Método de Projeto de Otimização Paramétrica para Placas de Fricção de Embreagens Hidroviscosas

Summary

Este estudo combina software de análise numérica com metodologia de superfície de resposta (RSM) para explorar sistematicamente o método de projeto de otimização para placas de fricção de embreagens hidroviscosas.

Abstract

A embreagem hidroviscosa (HVC) opera com base na teoria da transmissão viscosa líquida, usando fluido viscoso como meio de trabalho para transmitir energia através da força de cisalhamento do filme de óleo entre as placas de fricção. A estrutura da ranhura nas placas de fricção afeta diretamente a capacidade de transmissão de torque e o aumento da temperatura induzida por cisalhamento do filme de óleo. Portanto, projetar estruturas de placas de fricção que equilibrem a transmissão de torque eficiente e o baixo aumento de temperatura é de grande importância. Para resolver esse problema, este estudo analisa o impacto da estrutura do sulco nas características do filme de óleo e identifica os principais fatores de influência. Posteriormente, um software de simulação foi usado para calcular o torque e o aumento de temperatura do filme de óleo sob diferentes estruturas de ranhura. Os parâmetros estruturais das placas de fricção foram então otimizados usando o projeto Box-Behnken da metodologia de superfície de resposta (RSM). Os resultados mostram que o design otimizado da placa de fricção, com uma profundidade de ranhura de 0,214 mm, um comprimento de arco de 5 mm, 16 ranhuras radiais em forma de arco e 5 ranhuras circunferenciais, pode reduzir significativamente a temperatura do filme de óleo, garantindo alta transmissão de torque. Essa abordagem de design fornece uma referência para o design otimizado de pares de fricção em embreagens hidroviscosas de vários tamanhos.

Introduction

Com o rápido desenvolvimento da produtividade social, um número crescente de grandes máquinas de carga pesada está sendo utilizado nos processos de construção e fabricação. Essas máquinas exigem regulação dinâmica de velocidade de alta potência, considerando também o baixo consumo de energia.

Nos últimos anos, um novo tipo de dispositivo de controle de velocidade foi proposto e usado em máquinas pesadas, especificamente a embreagem hidroviscosa. Este dispositivo integra tecnologias mecânicas, de controle eletrônico e hidráulicas, incorporando transmissão de cisalhamento de fluido e transmissão de atrito mecânico. Suas características de eficiência energética levaram a aplicações cada vez mais difundidas ^1,2,3.

O princípio de funcionamento da embreagem hidroviscosa é baseado na lei de atrito interno de Newton, utilizando o torque gerado pelo cisalhamento do filme de óleo para obter transmissão de energia e regulação de velocidade suave. Portanto, a embreagem hidroviscosa pode realizar transmissão e controle de energia estáveis ^4,5. Os principais fatores que afetam o filme de óleo são a estrutura da superfície da placa de fricção. A superfície das placas de fricção da embreagem Hydro-Viscous não é lisa, mas contém ranhuras de várias formas. A presença dessas ranhuras garante a formação de uma película de óleo de pressão dinâmica e bom desempenho de dissipação de calor; no entanto, a película de óleo formada por placas de fricção ranhuradas afeta o torque de cisalhamento viscoso teórico. Além disso, a estrutura da ranhura não afeta apenas a uniformidade da película de óleo formada, mas também se relaciona com a temperatura gerada pelo cisalhamento da película de óleo, impactando posteriormente o efeito de resfriamento da placa de fricção. A temperatura excessiva pode causar empenamento e deformação das placas de fricção, levando à falha permanente⁶. Portanto, o projeto estrutural da embreagem hidroviscosa se concentra principalmente no projeto das placas de fricção, com o principal desafio de otimizar os seguintes parâmetros: torque transmitido, capacidade de carga do filme de óleo, uniformidade do filme de óleo, temperatura do filme de óleo, temperatura da placa de fricção e resistência da placa de fricção ^7,8.

