Μοντελοποίηση, σχεδιασμός και βελτιστοποίηση πολύδισκων συμπλεκτών υγρής τριβής

Abstract

This dissertation deals with the modelling, design and optimization of multidisc wet clutches. Wet clutch technology is used to transfer power through friction between two rotating components and it is incorporated by many advanced power transmission systems. Among the goals of this dissertation is to investigate the modelling and simulation approaches existing in the literature and to propose new ones that more accurately capture the operational characteristics. In addition, this dissertation tracks the effect of important parameters that are still considerably underexplored in wet clutch technology. To achieve that, the two main operational modes of the clutch (the engagement phase and the disengaged state) were examined simultaneously. Regarding the engagement phase, various analytical and computational lubrication models were developed. The last case concerns the establishment of a new methodology to simulate the engagement phase of a wet clutch that combines transient and quasi-static approaches. This is preferred to capture the high acceleration of the disc at the start of the engagement and simultaneously to maintain low computational cost during boundary lubrication and contact where the responses exhibit asymptotic behaviour. Also, by using a transient approach in the hydrodynamic lubrication phase, the overshooting of the hydrodynamic force (1 to 4 times the actuation force) can be predicted. On the other hand, the disengaged state of the clutch is characterized by steady-state phenomena and the aim is to decrease drag torque. The capturing of the two-phase air-oil flow characteristics plays a major role in that scope. Two-phase flow occurs in certain operating conditions where the suction of air from the outer radius is permitted leading to the decrease of drag torque. The modelling and simulation approaches of this state were conducted by developing various analytical and numerical (CFD) one and two-phase models. In this context, this dissertation also investigates the effect of the surface tension coefficient, that so far has not received adequate research, concluding that its decrease facilitates the two-phase flow and can decrease drag torque even above 50%. In addition, a semi-analytical model was developed to predict the critical aeration speed considering grooved discs, drastically decreasing the exhaustive simulation cost of 3D two-phase simulations while yielding accurate enough results (less than 10% difference with published experimental data). The simulation models that were developed were later used to investigate the effect of grooves on the efficiency of the clutch by conducting parametric simulations. A novel variable-width groove was designed that decreases the overshooting of hydrodynamic force (approximately 20%). In addition, this dissertation introduces an optimal groove design procedure to decrease both drag torque and hydrodynamic overshoot by modifying the groove geometry while maintaining the required torque capacity of the clutch. This is a crucial step to promote groove design as grooves contradictorily affect some characteristics of the two operating conditions of the clutch. Increasing the grooved area derives less drag torque but on the contrary, it yields higher overshooting on the hydrodynamic force during engagement and decreased torque capacity of the clutch (and vice versa for a decrease of the grooved area). The experimental part of this dissertation focuses on capturing the effect of certain parameters on the clutch characteristics. For this purpose, two prototype and low-cost experimental rigs were designed and manufactured for each clutch state: the open-state test rig and the engagement test rig. The open-state test rig was used to extract results on drag torque and to investigate the flow patterns between a stationary non-grooved disc and a rotating grooved one by employing a high-speed camera. The engagement test rig was designed based on the SAE #2 standard in order to measure the engagement responses. Therefore, the effect of grooves and operating parameters such as the clearance, the angular velocity and the oil flow rate and volume were investigated. Concluding, the overall approach to the technological problem investigated in this dissertation considerably improves the operation of the clutch and at the same time highlights some research guidelines in the field of tribology in general.

