湿式双离合器拖曳扭矩CFD分析研究

摘 要：为了研究湿式双离合器在分离状态下拖曳扭矩的特性及其影响因素，通过CFD建立了计算离合器钢 片与摩擦片拖曳扭矩的CFD多相流模型。研究了摩擦片有无沟槽、润滑油流量和油温、钢片与摩擦片间隙、 旋转方向等因素对拖曳扭矩和润滑油分布的影响。计算结果表明，拖曳扭矩先随着转速差的增大而增大，到达 峰值后再随转速差增大而降低，最后趋于平缓趋势；摩擦片有无沟槽对钢片的拖曳扭矩影响很大，有沟槽的摩 擦片能大幅降低低转速时钢片的拖曳扭矩；润滑油流量越大，拖曳扭矩越大，且峰值拖曳扭矩对应的转速差越 高；油温越低，拖曳扭矩越大；摩擦片与钢片间隙越小，拖曳扭矩越大；钢片的旋转方向或者是摩擦片沟槽的 朝向对拖曳扭矩都有影响。

关键词：湿式双离合; 拖曳扭矩;CFD; VOF;多相流；

1 引言

湿式双离合器具备传动效率高、磨损小、启动平稳、传递扭矩大、散热良好、工作可靠、 摩擦系数稳定等优点，又体现了换挡过程动力不中断的优势，深受各大汽车厂家的青睐。但其也 存在一个固有缺点，稳态工况下当其中一个离合器处于结合状态，另外一个离合器为分离状态， 润滑油从分离状态离合器的对偶钢片和摩擦片间的间隙流出(见图 1，红色箭头），高速旋转的 钢片和摩擦片剪切润滑油时就产生拖曳扭矩，只要有流经离合器的润滑油，拖曳扭矩就客观存 在。拖曳扭矩不仅降低了湿式离合器的传动效率和车辆的燃油经济性，而且会引起离合器摩擦副 间润滑油温度的升高，进一步导致摩擦片温度过高而出现性能下降和“烧蚀”现象。因此对拖曳 扭矩的特性展开深入研究，认识其规律后从设计和控制上降低拖曳扭矩，这对于降低整车油耗和 实现离合器的精确控制以及指导摩擦片表面结构的设计都具有重要意义[1]。


图 1 离合器结构及润滑油流向

2 拖曳扭矩的特性及影响因素

2.1拖曳扭矩特性

润滑油流过分离状态离合器间隙时产生的拖曳扭矩随钢片和摩擦片转速差的变化趋势如图 2 所示，拖曳扭矩曲线变化基于油膜的形态分成三个阶段。第一阶段，由于转速低旋转离心力 小，片间充满了润滑油是连续油膜状态，拖曳扭矩随着转速差的增大而增大。第二阶段，随着转 速差增大，油膜会在离心力作用下从外径到内径开始发生破裂，不能再遍布整个摩擦作用表面， 片间进入空气后液气混合物的粘性系数不断降低，拖曳扭矩随着转速差的增大而减小。第三阶 段，钢片和摩擦片转速差进一步增大，润滑油和空气充分混合后形成油雾，拖曳扭矩维持低位值 且对转速差的敏感性降低。


图 2 拖曳扭矩随转速差的变化趋势

2.2拖曳扭矩理论计算及影响因素

拖曳扭矩的理论计算应考虑三部分：1.连续油膜区域的润滑油产生的拖曳扭矩Tc ；2.油膜破裂区域的润滑油产生的拖曳扭矩Tr ；3.油膜破裂区域的润滑油雾产生的拖曳扭矩Tm ，连续油膜区域的润滑油产生的拖曳扭矩Tc计算公式如下：



从上述拖曳扭矩的理论计算公式可以看出，润滑油的流量、密度、粘度、钢片与摩擦片的 转速差和间隙、摩擦片的内径与外径都对拖曳扭矩有影响。但理论计算并没有考虑润滑油的表面 张力、与钢片和摩擦片的接触角以及摩擦片表面沟槽形状的影响。

3 离合器拖曳扭矩CFD仿真模型

本文基于 STARCCM+软件建立了湿式离合器拖曳扭矩 CFD 仿真模型，分析了润滑油流量、温度、 钢片与摩擦片间隙、沟槽形状、转速差等因素对拖曳扭矩的影响和气液两相的分布规律。

3.1摩擦片结构

湿式离合器的结构如图 1，偶数档为一组离合器，奇数档为一组离合器，每组离合器有 N 个摩擦片和 N+1 个钢片，每组钢片和摩擦片完全分离状态时的间隙范围为 0.15-0.25mm 左右。本 文以湿式离合器一对摩擦副（钢片和摩擦片）为研究对象(图 3)，计算得到的拖曳扭矩值乘以 2N 就得到该离合器的拖曳扭矩。摩擦片是由一种多孔可压缩的纸基材料组成，特点是摩擦系数较大 且非常稳定，缺点是耐热和导热性较差，因此必须确保散热效果。摩擦片表面开了很多沟槽（图 4），沟槽的作用有以下几方面：1.沟槽能够增大摩擦片的摩擦系数；2.在离合器的分离过程 中，利用油槽来破坏油膜，使离合器更快分离；3.有利于排除碎屑；4.增强冷却；5.降低拖曳扭 矩。沟槽的形状、开口面积需要在摩擦系数、散热、拖曳扭矩之间进行平衡选择，对于强化散热 和降低拖曳扭矩可以利用 CFD 工具来进行优化。



