離心脫開型超越離合器彈流潤滑分析*

葉 金 董紅濤 陳思雨 陳星宇 寧鳳蓮 朱月明

(1.中南大學高性能復雜制造國家重點實驗室 湖南長沙 410083; 2.中國航發(fā)湖南動力機械研究所 湖南株洲 412002)

離心脫開型超越離合器作為高速傳動零部件，被廣泛應用于直升機主減速器、固定翼飛機渦輪起動機等航空產(chǎn)品中，其主要功能是使主動軸與從動軸能夠按工況需求及時正確地接合與分離[1-3]。作為航空產(chǎn)品常用傳動零部件，其經(jīng)常在高速、重載、高溫的工況下工作[4]，因此超越離合器的潤滑分析對避免高溫磨損、疲勞破壞、延長超越離合器工作壽命具有重要意義。

目前，針對高速重載的接觸副潤滑問題的研究主要為彈流潤滑分析[5]。自從20世紀60年代DOWSON和HIGGINSON[6]、HAMROCK和DOWSON[7]提出線、點接觸膜厚公式以來，彈流潤滑問題一直是摩擦學領域的一大研究熱點[8-9]。LUBRECHT等[10]、溫詩鑄和楊沛然[11]、郭峰[12]對彈流潤滑求解算法進行了研究與分析，并確定了多重網(wǎng)格法為求解彈流問題強有力的工具。文獻[13-15]通過線接觸、有限長線接觸、點接觸等接觸形式對直齒、斜齒、弧齒等齒輪彈流潤滑問題進行了深入研究；文獻[16-18]以同樣的方法對軸承彈流潤滑問題進行了深入研究；文獻[19-21]對凸輪機構等高副機構進行了彈流潤滑分析。以上的研究針對多種高副接觸機構進行了不同方面的彈流潤滑分析，但針對超越離合器的彈流潤滑分析幾乎沒有。不同于上述高副接觸機構，離心脫開型超越離合器雖然結(jié)構與軸承相似，但其具有低速楔合傳動、高速離心脫開的特性，使離合器在不同工作模式下接觸載荷與轉(zhuǎn)速呈不同的關系，這為超越離合器的潤滑研究分析帶來很大的不便，因此需要對不同工況下離心脫開型超越離合器彈流潤滑性能進行分析。

本文作者在彈性流體動壓潤滑理論的基礎上，對離心脫開型超越離合器的彈流潤滑性能進行分析，通過對彈流潤滑數(shù)值求解，分析研究速度、進油溫度對彈流潤滑性能的影響，為離心脫開型超越離合器潤滑分析研究提供了理論基礎。

1 彈流潤滑建模

1.1 離心脫開型超越離合器結(jié)構分析

如圖1所示為離心脫開型超越離合器結(jié)構，該超越離合器主要由外圈、楔塊、保持架、彈簧帶、內(nèi)圈組成。外圈與保持架通過脹緊固定在一起，保持架與彈簧帶限制楔塊并與其同步運動，超越離合器內(nèi)外圈通過楔塊楔緊進行扭矩傳遞。在超越離合器工作時，僅有楔塊與內(nèi)圈間存在相對運動，因此，研究主要針對楔塊與內(nèi)圈間的接觸副進行彈流潤滑分析。

圖1 離心脫開型超越離合器結(jié)構

1.2 接觸模型

超越離合器楔塊與內(nèi)圈間接觸為線接觸。由赫茲接觸理論[5,22-23]可知，線接觸時，兩接觸體間當量曲率半徑R的計算公式為

(1)

式中：R1、R2分別為兩接觸表面的曲率半徑，mm。

兩接觸體材料的綜合彈性模量E的計算公式為

(2)

式中：E1、E2分別為兩接觸體的彈性模量，MPa，μ1、μ2分別為兩接觸體泊松比。

平行接觸時，接觸區(qū)域接觸半寬b的計算公式為

(3)

式中：FN為接觸區(qū)域載荷，N；L為有效接觸區(qū)域長度，mm。

兩接觸體間潤滑油卷吸速度vm的計算公式為

(4)

式中：v1、v2分別為兩接觸體表面的切向速度，mm/s。

1.3 彈流潤滑基本方程

(1)Reynolds方程

(5)

Reynolds方程邊界條件：

(2)膜厚方程

(6)

(3)黏壓方程為

η*=exp{(lnη0+9.67)[(1+5.1×10-9pHP)0.68-1]}

(7)

