高速湿式离合器摩擦片表面微织构优化设计

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2024.02.014

汽车工程 ›› 2024, Vol. 46 ›› Issue (2): 320-328.doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2024.02.014

高速湿式离合器摩擦片表面微织构优化设计

张琳^1,^2,³,蒙华¹,冯宇³,赵晓龙³,魏超⁴(),严运兵¹

^1.武汉科技大学汽车与交通工程学院，武汉 430081
^2.浙江大学，流体动力基础件与机电系统国家重点实验室，杭州 310027
^3.特种车辆设计制造集成技术全国重点实验室，包头 014030
^4.北京理工大学，坦克传动国防科技重点实验室，北京 100081

收稿日期:2023-07-06 修回日期:2023-08-14 出版日期:2024-02-25 发布日期:2024-02-23
通讯作者: 魏超 E-mail:BIT_weichao@163.com
基金资助:
湖北省自然科学基金项目(2023AFB084);流体动力基础件与机电系统国家重点实验室开放基金课题(GZKF-202318);特种车辆设计制造集成技术全国重点实验室开放课题(GZ2023KF004);教育部“春晖计划”合作科研项目(HZKY20220330);湖北省教育厅科学研究计划指导项目(B2022027)

Optimization Design of Micro-texture on the Surface of Friction Plate in High-Speed Wet Clutch

Lin Zhang^1,^2,³,Hua Meng¹,Yu Feng³,Xiaolong Zhao³,Chao Wei⁴(),Yunbing Yan¹

^1.School of Automotive and Traffic Engineering，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 　430081
^2.Zhejiang University，State Key Laboratory of Fluid Power and Mechatronic Systems，Hangzhou 　310027
^3.National Key Laboratory of Special Vehicle Design and Manufacturing Integration Technology，Baotou 　014030
^4.Beijing Institute of Technology，Science and Technology on Vehicle Transmission Laboratory，Beijing 　100081

Received:2023-07-06 Revised:2023-08-14 Online:2024-02-25 Published:2024-02-23
Contact: Chao Wei E-mail:BIT_weichao@163.com

摘要/Abstract

摘要：

湿式离合器是车辆传动系统核心元件，在高速分离状态下易出现摩擦片和钢片之间的碰撞摩擦，由此引起离合器带排转矩的急剧增大，影响其传动效率和可靠性。因此，本文以降低离合器高速段碰摩带排转矩为目标，对摩擦片表面微织构进行了优化设计。首先提出了摩擦片表面任意微织构形线参数化建模方法；然后选取了微织构的数量、深度、周向占比、径向占比和形线参数，构建了微织构优化的设计变量、约束条件和优化目标函数，通过将试验设计、模拟近似模型和搜索寻优相结合，建立了摩擦片表面微织构优化设计模型；最后进行了微织构优化前后的带排转矩对比试验。结果表明优化后的微织构可显著降低高速段碰摩带排转矩，并大幅推迟摩擦副高速碰摩现象出现的线速度。

关键词: 湿式离合器, 流固耦合, 碰撞摩擦, 带排转矩, 优化设计

Abstract:

The wet clutch is the core component of the vehicle transmission system. It is prone to rub-impact between the friction plate and steel plate during high-speed separation， resulting in a sharp increase in drag torque， and affecting its transmission efficiency and reliability. Therefore， in this paper， to reduce the rub-impact drag torque in high-speed wet clutch， the micro-texture on the surface of the friction plate is optimally designed. Firstly， a parameterized modeling method of arbitrary micro-texture shape lines on the surface of friction plate is proposed. Then the number， depth， circumferential proportion， radial proportion and shape line parameters of the micro-texture are selected to construct the design variables， constraint conditions and optimal objective function for micro-texture optimization. By combining the experiment design method， approximation modeling simulation and global search optimization method， an optimal design model of micro-texture on the surface of friction plate is established. Finally， a comparison test of drag torque before and after micro-texture optimization is carried out. The results show that the optimized micro-texture can significantly reduce the rub-impact drag torque at high circumferential speed， and greatly delay the critical speed at which the rub-impact phenomenon of friction pair occurs.

Key words: wet clutch, fluid-structure interaction, rub-impact, drag torque, optimization design

张琳,蒙华,冯宇,赵晓龙,魏超,严运兵. 高速湿式离合器摩擦片表面微织构优化设计[J]. 汽车工程, 2024, 46(2): 320-328.

Lin Zhang,Hua Meng,Yu Feng,Xiaolong Zhao,Chao Wei,Yunbing Yan. Optimization Design of Micro-texture on the Surface of Friction Plate in High-Speed Wet Clutch[J]. Automotive Engineering, 2024, 46(2): 320-328.

图/表 12

图1

图2

表1

摩擦片几何尺寸、工况参数与设计参数约束条件表"

项目	参数名称	数值
摩擦副几何尺寸	内半径r_in/mm	173
	外半径r_out/mm	207
	转动惯量I_x， I_y /（kg $?$ m²）	0.026 1
	质量M_p/kg	1.43
工况参数	摩擦片转速n₁ /（r·min^-1）	5 000
	摩擦片线速度v₁ /（m·s^-1）	108.4
	平均间隙h_n /mm	0.5
	每副平均供流量Q_a /（L·min^-1）	1.8
	温度T /℃	40
	油液黏度u_l /（Pa·s）	0.091
	油液密度 ρ_l /（Pa·s）	866.3
设计参数约束条件	微织构数量N_g	［9， 36］
	微织构深度h_g /mm	［0.2， 0.5］
	微织构周向占比r_c	［0.1， 0.3］
	微织构径向占比r_ra	［0.6， 0.8］
	周向角度偏移量φ_i / （°）	［-0.1 0.1］
	有效摩擦面积系数ψ_s	［0.8， 0.9］

表1

图 3

图 4

表2

表3

表4

图5

图6

图 7

表5

参考文献 26

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响应	平均误差	最大误差	均方根误差	相关系数
T_d	4.042×10^-14	7.522×10^-14	4.285×10^-14	≈1
许用值	≤0.2	≤0.3	≤0.2	≥0.9

响应	平均误差	最大误差	均方根误差	相关系数
T_d	1.123×10^-14	2.459×10^-14	1.292×10^-14	≈1
许用值	≤0.2	≤0.3	≤0.2	≥0.9

参数	最优解	随机解1	随机解2	随机解3	随机解4	随机解5
N_g	30	18	30	16	24	9
h_g /mm	0.50	0.49	0.36	0.23	0.27	0.48
r_c	0.12	0.25	0.21	0.14	0.22	0.17
r_ra	0.72	0.60	0.68	0.65	0.60	0.70
φ₁ /（°）	0.044 95	0.037 06	0.027 20	-0.033 23	0.012 98	0.002 878
φ₂ /（°）	0.031 82	0.014 00	-0.002 08	-0.042 39	-0.023 91	-0.025 45
φ₃/（°）	0.014 27	-0.044 14	-0.041 28	-0.037 54	-0.011 84	-0.040 73
φ₄ /（°）	-0.020 28	-0.033 60	-0.038 38	0.043 77	0.032 02	-0.034 73
T_d /（N·m）	4.65	10.95	16.96	11.34	15.73	12.74

项目		工况（a）	工况（b）	工况（c）	工况（d）
线速度/（m·s^-1）	优化前	56.4	58.6	42.4	43.8
线速度/（m·s^-1）	优化后	86.7	88.1	64.8	65.4
线速度提升/%		53.7	50.3	52.8	49.3

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高速湿式离合器摩擦片表面微织构优化设计

Optimization Design of Micro-texture on the Surface of Friction Plate in High-Speed Wet Clutch

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