Cette étude combine un logiciel d’analyse numérique avec une méthodologie de surface de réponse (RSM) pour explorer systématiquement la méthode de conception d’optimisation des plaques de friction des embrayages hydro-visqueux.
Research Article
Cette étude combine un logiciel d’analyse numérique avec une méthodologie de surface de réponse (RSM) pour explorer systématiquement la méthode de conception d’optimisation des plaques de friction des embrayages hydro-visqueux.
L’embrayage hydrovisqueux (HVC) fonctionne sur la base de la théorie de la transmission visqueuse liquide, en utilisant un fluide visqueux comme fluide de travail pour transmettre la puissance à travers la force de cisaillement du film d’huile entre les plaques de friction. La structure des rainures sur les plaques de friction affecte directement la capacité de transmission du couple et l’augmentation de la température induite par le cisaillement du film d’huile. Par conséquent, la conception de structures de plaques de friction qui équilibrent une transmission de couple efficace et une faible élévation de température est d’une grande importance. Pour répondre à cette problématique, cette étude analyse l’impact de la structure de la rainure sur les caractéristiques du film d’huile et identifie les principaux facteurs d’influence. Par la suite, un logiciel de simulation a été utilisé pour calculer le couple et l’élévation de température du film d’huile sous différentes structures de rainures. Les paramètres structurels des plaques de friction ont ensuite été optimisés à l’aide de la méthodologie de surface de réponse (RSM) de Box-Behnken. Les résultats montrent que la conception optimisée de la plaque de friction, avec une profondeur de rainure de 0,214 mm, une longueur d’arc de 5 mm, 16 rainures en forme d’arc radial et 5 rainures circonférentielles, peut réduire considérablement la température du film d’huile tout en assurant une transmission de couple élevée. Cette approche de conception fournit une référence pour la conception optimisée des paires de friction dans les embrayages hydro-visqueux de différentes tailles.
Avec le développement rapide de la productivité sociale, un nombre croissant de grandes machines à charge lourde sont utilisées dans les processus de construction et de fabrication. Ces machines nécessitent une régulation dynamique de la vitesse à haute puissance tout en tenant compte de la faible consommation d’énergie.
Au cours des dernières années, un nouveau type de dispositif de contrôle de la vitesse a été proposé et utilisé dans la machinerie lourde, en particulier l’embrayage hydrovisqueux. Ce dispositif intègre des technologies mécaniques, électroniques et hydrauliques, incorporant à la fois la transmission par cisaillement des fluides et la transmission mécanique par friction. Ses caractéristiques d’efficacité énergétique ont conduit à des applications de plus en plus répandues 1,2,3.
Le principe de fonctionnement de l’embrayage hydro-visqueux est basé sur la loi de friction interne de Newton, en utilisant le couple généré par le cisaillement du film d’huile pour obtenir une transmission de puissance et une régulation de vitesse en douceur. Par conséquent, l’embrayage hydro-visqueux peut accomplir une transmission de puissance stable et un contrôle 4,5. Les facteurs clés affectant le film d’huile sont la structure de surface de la plaque de friction. La surface des plaques de friction de l’embrayage hydro-visqueux n’est pas lisse mais contient des rainures de différentes formes. La présence de ces rainures assure la formation d’un film d’huile sous pression dynamique et de bonnes performances de dissipation thermique ; Cependant, le film d’huile formé par les plaques de friction rainurées affecte le couple de cisaillement visqueux théorique. De plus, la structure de la rainure affecte non seulement l’uniformité du film d’huile formé, mais aussi la température générée par le cisaillement du film d’huile, ce qui a un impact sur l’effet de refroidissement de la plaque de friction. Une température excessive peut provoquer le gauchissement et la déformation des plaques de friction, entraînant une défaillance permanente6. Par conséquent, la conception structurelle de l’embrayage hydro-visqueux se concentre principalement sur la conception des plaques de friction, le principal défi étant d’optimiser les paramètres suivants : couple transmis, capacité de charge du film d’huile, uniformité du film d’huile, température du film d’huile, température de la plaque de friction et résistance de la plaque de friction 7,8.
