兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (7): 240699-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0699
赵钦1, 郑怡扬1, 于亮*(), 刘宇键2, 党国强3, 董懿1
收稿日期:
2024-08-14
上线日期:
2025-08-12
通讯作者:
基金资助:
ZHAO Qin1, ZHENG Yiyang1, YU Liang*(), LIU Yujian2, DANG Guoqiang3, DONG Yi1
Received:
2024-08-14
Online:
2025-08-12
摘要:
为解决湿式多片换挡离合器摩擦元件径向温差过大产生的热翘曲等热失效问题,开展了摩擦元件径向接触压力均匀化和摩擦系数梯度化的数值仿真和试验研究。首先基于离合器的紧凑结构,设计并拓扑优化了压板结构,提升了压板刚度,减轻了摩擦元件的变形趋势,使定工况下各摩擦元件的最大压差和温差分别降低了28.64%和28.48%;然后对摩擦片表面进行织构处理和试验,发现摩擦系数随织构线密度增大而减小,提出了织构密度沿摩擦片径向递减的梯度化设计方法,使定工况下最大温差降低17.69%。最后综合应用优化压板和织构摩擦片,使径向接触压力均匀化和摩擦系数沿径向递减,相比于原始设计,摩擦元件的最大温差和热弯矩分别降低了41.73%和45.33%。研究为更高功率密度离合器设计提供了理论基础。
赵钦, 郑怡扬, 于亮, 刘宇键, 党国强, 董懿. 湿式多片换挡离合器温度场综合优化方法[J]. 兵工学报, 2025, 46(7): 240699-.
ZHAO Qin, ZHENG Yiyang, YU Liang, LIU Yujian, DANG Guoqiang, DONG Yi. Comprehensive Optimization of Temperature Field of Wet Multi-disc Shifting Clutch[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(7): 240699-.
摩擦元件 | 内径/ mm | 外径/ mm | 厚度/ mm | 泊松比 | 弹性模量/ GPa |
---|---|---|---|---|---|
活塞 | 86 | 125 | 6 | 0.3 | 216 |
钢片 | 86 | 125 | 2 | 0.3 | 216 |
摩擦衬层 | 86 | 125 | 0.6 | 0.16 | 4 |
摩擦芯材 | 86 | 125 | 2 | 0.3 | 216 |
压板 | 86 | 125 | 5 | 0.3 | 216 |
卡簧 | 116 | 125 | 3 | 0.3 | 216 |
表1 摩擦元件的材料和结构参数
Table 1 Material and geomatic parameters of friction components
摩擦元件 | 内径/ mm | 外径/ mm | 厚度/ mm | 泊松比 | 弹性模量/ GPa |
---|---|---|---|---|---|
活塞 | 86 | 125 | 6 | 0.3 | 216 |
钢片 | 86 | 125 | 2 | 0.3 | 216 |
摩擦衬层 | 86 | 125 | 0.6 | 0.16 | 4 |
摩擦芯材 | 86 | 125 | 2 | 0.3 | 216 |
压板 | 86 | 125 | 5 | 0.3 | 216 |
卡簧 | 116 | 125 | 3 | 0.3 | 216 |
网格 | 特征 | 节点数 | 计算时间/min | 接触压力变化/% |
---|---|---|---|---|
A | 整圆 | 202972 | 900 | |
B | 1/6圆 | 22656 | 18 | 2.2~6.8 |
C | 1/6圆 | 31054 | 39 | 0.6~2.0 |
D | 1/6圆 | 69174 | 158 | 0.2~1.0 |
E | 1/6圆 | 77006 | 230 | 0.05~0.1 |
表2 网格独立性检验
Table 2 Grid independence check
网格 | 特征 | 节点数 | 计算时间/min | 接触压力变化/% |
---|---|---|---|---|
A | 整圆 | 202972 | 900 | |
B | 1/6圆 | 22656 | 18 | 2.2~6.8 |
C | 1/6圆 | 31054 | 39 | 0.6~2.0 |
D | 1/6圆 | 69174 | 158 | 0.2~1.0 |
E | 1/6圆 | 77006 | 230 | 0.05~0.1 |
