摘 要：為了研究濕式雙離合器在分離狀態(tài)下拖曳扭矩的特性及其影響因素，通過CFD建立了計算離合器鋼 片與摩擦片拖曳扭矩的CFD多相流模型。研究了摩擦片有無溝槽、潤滑油流量和油溫、鋼片與摩擦片間隙、 旋轉(zhuǎn)方向等因素對拖曳扭矩和潤滑油分布的影響。計算結(jié)果表明，拖曳扭矩先隨著轉(zhuǎn)速差的增大而增大，到達 峰值后再隨轉(zhuǎn)速差增大而降低，最后趨于平緩趨勢；摩擦片有無溝槽對鋼片的拖曳扭矩影響很大，有溝槽的摩 擦片能大幅降低低轉(zhuǎn)速時鋼片的拖曳扭矩；潤滑油流量越大，拖曳扭矩越大，且峰值拖曳扭矩對應的轉(zhuǎn)速差越 高；油溫越低，拖曳扭矩越大；摩擦片與鋼片間隙越小，拖曳扭矩越大；鋼片的旋轉(zhuǎn)方向或者是摩擦片溝槽的 朝向?qū)ν弦放ぞ囟加杏绊憽?br />
關(guān)鍵詞：濕式雙離合; 拖曳扭矩;CFD; VOF;多相流；

1 引言

濕式雙離合器具備傳動效率高、磨損小、啟動平穩(wěn)、傳遞扭矩大、散熱良好、工作可靠、 摩擦系數(shù)穩(wěn)定等優(yōu)點，又體現(xiàn)了換擋過程動力不中斷的優(yōu)勢，深受各大汽車廠家的青睞。但其也 存在一個固有缺點，穩(wěn)態(tài)工況下當其中一個離合器處于結(jié)合狀態(tài)，另外一個離合器為分離狀態(tài)， 潤滑油從分離狀態(tài)離合器的對偶鋼片和摩擦片間的間隙流出(見圖 1，紅色箭頭），高速旋轉(zhuǎn)的 鋼片和摩擦片剪切潤滑油時就產(chǎn)生拖曳扭矩，只要有流經(jīng)離合器的潤滑油，拖曳扭矩就客觀存 在。拖曳扭矩不僅降低了濕式離合器的傳動效率和車輛的燃油經(jīng)濟性，而且會引起離合器摩擦副 間潤滑油溫度的升高，進一步導致摩擦片溫度過高而出現(xiàn)性能下降和“燒蝕”現(xiàn)象。因此對拖曳 扭矩的特性展開深入研究，認識其規(guī)律后從設計和控制上降低拖曳扭矩，這對于降低整車油耗和 實現(xiàn)離合器的精確控制以及指導摩擦片表面結(jié)構(gòu)的設計都具有重要意義[1]。


圖 1 離合器結(jié)構(gòu)及潤滑油流向

2 拖曳扭矩的特性及影響因素

2.1拖曳扭矩特性

潤滑油流過分離狀態(tài)離合器間隙時產(chǎn)生的拖曳扭矩隨鋼片和摩擦片轉(zhuǎn)速差的變化趨勢如圖 2 所示，拖曳扭矩曲線變化基于油膜的形態(tài)分成三個階段。第一階段，由于轉(zhuǎn)速低旋轉(zhuǎn)離心力 小，片間充滿了潤滑油是連續(xù)油膜狀態(tài)，拖曳扭矩隨著轉(zhuǎn)速差的增大而增大。第二階段，隨著轉(zhuǎn) 速差增大，油膜會在離心力作用下從外徑到內(nèi)徑開始發(fā)生破裂，不能再遍布整個摩擦作用表面， 片間進入空氣后液氣混合物的粘性系數(shù)不斷降低，拖曳扭矩隨著轉(zhuǎn)速差的增大而減小。第三階 段，鋼片和摩擦片轉(zhuǎn)速差進一步增大，潤滑油和空氣充分混合后形成油霧，拖曳扭矩維持低位值 且對轉(zhuǎn)速差的敏感性降低。


