l l y 协c r e a s e s ，吐l ea r e a 谢n 1r e l a t i v e l yl a 玛et e n l p e r a n 鹏c h a i l g ei sm a i n l ya tm e o u t e re d g eo f 伍c t i o np l a t e sa sw e l la sc o n c e n 舰t e da r e ao f 衔c t i o np l a t es u 血c ep r e s s u r e h i 曲 t e l l l p e r a n 鹏a i l ds 仃e s sc o n c e n 昀t i o ni 1 1ac e n a i l la r e ao f 衔c t i o np l a t e si sn l em a i l lc a u s ef 0 rt 1 1 ef a i l u r e a n dd e f - o r i i l a t i o no f 岱c t i o np l a t e s f i l l a l l y ，t h i sp a p e rc a l c u l a t e st e m p e r a n 】r ed i s t r i b u t i o no f 伍c t i o n p l a t es u r f a c eo fr a d i a l 笋o o v e sd i s c o v e 血g 也a t 吐l et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nl a wo f 吐1 e 衔c t i o np l a t e 、) l ，i m 铲o o v e si sg e n e r a l l yc o n s i s t e n t 谢mt 1 1 a to f 廿1 e 伍c t i o np l a t ew i 廿1 0 u tg r o o v e s ，n o t l l i n gb u tm e i i 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 伍c t i o np l a t ew i t l l o u t 孕o o v e sh a se x 仃e m e l y1 0 wt e m p e r a t u r e f i n a l l y ，m i sp a p e rr n a l ( e sas u i 】姗a d ，a b o u tt l l er e s e a r c h ，p r o p o s i n g 廿1 ei s s u et os t u d y6 l n b e r k e yw o r d s ：h y d r o v i s c o u sd r i v e ，b r a l ( e ，s 仃e s s ，t e m p e r a 由玳，确c t i o np l a t e ，s u r f a c es 仃u c t u r e d e s i 弘 i i i 液体粘性调速离合器摩擦片表面结构优化与摩擦性能研究 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 图清单 图1 1 t l m s t 系列减速机组成3 图1 2t l m s t 系列结构图3 图1 3 摩擦片表面的油槽形式一6 图2 1 摩擦剪切力计算。8 图2 2 液粘调速离合器结构简图。