(4)密壓方程

(8)

(5)載荷平衡方程

(9)

2 數(shù)值計算參數(shù)設定

超越離合器參數(shù)主要有：楔塊內(nèi)半徑3.25 mm，內(nèi)圈外半徑9.7 mm，進油溫度40～120 ℃。內(nèi)、外圈材料為9310鋼，楔塊材料為GCr15，潤滑油選用美孚DTE中級-渦輪機/循環(huán)系統(tǒng)油，潤滑油黏度等級為ISO VG 46。

2.1 進油溫度參數(shù)設定

為研究進油溫度對離心脫開型超越離合器彈流潤滑性能的影響，設置進油溫度分別為40、60、80、100、120 ℃，并考慮溫度對材料物理屬性參數(shù)的影響，查閱資料[24]，材料物理屬性參數(shù)見表1。

表1 不同溫度下材料物理屬性參數(shù)

2.2 速度參數(shù)設定

為研究速度參數(shù)對離心脫開型超越離合器彈流潤滑性能的影響，對超越離合器工作狀態(tài)進行分析。

該超越離合器有4種工作模式：啟動狀態(tài)、工作狀態(tài)、風車轉(zhuǎn)速狀態(tài)、空中起動狀態(tài)。

啟動狀態(tài)時，內(nèi)圈轉(zhuǎn)動并通過楔塊楔緊帶動外圈轉(zhuǎn)動，并在達到一定轉(zhuǎn)速后，楔塊與離合器內(nèi)圈離心脫開，內(nèi)圈與楔塊基本不發(fā)生相對滑動，因此不進行彈流潤滑分析。

工作狀態(tài)時，超越離合器外圈轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，內(nèi)圈減速至停止，楔塊與內(nèi)套已分離脫開，此狀態(tài)下楔塊與內(nèi)圈不接觸，因此也不進行彈流潤滑分析。

風車轉(zhuǎn)速狀態(tài)時，超越離合器外圈與楔塊長期保持在一定轉(zhuǎn)速，內(nèi)圈轉(zhuǎn)速為0，選取外圈轉(zhuǎn)速為2 108、3 613、6 022 r/min，離合器內(nèi)套轉(zhuǎn)速為0，此時楔塊未達到離心脫開狀態(tài)，楔塊與內(nèi)圈間存在相對運動，需對該工作模式下楔塊與內(nèi)圈接觸副進行彈流潤滑分析。

空中啟動狀態(tài)時，離合器外圈保持在2 108、3 613、6 022 r/min，離合器內(nèi)圈開始轉(zhuǎn)動。在空中啟動狀態(tài)初期，內(nèi)圈轉(zhuǎn)速小于外套轉(zhuǎn)速，此后，內(nèi)圈轉(zhuǎn)速與外圈轉(zhuǎn)速相同時，楔塊楔緊，內(nèi)圈帶動外圈加速。因此，在空中啟動初期，離合器內(nèi)圈與楔塊存在差速運動，轉(zhuǎn)速相同后與啟動狀態(tài)相同，需對該工作模式下前期楔塊與內(nèi)圈接觸副進行彈流潤滑分析。設置外套與楔塊轉(zhuǎn)速為3 613 r/min時，內(nèi)套轉(zhuǎn)速為2 108 r/min；外套與楔塊轉(zhuǎn)速為6 022 r/min時，內(nèi)套轉(zhuǎn)速為3 613、2 108 r/min。

同時，由于超越離合器具有低速楔合傳動、高速離心脫開的特性，使其接觸載荷隨工作模式與速度變化而變化，因此，不對載荷影響進行研究，同時設置6組速度參數(shù)，速度參數(shù)設置見表2。

表2 速度參數(shù)設置

3 計算結(jié)果及分析

對量綱一化方程進行離散，并采用多重網(wǎng)格法進行等溫彈流潤滑分析，設置初始參數(shù)為：節(jié)點數(shù)為150，量綱一化后入口、出口坐標分別為Xin=-2.5、Xout=1.6，膜厚方向?qū)訑?shù)為5，通過軟件編程求解[25-27]，得到計算區(qū)域內(nèi)潤滑油膜厚度與油膜壓力分布情況。