圖 2 拖曳扭矩隨轉(zhuǎn)速差的變化趨勢

2.2拖曳扭矩理論計算及影響因素

拖曳扭矩的理論計算應考慮三部分：1.連續(xù)油膜區(qū)域的潤滑油產(chǎn)生的拖曳扭矩Tc ；2.油膜破裂區(qū)域的潤滑油產(chǎn)生的拖曳扭矩Tr ；3.油膜破裂區(qū)域的潤滑油霧產(chǎn)生的拖曳扭矩Tm ，連續(xù)油膜區(qū)域的潤滑油產(chǎn)生的拖曳扭矩Tc計算公式如下：



從上述拖曳扭矩的理論計算公式可以看出，潤滑油的流量、密度、粘度、鋼片與摩擦片的 轉(zhuǎn)速差和間隙、摩擦片的內(nèi)徑與外徑都對拖曳扭矩有影響。但理論計算并沒有考慮潤滑油的表面 張力、與鋼片和摩擦片的接觸角以及摩擦片表面溝槽形狀的影響。

3 離合器拖曳扭矩CFD仿真模型

本文基于 STARCCM+軟件建立了濕式離合器拖曳扭矩 CFD 仿真模型，分析了潤滑油流量、溫度、 鋼片與摩擦片間隙、溝槽形狀、轉(zhuǎn)速差等因素對拖曳扭矩的影響和氣液兩相的分布規(guī)律。

3.1摩擦片結(jié)構(gòu)

濕式離合器的結(jié)構(gòu)如圖 1，偶數(shù)檔為一組離合器，奇數(shù)檔為一組離合器，每組離合器有 N 個摩擦片和 N+1 個鋼片，每組鋼片和摩擦片完全分離狀態(tài)時的間隙范圍為 0.15-0.25mm 左右。本 文以濕式離合器一對摩擦副（鋼片和摩擦片）為研究對象(圖 3)，計算得到的拖曳扭矩值乘以 2N 就得到該離合器的拖曳扭矩。摩擦片是由一種多孔可壓縮的紙基材料組成，特點是摩擦系數(shù)較大 且非常穩(wěn)定，缺點是耐熱和導熱性較差，因此必須確保散熱效果。摩擦片表面開了很多溝槽（圖 4），溝槽的作用有以下幾方面：1.溝槽能夠增大摩擦片的摩擦系數(shù)；2.在離合器的分離過程 中，利用油槽來破壞油膜，使離合器更快分離；3.有利于排除碎屑；4.增強冷卻；5.降低拖曳扭 矩。溝槽的形狀、開口面積需要在摩擦系數(shù)、散熱、拖曳扭矩之間進行平衡選擇，對于強化散熱 和降低拖曳扭矩可以利用 CFD 工具來進行優(yōu)化。



圖 3 鋼片和摩擦片                                                             圖 4 摩擦片表面形狀

3.2網(wǎng)格生成

由于鋼片與摩擦片間的間隙非常小，用常規(guī)的體網(wǎng)格生成方式很難得到高質(zhì)量的薄壁層網(wǎng) 格，STAR CCM+的 Thin 網(wǎng)格技術(shù)卻可以在任意厚的薄壁里生成多層高質(zhì)量的網(wǎng)格。對于間隙為 0.15-0.25mm 的薄壁，利用 Thin 網(wǎng)格生成的網(wǎng)格層數(shù)為 10-15 層（圖 5）。


圖 5 網(wǎng)格模型

3.3物理模型及邊界條件

為了準確高效計算得到鋼片與摩擦片間的速度場、壓力場和油氣分布，做了如下簡化和假設：

·  由于雷諾數(shù)很低，流動為層流；

·  為了模擬潤滑油的自由表面流動，采用 VOF 方法模擬潤滑油和空氣兩相分布；

·  瞬態(tài)模擬，流場空間初始化為空氣；

·  潤滑油不可壓縮，空氣為理想氣體；

·  考慮了潤滑油的表面張力；

·  考慮了潤滑油與鋼片和摩擦片的接觸角。

邊界條件的定義見圖 6，內(nèi)徑處定義為流量進口，外徑處定義為壓力出口。假設潤滑油從 進口均勻進入間隙，鋼片（主動側(cè)）和摩擦片（從動側(cè)）設置旋轉(zhuǎn)速度。