O projeto da estrutura da ranhura de óleo para placas de fricção de embreagem hidroviscosa inclui principalmente vários arranjos, como ranhuras circunferenciais, ranhuras radiais e ranhuras em forma de arco ^9,10,11. Pesquisas anteriores indicam que, além das diferenças nas formas de arranjo, os designs das seções transversais das ranhuras de óleo também variam, incluindo ranhuras retangulares, trapezoidais e em forma de arco. As diferenças estruturais dos sulcos de óleo têm vários impactos nas características do filme de óleo 12,13,14,15,16. Sob condições específicas, a película de óleo formada por diferentes estruturas de ranhura pode ter impactos variados no desempenho da embreagem. As dimensões das embreagens usadas em diferentes dispositivos mecânicos não são exclusivas; Assim, o desempenho das placas de fricção com a mesma estrutura pode diferir significativamente quando usadas em embreagens de diferentes tamanhos e condições de operação. Portanto, o projeto de placas de fricção de embreagem hidroviscosa para várias máquinas e diferentes condições operacionais requer um esquema de projeto e avaliação econômico e rápido.

A abordagem de projeto para placas de fricção de embreagem hidroviscosa abrange vários aspectos, incluindo análise teórica, pesquisa experimental e simulações numéricas, com foco em como os campos de pressão, campos de temperatura e campos de velocidade do filme de óleo afetam o desempenho 8,17,18,19,20,21 . Além disso, vários estudiosos basearam suas pesquisas na microtextura da superfície da placa de fricção e nos materiais usados nas placas de fricção para melhorar o desempenho da embreagem hidroviscosa^22,23. Muitos estudiosos estudaram a relação entre as características de cavitação do campo de fluxo rotativo em embreagens hidroviscosas e a forma da seção transversal do reservatório de petróleo. Eles analisaram as posições de iniciação da cavitação por cisalhamento por filme de óleo sob diferentes parâmetros estruturais do sulco, fornecendo uma base teórica e suporte técnico para prever o início da cavitação por cisalhamento por filme de óleo^24,25. Entre esses métodos, a simulação numérica tornou-se uma ferramenta de pesquisa fundamental e, com o desenvolvimento de softwares de simulação, a pesquisa tornou-se progressivamente mais refinada. O módulo Fluent é utilizado principalmente para simular e analisar o impacto de diferentes estruturas de sulcos de óleo no desempenho do campo de fluxo, com o objetivo específico de otimizar as propriedades do filme de óleo por meio de mudanças nas estruturas dos sulcos 26,27,28. No entanto, as análises de simulação e os resultados experimentais obtidos para requisitos específicos atenderam consistentemente às expectativas, mas não foram validados quanto à sua aplicabilidade ao projeto de placas de fricção em Embreagens Hidroviscosas de diferentes tamanhos.

Combinando métodos de pesquisa existentes, este estudo aproveita o software de simulação Fluent e a otimização de parâmetros da metodologia de superfície de resposta RSM (RSM) para propor um esquema de projeto adequado para estruturas de ranhuras de óleo em placas de fricção de vários tamanhos. Isso envolve a análise das características do filme de óleo sob diferentes parâmetros de ranhura usando o Fluent, discutindo os principais fatores que influenciam significativamente essas características, calculando as mudanças de torque e temperatura da película de óleo formada por diferentes parâmetros de ranhura e otimizando estatisticamente os parâmetros estruturais da placa de atrito usando o método Box-Behnken.

Este estudo demonstra a análise de otimização de placas de fricção com uma estrutura de sulco composto, que inclui sulcos circunferenciais de seção transversal retangular combinados com sulcos radiais de seção transversal em forma de arco. O objetivo é projetar placas de fricção que possam atingir simultaneamente alta transmissão de torque e baixa temperatura do filme de óleo. Projetos futuros para diferentes tamanhos de placas de fricção exigirão apenas alterações nas dimensões iniciais do modelo, mantendo o mesmo plano e procedimentos de pesquisa.

Protocol

NOTA: A rota técnica do esquema de projeto é mostrada na Figura 1, que inclui principalmente o estabelecimento do modelo, a análise de simulação e a otimização de parâmetros. O estabelecimento do modelo inclui duas categorias principais: modelos necessários para análise de fator único e modelos derivados do projeto experimental dado pela metodologia de superfície de resposta (RSM) após a determinação dos fatores de influência. O estabelecimento do modelo é concluído no SolidWorks, a análise de simulação é realizada no Fluent e a otimização de parâmetros é realizada no Design-Expert.