图 3 钢片和摩擦片                                                             图 4 摩擦片表面形状

3.2网格生成

由于钢片与摩擦片间的间隙非常小，用常规的体网格生成方式很难得到高质量的薄壁层网 格，STAR CCM+的 Thin 网格技术却可以在任意厚的薄壁里生成多层高质量的网格。对于间隙为 0.15-0.25mm 的薄壁，利用 Thin 网格生成的网格层数为 10-15 层（图 5）。


图 5 网格模型

3.3物理模型及边界条件

为了准确高效计算得到钢片与摩擦片间的速度场、压力场和油气分布，做了如下简化和假设：

·  由于雷诺数很低，流动为层流；

·  为了模拟润滑油的自由表面流动，采用 VOF 方法模拟润滑油和空气两相分布；

·  瞬态模拟，流场空间初始化为空气；

·  润滑油不可压缩，空气为理想气体；

·  考虑了润滑油的表面张力；

·  考虑了润滑油与钢片和摩擦片的接触角。

边界条件的定义见图 6，内径处定义为流量进口，外径处定义为压力出口。假设润滑油从 进口均匀进入间隙，钢片（主动侧）和摩擦片（从动侧）设置旋转速度。


图 6 边界条件示意

表一：边界条件


4 CFD仿真结果

通过 CFD 分析计算，主要比较了摩擦片有无沟槽、润滑流量、钢片与摩擦片间隙、 旋转方向对拖曳扭矩的影响。

4.1摩擦片沟槽对拖曳扭矩的影响

无沟槽摩擦片（摩擦片与钢片间隙为 0.2mm）的拖曳扭矩变化规律如图 7 所示，不 同流量下的拖曳扭矩都是先随着转速差的增大而增大，当达到峰值后再随转速差的增大而 降低，最后趋于平缓。拖曳扭矩的变化完全符合图 2 解释的拖曳扭矩随转速差发展的三个 阶段规律。还可以看出在润滑油体积占比较高时，拖曳扭矩随着转速差呈线性上升趋势， 在润滑油体积占比急剧下降时，拖曳扭矩也是快速下降。在转速差低于 1000rpm 时，润滑 油流量对拖曳扭矩无影响，因为在低转速阶段由于离心力较小，片间充满了润滑油，只要 转速差一样，那么受到的粘性剪切力就相同，从公式（1）也可以得出连续油膜阶段的拖 曳扭矩与流量大小无关。但流量大小对于拖曳扭矩的峰值有明显影响，流量越大则拖曳扭 矩峰值越大，且其对应的转速差增大。


图 7 无沟槽摩擦片的拖曳扭矩变化规律

摩擦片有无沟槽（摩擦片与钢片间隙为 0.2mm，流量为 2L/min）的拖曳扭矩变化趋 势、峰值都相差较大。从图 8 可以看出无沟槽摩擦片的拖曳扭矩随转速差的增大急剧上 升，达到峰值后急剧下降；有沟槽摩擦片的拖曳扭矩随转速差的变化很平缓，在转速差为 2000rpm 时出现峰值，无沟槽摩擦片在转速差为 1500rpm 时的峰值远大于有沟槽摩擦片的 峰值。上述现象产生的根本原因就是片间润滑油体积变化的规律不一致，有沟槽摩擦片的 片间流通面积比无沟槽的大，因此随着转速差的增大，有沟槽摩擦片间的润滑油在大的离 心力作用下更易被甩出，润滑油量减小则拖曳扭矩也相应降低。但在转速差大于 2200rpm 时，有沟槽摩擦片的拖曳扭矩则比无沟槽的大，主要是因为在这个阶段有沟槽摩擦片间的 润滑油体积要大一些的缘故。


图 8 有无沟槽对拖曳扭矩的影响

润滑油在摩擦片（无沟槽）和钢片表面的体积分布见图 9，钢片端施加旋转，摩擦 片端处于静止。钢片表面在任意转速差始终是连续油膜状态，这是因为旋转钢片产生的离 心力大，同时由于润滑油的粘性和表面张力作用，润滑油都是从钢片表面附近流出。摩擦 片端在低转速差时是连续油膜分布，但随着转速差增大则润滑油量逐步减少。结合图 10 可以看出，在低转速差时整个片间充满了润滑油，在转速差较大时片间大部分区域被空气 充填，空气是从出口端靠近摩擦片侧流入。


