流体粘性离合器摩擦片参数优化设计方法

Summary

本研究将数值分析软件与响应面法 （RSM） 相结合，系统探索了水粘性离合器摩擦片的优化设计方法。

Abstract

液压粘性离合器 （HVC） 基于液体粘性传动理论运行，以粘性流体为工作介质，通过摩擦片之间油膜的剪切力传递动力。摩擦片上的凹槽结构直接影响扭矩传递能力和油膜剪切诱导温度的上升。因此，设计平衡高效扭矩传递和低温升的摩擦片结构具有重要意义。为了解决这个问题，本研究分析了沟槽结构对油膜特性的影响，并确定了关键的影响因素。随后，使用仿真软件计算不同槽结构下油膜的扭矩和温升。然后使用响应面法 （RSM） 的 Box-Behnken 设计优化摩擦片的结构参数。结果表明，优化后的摩擦片设计，槽深 0.214 mm，弧长 5 mm，16 个径向弧形槽和 5 个圆周槽，在保证高扭矩传递的同时，可以显著降低油膜温度。这种设计方法为各种尺寸的液压粘性离合器中摩擦副的优化设计提供了参考。

Introduction

随着社会生产力的快速发展，越来越多的大型重载机械被用于建筑和制造过程。这些机器需要大功率动态调速，同时还要考虑低能耗。

近年来，一种新型的速度控制装置被提出并用于重型机械，特别是 Hydro-Viscous 离合器。该设备集成了机械、电子控制和液压技术，结合了流体剪切传动和机械摩擦传动。其节能特性导致了越来越广泛的应用^1,2,3。

Hydro-Viscous 离合器的工作原理基于牛顿内摩擦定律，利用剪切油膜产生的扭矩来实现动力传递和平稳调速。因此，Hydro-Viscous 离合器可以实现稳定的动力传输和控制 ^4,5。影响油膜的关键因素是摩擦片的表面结构。Hydro-Viscous 离合器摩擦片的表面不光滑，但包含各种形式的凹槽。这些凹槽的存在保证了动态压力油膜的形成和良好的散热性能;然而，沟槽摩擦片形成的油膜会影响理论粘性剪切扭矩。此外，凹槽结构不仅影响形成的油膜的均匀性，还与油膜剪切产生的温度有关，进而影响摩擦片的冷却效果。过高的温度会导致摩擦片翘曲和变形，从而导致永久性失效⁶.因此，Hydro-Viscous 离合器的结构设计主要集中在摩擦片的设计上，关键挑战是优化以下参数：传递扭矩、油膜负载能力、油膜均匀性、油膜温度、摩擦片温度和摩擦片强度 ^7,8。

Hydro-Viscous 离合器摩擦片的油槽结构设计主要包括各种排列方式，如圆周槽、径向槽和弧形槽^9、10、11。以前的研究表明，除了排列形式的差异外，油槽的横截面设计也各不相同，包括矩形、梯形和弧形凹槽。油槽的结构差异对油膜特性有各种影响^{12、13、14、15、16}。在特定条件下，不同凹槽结构形成的油膜会对离合器的性能产生不同的影响。不同机械装置中使用的离合器尺寸并不唯一;因此，当用于不同尺寸和工作条件的离合器时，具有相同结构的摩擦片的性能可能会有很大差异。因此，针对各种机械和不同作条件设计 Hydro-Viscous 离合器摩擦片需要一种具有成本效益和时间效益的设计和评估方案。