1. Estabelecimento do modelo

1. Determine as dimensões básicas da almofada de fricção e defina o raio interno da almofada de fricção para 110 mm, o raio externo para 160 mm e a espessura do filme de óleo para 0.3 mm.
2. Estabeleça um modelo básico criando um esboço circular com um diâmetro interno de 110 mm e um diâmetro externo de 160 mm no plano XY e, em seguida, extrude o círculo para 0,3 mm. Crie um modelo básico garantindo que a forma anular resultante forme um modelo de filme de óleo sem ranhuras de óleo.
3. Em uma superfície lateral do modelo anular, crie o esboço 2 e desenhe 5 faces circulares com uma distribuição uniforme e uma largura de 3 mm e, em seguida, extrude-as para 0,3 mm. Forme a película de óleo com uma seção transversal retangular criada pela ranhura circunferencial do óleo.
4. Crie o esboço 3 no plano YZ, desenhando um arco semicircular com um comprimento de arco de 3 mm, que é tangente ao filme de óleo formado pela ranhura de óleo circunferencial, em seguida, extrude-o radialmente para a superfície externa do filme de óleo e disponha o sólido ao longo da circunferência do loop interno para formar 14 componentes.
5. Crie o esboço 4 no plano XY, desenhando um círculo com um raio de 110 mm, depois corte o modelo em excesso usando o esboço, completando o estabelecimento de 14 filmes de óleo de sulco de óleo semicircular radial.
6. Salve o modelo estabelecido como o modelo geométrico do filme de óleo formado pelos parâmetros originais do sulco de óleo.
7. Modifique o esboço 2 para desenhar 3-7 ranhuras de óleo circunferenciais uniformemente distribuídas, cada uma com uma largura de 3 mm, e gere cinco modelos de filme de óleo que diferem apenas nas ranhuras de óleo circunferenciais. Salve esses modelos no formato STEP.
8. Modifique o esboço 3 para ajustar o comprimento do arco do arco semicircular para 3-6 mm, aumentando o comprimento do arco em 0,5 mm a cada vez, e gere sete modelos de filme de óleo que diferem apenas na estrutura semicircular radial. Salve esses modelos no formato STEP.
9. Modifique o esboço 2 ajustando a espessura da extrusão para 0,1-0,4 mm, aumentando a espessura em 0,05 mm a cada vez, e gere sete modelos de filme de óleo que diferem apenas na profundidade das ranhuras de óleo. Salve esses modelos no formato STEP.
10. Ajuste a quantidade de matriz circunferencial no esboço 3 para modificar o número de ranhuras de óleo radiais para 10-16 e gere sete modelos de filme de óleo que diferem apenas no número de ranhuras radiais. Salve esses modelos no formato STEP.

2. Análise de simulação

NOTA: A análise de simulação inclui pré-processamento de modelo, particionamento de malha e cálculos de simulação. Todas as etapas são concluídas no ANSYS Workbench.