La conception de la structure de rainure d’huile pour les plaques de friction d’embrayage hydro-visqueux comprend principalement divers arrangements, tels que des rainures circonférentielles, des rainures radiales et des rainures en forme d’arc 9,10,11. Des recherches antérieures indiquent qu’en plus des différences dans les formes d’arrangement, les conceptions de sections transversales des rainures d’huile varient également, y compris les rainures rectangulaires, trapézoïdales et en forme d’arc. Les différences structurelles des rainures d’huile ont divers impacts sur les caractéristiques du film d’huile 12,13,14,15,16. Dans des conditions spécifiques, le film d’huile formé par différentes structures de rainures peut avoir des impacts variables sur les performances de l’embrayage. Les dimensions des embrayages utilisés dans différents dispositifs mécaniques ne sont pas uniques ; Ainsi, les performances des plaques de friction avec la même structure peuvent différer considérablement lorsqu’elles sont utilisées dans des embrayages de tailles et de conditions de fonctionnement différentes. Par conséquent, la conception de plaques de friction d’embrayage hydrovisqueux pour diverses machines et différentes conditions de fonctionnement nécessite un schéma de conception et d’évaluation rentable et rapide.
L’approche de conception des plaques de friction d’embrayage hydrovisqueux englobe divers aspects, notamment l’analyse théorique, la recherche expérimentale et les simulations numériques, en se concentrant sur la façon dont les champs de pression, les champs de température et les champs de vitesse du film d’huile affectent les performances 8,17,18,19,20,21 . De plus, de nombreux chercheurs ont basé leurs recherches sur la micro-texture de la surface de la plaque de friction et les matériaux utilisés dans les plaques de friction pour améliorer les performances de l’embrayage hydro-visqueux22,23. De nombreux chercheurs ont étudié la relation entre les caractéristiques de cavitation du champ d’écoulement rotatif dans les embrayages hydrovisqueux et la forme de la section transversale du réservoir de pétrole. Ils ont analysé les positions d’initiation de la cavitation par cisaillement du film d’huile sous différents paramètres structurels de rainure, fournissant une base théorique et un support technique pour prédire l’apparition de la cavitation par cisaillement du film d’huile24,25. Parmi ces méthodes, la simulation numérique est devenue un outil de recherche incontournable, et avec le développement des logiciels de simulation, la recherche s’est progressivement affinée. Le module Fluent est principalement utilisé pour simuler et analyser l’impact de différentes structures de rainures d’huile sur les performances du champ d’écoulement, dans le but spécifique d’optimiser les propriétés du film d’huile grâce à des modifications des structures de rainures 26,27,28. Cependant, les analyses de simulation et les résultats expérimentaux obtenus pour des exigences spécifiques ont toujours répondu aux attentes, mais n’ont pas été validés pour leur applicabilité à la conception de plaques de friction dans des embrayages hydro-visqueux de différentes tailles.
En combinant des méthodes de recherche existantes, cette étude s’appuie sur le logiciel de simulation Fluent et sur l’optimisation des paramètres de la méthodologie de surface de réponse RSM (RSM) pour proposer un schéma de conception adapté aux structures de rainures d’huile dans les plaques de friction de différentes tailles. Il s’agit d’analyser les caractéristiques du film d’huile sous différents paramètres de rainure à l’aide de Fluent, de discuter des facteurs clés qui influencent considérablement ces caractéristiques, de calculer les variations de couple et de température du film d’huile formé par différents paramètres de rainure et d’optimiser statistiquement les paramètres structurels de la plaque de friction à l’aide de la méthode Box-Behnken.