Αντικείμενο της Διδακτορικής Διατριβής είναι η μοντελοποίηση, ο σχεδιασμός και η βελτιστοποίηση πολύδισκων συμπλεκτών υγρής τριβής. Ο πολύδισκος υγρός συμπλέκτης είναι ένα στοιχείο μηχανής που μεταφέρει την κίνηση δια περιστροφής μέσω δυνάμεων τριβής και βρίσκει εφαρμογή σε πολλά προηγμένα συστήματα μετάδοσης ισχύος. Η διατριβή στοχεύει να προτείνει νέες, πιο ακριβείς προσεγγίσεις μοντελοποίησης και προσομοίωσης του συμπλέκτη που οδηγούν στην πρόβλεψη σημαντικών λειτουργικών χαρακτηριστικών και δεν έχουν έως τώρα διερευνηθεί στη βιβλιογραφία. Επιπλέον εξετάζεται η επίδραση παραμέτρων λειτουργίας που έχουν μέχρι τώρα εξεταστεί ανεπαρκώς αλλά, όπως αποδεικνύεται, επηρεάζουν σημαντικά την απόδοση του συμπλέκτη. Για να επιτευχθεί αυτό, εξετάζονται ταυτόχρονα οι δύο φάσεις λειτουργίας· η φάση της σύμπλεξης όπου μεταφέρεται η απαιτούμενη ροπή και η κατάσταση της ανοικτής λειτουργίας όπου ο συμπλέκτης δρα ως πηγή απωλειών ισχύος για το σύστημα μετάδοσης κίνησης λόγω της ροής του λιπαντικού. Η μοντελοποίηση γίνεται ξεχωριστά για κάθε περίπτωση εξαιτίας των διαφορετικών χαρακτηριστικών λειτουργίας. Στη φάση της σύμπλεξης αναπτύσσονται αναλυτικά και αριθμητικά μοντέλα ροής τα οποία συζεύγνυνται με τις δυναμικές εξισώσεις ισορροπίας ροπών και δυνάμεων για το σύστημα των δίσκων. Για τη μοντελοποίηση του φιλμ του λιπαντικού χρησιμοποιούνται αναλυτικά μοντέλα λίπανσης, μοντέλα υπολογιστικής ρευστοδυναμικής ενώ αναπτύσσεται επίσης ένα αποδοτικό μοντέλο επίλυσης της εξίσωσης Reynolds. Για την τελευταία περίπτωση εισάγεται μια νέα μεθοδολογία επίλυσης του συστήματος των εξισώσεων θεωρώντας ταυτόχρονα μη-μόνιμη και ψευδο-στατική κατάσταση με στόχο τον ακριβή υπολογισμό των χαρακτηριστικών της ροής στην υδροδυναμική φάση της σύμπλεξης όπου η επιτάχυνση του συστήματος είναι υψηλή και τη μείωση του υπολογιστικού κόστους κατά το στάδιο της επαφής όπου η απόκριση είναι σημαντικά πιο αργή. Αποδεικνύεται ότι αυτή η προσέγγιση μπορεί να οδηγήσει στην πρόβλεψη της σημαντικής υπερακόντισης στην δύναμη (1 έως 4 φορές τη δύναμη του επενεργητή) που οφείλεται στο υδροδυναμικό φαινόμενο και που έχει πρόσφατα παρατηρηθεί σε καταγεγραμμένα πειράματα στη βιβλιογραφία. Από την άλλη πλευρά, η ανοικτή λειτουργία του συμπλέκτη αντιμετωπίζεται ως μία χρονικά μόνιμη κατάσταση όπου βασικός στόχος είναι ο υπολογισμός της ροπής απωλειών (drag torque) συναρτήσει της ταχύτητας περιστροφής. Σημαντικό χαρακτηριστικό σε αυτή την περίπτωση αποτελεί η ανάπτυξη υποπίεσης στην εξωτερική ακτίνα του δίσκου για συγκεκριμένες συνθήκες λειτουργίας οδηγώντας έτσι στην αναρρόφηση αέρα και στη διφασική ροή αέρα-λιπαντικού με αποτέλεσμα την ακαριαία πτώση της ροπής λόγω του πολύ μικρότερου ιξώδους του αέρα. Σε αυτό το πλαίσιο αναπτύσσονται αναλυτικά και αριθμητικά μοντέλα επίλυσης των εξισώσεων ροής λαμβάνοντας υπόψιν τα χαρακτηριστικά της διφασικής ροής. Επιπλέον ενσωματώνεται η επίδραση του συντελεστή επιφανειακής τάσης, η μείωση του οποίου ευνοεί τις συνθήκες ανάπτυξης διφασικής ροής μειώνοντας έτσι τη ροπή σε ποσοστά μεγαλύτερα του 50%. Ακόμη, προτείνεται ένα ημι-αναλυτικό μοντέλο υπολογισμού της κρίσιμης γωνιακής ταχύτητας αναρρόφησης αέρα θεωρώντας δίσκους με αυλακώσεις. Τα εργαλεία προσομοίωσης που αναπτύχθηκαν χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της επίδρασης των αυλακώσεων των δίσκων στα χαρακτηριστικά της σύμπλεξης και της ανοικτής λειτουργίας. Προτείνεται μία πρωτότυπη αυλάκωση μεταβλητού πλάτους που οδηγεί σε μείωση της υπερακόντισης στην δύναμη που οφείλεται στο υδροδυναμικό φαινόμενο κατά περίπου 20%. Στη συνέχεια εισάγεται μεθοδολογία βέλτιστου σχεδιασμού αυλακώσεων για την ταυτόχρονη βελτίωση των χαρακτηριστικών των δύο καταστάσεων λειτουργίας καθώς αυτές έχουν αντικρουόμενη εξάρτηση από της αυλακώσεις: η αύξηση της επιφάνειας αυλακώσεων οδηγεί αφενός σε μείωση της ροπής απωλειών αλλά παράλληλα σε αύξηση της υπερακόντισης και σε μείωση της δυνατότητας μεταφοράς ροπής του συμπλέκτη. Τέλος πραγματοποιείται η πειραματική διερεύνηση των φαινομένων ενδιαφέροντος. Για το σκοπό αυτό σχεδιάζονται και κατασκευάζονται δύο πρωτότυπες πειραματικές διατάξεις: η διάταξη σύμπλεξης και η διάταξη ανοικτής λειτουργίας. Η διάταξη σύμπλεξης υλοποιεί το πρότυπο SAE #2 υπό κλίμακα ενώ η διάταξη της ανοικτής λειτουργίας αφορά στη μέτρηση της ροπής απωλειών και στην οπτική καταγραφή της ροής για το σύστημα ακίνητου δίσκου και περιστρεφόμενου δίσκου με και χωρίς αυλακώσεις. Οι πειραματικές διατάξεις χρησιμοποιούνται για τη διενέργεια δύο κύριων σειρών πειραματικών μετρήσεων όπου εξετάζεται η επίδραση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών των αυλακώσεων, των παραμέτρων λειτουργίας όπως το διάκενο, η γωνιακή ταχύτητα και η παροχή και των ιδιοτήτων του λιπαντικού. Η συνολική αντιμετώπιση του τεχνολογικού προβλήματος όπως μελετήθηκε στην παρούσα διατριβή βελτιώνει σημαντικά την απόδοση και τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του συμπλέκτη υγρής τριβής και ταυτόχρονα αναδεικνύει νέες κατευθύνσεις έρευνας στην επιστήμη της τριβολογίας ευρύτερα.