1. Pré-processamento do modelo
   1. Abra a estação de trabalho do Workbench e arraste a geometria do Toolbox > Component Systems > Geometry para a área do esquema do projeto.
   2. Clique com o botão direito do mouse na Geometria, selecione Importar modelo de geometria para importar o modelo concluído e, em seguida, clique para editar o modelo de geometria na reivindicação de espaço.
   3. Na barra de ferramentas Reivindicação de espaço , clique em Reparar e selecione Arestas adicionais e Arestas divididas para concluir o reparo, mesclando as linhas de divisão afetadas.
   4. Clique sequencialmente em Barra de ferramentas > Design > Seleção em Seleção, selecione a superfície interna do modelo e clique em Criar NS no grupo, nomeando-o Embocadura.
   5. Usando o mesmo processo, clique na superfície externa e nomeie sua saída; clique na superfície lisa da parede inferior e nomeie seu B como a superfície da parede onde o filme de óleo entra em contato com a almofada de fricção passiva; selecione todas as superfícies sem nome e nomeie-as Z como a superfície da parede rotativa onde o filme de óleo entra em contato com a almofada de fricção ativa.
   6. Saia da reivindicação de espaço e salve o arquivo para concluir o pré-processamento do modelo.
      NOTA: Todo o pré-processamento do modelo geométrico antes da simulação é concluído de acordo com as etapas acima. A única diferença é que o modelo de parede ativo é inconsistente, mas não afeta nenhuma operação.
2. Particionamento de malha
   1. Na estação de trabalho do Workbench , arraste Fluente do Toolbox > Component Systems > Fluente para a área esquemática do projeto onde a geometria foi adicionada.
   2. Clique em Geometria e arraste o mouse para a malha no projeto Fluent para vincular seu Módulo de Malha aos Dados Upstream da geometria.
   3. Clique duas vezes para abrir a malha e selecione Geometria à prova d'água para particionamento de malha. Siga o fluxo de trabalho passo a passo para importar o modelo de geometria e adicionar o dimensionamento local.
   4. Clique em Gerar malha de superfície, defina o Tamanho mínimo como 0,3 mm, o tamanho máximo como 8 mm e o Ângulo da norma de curvatura como 10. Depois de definir esses parâmetros, clique em Gerar a malha de superfície.
   5. Verifique a qualidade da malha de superfície clicando com o botão direito do mouse na malha de superfície gerada e selecionando Inserir qualidade de malha de superfície aprimorada. Defina a Qualidade mínima da malha como 0,7 e clique em OK para concluir a melhoria da malha de superfície.
   6. Clique em Descrever modelo de geometria, selecionando o modelo de geometria como consistindo apenas de uma região fluida sem lacunas, mantendo outras opções em suas configurações padrão.
   7. Clique sequencialmente em Descrever estrutura de geometria e Atualizar configurações de tipo de região, mantendo as configurações padrão e concluindo o processo.
   8. Clique em Adicionar camada de limite, selecionando 3 para o número de camadas, mantendo as outras configurações em seus padrões.
   9. Clique em Gerar malha de volume e insira uma Qualidade de malha de volume aprimorada para garantir que sua qualidade exceda 0,12.
      NOTA: O particionamento de malha completo é mostrado na Figura Suplementar 1.
   10. Depois de gerar a malha, clique em Alternar para o modo Solver. Aguarde a conclusão do particionamento da malha e da importação para o módulo de análise.
       NOTA: A quantidade e a qualidade dos elementos de malha são críticas para a precisão dos resultados computacionais. A geometria à prova d'água é usada para controlar o número e a qualidade da malha, alterando o tamanho da célula. Como mostrado na Figura 2, a redução do tamanho mínimo do elemento de malha especificado de 0,8 mm para 0,1 mm aumenta o número de elementos de 534.595 para 2.649.371. À medida que o número de elementos muda, a temperatura média do filme de óleo e o resultado do torque transmitido permanecem estáveis, indicando que aumentos adicionais na qualidade da malha têm impacto mínimo nos resultados. Portanto, um tamanho mínimo de elemento de 0,3 mm é escolhido para a geração de malhas.
3. Resolução de simulação
   1. Alterne do particionamento de malha para o modo de solucionador. Quando a malha terminar de carregar, clique em Check Case no menu Geral para validar a eficácia do modelo de elementos finitos e verificar se a malha tem algum volume negativo.