圖 6 邊界條件示意

表一：邊界條件


4 CFD仿真結(jié)果

通過 CFD 分析計算，主要比較了摩擦片有無溝槽、潤滑流量、鋼片與摩擦片間隙、 旋轉(zhuǎn)方向?qū)ν弦放ぞ氐挠绊憽?br />
4.1摩擦片溝槽對拖曳扭矩的影響

無溝槽摩擦片（摩擦片與鋼片間隙為 0.2mm）的拖曳扭矩變化規(guī)律如圖 7 所示，不 同流量下的拖曳扭矩都是先隨著轉(zhuǎn)速差的增大而增大，當達到峰值后再隨轉(zhuǎn)速差的增大而 降低，最后趨于平緩。拖曳扭矩的變化完全符合圖 2 解釋的拖曳扭矩隨轉(zhuǎn)速差發(fā)展的三個 階段規(guī)律。還可以看出在潤滑油體積占比較高時，拖曳扭矩隨著轉(zhuǎn)速差呈線性上升趨勢， 在潤滑油體積占比急劇下降時，拖曳扭矩也是快速下降。在轉(zhuǎn)速差低于 1000rpm 時，潤滑 油流量對拖曳扭矩無影響，因為在低轉(zhuǎn)速階段由于離心力較小，片間充滿了潤滑油，只要 轉(zhuǎn)速差一樣，那么受到的粘性剪切力就相同，從公式（1）也可以得出連續(xù)油膜階段的拖 曳扭矩與流量大小無關(guān)。但流量大小對于拖曳扭矩的峰值有明顯影響，流量越大則拖曳扭 矩峰值越大，且其對應的轉(zhuǎn)速差增大。


圖 7 無溝槽摩擦片的拖曳扭矩變化規(guī)律

摩擦片有無溝槽（摩擦片與鋼片間隙為 0.2mm，流量為 2L/min）的拖曳扭矩變化趨 勢、峰值都相差較大。從圖 8 可以看出無溝槽摩擦片的拖曳扭矩隨轉(zhuǎn)速差的增大急劇上 升，達到峰值后急劇下降；有溝槽摩擦片的拖曳扭矩隨轉(zhuǎn)速差的變化很平緩，在轉(zhuǎn)速差為 2000rpm 時出現(xiàn)峰值，無溝槽摩擦片在轉(zhuǎn)速差為 1500rpm 時的峰值遠大于有溝槽摩擦片的 峰值。上述現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因就是片間潤滑油體積變化的規(guī)律不一致，有溝槽摩擦片的 片間流通面積比無溝槽的大，因此隨著轉(zhuǎn)速差的增大，有溝槽摩擦片間的潤滑油在大的離 心力作用下更易被甩出，潤滑油量減小則拖曳扭矩也相應降低。但在轉(zhuǎn)速差大于 2200rpm 時，有溝槽摩擦片的拖曳扭矩則比無溝槽的大，主要是因為在這個階段有溝槽摩擦片間的 潤滑油體積要大一些的緣故。


圖 8 有無溝槽對拖曳扭矩的影響

潤滑油在摩擦片（無溝槽）和鋼片表面的體積分布見圖 9，鋼片端施加旋轉(zhuǎn)，摩擦 片端處于靜止。鋼片表面在任意轉(zhuǎn)速差始終是連續(xù)油膜狀態(tài)，這是因為旋轉(zhuǎn)鋼片產(chǎn)生的離 心力大，同時由于潤滑油的粘性和表面張力作用，潤滑油都是從鋼片表面附近流出。摩擦 片端在低轉(zhuǎn)速差時是連續(xù)油膜分布，但隨著轉(zhuǎn)速差增大則潤滑油量逐步減少。結(jié)合圖 10 可以看出，在低轉(zhuǎn)速差時整個片間充滿了潤滑油，在轉(zhuǎn)速差較大時片間大部分區(qū)域被空氣 充填，空氣是從出口端靠近摩擦片側(cè)流入。