9 图2 3 油膜受力简图1 1 图2 4 被动摩擦片( 左) ，主动摩擦片( 右) 一1 3 图2 5 油膜动压承载力计算简图1 4 图3 1 摩擦片表面的油槽形式2 5 图3 2 径向沟槽对油膜承载力的影响( 左) ，圆周向沟槽对承载力影响( 右) 2 5 图3 3 复合型沟槽对油膜承载力影响2 6 图3 4 径向沟槽数量对油膜承载力影响2 6 图3 5 圆周向沟槽数量对油膜承载力的影响2 7 图4 1 质量守恒定律2 8 图4 2 动量守恒定律2 9 图4 3 能量守恒定律。2 9 图4 4 a n s y sc d 分析流程一3 0 图4 5 圆周向沟槽几何模型31 图4 6 径向沟槽几何模型( 左) ，复合向沟槽几何模型( 右) 3 2 图4 7 几何模型装配体3 2 图4 8 润滑油介质网格划分( 左) ，几何体边界条件( 右) 3 3 图4 9 速度为1 0 r a d s 时径向沟槽油膜压力( 左) ，速度为1 0 r a d s 时径向沟槽油膜流场( 右) ：；z 图4 1 0 速度为1 0 0 i 汕s 时径向沟槽油膜压力( 左) ，速度为1 0 0 枞时径向沟槽油膜流场( 右) 3 z i 图4 1 1 速度为1 0 r a d s 时圆周向沟槽压力( 左) ，速度为1 0 r a d s 时圆周向沟槽油膜流场( 右) 3 5 图4 1 2 速度为1 0 0 r a d s 时圆周向沟槽油膜流场( 左) ，速度为1 0 0 r a d s 时圆周向沟槽油膜压 力( 右) 3 5 图4 1 3 速度为1 0 r a d s 时复合型沟槽油膜压力( 左) ，速度为1 0 ra d ，s 时复合型沟槽油膜压力 ( 右) 3 6 图4 1 4 速度为1 0 0 砧d s 时复合型沟槽油膜压力( 左) ，速度为1 0 0 r a d s 时复合型沟槽油膜流 场( 右) 3 7 图4 1 5 速度为1 0 r a d s 时时螺旋沟槽油膜压力( 左) ，速度为1 0 r a d s 时螺旋沟槽油膜流场( 右) ：；7 图4 1 6 速度为1 0 0 r a d s 时螺旋形沟槽油膜压力( 左) ，速度为1 0 0 r 仙i s 时螺旋形沟槽油膜流 场( 右) 3 8 图4 1 7 改进的摩擦片表面结构3 9 图4 1 8 改进复合型摩擦片油膜压强分布( 左) ，改进复合型摩擦片油膜流场分布( 右) 4 0 图4 1 9 深度对最大速度的影响( 左) ，数量对最大速度的影响( 右) 4 2 v i i 液体粘性调速离合器摩擦片表面结构优化与摩擦性能研究 图4 2 0 周向宽度对最大速度的影响( 左) ，径向宽度对最大速度的影响( 右) 4 2 图4 2 1 深度对最小速度的影响( 左) ，数量对最小速度的影响( 右) 4 3 图4 2 2 周向宽度对最小速度的影响( 左) ，径向宽度对最小速度的影响( 右) 4 3 图4 2 3 深度对最大压力的影响( 左) ，数量对最大压力的影响( 右) 4 4 图4 2 4 周向宽度对最大压力的影响( 左) ，径向宽度对最大压力的影响( 右) 4 4 图5 1 有限元计算几何模型4 9 图5 2 瞬态分析和摩擦片表面应力计算几何模型( 左) ，摩擦片内花键应力计算模型( 右) 4 9 图5 3 摩擦片启动运行速度变化曲线5 0 图5 4 摩擦片动力变化曲线5 l 图5 5 应力分布云图( 左) ，应变分布云图( 右) 5 2 图5 6 主动摩擦片表面压力载荷曲线5 2 图5 7 摩擦片表面应力分布云图：5 2 图5 8 摩擦片表面压力最大值和最小值变化曲线5 3 图5 9 蝶形翘曲( 左) ，波浪形翘曲( 右) 5 6 图5 1 0 具有烧结纸基摩擦材料的摩擦片( 左) ，两摩擦片装配图( 右) 5 7 图5 1 1 摩擦片表面温度分布云图( 左) ，热应力结果云图( 右) 5 8 图5 1 2 路径1 表面温度结果曲线5 8 图5 1 3 具有径向沟槽摩擦片( 左) ，径向沟槽摩擦片温度分布( 右) 5 9 v i i i 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 表清单 表1 摩擦副数目n 和压紧力递减系数k 的关系2 1 表2 各个型号摩擦片内外径尺寸。