   2. Abra a Equação de Energia nas configurações do modelo. Entre na interface de configurações do modelo viscoso, selecione o Modelo laminar e ative a opção Aquecimento viscoso .
      NOTA: A escolha do modelo viscoso é determinada pelo estado de fluxo do campo de fluxo de filme de óleo, normalmente avaliado usando o número de Reynolds. Quando o número de Reynolds é baixo, as partículas de fluido não são afetadas, resultando em fluxo laminar. Por outro lado, um alto número de Reynolds indica que os distúrbios entre os fluidos são amplificados, transformando o fluxo laminar em fluxo turbulento. Com base na teoria do fluxo em torno do disco rotativo, o número de Reynolds associado à velocidade tangencial no raio externo é calculado usando a fórmula Re = R²ω / v. Onde Re é o número de Reynolds, R é o diâmetro externo dos discos de fricção, ω é a velocidade de rotação da placa de fricção e v é a viscosidade cinemática. Quando Re < 1 × 10⁵, o fluxo é laminar; quando 2 × 10⁵ <R e < 3 × 10⁵, o fluxo é turbulento. Para o fluido estudado neste trabalho, com v = 30 mm²/s e R = 160 mm, pode-se derivar o seguinte. Quando a velocidade de rotação da placa de fricção é ω = 1000 rpm, o número de Reynolds do campo de fluxo da película de óleo Re < 1 × 10⁵, indicando que a película de óleo está em um estado de fluxo laminar.
   3. Modifique os parâmetros do material nas configurações de acordo com as propriedades dos dois materiais listados na Tabela 1. Modifique os parâmetros de material líquido denominados "Ar" no sistema e, para o material sólido, modifique os parâmetros denominados "Alumínio".
      NOTA: O líquido será selecionado como óleo hidráulico # 8 para o material do filme de óleo, e o sólido usará material à base de cobre para o material da almofada de fricção.
   4. Clique nas Condições de Contorno, selecione a superfície da parede da almofada de fricção ativa chamada "Z", clique em Configurações de Momentum e defina-a como uma superfície de parede rotativa que gira 100 rad/s em torno do eixo Y, com uma condição de cisalhamento de Sem deslizamento.
   5. Clique nas Condições de Contorno, selecione a superfície da parede da almofada de fricção passiva chamada "B", clique em Configurações de Momentum e defina-a como uma superfície de parede estacionária com uma condição de cisalhamento Sem deslizamento.
   6. Defina as condições de contorno relacionadas à transferência de energia por meio do Acoplamento do sistema.
   7. Defina as condições de limite de entrada e saída clicando na Saída e configurando-a para Saída de pressão, com a Pressão manométrica definida como 0, que corresponde à pressão atmosférica padrão.
   8. Defina as condições de contorno de entrada clicando na entrada, definindo-a como uma entrada de velocidade com uma velocidade de fluxo de 1 m/s e uma temperatura de entrada de 30 °C.
   9. Clique nas configurações da solução , selecionando o algoritmo SIMPLE para o modelo de método de solução. Escolha o formato Upwind de primeira ordem para o momento e a energia e mantenha os valores residuais em suas configurações padrão.
   10. Depois de concluir as etapas acima, defina o estado do domínio computacional no momento inicial, por exemplo, com uma temperatura inicial de 26 °C, pressão de 0 Pa e velocidades nas direções XYZ definidas como 0.
   11. Defina o Número de iteraçõescomo 300 etapas, clique no botão Calcular para iniciar o cálculo e aguarde os resultados.
   12. Quando os cálculos iterativos forem concluídos, clique em Resultados > Relatórios > Fluxos. Selecione a taxa de fluxo de massa em fluxos, verifique as taxas de fluxo de massa para entrada e saída, garantindo que o erro entre os dois seja inferior a 0,1% para validar a precisão dos resultados computacionais.
   13. Conclua as etapas acima e analise os resultados da simulação. Clique em Resultados > Relatórios > Forças, selecione o torque ao redor do eixo Y para a superfície da parede B e interprete o valor viscoso resultante como o torque de cisalhamento transmitido pela película de óleo.
   14. Saia do módulo de cálculo de fluxo de fluido e, na estação de trabalho do Workbench , arraste Resultados do Toolbox > Component Systems > Results para a área esquemática do projeto que concluiu os cálculos de simulação de fluxo de fluido. Clique na solução no módulo de fluxo de fluido e arraste o mouse para os resultados.
   15. Insira os resultados, clique em Calculadoras e selecione Calculadora de Funções para resolver a Temperatura Média de todo o filme de óleo. Clique em Calcular para obter a temperatura média geral do filme de óleo.

