湿式多片离合器摩擦元件表面冷却的流-固耦合传热特性研究

The radial non-uniform temperature distribution on the frictional components in multi-disc clutch is likely to induce in-plane thermal stresses and thus thermal buckling during long time sliding. The traditional way to cool down the friction components is spraying coolant to the inner part of the friction components from the shaft. This method will make the non-uniform temperature distribution worse even though it can reduce the temperature level of the friction components, and this is much more inclined to result in thermal buckling. This project aims to set up a parameterized model of the fluid-structure heat transfer process of cooling down the friction components with coolant spraying. The variations of the heat partition coefficient and the temperature field during the sliding process of the friction components are revealed. The fluid-structure coupling transfer model between the coolant and the curved grooves is set up based on the Differential Geometry method, which is applied to reveal the temperature variation of the coolant in the grooves. Based on the calculation method for the critical bending moment of buckling of the friction components, the influences of coolant flow on the radial temperature variation of the friction components are discovered. The quantitative relationship between the intensity of cooling and the temperature variation of the friction components are established.

湿式多片离合器摩擦元件在工作过程中会由于温度场径向不均匀分布而产生平面内热应力甚至热翘曲失效，传统的离合器冷却方法是从轴内向摩擦元件内径喷油，该方式虽能降低摩擦元件的整体温度，但会加剧其内部的温度场非均匀分布，更容易导致摩擦元件的热翘曲变形。本项目针对摩擦元件喷油冷却的流-固耦合传热过程建立参数化模型，揭示滑摩阶段摩擦元件接触表面之间的热流分配系数变化规律及温度变化规律；采用微分几何的方法建立冷却油在曲线油槽内流动过程中的流-固耦合传热模型，揭示冷却油在整个油槽内流动的温度变化规律；在摩擦元件热翘曲机理及临界弯矩计算方法基础上，发现油液径向流动对摩擦元件径向温度变化过程的影响规律；确立油液冷却强度分布规律与摩擦元件温度场变化过程的定量关系。

本项目以湿式多片离合器摩擦元件为研究对象，针对摩擦元件热翘曲变形失效的瓶颈问题，在前期研究建立的环形摩擦元件翘曲机理的基础上，以降低摩擦元件在滑摩条件下的径向温差、提高抗热翘曲能力为目的研究了：（1）多孔材料摩擦衬片与对偶钢片接触滑摩的流-固耦合传热过程并建立相应的耦合计算模型，分析摩擦片与对偶钢片在接触面有冷却油条件下的热流分配系数变化规律及其影响因素。发现了有限厚摩擦元件接触传热过程存在一个稳态热流分配系数，揭示了有限厚摩擦元件传热模型与常用的半无限厚模型的区别和联系，明确了有限厚接触模型的传热规律本质；提出并运用“等效材料”计算方法，将具有多层结构的有限厚摩擦元件通过一定次数的材料等效，化简成更容易计算的等效形式，可极大简化摩擦元件的温度计算过程并实现快速估计。（2）建立油槽内冷却油流动过程中与致密钢片以及与两侧多孔材料的传热过程描述方程，获得流体速度分布与摩擦元件油槽几何参数的关系，揭示了离合器在滑摩过程中冷却油与摩擦元件表面及曲线油槽之间的流-固耦合传热特性，分析了冷却油在槽内流动过程中的传热影响因素；（3）建立了曲线冷却油槽的微分几何参数方程和参数化计算模型，构成流-固耦合传热系统表述方法，获得了冷却油在油槽内流动过程中的温度变化规律；分析了油槽内冷却油的流动状态以及对摩擦元件各半径处的冷却效果，揭示了冷却油流动速度和流量变化等参数对摩擦元件温度分布和热流分配系数的影响规律，获得了基于微分几何的曲线油槽优化设计方法，形成了基于摩擦元件径向均匀温升的油槽优化设计能力；（4）建立了基于热电偶的摩擦元件温度分布实时测量系统，通过对摩擦元件全周向和径向多点温度测量，获取更加全面的摩擦元件接触面上的温度分布，验证热流分配计算模型和流-固耦合参数计算模型的正确性。

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