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液粘调速离合器启动稳定性及动力传递机理研究

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摘要

第1章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.1.1 选题背景

1.1.2 课题的研究意义

1.2 液粘传动技术概述

1.2.1 液粘传动工作原理

1.2.2 液粘调速离合器的工作特性

1.3 国内外研究现状

1.3.1 液粘调速装置研究

1.3.2 动力传递稳定性研究

1.3.3 摩擦副热-结构耦合研究

1.3.4 油膜动力学研究

1.3.5 已有研究成果的不足

1.4 主要研究内容

1.5 本章小结

第2章 液粘调速离合器软启动过程稳定性研究

2.1 液粘调速离合器软启动过程分析

2.2 液粘调速离合器软启动过程模型

2.2.1 考虑惯性项的油膜平均雷诺方程

2.2.2 油膜挤压与剪切模型推导

2.2.3 粗糙表面微凸体接触模型

2.2.4 承载力平衡原理

2.2.5 扭矩平衡原理

2.3 数值求解过程

2.4 计算结果与分析

2.4.1 压力边界条件的影响

2.4.2 面积比B=Ac/A的影响

2.4.3 接合压力P0的影响

2.4.4 油膜粘度η的影响

2.4.5 粘温特性的影响

2.4.6 表面粗糙度σ的影响

2.4.7 内外径之比a/b的影响

2.4.8 当量弹性模量E'的影响

2.4.9 转动惯量Ⅰ的影响

2.5 本章小结

第3章 液粘调速离合器摩擦副温度场研究

3.1 多组摩擦副瞬态温度场模型分析

3.1.1 热传导模型

3.1.2 多组摩擦副压力模型

3.1.3 摩擦面热流密度模型

3.1.4 对流换热系数

3.2 多组摩擦副温度场有限元模型

3.3 计算结果与分析

3.3.1 二维多组摩擦副瞬态温度场分布

3.3.2 接合压力P0的影响

3.3.3 润滑油粘度η的影响

3.3.4 粘温特性的影响

3.3.5 表面粗糙度σ的影响

3.3.6 内外径之比a/b的影响

3.4 双活塞结构二维多组摩擦副温度场分布

3.5 摩擦副三维瞬态温度场分析

3.5.1 摩擦副三维有限元网格

3.5.2 单组摩擦副三维瞬态传热分析结果

3.5.3 多组摩擦副三维瞬态传热分析结果

3.6 本章小结

第4章 摩擦副热弹塑性变形规律研究

4.1 热弹塑力学分析基本理论

4.1.1 经典屈服理论

4.1.2 塑性本构理论

4.1.3 热弹塑性计算有限元理论

4.2 热弹塑性分析的有限元求解

4.2.1 径向位移约束条件设置

4.2.2 热-结构耦合问题的处理

4.2.3 非线性方程求解方法

4.3 热弹塑性变形结果分析

4.3.1 摩擦副内、外径均无径向位移约束

4.3.2 摩擦副中对偶片外径和摩擦片内径分别受到径向位移约束

4.3.3 摩擦副中仅对偶片外径受到径向位移约束

4.3.4 摩擦副中仅摩擦片内径受到径向位移约束

4.4 本章小结

第5章 变形摩擦副间隙内油膜动力学研究

5.1 变形摩擦副间隙内油膜动力学机理分析

5.1.1 轴向变形时的油膜动力学

5.1.2 径向变形时的油膜动力学

5.2 变形摩擦副间隙内油膜动力学数值计算

5.2.1 计算流体动力学(CFD)数值计算

5.2.2 流体计算域计算条件设置

5.2.3 变形界面设置

5.3 数值计算结果分析

5.3.1 恒定入口压力时的油膜动力学

5.3.2 恒定入口流量时的油膜动力学

5.3.3 入射角不同时的油膜动力学

5.3.4 变温界面时的油膜动力学

5.4 本章小结

第6章 液粘调速离合器传动特性实验研究

6.1 液粘调速离合器实验系统设计

6.1.1 实验系统设计要求