Hydro-Viscous 离合器摩擦片的设计方法涵盖多个方面，包括理论分析、实验研究和数值模拟，重点关注油膜的压力场、温度场和速度场如何影响性能 8,17,18,19,20,21 .此外，许多学者的研究基于摩擦片表面的微观纹理和摩擦片中使用的材料，以提高 Hydro-Viscous 离合器^22,23 的性能。许多学者研究了水粘性离合器中旋转流场的空化特性与油藏横截面形状之间的关系。他们分析了不同沟槽结构参数下油膜剪切空化的起始位置，为预测油膜剪切空化的发生提供了理论依据和技术支持^24,25。在这些方法中，数值模拟已成为重要的研究工具，随着仿真软件的发展，研究逐渐变得更加精细。Fluent 模块主要用于模拟和分析不同油槽结构对流场性能的影响，其具体目标是通过改变槽结构来优化油膜特性 26,27,28。然而，针对特定要求获得的模拟分析和实验结果始终符合预期，但尚未验证其对不同尺寸的液压粘性离合器中的摩擦片设计的适用性。

结合现有的研究方法，本文利用 Fluent 仿真软件和 RSM 响应面法 （RSM） 参数优化，提出了一种适用于各种尺寸摩擦片油槽结构的设计方案。这包括使用 Fluent 分析不同槽参数下油膜的特性，讨论显着影响这些特性的关键因素，计算不同槽参数形成的油膜的扭矩和温度变化，以及使用 Box-Behnken 方法统计优化摩擦片结构参数。

本研究展示了具有复合槽结构的摩擦片的优化分析，其中包括矩形截面圆周槽与弧形截面的径向槽相结合。目标是设计出能够同时实现高扭矩传递和低油膜温度的摩擦片。未来不同尺寸摩擦片的设计将只需要更改模型的初始尺寸，同时保持相同的研究计划和程序。

Protocol

注：设计方案的技术路线如图 1 所示，主要包括模型建立、仿真分析和参数优化。模型建立包括两大类：单因素分析所需的模型和在确定影响因素后响应面法 （RSM） 给出的实验设计衍生的模型。模型建立在 SolidWorks 中完成，仿真分析在 Fluent 中执行，参数优化在 Design-Expert 中进行。

1. 模型建立

1. 确定摩擦片的基本尺寸，将摩擦片的内半径设置为 110 mm，外半径设置为 160 mm，油膜厚度设置为 0.3 mm。
2. 通过在 XY 平面上创建内径为 110 mm、外径为 160 mm 的圆形草图来建立基本模型，然后将圆拉伸为 0.3 mm。通过确保生成的环形形状形成没有油槽的油膜模型，创建基本模型。
3. 在环形模型的一个侧面上，创建草图 2 并绘制 5 个均匀分布且宽度为 3 mm 的圆形面，然后将它们拉伸为 0.3 mm。形成由圆周油槽形成的矩形横截面的油膜。
4. 在 YZ 平面上创建草图 3，画一个弧长为 3 mm 的半圆弧，该圆弧与圆周油槽形成的油膜相切，然后将其径向挤压到油膜的外表面，并将固体沿内环的圆周排列，形成 14 个组件。
5. 在 XY 平面上创建草图 4，绘制半径为 110 mm 的圆，然后使用草图切掉多余的模型，完成 14 个放射状半圆形油槽油膜的建立。
6. 将建立的模型保存为由原始油槽参数形成的油膜的几何模型。
7. 修改草图 2 以绘制 3-7 个均匀分布的圆周油槽，每个油槽的宽度为 3 毫米，并生成五个油膜模型，这些模型仅在圆周油槽中有所不同。以 STEP 格式保存这些模型。
8. 修改草图 3，将半圆弧的弧长调整为 3-6 mm，每次增加弧长 0.5 mm，并生成七个油膜模型，仅在径向半圆形结构上有所不同。以 STEP 格式保存这些模型。
9. 通过将挤压厚度调整为 0.1-0.4 mm 来修改草图 2，每次增加厚度 0.05 mm，并生成七个油膜模型，这些模型仅在油槽的深度上有所不同。以 STEP 格式保存这些模型。
10. 调整草图 3 中的圆周阵列数量，将径向油槽的数量修改为 10-16，并生成七个油膜模型，这些模型仅在径向槽的数量上有所不同。以 STEP 格式保存这些模型。

