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基于流固耦合振动理论的湿式离合器高速稳定性研究

彭增雄  
【摘要】:湿式多片离合器可承受较高的换挡热负荷,并能有效提高换挡舒适性,作为换挡核心部件,广泛应用于各种传动装置中。当离合器主被动端存在转速差时,润滑油液的剪切作用不可变避免地产生一定的带排转矩(拖拽转矩),从而引起带排功率损失,减小带排功率损失是提高传动效率的关键措施。试验结果表明,当离合器空载线速度接近70m/s时,摩擦片之间会发生剧烈碰振,引起带排转矩急剧上升,带排功率损失突然增大,容易导致摩擦片的热损坏。初步分析认为:摩擦片之间的碰振为流固耦合作用,转速提高,空气混入后形成气液两相流,降低了流体的刚度、阻尼,当转速超过某临界值,流体力对摩擦片所作的功超出流体阻尼的耗散,诱发大幅度碰振。针对摩擦片的碰振现象,建立了考虑离心应力作用下的柔性摩擦片横向振动动力学模型,发现摩擦片的最小临界转速远大于离合器发生碰振时的工作转速,摩擦片的振动非摩擦片结构颤振所诱发,需要进行流固耦合振动分析,揭示振动的诱发机理。建立了气液两相流的均相模型和摩擦片的流固耦合动力学模型,利用流体的刚度、阻尼系数分析摩擦片的流固耦合振动。通过有限元方法数值求解零阶润滑方程与一阶润滑方程,获得了流体的9个刚度系数以及9个阻尼系数。在对中工况下,摩擦片的轴向运动和角向摆动的耦合影响很小,可分解成两个独立的运动进行分析。小角度不对中工况下,轴向运动与角向运动之间存在耦合关系,但对轴向直接刚度、轴向直接阻尼、角向直接刚度、角向直接阻尼、角向交叉刚度、角向交叉阻尼的影响不大。针对离合器流固耦合振动的稳定性,建立了单自由度轴向振动稳定性分析模型,动压效应较强的螺旋槽,在油膜间隙很小,转速数大于某临界值的情况下,会出现负阻尼,引起轴向自激振动。建立了双自由度角向摆振稳定性分析模型,螺旋槽相比于其他槽型,有利于提高无量纲综合刚度和角向摆振稳定性。无量纲综合刚度与角向直接刚度较为接近,说明两相流体所能提供的阻尼很小,提高角向稳定性只能采取提高临界扰动频率以及提供附加阻尼的措施。与径向滑动轴承的半频涡动类似,角向摆动自振的临界频率比约为0.5,该频率特性为固有特性,并完成了试验验证。湿式离合器角向摆动自振的满足条件远低于轴向自激振动,故其碰振通常表现为角向摆振。进行了槽型参数对稳定性影响规律的研究和斜线槽、螺旋槽的槽型优化,完成了T型槽、人字槽的刚度、阻尼特性分析。根据流固耦合动力学模型及稳定性分析,给出了典型槽性的角向稳定性区间。研究了收敛的油膜间隙有利于提高轴向无量纲阻尼、角向无量纲综合刚度,从而提高轴向振动稳定性以及角向摆振的稳定性。分析了附加刚度、阻尼材料提高角向稳定性的可行性。建立了摩擦片的碰撞接触模型,分析了角向摆振的非线性振动响应。发生碰撞后,角向摆振为等幅振动,碰撞相位角在-180°~180°之间变化,表现为摩擦片的章动。角向摆振响应基本保持周期性,流体刚度、阻尼和摩擦片转动惯量决定的谐振分量仍然起主导作用,但已经开始表现非线性特征,为非完全重合的相轨迹。建立了含碰撞摩擦的高速带排转矩模型,并进行了试验验证。研究成果为高速湿式离合器的流固耦合振动及失稳的分析提供了理论依据,同时提出了高速流固耦合碰振的抑制措施,具有较强的理论及工程意义。


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