6.1.2 实验系统组成

6.1.3 液粘传动装置的设计

6.1.4 数据采集系统的设计

6.2 测试实验方案设计

6.2.1 粘性扭矩测试实验方案设计

6.2.2 摩擦副表面温度测试实验方案设计

6.2.3 摩擦副间隙内油膜压力温度测试实验方案设计

6.3 实验结果分析

6.3.1 粘性扭矩测试

6.3.2 摩擦剐表面温度测试

6.3.3 摩擦副间隙内油膜压力和温度测试

6.4 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 论文的主要工作

7.2 论文的主要创新点

7.3 工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间的研究成果

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摘要

液粘调速离合器是基于牛顿内摩擦定律,利用多组摩擦副间油膜的剪切作用传递扭矩,是一种新型的以流体为工作介质的传动技术,在大功率水泵、风机或带式输送机的软启动方面,具有显著的节能效果。研究表明,液粘调速离合器输出扭矩的波动问题是影响动力传递稳定性的关键因素,而输出扭矩的传递主要涉及摩擦副间油膜的剪切能力和摩擦副本身的微凸体接触特性两方面。本文以液粘调速离合器中摩擦副及其间隙内油膜为研究对象,综合流体力学、传热学、弹塑性力学等多学科理论,采用理论建模、数值计算以及实验验证等方法,分析了若干因素对动力传递过程的影响机理,重点研究了摩擦副受热变形机理及其间隙内复杂的油膜动力学,主要内容如下: 基于考虑惯性项的油膜剪切与挤压理论和粗糙表面微凸体接触模型,通过承载力平衡原理和扭矩平衡原理,获得了液粘调速离合器关于油膜厚度和被动片角速度二者的变化率解析解,进而得到了软启动过程中液粘调速离合器输出总扭矩和粘性扭矩的变化过程,最后采用数值计算方法研究了若干因素,包括压力边界条件、面积比分布以及若干材料物理参数、运动参数和结构参数等,对动力传递过程的影响作用。 基于多组摩擦副的压力分配关系,推导出软启动过程中关于摩擦剪切热量的热流密度模型,构建了摩擦副的二维和三维瞬态温度场模型,采用有限元理论对摩擦副在软启动过程的瞬态温度场模型进行求解,得到了多组摩擦副的二维和三维温度场分布和单组摩擦副的三维温度场分布,并且分析了惯性项以及其他因素对摩擦副温度场分布的影响程度。 基于热弹塑性本构关系和非线性方程的有限元求解方法,以温度场分析结果为载荷,建立了摩擦副的热-结构耦合数学模型,对摩擦副在软启动过程中的热弹塑性变形规律进行研究。重点分析了四种径向位移约束条件,包括摩擦副内、外径均无径向位移约束,对偶片外径和摩擦片内径分别受到径向位移约束,仅对偶片外圈受到径向位移约束和仅摩擦片内圈受到径向位移约束等,对摩擦副变形场和应力场的影响,得到了不同程度的碟形翘曲变形和波浪形翘曲变形两种变形方式。 以一组变形摩擦副间隙内的油膜为研究对象,建立了油膜流场的数学模型,得到了关于摩擦副分别发生轴向变形和径向变形后间隙内油膜流场的压力、速度和粘性扭矩等解析解,研究了两种变形量对动力传递过程的影响规律。综合考虑摩擦副的动态弹塑性变形和油膜的粘温特性,对摩擦副发生三种碟形翘曲变形后间隙内油膜的动力学分布进行数值计算研究,分析了恒定入口压力、恒定入口流量、不同入射角和变温界面等四种工况条件对传动性能的影响。 设计了专门的液粘调速离合器测试实验台,分别对平行摩擦副和变形摩擦副等间隙内油膜的动力传递性能进行测试,分析了不同工况(包括入口流量、油膜厚度、入口油温和主被动片转速差等)和不同摩擦副结构时摩擦片表面的温度场变化规律,同时对间隙内若干位置的油膜温度和压力等参数进行了实验验证研究,详细分析了轴向变形量和径向变形量对流体传动稳定性的影响。结果表明,实验数据所反映出的动力传递规律间接印证了前面的分析结果。

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