2 3 表3 摩擦片表面结构参数3 1 表4 实验结果数据4 1 表5 对四种因素的分析4 1 液体粘性调速离合器摩擦片表面结构优化与摩擦性能研究 注释表 爿，以 状态方程矩阵 p 误差绝对值 口0 ，口l ，口2 ，口3 多项式系数f ( )多项式 口c 0 加速度变量 动力油粘度 嘭， 主被动轴转速丁离合器传递的扭矩 万 油膜厚度z弹簧个数 k 弹簧刚度b沟槽区域对应中心角 f密封圈对油缸的摩擦系数 岛 无沟槽区域对应中心角 岛摩擦衬面实际压力 a 油膜厚度与粗糙度比值 b ，b o ，b i 状态方程矩阵彳摩擦片的面积 b 。l ，b 。2 状态方程矩阵r额定功率 q润滑油径向流量c摩擦片内外径比值 ，2 j i ，6 2 ，6 3 多项式系数 s 活塞行程 c 摩擦片的分离间隙 沙 无沟槽区域与总面积比值 x 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 缩略词 缩略词英文全称 h v d h y d r 0 - v i s c o u sd r i v e c m c o m p u t a t i o n a lf 1 u i dd y n 锄i c s 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 目前，大功率风机水泵的软启动及调速装置，最普遍使用的大体有三种，一是液粘调速离 合器，二是变频调速器，三是液力偶合器。液粘调速离合器( 又称欧米伽离合器或油膜离合器) 是国际上在上世纪七十年代发展起来的一种新的调速技术，是一种利用液体粘性和油膜剪切作 用研制成功的新型无级可控液体流体传动装置。它可广泛应用于需要无级调速的各种场合，并 且特别适用于大功率皮带输送机、风机、水泵等的调速节能，并且是此领域的一个最佳选择。 该产品具有结构紧凑，运行性能稳定、可靠，使用寿命长和节能效益高等特点，可广泛应用于 冶金、化工、石油、电力、建材和城市供水等行业中的大功率驱动装置的调速，比变频调速器、 液力偶合器等调速方式具有更好的性价比和节能效果。该产品由调速器主机、液压系统和控制 系统所组成。 液体粘性传动是一种新型流体传动形式，液粘传动的动力传递是利用主、从动摩擦片之间 液力传动油油膜基于牛顿内摩擦定律的剪切作用力，能够实现主、被动轴之间的转速差无级调 节是其最大特点，并且具有对传动系统进行过载保护的能力。 本课题的研究结合工程实践单位新产品开发及研制的需要，因液粘离合器能能够降低皮带 式输送机对电气设备的技术要求、使带式输送机的慢速和满载平稳启动以降低对设备的冲击、 能精确控制启动时间和抛物线启动加速曲线、调节多驱动的负载平衡、使带式输送机和矿用绞 车等设备的可靠性和使用寿命得以提高。基于上述诸多优点，液粘离合器在煤矿生产中被广泛 应用。液体粘性离合器液体粘性离合器涉及到机、电、液、控多学科，为此本文就本人所学专 业针对液体粘性离合器涉及到的摩擦片表面结构形状，工作状态下的润滑油的流场，油膜厚度 与转速差、传递载荷的关系及各主要构件的力学性能应用a n s y s 软件进行了仿真分析。 