参数 | x1 | x2 | x3 | x4 | x5 |
---|---|---|---|---|---|
尺寸/mm | 2.7 | 2.4 | 6.9 | 7.0 | 7.0 |
表3 压板的优化结构参数
Table 3 Optimized structural parameters of the back plate
参数 | x1 | x2 | x3 | x4 | x5 |
---|---|---|---|---|---|
尺寸/mm | 2.7 | 2.4 | 6.9 | 7.0 | 7.0 |
项目 | S1 | S2 | S3 | S4 | S5 | S6 | S7 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
初始设计 | 0.1130 | 0.1282 | 0.1484 | 0.1873 | 0.2144 | 0.3491 | 0.3753 |
优化压板 | 0.0854 | 0.0968 | 0.1125 | 0.1404 | 0.1633 | 0.2491 | 0.2798 |
优化程度 | 24.3% | 24.5% | 24.2% | 25.0% | 23.8% | 28.7% | 25.4% |
表4 初始与优化压板接触压力系数标准差
Table 4 Standard deviation of initial and optimized designs
项目 | S1 | S2 | S3 | S4 | S5 | S6 | S7 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
初始设计 | 0.1130 | 0.1282 | 0.1484 | 0.1873 | 0.2144 | 0.3491 | 0.3753 |
优化压板 | 0.0854 | 0.0968 | 0.1125 | 0.1404 | 0.1633 | 0.2491 | 0.2798 |
优化程度 | 24.3% | 24.5% | 24.2% | 25.0% | 23.8% | 28.7% | 25.4% |
样件 | 线密度/(个·mm-1) | 压力/N | 转速/(r·min-1) |
---|---|---|---|
无织构 | 0 | 30,80,150 | 1000 |
轻载 | 0.5,0.45,0.4, 0.35,0.3 | 30 | |
中载 | 80 | ||
重载 | 150 |
表5 织构片试验工况
Table 5 Test conditions of textured friction plates
样件 | 线密度/(个·mm-1) | 压力/N | 转速/(r·min-1) |
---|---|---|---|
无织构 | 0 | 30,80,150 | 1000 |
轻载 | 0.5,0.45,0.4, 0.35,0.3 | 30 | |
中载 | 80 | ||
重载 | 150 |
序号 | 特征 | 活塞压力/ kPa | 转速/ (r·min-1) | 环境温 度/℃ | 滑摩时 间/s |
---|---|---|---|---|---|
T-1 | 初始设计 | 100 | 300 | 40 | 13 |
T-2 | 仅优化压板 | ||||
T-3 | 仅织构摩擦片 | ||||
T-4 | 综合优化 |
表6 温度试验工况
Table 6 Conditions of temperature tests
序号 | 特征 | 活塞压力/ kPa | 转速/ (r·min-1) | 环境温 度/℃ | 滑摩时 间/s |
---|---|---|---|---|---|
T-1 | 初始设计 | 100 | 300 | 40 | 13 |
T-2 | 仅优化压板 | ||||
T-3 | 仅织构摩擦片 | ||||
T-4 | 综合优化 |
项目 | SP1/% | SP2/% | SP3/% | SP4/% |
---|---|---|---|---|
最大温差减小 | 32.69 | 30.73 | 29.64 | 41.73 |
热弯矩减小 | 30.94 | 32.38 | 32.45 | 45.33 |
表7 综合优化表现
Table 7 Performance of compressive optimization
项目 | SP1/% | SP2/% | SP3/% | SP4/% |
---|---|---|---|---|
最大温差减小 | 32.69 | 30.73 | 29.64 | 41.73 |
热弯矩减小 | 30.94 | 32.38 | 32.45 | 45.33 |
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