2. 仿真分析

注意：仿真分析包括模型预处理、网格划分和仿真计算。所有步骤都在 ANSYS Workbench 中完成。

1. 模型预处理
   1. 打开 Workbench 工作站，将几何图形从 Toolbox > Component Systems > Geometry 拖动到工程原理图区域中。
   2. 右键单击 Geometry，选择 Import Geometry Model 以导入完成的模型，然后单击以在 Space Claim 中编辑几何模型。
   3. 在 Space Claim 工具栏中，单击 Repair，然后选择 Additional Edges 和 Split Edges 以完成修复，合并受影响的分割线。
   4. 依次单击 工具栏> Design > Selection in Selection，然后选择模型的内表面，然后单击组中的 Create NS ，将其命名为 Inlet。
   5. 使用相同的过程，单击 外表面 并将其命名为 Outlet;点击光滑的下壁面，将其命名为 B 作为油膜接触被动摩擦片的壁面;选择所有未命名的曲面，并将其命名为 Z 作为油膜与活动摩擦片接触的旋转壁面。
   6. 退出 Space Claim 并保存文件，完成模型的预处理。
      注意：仿真前对几何模型的所有预处理均按照上述步骤完成。唯一的区别是激活的墙模型不一致，但不会影响任何作。
2. 网状分区
   1. 在 Workbench 工作站中，将 Fluent 从 Toolbox > Component Systems > Fluent 拖动到已添加几何图形的项目原理图区域中。
   2. 点击 Geometry 并拖动鼠标到 Fluent 项目中的网格上，将其 Mesh Module 链接到几何体的 Upstream Data 。
   3. 双击以打开网格，然后选择 Watertight Geometry 进行网格分区。按照工作流逐步导入几何模型并添加 Local Sizing。
   4. 单击 Generate Surface Mesh，将 Minimum Size 设置为 0.3 mm， 最大尺寸 设置为 8 mm，并将 Curvature Norm Angle 设置为 10。设置这些参数后，单击 Generate the Surface Mesh （生成曲面网格）。
   5. 通过右键单击生成的表面网格并选择 Insert Improved Surface Mesh Quality 来检查表面网格质量。将 Minimum Mesh Quality 设置为 0.7，然后单击 OK 完成表面网格的改进。
   6. 单击 Describe Geometry Model，选择仅由没有间隙的流体区域组成的几何模型，将其他选项保持为默认设置。
   7. 依次单击 Describe Geometry Structure 和 Update Region Type Settings，保持默认设置并完成该过程。
   8. 单击 Add Boundary Layer，选择 3 作为层数，同时保持其他设置为默认值。
   9. 单击 Generate Volume Mesh 并插入 Improved Volume Mesh Quality 以确保其质量超过 0.12。
      注意：完成的网状分区如 补充图 1 所示。
   10. 生成网格后，单击 Switch to the Solver Mode。等待网格分区并导入到分析模块完成。
       注意：网格单元的数量和质量对于计算结果的准确性至关重要。水密几何结构用于通过更改单元大小来控制网格的数量和质量。如图 2 所示，将指定的最小网格单元尺寸从 0.8 mm 减小到 0.1 mm 会使单元数量从 534,595 增加到 2,649,371。随着单元数量的变化，油膜的平均温度和传递的扭矩结果保持稳定，这表明网格质量的进一步提高对结果的影响最小。因此，选择最小单元尺寸为 0.3 mm 进行网格划分。