1 2 液体粘性调速离合器需要解决的问题 1 2 1 液粘传动装置动态油膜的理论分析 摩擦片是液粘离合器的核心部件，因此，摩擦片及摩擦片间油膜对液粘传动装置工作性能 影响最大，应对其受力状态做深入的理论分析，一般认为油膜厚度可用函数关系式： 办= 厂( p ，w ，7 ，y ) 来表达，运用有限宽平面阶梯轴承理论是传统理论分析方法，假设润滑油为 牛顿流体，并且油膜的粘度不随温度及剪切力的变化而改变，但这与实际润滑油的粘度不符， 液体粘性调速离合器摩擦片表面结构优化与摩擦性能研究 并且也没有考虑流体惯性力对其影响。这与实际工况有较大偏差，实际工况是润滑油随着温度 的升高，粘度逐渐变小，对温度非常敏感；其次润滑油粘性随较强的剪切作用也会变小，成为 非牛顿液体。而且两摩擦片之间的间隙比较小( 调速工况时，约为o o 4 m m ) ，油膜的厚度也 很小。因此润滑油实际大部分都是处于边界润滑的状态，在这个范围内，粘性力与惯性力同阶， 不应忽略惯性力对其的影响，必须共同进行考虑。而更全面应该综合考虑摩擦副转速差、剪切 力、油膜出入口的压力差、润滑油粘度、惯性力等对动态油膜的影响。对摩擦片表面结构参数 的优化设计可使h v d 的结构更加合理。应在考虑诸多因素的基础上，建立整个系统的数学模型。 传统方法对建立系统数模而言，忽略的因素较多，例如假设各摩擦片间油膜厚度相同为前提建 立的液体粘性离合器的数学模型，不能很好的描述其实际工作形态。所以如何根据实际情况来 建立系统数学模型，从动态力学性能着手，是正确研究h v d 装置的关键。 1 2 2 关于液粘传动装置结构的优化 从液粘离合器结构设计的角度，应在零件加工工艺性、装配以及工作可靠性等方面进行改 进，尽可能使其结构合理。 ( 1 ) 改进液粘离合器传动装置的润滑油路，在进行供油系统的设计时，可以考虑使润滑油 处于传动轴中心的油道和摩擦片之间的油膜贯通，靠油泵压力和油膜离心力同时向摩擦片中心 供油，这种全新的供油设计方式可使润滑油进入摩擦片之间的间隙时十分均匀； ( 2 ) 对液粘离合器的摩擦片表面油槽进行优化设计，传统的摩擦片表面沟槽设计式样是按 照一般湿式离合器的设计方法进行计算的，但是液粘离合器与湿式离合器的工作机理和实际工 况都有很大不同，导致摩擦副在液粘离合器的传递扭矩和散热性能并不理想。对摩擦副之间油 膜的模型进行合理假设，建立描述方程进行理论分析，并对摩擦副进行优化设计( 包括摩擦片 上油槽的类型，油槽的数量及面积比等的设计) ，保证其在传递额定扭矩的同时，摩擦副的形变 最小； ( 3 ) 液粘离合器控制系统的设计改进，传统的液粘离合器控制系统均采用电液比例溢流阀， 但是由于其工作状态中存在一些难以避免的死区，而且对液力传动油有较高的清洁度要求，容 易发生油路堵塞。油路的不畅通会使设备发生故障。应考虑利用一个小功率的变频器通过控制 油泵电机来调节油泵的转速从而达到调节系统压力的目的； 摩擦副变形失效是液体粘性传动装置在实际应用中发生故障的最主要原因【。液体粘性离 合器的工作原理、使用范围及实际运行工况等都与湿式离合器有着很大的差别，其摩擦副变形 失效的原因、形式均应与普通湿式离合器不同，所以不能简单地用分析湿式离合器摩擦片磨损 机理的方法来研究液体粘性传动装置摩擦副变形失效的现象。 2 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 1 2 3 t l m s t 系列关于液体粘性制动器需要解决的问题 将液体粘性离合器的输出动轴固定，或者将被动摩擦片连接于固定的壳体，则液体粘性调 速离合器就成为一个性能优良的制动器。此制动器可以调节主被动轴的转速差和摩擦片问的油 膜厚度，获得所需要的制动转矩。只要油缸压力足够大，就能产生巨大的制动转矩，此时被制 动的主动轴将会停止不动。这种制动器的最大优点是制动过程比较平稳，制动转矩可以控制， 而且使用寿命长。