根據(jù)計算區(qū)域內(nèi)潤滑油膜厚度分布情況，繪制不同進油溫度時，不同速度參數(shù)下潤滑油膜厚度分布圖，并對出口區(qū)域油膜分布放大觀察，如圖2所示。如圖2(a)所示，從速度1到速度6，潤滑油卷吸速度逐漸增加，油膜厚度逐漸增加，潤滑油膜厚度區(qū)分明顯，出口區(qū)油膜形狀收縮明顯。而速度4卷吸速度小于速度3，因此速度3潤滑油膜厚度大于速度4潤滑油膜厚度。由圖2可知，隨進油溫度的增加，速度參數(shù)的改變對油膜厚度分布的影響逐漸減小，潤滑油油膜厚度分布情況逐漸重合，且出口區(qū)油膜形狀收縮逐漸減小。這是由于隨進油溫度的增加，潤滑油黏度逐漸減小，接觸區(qū)域出口處潤滑油流動的阻礙逐漸減小，使得油膜收縮現(xiàn)象逐漸減小。

圖2 不同進油溫度、速度下油膜厚度分布

為研究速度與進油溫度對潤滑油油膜厚度的影響，選取計算區(qū)域內(nèi)最小油膜厚度數(shù)據(jù)，見表3，并繪制最小油膜厚度隨進油溫度與速度變化關系，如圖3所示。隨進油溫度增加以及卷吸速度降低，最小油膜厚度逐漸減小，且最小油膜厚度受進油溫度的影響十分明顯。這是由于隨進油溫度的增加，潤滑油黏度減小，出口處潤滑油流動阻礙減小，使得最小油膜厚度減??；而隨卷吸速度的降低，潤滑油流動速度降低，最小油膜厚度減小；同時，由于潤滑油黏度主要受溫度、壓力的影響，使得最小油膜厚度受進油溫度的影響十分明顯。

表3 不同速度、進油溫度下最小油膜厚度

圖3 最小油膜厚度隨速度、進油溫度變化

繪制不同進油溫度、速度下油膜壓力分布情況，并對二次壓力峰區(qū)域放大觀察，如圖4所示。如圖4(a)所示，同潤滑油膜厚分布情況相似，隨速度參數(shù)變化，潤滑油卷吸速度增加，潤滑油壓力分布曲線區(qū)分較明顯，且二次壓力峰逐漸增加并越來越明顯。

圖4 不同進油溫度、速度下油膜壓力分布

由圖4可知，隨進油溫度的增加，速度參數(shù)對油膜壓力分布以及二次壓力峰的大小與分布的影響逐漸減小，潤滑油油膜壓力分布曲線逐漸趨于重合，且二次壓力峰值逐漸減小并趨于消失。這是由于隨進油溫度的增加，潤滑油黏度減小使出口處油液流動阻礙減小，從而使得接觸區(qū)域出口出油膜壓力逐漸減小，即二次壓力峰逐漸減小并趨向于消失。

為研究速度與進油溫度對潤滑油油膜壓力的影響，選取二次壓力峰峰值壓力數(shù)據(jù)，見表4，并繪制二次壓力峰峰值壓力隨進油溫度與速度變化關系，如圖5所示。隨進油溫度增加以及卷吸速度降低，二次壓力峰峰值壓力逐漸減小，且二次壓力峰峰值壓力受進油溫度的影響十分明顯。同最小油膜厚度影響情況相似，隨進油溫度的增加，潤滑油黏度降低，潤滑油流動阻礙減小，二次壓力峰峰值壓力減小；同時卷吸速度的降低使得潤滑油流動速度降低，二次壓力峰峰值壓力減小。同樣的，潤滑油黏度受進油溫度影響明顯，使得二次壓力峰峰值壓力受進油溫度影響十分明顯。

表4 不同速度、進油溫度下二次壓力峰峰值壓力

圖5 二次壓力峰峰值壓力隨速度、進油溫度變化

4 結(jié)論

(1)隨進油溫度的增加，速度對離心脫開型超越離合器油膜厚度、壓力的影響逐漸減小，不同速度下的膜厚、壓力分布逐漸重合。

(2)隨進油溫度增加以及卷吸速度降低，最小油膜厚度、二次壓力峰峰值壓力逐漸減小，且最小油膜厚度、二次壓力峰峰值壓力受進油溫度的影響十分明顯。

(3)進油溫度對離心脫開型超越離合器彈流潤滑性能有很大影響，降低潤滑油進油溫度有助于提升超越離合器彈流潤滑性能。研究結(jié)果為離心脫開型超越離合器潤滑分析研究提供了參考。