Cette étude démontre l’analyse d’optimisation de plaques de friction avec une structure de rainure composite, qui comprend des rainures circonférentielles de section rectangulaire combinées à des rainures radiales de section transversale en forme d’arc. L’objectif est de concevoir des plaques de friction capables d’atteindre simultanément une transmission de couple élevée et une faible température du film d’huile. Les conceptions futures de différentes tailles de plaques de friction ne nécessiteront que des modifications des dimensions initiales du modèle tout en conservant le même plan de recherche et les mêmes procédures.
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REMARQUE : L’itinéraire technique du schéma de conception est illustré à la figure 1, qui comprend principalement l’établissement du modèle, l’analyse de simulation et l’optimisation des paramètres. L’établissement du modèle comprend deux grandes catégories : les modèles requis pour l’analyse monofactorielle et les modèles dérivés du plan d’expérience donné par la méthodologie de la surface de réponse (RSM) après détermination des facteurs d’influence. L’établissement du modèle est effectué dans SolidWorks, l’analyse de simulation est effectuée dans Fluent et l’optimisation des paramètres est effectuée dans Design-Expert.
1. Établissement du modèle
2. Analyse de simulation
REMARQUE : L’analyse de simulation comprend le prétraitement du modèle, le partitionnement du maillage et les calculs de simulation. Toutes les étapes sont effectuées dans ANSYS Workbench.
3. Optimisation des paramètres
REMARQUE : L’optimisation des paramètres est réalisée à l’aide de la méthodologie de surface de réponse pour la modélisation et l’analyse. La méthodologie de la surface de réponse nécessite de sélectionner trois facteurs qui influencent de manière significative le couple et la température transférés du film d’huile, en spécifiant leurs valeurs de haut et de bas niveau. La modélisation et l’analyse sont ensuite effectuées pour les nouvelles combinaisons générées à partir des facteurs d’influence et des variables sélectionnés, suivies de calculs d’optimisation à l’aide des données obtenues.
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Les étapes de modélisation et d’analyse de simulation du schéma visent à déterminer quels paramètres des rainures de la plaque de friction ont un impact significatif sur la température du film d’huile et le couple transmis. Grâce à l’optimisation des paramètres des données échantillonnées, les combinaisons de paramètres affectant les performances du film d’huile sont ajustées, suivies d’une modélisation et de simulations répétées pour générer des données, obtenant finalement les paramètres optimaux pour les rainures de l...
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Cette étude propose une méthode de conception d’optimisation de la structure de la rainure d’huile des plaques de friction de l’embrayage hydrovisqueux. Plus précisément, il vise à améliorer les performances du film d’huile en modifiant des paramètres tels que le nombre, la disposition et les dimensions géométriques des rainures10. Une combinaison de simulations numériques à l’aide du logiciel Fluent et de la méthodologie de surface de réponse (RSM) est utilisée p...
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Les auteurs déclarent qu’ils n’ont pas d’intérêts financiers conflictuels ou d’autres conflits d’intérêts.
Ce travail a été soutenu par le Bureau de la Fondation de recherche sur l’éducation de la province du Hunan en Chine (23A0620), le Fonds conjoint régional du projet de la Fondation des sciences naturelles de la province du Hunan en Chine (2025JJ70310), le Programme d’innovation de la pratique de troisième cycle de l’Université de technologie du Jiangsu (XSJCX24_44).
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| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| Aldary | N/A | N/A | Matériau en alliage |
| Ansys-Workbench | ANSYS | ANSYS 2023R1 | Méthode d’éléments finis polyvalente, logiciel de programme de conception informatique. |
| Expert en design | Stat-Ease | Expert en design 13 | Un outil d’analyse de données expérimentales |
| Huile hydraulique n°8 | N/A | N/A | Liquide |
| PC ; | N/A | N/A | Matériel informatique |
| SOLIDWORKS | Dassault Systèmes | SolidWorks 2023 | Un outil de dessin logiciel d’ingénierie |
| Acier | N/A | N/A | Matériau en alliage |
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