基于上述优点，泰隆集团研发的t l m s t 系列软启动减速机采用的就是被动轴 固定的液体粘性制动器，依据t l m s t 系列产品的开发要求，需解决的问题如下： ( 1 ) 依据每种型号液体粘性制动器的转矩计算出摩擦片的内径及外径尺寸，摩擦片的数目； ( 2 ) 设计合理的摩擦片的表面结构； ( 3 ) 对液体粘性制动器的主要部件，用有限元软件计算出应力应变大小及其分布。 齿鬟满 图1 1 t l ，m s t 系列减速机组成 7 统组成 图1 2t l m s t 系列结构图 液体粘性调速离合器摩擦片表面结构优化与摩擦性能研究 1 3 国内外研究现状 国际上美国是较早开始研究液体粘性传动的国家之一，在2 0 世纪6 0 年代初，液粘调速离合 器在小功率场合的工业领域得到应用，到了2 0 世纪6 0 年代中期能够精确伺服控制的液粘调速装 置已经被研制出来，到了7 0 年代最大功率可以达到7 0 0 0 k w ，其应用范围扩展到了化工厂、电厂 等重要的工业场合。目前在美国从事液粘传动研制的公司有两家：费城齿轮公司l a d e l p h i a g e a r c o r p o r a t i o n ) 和双环公司( r h ，i i ld i s cc o r p o m t i o n ) 。 国内外众多研究者对液体粘性离合器摩擦副变形失效这一故障进行深入研究：由于液体粘 性传动装置将要达到同步传动的工况下，摩擦副长时间在临界摩擦状态下工作，摩擦副瞬时温 度场在径向严重不均匀分布，由此摩擦副在径向和圆周向产生了较大的热应力；运用摩擦学、 热力学和基础力学等学科的相关理论对上述现象进行了研究，经过分析从中找到了引起摩擦副 失效变形的主要因素，以此为依据推导出了摩擦副失效变形的主要形式，并对液粘传动装置各 个参数影响摩擦副变形的程度作了分析。 日本东京大学机械工程系的黜眩z a q u e ，m ，m 2 ，3 ，4 1 等，他们假设液粘离合器中的主动摩擦片 表面为平面，从动摩擦盘表面布有各种类型的径向沟槽，就其摩擦盘的沟槽参数对其工作性能 的影响，运用动力润滑理论进行了具体的分析研究。比较全面的讨论了摩擦片表面沟槽数量， 沟槽方向，几何型貌对转矩传递的影响。得到的结论如下：沟槽的类型、数量、分布以及沟槽 角度，沟槽面积比对于所要传递的扭矩、压紧接合的时间均有明显的影响，应作合适的设计， 使能量损失最小。表面沟槽宽度越窄数量越多对提高传递转矩有利；摩擦盘的结合面积大相应 传递的扭矩大；沟槽的角度对油液流量也有较大的影响，在一定的负荷下，4 0 6 0 度油膜挤压时 间最小，摩擦片接合时间最短，能量损失也较小。但是其对表面形貌的研究仅仅局限于径向沟 槽。 j a l l gj y 和k h o i l s 撕m m 【5 1 等在1 9 9 9 年前后发表了几篇文章，论述了关于液粘离合器的热 效应、摩擦片表面粗糙度以及摩擦片热不稳定变形对液粘离合器的影响。侧重于研究液粘离合 器在摩擦片接合状态的瞬态热效应分析。在流体润滑状态，利用计入了表面粗糙度、离合器摩 擦片的滑差、离心力、渗透材质的雷诺方程，结合能量方程、热传递方程，讨论液粘离合器温 度随时间变化的分布。研究认为温度对转矩、接合时间有着重要影响，对高速运转的液粘离合 器尤为重要。摩擦副表面的高温，会引起润滑剂分化，材料变形。在啮合过程中，摩擦片温度 分布沿经向、周向均不相同，而当接合接近结束时，摩擦片的温度分布沿径向有梯度，周向则 基本相同。 孟庆睿【6 】等对液粘调速离合器的液粘传动调速起动机理分析及其控制技术进行了研究，在 调速传动机理方面考虑了油膜挤压效应、摩擦片表面粗糙度对温升的影响，建立修正瞬态雷诺 方程、热能量方程和工作油粘温方程，并采用有限元素法对上述方程联立求解，以对调速起动 4 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 过程进行分析，主要研究调速起动过程中油膜剪切传递扭矩及油膜承载力的变化规律。 