3. 仿真求解
   1. 从 Mesh Partitioning 切换到 Solver 模式。网格完成加载后，点击常规菜单中的检查案例，验证有限元模型的有效性，并检查网格是否有任何负体积。
   2. 在模型设置中打开 Energy Equation 。进入黏性模型设置界面，选择 层流模型（Laminar Model），启用 黏性加热 （Viscous Heating ） 选项。
      注：粘性模型的选择取决于油膜流场的流动状态，通常使用雷诺数进行评估。当雷诺数较低时，流体颗粒不受影响，从而产生层流。相反，高雷诺数表示流体之间的扰动被放大，将层流转化为湍流。根据围绕旋转圆盘的流动理论，使用公式 Re = R²ω/v 计算与外半径切向速度相关的雷诺数。其中 Re 是雷诺数，R 是摩擦盘的外径， ω 是摩擦片的转速，v 是运动粘度。当 Re < 1 × 10⁵ 时，流动为层流;当 2 × 10⁵ < Re < 3 × 10⁵ 时，流动是湍流。对于本文研究的流体，v = 30 mm²/s 和 R = 160 mm，可以得出以下内容。当摩擦片转速为 ω = 1000 rpm 时，油膜流场的雷诺数 Re < 1 × 10⁵，表明油膜处于层流状态。
   3. 根据 表 1 中列出的两种材料的属性修改设置中的材料参数。修改系统中名为 “Air” 的液体材质参数，对于固体材质，修改名为 “Aluminum” 的参数。
      注意： 液体将选择液压 油 #8 作为油膜材料，固体将使用 铜基材料 作为摩擦垫材料。
   4. 单击 边界条件，选择名为“Z”的活动摩擦垫壁面，单击 动量 设置，并将其设置为绕 Y 轴旋转 100 rad/s 的旋转壁面，剪切条件为 无滑移。
   5. 单击 边界条件，选择名为“B”的被动摩擦板壁面，单击 动量设置，并将其设置为剪切条件为 无滑移的固定壁面。
   6. 通过 系统耦合 设置与能量传递相关的边界条件。
   7. 通过单击 出口 并将其设置为 压力出口来设置入口和出口边界条件，并将 表压 设置为 0，这对应于标准大气压。
   8. 通过单击入口设置入口边界条件，将其设置为流速为 1 m/s、入口温度为 30 °C 的速度 入口 。
   9. 点击 Solution settings，选择求解方法模型的 SIMPLE 算法。为 Momentum 和 Energy 选择 First-Order Upwind 格式，并将残差值保持为默认设置。
   10. 完成上述步骤后，设置计算域在初始时刻的状态，例如，初始温度为 26 °C，压力为 0 Pa，XYZ 方向的速度设置为 0。
   11. 将 Number of Iterations 设置为 300 steps，单击 Calculate 按钮开始计算，然后等待结果。
   12. 迭代计算完成后，单击 Results > Reports > Fluxes。选择 质量流量 （Mass Flow Rate ） 以 磁通量为单位，检查 入口 （ Importer ） 和 出口 （Outlet） 的质量流率，确保两者之间的误差小于 0.1%，以验证计算结果的准确性。
   13. 完成上述步骤，然后分析模拟结果。单击 结果 > 报告 > 力，选择壁面 B 绕 Y 轴的扭矩，然后将得到的粘性值解释为油膜传递的剪切扭矩。
   14. 退出流体流动计算模块，然后在 Workbench 工作站中，将 Results 从 Toolbox > Component Systems > Results 拖动到已完成流体流动仿真计算的项目示意图区域中。点击流体流动模块中的解，然后拖动鼠标查看结果。
   15. 输入结果，单击 计算器，然后选择 函数计算器 以求解整个油膜的平均 温度 。单击 Calculate 以获得油膜的总体平均温度。