圖 9 潤滑油表面分布


圖 10 潤滑油內(nèi)部分布

4.2潤滑油溫度對拖曳扭矩的影響

圖 11 展示了在潤滑油流量為 2L/min,油溫為 40℃和 90℃對有溝槽摩擦片拖曳扭矩 的影響。油溫對拖曳扭矩的整體變化趨勢無影響，任意油溫的拖曳扭矩都是先隨著轉(zhuǎn)速差 增大而增大，到達峰值后再隨轉(zhuǎn)速差增大而降低。但油溫對拖曳扭矩的大小和峰值對應的 轉(zhuǎn)速差影響大，40℃油溫由于粘性系數(shù)大，相同轉(zhuǎn)速差的拖曳扭矩遠遠大于 90℃油溫的拖曳扭矩。油溫越高，峰值拖曳扭矩對應的轉(zhuǎn)速差越靠前，90℃油溫的峰值拖曳扭矩在轉(zhuǎn) 速差為 2000rpm 時出現(xiàn)，而 40℃油溫對應的峰值拖曳扭矩在 4000rpm 后才出現(xiàn)。同時發(fā) 現(xiàn) 40℃油溫時片間潤滑油體積比 90℃時的小，這說明粘性越大，越易在離心力的作用下 被甩出，但由于 40℃油溫時的粘性系數(shù)是 90℃油溫的 3 倍，所以 40℃油溫時的拖曳扭矩 仍然比 90℃油溫的大，因此選用低粘度機油是降低離合器拖曳扭矩的一個重要措施。


圖 11 油溫對拖曳扭矩的影響

4.3片間間隙對拖曳扭矩的影響

在 90℃油溫，進口流量為 2L/min 邊界條件下分析了有溝槽摩擦片的片間間隙分別 為 0.15mm、0.20mm、0.25mm 時的拖曳扭矩變化規(guī)律，見圖 12。拖曳扭矩隨轉(zhuǎn)速差的變化 趨勢與間隙大小無關(guān)，都符合圖 2 所示的規(guī)律。間隙越大，相同轉(zhuǎn)速差的拖曳扭矩和片間 潤滑油體積越小，峰值拖曳扭矩對應的轉(zhuǎn)速差越小。間隙越小，則片間潤滑油質(zhì)量小，同 同一半徑處受到的離心力也越小，因此油膜破裂速度比間隙大的要緩慢，所以拖曳扭矩比 間隙大的高。在滿足換擋響應時間的情況下，可以通過增大鋼片與摩擦片間的間隙來降低 拖曳扭矩以降低油耗。


圖 12 片間間隙對拖曳扭矩的影響

4.4旋轉(zhuǎn)方向?qū)ν弦放ぞ氐挠绊?br />
在潤滑油流量為 2L/min 情況下，對鋼片正反向旋轉(zhuǎn)對拖曳扭矩的影響進行了分 析，見圖 13。正反方向旋轉(zhuǎn)的拖曳扭矩都是隨著轉(zhuǎn)速差的增大先升后降，反向旋轉(zhuǎn)在 1000rpm 出現(xiàn)峰值扭矩，正向旋轉(zhuǎn)在 2500rpm 出現(xiàn)峰值扭矩。在轉(zhuǎn)速差小于 1000rpm 時， 正向旋轉(zhuǎn)的拖曳扭矩比反向旋轉(zhuǎn)的拖曳扭矩略低，在轉(zhuǎn)速差大于 1000rpm 時則相反。這主 要是由于兩種旋轉(zhuǎn)方向?qū)е缕g潤滑油體積差異造成，低轉(zhuǎn)速時潤滑油體積差異較小，但 高轉(zhuǎn)速時反向旋轉(zhuǎn)潤滑油更易排出。