陈遥飞【7 】根据湿式离合器的结合过程和摩擦衬片比压的仿真分析结果建立了摩擦片的热源 模型，利用软件a n s y s 计算了摩擦片的温度场和熟应力场的分布。通过对离合器的摩擦片的温 度场分布和使用状况分析，研究了摩擦片表面的沟槽对其散热能力的影响。对带有复合型沟槽 的摩擦片建立三维有限元分析模型，并用a n s y s 计算出了考虑了表面沟槽的摩擦片温度场，借 助于专业流体分析软件c 以分析了摩擦片的油槽内流场随速度的变化情况。 高晓敏，张协平【s 】等对几种典型的沟槽结构对离合器动态特性影响进行了实验研究：摩擦 片的结构形式特别是表面状态( 如淘槽的形状和分布) 对湿式离合器和制动器的动态性能有很大 的影响，既影响摩擦片的散热、摩擦系数的稳定性和耐磨性，也影响磨屑的形成和排出，它是 在离合器设计中不可忽视的因素，目前国内尚未有这方面的详细资料可供参考。 a 摩擦片的表面沟槽不但可以起到刮油、冷却和排出磨屑的作用，而且较大地影响摩擦片 的摩擦特性，合理地布置沟槽形状可以改善摩擦片的摩擦性能，提高离合器的承载能力； b 在离合器的设计中，传动系统对离台器摩擦片的接合时间，接合转矩与时间或转速的动 态关系要求，选择适当的沟槽可很好满足离合器的结合特性。如果要求离合器反应迅速，可选 用摩擦系数比较大，并且转矩建立比较快的螺旋型沟槽；方形、径向沟槽等形式对摩擦片表面 衬片的供油较好，能够保证足够多的润滑油通过其表面，冷却效果最好，但容易形成液体润滑， 使得摩擦系数比螺旋槽等形状等要低；复合形沟槽( 径向沟槽加螺旋沟槽) 综合了径向形沟槽冷 却效果好和螺旋形沟槽动摩擦系数较高的特点，冷却散热快，动摩擦系数大。 c 无沟槽的摩擦片容易形成油膜，但其摩擦系数较小并且不稳定，在摩擦片脱开时润滑油 的滞排比较严重；复合槽、螺旋槽、弧形菱状槽等有利于摩擦片排油并且摩擦片的动摩擦系数 较大。 t i e n c h e nj e n 【9 】等于2 0 0 7 年采用分离变量法建立模型对摩擦片与对偶片接合过程中的温升 及温度场分布进行数值模拟，采用热电偶对离合器中的温度进行检测，并综合考虑系统惯性、 传递扭矩大小及转速等因素对系统温升进行估算，以对仿真计算结果进行验证。 m h o l g e r s 0 n 10 】等对液粘离合器工作过程中摩擦片表面形貌的变化进行了研究。表面形貌的 变化会影响摩擦特性，进而影响离合器接合的稳定性采用垂直扫描干涉测量法研究的结果表明 表面形貌的变化对摩擦特性的确有影响，并指出对影响摩擦材料磨损恃性的表面形貌相关参数 进行分析计算是可行的。 液体粘合离合器长期处于滑差状态下工作，对液粘离合器在接合状态建立计入表面粗糙度、 离合器摩擦片的滑差、离心力、渗透材质等因素的雷诺方程，分析了其瞬态热效应。在流体润滑 状态，结合能量方程、热传递方程，边界条件计算出了摩擦片周向径向温度随时间变化的分布。 结果表明：温升主要集中在摩擦片表面和摩擦材料上面，温度对转矩、接合时间有很大关系，特 别是对大功率高速运转的液粘离合器的运转过程中，摩擦发热量大，需要有足够的油液将热量带 气 液体粘性调速离合器摩擦片表面结构优化与摩擦性能研究 走，要求摩擦衬面上的油槽应有较强的过油能力。因此摩擦副变形失效成为液体粘性调速装置在 实际应用中发生故障的最主要原因【1 1 1 2 ，1 3 】。 摩擦衬面的油槽作用是在主被动片间形成液体摩擦和混合摩擦，并起到润滑，冷却和排除磨 屑的要求。