3. 参数优化

注：参数优化是使用响应面方法完成的，用于建模和分析。响应面方法需要选择三个显著影响油膜传递扭矩和温度的因素，并指定它们的高电平值和低电平值。然后对由所选影响因素和变量生成的新组合进行建模和分析，然后使用获得的数据进行优化计算。

1. 在 Design-Expert 软件中，单击 NEW DESIGN 创建新设计。
2. 在新设计中，从响应面中选择 BOX-Behnken 以建立一个三因子、两级优化模型。
3. 单击 数字系数 以选择三个系数：摩擦垫中径向油槽的数量、凹槽的深度和油槽的弧长，并填写相应的表格。
4. 将 High level （ 高） 和 Low-level （低） 值输入到相应的表中，从 3 个影响因素的分析中获得。
5. 将每个块 的中心点 数设置为 5，然后单击下一步，将 响应变量 更改为 2，即油膜传递的扭矩和油膜的平均温度。单击 Finish 生成 17 组随机采样点。
6. 通过重新组合 17 组随机采样点的 3 个影响因素来建立模型数据，并重复第 1 节以完成模型建立。
7. 重复第 2 节进行仿真分析，得到复合后油膜的传递扭矩和平均温度。将三个影响组合的预测变量 A、B 和 C 与传递扭矩和平均温度的仿真结果合并，形成一个新的变量表。
8. 接下来，为模型中的 Process Order 选择二次，并为 Model Type 选择多项式，将其他设置保留为默认值。
9. 完成响应面模型的建立后，计算扭矩和平均温度。
10. 分析完成后，对模型进行错误分析。点击方差分析 （ANOVA），然后分析拟合统计量中的 R² 和 Adeq 精度值，以验证模型是否符合标准。
11. 单击 Numerical > Criteria > Optimization（优化），保持三个影响因素的范围不变。单击解决方案以查找近似值的最大扭矩和最低平均温度。
12. 计算数组的不同结果，标记为 1 的组合是模型的最佳解。

Results

该方案中的建模和仿真分析步骤旨在确定摩擦片槽的哪些参数对油膜温度和传递扭矩有显著影响。通过对采样数据的参数优化，调整影响油膜性能的参数组合，然后进行重复建模和仿真生成数据，最终通过响应面优化获得摩擦片槽的最优参数。

图 3、图 4、图 5 和图 6 说明了不同槽参数对油膜传递扭矩和平均温度的影响。由于沟槽结构的变化，形成的油膜形状不同，导致传递的扭矩和温度发生变化。

通过保持圆周槽的数量、弧长和深度不变，分析了改变径向槽的数量对油膜传递扭矩和平均温度的影响。如图 3 所示，当槽数从 12 个增加到 20 个时，传递的扭矩随着槽数的增加而线性减小，同时油膜温度也降低。同样，通过保持其他参数不变并且仅改...

Discussion

本研究提出了一种 Hydro-Viscous 离合器摩擦片油槽结构的优化设计方法。具体来说，它旨在通过改变凹槽的数量、排列和几何尺寸等参数来提高油膜性能¹⁰.使用 Fluent 软件和响应面方法 （RSM） 进行数值模拟的组合来分析和优化参数，例如径向槽的数量、槽深和径向槽的弧长。目标是实施一种节省时间和成本的设计方法，同时最大限度地降低油膜温度并保持足够的扭矩传递，最终延长离合器的使用寿命。

在仿真和优化过程中，可能会出现收敛失败或偏离预期结果等问题。为了解决这些问题，我们建议以下方法：如果仿真收敛失败，建议首先检查网格质量，确保单元偏斜低于 0.7 且纵横比小于 5，并在槽壁³⁰ 等关键区域进行额外细化。验证边界条件是否设置正确也很重要，包括转速、入口速度和无滑移条件。求解器参数可以根据需要进行调整，例如，通过减少时间步长、增加松弛因子或从一阶数值方案切换到二阶数值方案以增强求解稳定性。此外，应仔细验证输入材料属性，...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
阿尔达里	不适用	不适用	合金材料
Ansys-Workbench	安西斯	ANSYS 2023R1	多用途有限元法计算机设计程序软件。
设计专家	统计轻松	设计专家 13	一种实验数据分析工具
8号液压油	不适用	不适用	液
PC	不适用	不适用	计算机设备
SOLIDWORKS公司	达索系统	SOLIDWORKS 2023 年	工程软件绘图工具
钢	不适用	不适用	合金材料