圖 13 旋轉(zhuǎn)方向?qū)ν弦放ぞ氐挠绊?br />
4.5摩擦片側(cè)拖曳扭矩特性

鋼片是主動旋轉(zhuǎn)側(cè)，其只受到剪切潤滑油由于粘性產(chǎn)生的拖曳扭矩，而靜止端摩擦 片的拖曳扭矩由兩部分組成，其一是粘性剪切力矩，其二是壓力矩，見圖 14。鋼片旋轉(zhuǎn) 時通過剪切潤滑油對摩擦片產(chǎn)生擠壓，在摩擦片溝槽區(qū)域出現(xiàn)高壓區(qū)和低壓區(qū)（圖 15），壓力差就形成了壓力矩。鋼片側(cè)拖曳扭矩大于摩擦片側(cè)的拖曳扭矩，這部分扭矩差 轉(zhuǎn)化成潤滑油的內(nèi)能，對于 DCT 的某一離合器如果長時間拖曳扭矩較大就會造成潤滑油的 溫度升高。


圖 14 摩擦片側(cè)拖曳扭矩特性


圖 15 摩擦片表面壓力分布

5 結(jié)語

本文基于 CFD 方法，建立了計算離合器鋼片與摩擦片拖曳扭矩的 CFD 多相流模型， 研究了摩擦片有無溝槽、潤滑油流量和油溫、鋼片與摩擦片間隙、旋轉(zhuǎn)方向等因素對拖曳 扭矩和潤滑油分布的影響，得到如下結(jié)論：

（1）拖曳扭矩先隨著轉(zhuǎn)速差的增大而增大，到達峰值后再隨轉(zhuǎn)速差增大而降低，最后趨 于平緩趨勢；

（2）摩擦片有無溝槽對鋼片的拖曳扭矩影響很大，有溝槽的摩擦片能大幅降低低轉(zhuǎn)速時 鋼片的拖曳扭矩；

（3）潤滑油流量越大，拖曳扭矩越大，且峰值拖曳扭矩對應的轉(zhuǎn)速差越高；

（4）高速旋轉(zhuǎn)的鋼片側(cè)分布的潤滑油量多，空氣從低轉(zhuǎn)速側(cè)或靜止端吸入；

（5）潤滑油溫度對拖曳扭矩影響非常大，油溫越低則粘性系數(shù)大，拖曳扭矩就大，因此 選用低粘度機油或機油快速升溫是降低拖曳扭矩的重要措施；

（6）摩擦片與鋼片間隙越小，拖曳扭矩越大，因此在滿足換擋響應時間的情況下盡可能 增大鋼片與摩擦片間的間隙來降低拖曳扭矩以降低油耗；

（7）鋼片的旋轉(zhuǎn)方向或者是摩擦片溝槽的朝向?qū)ν弦放ぞ囟加杏绊懀虼嗽O計摩擦片的 溝槽形狀時需要通過 CFD 分析來評估對拖曳扭矩的影響。

參考文獻
[1]陳炎云,張志剛,石曉輝.濕式 DCT 帶排轉(zhuǎn)矩的建模仿真分析與試驗研究[J].機械設計與制造， 2016（10）：49-52
[2]T.Neupert,D.Bartel.High-resolution 3D CFD multiphase simulation of the flow and the drag torque of wet clutch discs considering free surfaces[J]. Tribology International 129(2019)283-296
[3]Pengchuan Wang,Nikolaos Katopodes.Two-Phase MRF Model for Wet Clutch Drag Simulation. SAE Technical Paper 2017-01-1127,2017,doi:10.4271/2017-01-1127.
[4]Syeda Faria Mahmud,Shahjada.Multi-Phase Simulation for Studying the Effect of Different Groove Profiles on the Drag Torque Characteristics of Transmission Wet Clutch.SAE Technical Paper 2016-01-1144,2016,doi:10:4271/2016-01-1144.