图 9 润滑油表面分布


图 10 润滑油内部分布

4.2润滑油温度对拖曳扭矩的影响

图 11 展示了在润滑油流量为 2L/min,油温为 40℃和 90℃对有沟槽摩擦片拖曳扭矩 的影响。油温对拖曳扭矩的整体变化趋势无影响，任意油温的拖曳扭矩都是先随着转速差 增大而增大，到达峰值后再随转速差增大而降低。但油温对拖曳扭矩的大小和峰值对应的 转速差影响大，40℃油温由于粘性系数大，相同转速差的拖曳扭矩远远大于 90℃油温的拖曳扭矩。油温越高，峰值拖曳扭矩对应的转速差越靠前，90℃油温的峰值拖曳扭矩在转 速差为 2000rpm 时出现，而 40℃油温对应的峰值拖曳扭矩在 4000rpm 后才出现。同时发 现 40℃油温时片间润滑油体积比 90℃时的小，这说明粘性越大，越易在离心力的作用下 被甩出，但由于 40℃油温时的粘性系数是 90℃油温的 3 倍，所以 40℃油温时的拖曳扭矩 仍然比 90℃油温的大，因此选用低粘度机油是降低离合器拖曳扭矩的一个重要措施。


图 11 油温对拖曳扭矩的影响

4.3片间间隙对拖曳扭矩的影响

在 90℃油温，进口流量为 2L/min 边界条件下分析了有沟槽摩擦片的片间间隙分别 为 0.15mm、0.20mm、0.25mm 时的拖曳扭矩变化规律，见图 12。拖曳扭矩随转速差的变化 趋势与间隙大小无关，都符合图 2 所示的规律。间隙越大，相同转速差的拖曳扭矩和片间 润滑油体积越小，峰值拖曳扭矩对应的转速差越小。间隙越小，则片间润滑油质量小，同 同一半径处受到的离心力也越小，因此油膜破裂速度比间隙大的要缓慢，所以拖曳扭矩比 间隙大的高。在满足换挡响应时间的情况下，可以通过增大钢片与摩擦片间的间隙来降低 拖曳扭矩以降低油耗。


图 12 片间间隙对拖曳扭矩的影响

4.4旋转方向对拖曳扭矩的影响

在润滑油流量为 2L/min 情况下，对钢片正反向旋转对拖曳扭矩的影响进行了分 析，见图 13。正反方向旋转的拖曳扭矩都是随着转速差的增大先升后降，反向旋转在 1000rpm 出现峰值扭矩，正向旋转在 2500rpm 出现峰值扭矩。在转速差小于 1000rpm 时， 正向旋转的拖曳扭矩比反向旋转的拖曳扭矩略低，在转速差大于 1000rpm 时则相反。这主 要是由于两种旋转方向导致片间润滑油体积差异造成，低转速时润滑油体积差异较小，但 高转速时反向旋转润滑油更易排出。


图 13 旋转方向对拖曳扭矩的影响

4.5摩擦片侧拖曳扭矩特性

钢片是主动旋转侧，其只受到剪切润滑油由于粘性产生的拖曳扭矩，而静止端摩擦 片的拖曳扭矩由两部分组成，其一是粘性剪切力矩，其二是压力矩，见图 14。钢片旋转 时通过剪切润滑油对摩擦片产生挤压，在摩擦片沟槽区域出现高压区和低压区（图 15），压力差就形成了压力矩。钢片侧拖曳扭矩大于摩擦片侧的拖曳扭矩，这部分扭矩差 转化成润滑油的内能，对于 DCT 的某一离合器如果长时间拖曳扭矩较大就会造成润滑油的 温度升高。


图 14 摩擦片侧拖曳扭矩特性


图 15 摩擦片表面压力分布

5 结语

本文基于 CFD 方法，建立了计算离合器钢片与摩擦片拖曳扭矩的 CFD 多相流模型， 研究了摩擦片有无沟槽、润滑油流量和油温、钢片与摩擦片间隙、旋转方向等因素对拖曳 扭矩和润滑油分布的影响，得到如下结论：

（1）拖曳扭矩先随着转速差的增大而增大，到达峰值后再随转速差增大而降低，最后趋 于平缓趋势；

（2）摩擦片有无沟槽对钢片的拖曳扭矩影响很大，有沟槽的摩擦片能大幅降低低转速时 钢片的拖曳扭矩；

（3）润滑油流量越大，拖曳扭矩越大，且峰值拖曳扭矩对应的转速差越高；

（4）高速旋转的钢片侧分布的润滑油量多，空气从低转速侧或静止端吸入；

（5）润滑油温度对拖曳扭矩影响非常大，油温越低则粘性系数大，拖曳扭矩就大，因此 选用低粘度机油或机油快速升温是降低拖曳扭矩的重要措施；

（6）摩擦片与钢片间隙越小，拖曳扭矩越大，因此在满足换挡响应时间的情况下尽可能 增大钢片与摩擦片间的间隙来降低拖曳扭矩以降低油耗；

（7）钢片的旋转方向或者是摩擦片沟槽的朝向对拖曳扭矩都有影响，因此设计摩擦片的 沟槽形状时需要通过 CFD 分析来评估对拖曳扭矩的影响。

参考文献
[1]陈炎云,张志刚,石晓辉.湿式 DCT 带排转矩的建模仿真分析与试验研究[J].机械设计与制造， 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.