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    《江蘇大學》 2019年
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    液粘調速離合器不同構型摩擦副間油膜動壓承載力與扭矩特性研究

    陳立宇  
    【摘要】:液粘調速離合器以粘性流體作為工作介質,依靠流體的粘性剪切力進行扭矩的傳遞,通過改變摩擦副間隙的距離實現轉速的調節,具有啟動沖擊小、無級變速、高效節能等優點,廣泛用于大型輸送機,風機,水泵的軟啟動與速度調節。研究表明,關鍵部件摩擦片表面的油槽能降低摩擦副在混合摩擦與邊界摩擦工況下的溫升,但是在流體摩擦階段油槽產生的動壓效應會導致油液空化以及油膜收縮,從而影響扭矩傳遞;而且目前動壓效應對扭矩傳遞的影響規律和內在機理尚不明確,缺乏提高油膜承載力和增強系統穩定性的方法。本文以摩擦副間隙的油液作為研究對象,綜合考慮油槽參數、離心力和對偶片表面微織構等多個因素對油液流場和動力傳遞的影響,結合理論分析、數值分析和實驗驗證的方法,對不同構型摩擦副間隙油膜動壓承載力、扭矩特性和油液傳動機理進行研究,主要內容如下:基于流體運動的N-S方程和連續性方程,對無油槽摩擦副間隙的油液進行了分析,建立了考慮慣性力影響的油液運動模型;基于分步解析法推導出油液流動的解析解,分析了入口壓力、油膜厚度、轉速和離心力等多個因素對油液流場的影響規律;基于油液流動的邊界條件,建立了流體摩擦階段油膜的承載力模型和扭矩傳遞模型。通過對油液流場的分析發現,在無油槽影響的情況下離心力是導致油膜收縮的主要因素,當摩擦片轉速達到800rpm時,油膜開始收縮;當對偶片與摩擦片的轉速比大于0.9時,油液扭矩的傳遞效率會驟然降低。考慮油槽的空間結構和油液流動特點,簡化N-S方程和雷諾方程獲得油液流動的超定偏微分方程組,利用油槽邊界的流量連續性假設,推導出油槽影響下油液的壓力和速度的解析解,并通過數值分析驗證了理論結果的準確性。針對油槽影響下油液流動的特性,得到了油膜承載力修正模型和傳遞扭矩修正模型,獲得扭矩傳遞效率的解析式。分析了油槽動壓效應的演變過程以及動壓效應對油液流場、油膜承載力、油液空化、油膜收縮和扭矩傳遞的影響。基于Reynolds邊界條件,建立了考慮油槽影響的油膜收縮模型,提出油膜等效半徑判據,發現動壓效應會導致油膜劇烈收縮,油膜厚度的增加對油膜收縮有抑制作用,當油膜厚度超過0.3mm,油膜等效半徑趨于穩定;油槽區內的扭矩損失隨著轉速的增加而增大,非油槽區的扭矩損失在油膜厚度與油槽深度比例為0.5時達到最大值;在相同的有效面積系數下,增加油槽寬度能提高油膜的承載力和扭矩,當油槽深度大于油膜厚度時,油槽深度的增加會減弱油膜的承載力和扭矩。在離合器調速工況下,發現多組摩擦副間的油膜厚度不一致性導致摩擦副扭矩傳遞的差異,提出利用對偶片表面微織構技術增強油膜承載力的方法,基于帶微凸體的油膜仿真模型分析了織構類型、織構深度和織構率等參數對油膜承載力和扭矩傳遞的影響規律,結果表明微織構能夠有效提升油膜的承載力,其中柱狀織構的影響最為顯著;織構率不變的情況下,油膜的承載力與織構深度呈現線性變化,承載力的增幅明顯而傳遞扭矩的損失較小;織構深度不變的情況下,織構率的增加會引起承載力的增長,尤其是織構率大于10%時承載力增長顯著,但是織構率的增加會減少摩擦副的有效面積系數導致扭矩的減少。利用正交試驗的方差分析法計算了對偶片表面微織構對承載力和扭矩影響的顯著性水平,發現織構類型、織構深度、織構率對承載力和扭矩都有顯著影響,相互之間不存在相關性。搭建了可視化的液粘調速離合器實驗臺,對一組摩擦副間隙油液的扭矩進行測試,驗證了油膜厚度,油液入口壓力對扭矩傳遞的影響規律。實驗測定了不同織構深度與織構率的扭矩傳遞數據,驗證了表面織構的有效性。基于高速像機發現隨著轉速的升高,油槽內的空泡數量增多,油膜收縮明顯;油膜內空泡的形成與油膜收縮具有明顯的周期性,并且油槽內的空泡破裂是引起油膜收縮的主要因素。織構后對偶片表面的油液內出現細長圓弧狀的空泡,和無織構相比,引起的空泡數量少,體積小。
    【學位授予單位】:江蘇大學
    【學位級別】:博士
    【學位授予年份】:2019
    【分類號】:TH133.4

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