研究人员在湿式摩擦片表面加工出一些纹理结构( 如方坑，方槽，球穴和斜槽) ，发 现摩擦片表面纹理，纹理深度，微坑面积比对承载量和摩擦系数有较大的影响，当摩擦副间隙 k a ， k ”，所以可断定a 2 为a 因素的优水平。 同理，可以计算并确定b 3 ，c 2 ，d 2 分别为b ( 数量) ，c ( 周向深度) ，d ( 径向深度) 因素 的优水平。四个因素的优水平组合a 2 8 3 c 2 d 2 为本试验的最优水平组合，即沟槽磨损的最优值 条件为深度为1 o m m ，数量为3 0 个，周向宽度为1 6 l 砌，径向宽度为2 5 木9 。 4 l 液体粘性调速离合器摩擦片表面结构优化与摩擦性能研究 其次根据极差i i j ( 极差) 的大小，可以判断各因素对试验指标的影响主次。如表5 中所示 r a r d r 凡，所以因素对试验指标影响的主次顺序是a d c b 。即依次为深度，径向宽度，周 向宽度，数量。 最后沟槽结构对最大速度影响的分析可用图4 1 9 _ 4 2 0 来进行直观的表达。由图中我们分 析可以发现当结构深度度由o 8 m m 到1 3 m m 的范围内变化时，最大速度在深度为1 o i 】瑚时达 到最大值。在径向沟槽数量方面由2 0 到3 0 范围内变化时，其在3 0 时达到最大值。周向宽度由 1 0 1 1 1 i i l 到2 0 m m 范围内变化时，其最大速度在1 6 m m 时达到最大。而在径向宽度方面，最大 速度在2 5 木9 时最佳。 图4 1 9 深度对最大速度的影响( 左) ，数量对最大速度的影响( 右) 图4 2 0 周向宽度对最大速度的影响( 左) ，径向宽度对最大速度的影响( 右) 4 6 2 复合型沟槽参数对油膜最小流速的影响分析 4 2 根据k a l 、k a 3 的大小可以判断a 1 、a 2 、a 3 对试验指标的影响大小。由于试验指标 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 为最小速度，而k a 。 i c 沁 l 沁，所以可断定a 3 为a 因素的优水平。 同理，可以计算并确定b 2 ，c 2 ，d 3 分别为b ( 数量) ，c ( 周向深度) ，d ( 径向深度) 因素 的优水平。四个因素的优水平组合a 3 8 2 c 2 d 3 为本试验的最优水平组合，即沟槽磨损的最优值 条件为深度为1 3 m m ，数量为2 5 个，周向宽度为1 6 m m ，径向宽度为3 宰8 。 其次根据极差r j ( 极差) 的大小，可以判断各因素对试验指标的影响主次。如表5 中所示 凡 p 鼢r a ，所以因素对试验指标影响的主次顺序是d c b a 。即依次为径向宽度，周向宽度， 数量，深度。 深度( m 呻 图4 2 1 深度对最小速度的影响( 左) ，数量对最小速度的影响( 右) 径向宽度( 聊) 图4 2 2 周向宽度对最小速度的影响( 左) ，径向宽度对最小速度的影响( 右) 最后沟槽结构对最小速度影响的分析可用图4 2 1 4 2 2 来进行直观的表达。由图中我们分 析可以发现当结构深度度由0 8 l m 到1 3 m m 的范围内变化时，最小速度在深度为o 8 m m 时达 到最大值。在径向沟槽数量方面由2 0 到3 0 范围内变化时，其在2 5 时达到最大值。周向宽度由 1 0 m m 到2 o i m 范围内变化时，其最大速度在1 6 i 珊时达到最大。而在径向宽度方面，最大 4 3 液体粘性调速离合器摩擦片表面结构优化与摩擦性能研究 速度在3 木8 时最佳。 4 6 3 复合型沟槽参数对油膜最大压力的影响分析 根据k a l 、k 小k a 3 的大小可以判断a 1 、a 2 、a 3 对试验指标的影响大小。由于试验指标 为最小速度，而k a l i 沁 k a