3. Otimização de parâmetros

NOTA: A otimização de parâmetros é concluída usando a metodologia de superfície de resposta para modelagem e análise. A metodologia da superfície de resposta requer a seleção de três fatores que influenciam significativamente o torque e a temperatura transferidos da película de óleo, especificando seus valores de alto e baixo nível. A modelagem e a análise são então realizadas para as novas combinações geradas a partir dos fatores e variáveis de influência selecionados, seguidas de cálculos de otimização usando os dados obtidos.

1. No software Design-Expert, clique em NOVO DESIGN para criar um novo design.
2. No novo design, selecione BOX-Behnken na Superfície de resposta para estabelecer um modelo de otimização de três fatores e dois níveis.
3. Clique em Fatores numéricos para selecionar três fatores: o número de ranhuras radiais de óleo na almofada de fricção, a profundidade das ranhuras e o comprimento do arco das ranhuras de óleo e preencha a tabela correspondente.
4. Insira os valores de nível alto e baixo obtidos da análise dos três fatores de influência na tabela correspondente.
5. Defina os pontos centrais por bloco para cinco e clique na próxima etapa para alterar as variáveis de resposta para 2, que são o torque transmitido pela película de óleo e a temperatura média da película de óleo. Clique em Concluir para gerar 17 conjuntos de pontos de amostra aleatórios.
6. Estabeleça os dados do modelo recombinando os três fatores de influência dos 17 conjuntos de pontos de amostragem aleatórios e repita a seção 1 para concluir o estabelecimento do modelo.
7. Repita a seção 2 para análise de simulação para obter o torque transmitido e a temperatura média da película de óleo após a recombinação. Mescle as variáveis previstas A, B e C das três combinações de influência com os resultados simulados do torque transmitido e da temperatura média para formar uma nova tabela de variáveis.
8. Em seguida, selecione Quadrática para a Ordem de processo no modelo e escolha Polinomial para o Tipo de modelo, mantendo outras configurações como padrão.
9. Depois de concluir o estabelecimento do modelo de superfície de resposta, calcule o torque e a temperatura média.
10. Após a conclusão da análise, realize uma análise de erro do modelo. Clique em Análise de Variância (ANOVA) e analise os valores de R² e Precisão Adeq em Estatísticas de Ajuste para verificar se o modelo atende aos padrões.
11. Clique em Otimização > Critérios de > Numéricos, mantendo inalterados os intervalos dos três fatores de influência. Clique em Soluções para encontrar o torque máximo e a temperatura média mínima para os valores aproximados.
12. Calcule os diferentes resultados para as matrizes, com a combinação rotulada como 1 sendo a solução ideal para o modelo.

Results

As etapas de modelagem e análise de simulação no esquema visam determinar quais parâmetros das ranhuras da placa de fricção afetam significativamente a temperatura do filme de óleo e o torque transmitido. Por meio da otimização de parâmetros de dados amostrados, as combinações de parâmetros que afetam o desempenho do filme de óleo são ajustadas, seguidas de modelagem e simulações repetidas para gerar dados, obtendo os parâmetros ideais para as ranhuras da placa de fricção por meio da otimização da superfície de resposta....

Discussion

Este estudo propõe um método de projeto de otimização para a estrutura do sulco de óleo das placas de fricção da Embreagem Hidroviscosa. Especificamente, visa melhorar o desempenho do filme de óleo alterando parâmetros como número, arranjo e dimensões geométricas das ranhuras¹⁰. Uma combinação de simulações numéricas usando o software Fluent e a Metodologia de Superfície de Resposta (RSM) é empregada para analisar e otimizar parâmetros como o número de sulcos radi...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Aldário	N/A	N/A	Material da liga
Ansys-Workbench	ANSYS	ANSYS 2023R1	Método multifuncional de elementos finitos, software de programa de design de computador.
Especialista em design	Stat-Ease	Especialista em Design 13	Uma ferramenta experimental de análise de dados
Óleo hidráulico nº 8	N/A	N/A	Líquido
PC	N/A	N/A	Equipamento de informática
SOLIDWORKS	Dassault Systèmes	SolidWorks 2023	Uma ferramenta de desenho de software de engenharia
Aço	N/A	N/A	Material da liga