بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تحلیل توزیع دمایی سیستم کلاچ خشک دو صفحهای و تک صفحهای به روش المان محدود
خلاصه
سیستم کلاچ در زنجیره قوای محرکه نقش اساسی در انتقال قدرت از موتور به جعبه دنده ایفا میکند. بنابراین کنترل و بررسی عوامل تأثیرگذار بر عملکرد این سیستم بسیار مورد توجه است. در این مقاله تأثیر مساحت سطح تماس، مدت زمان و تعداد دفعات قطع و وصل سیستم کلاچ بر میزان گرمای تولید شده و دمای آن در دو سیستم تک صفحهای و دو صفحهای بررسی شده است. تحلیل و شبیه سازیهای مدنظر به روش عددی با نرم افزار Abaqus به صورت متقارن محوری انجام گرفته است. تحلیل دمایی در دو مقطع انجام گرفته که مقطع اول آن موقعیت میانی صفحه کلاچ ( ) در نظر گرفته شده است. در این مقطع بیشترین کاهش دمای کلاچ برای دو صفحهای بوده و مقدار آن برای فصل مشترک بین فلایویل و صفحه کلاچ، نسبت به تک صفحهای در حدود %15/7 و در فصل مشترک بین دیسک و صفحه کلاچ در حدود %13/6 است. مقطع دوم نیز در امتداد سطح تماسی که صفحه کلاچ با فلایویل و دیسک تشکیل میدهد در نظر گرفته شده است. در این حالت بیشترین کاهش دما در سیستم کلاچ دو صفحهای نسبت به تک صفحهای در فصل مشترک بین صفحه کلاچ و فلایویل در حدود %15/2 است؛ درحالیکه برای فصل مشترک بین صفحه کلاچ و دیسک در حدود %11/5 میباشد.
کلمات کلیدی: سیستم کلاچ دو صفحهای؛ تحلیل دمایی؛ کاهش تنش حرارتی؛ روش المان محدود
-1 مقدمه
سیستم کلاچ یکی از اساسیترین قطعات اجزای سامانه انتقال قدرت در خودروهای مختلف محسوب میشود. سیستم کلاچ، خروجی موتور و ورودی جعبه دنده را به هم متصل کرده و انتقال توان از موتور به جعبه دنده را میسر خواهد کرد. زمانیکه سیستم کلاچ شروع به برقراری اتصال میکند با توجه به اختلاف دوری که بین خروجی موتور و ورودی جعبه دنده وجود دارد، در بین سطوحی که با هم در تماس قرار میگیرند(فلایویل، صفحه کلاچ و دیسک) سرش به وجود خواهد آمد. حاصل این سرش و اختلاف دور تولید گرما در سیستم کلاچ خواهد بود. تولید گرما و افزایش دما از عوامل اصلی کاهش عمر و دوام سیستم کلاچ میباشد. بنابراین با توجه به مصرفی بودن این قطعه توجه به موضوع طراحی آن بسیار حائز اهمیت است. بطوریکه گزارشات بسیاری از خرابی و عمر پایین این قطعه از طرف تولیدکنندگان صنعت خودرو برای خودروهای مختلف منتشر شده است. ×
میزان گرمایی که در اثر تماس بین سطوح تولید شده و منجر به افزایش دما میشود به عوامل مختلفی از قبیل توزیع فشار، فشار سطحی، تعداد صفحات کلاچ، جنس سطوح در تماس و ... بستگی خواهد داشت بٍ،ٌب. از اینرو فعالیتهای تحقیقاتی زیادی به منظور بررسی عملکرد سیستم کلاچ و بهبود شرایط دمایی آن به منظور افزایش عمر و دوام صورت پذیرفته است.3-5
×
ومین کنفرانس ملی و اولین کنفرانس بینالمللی پژوهشهای کاربردی در ×
عبدا.. و همکارانش از روش المان محدود دوبعدی در نرم افزار ANSYS13 به منظور مطالعه تنش و تغییرشکل بر روی سیستم کلاچ با بررسی پارامتر توزیع فشار و تأثیر ضریب سختی بر روی فشار سطحی به دو روش الگوریتم ژنتیگ آگیومنتد و پنالتی استفاده کرده اند. نتایج نشان داده است با افزایش ضریب سختی، فشار تماس نیز افزایش خواهد یافت(برای هر دو روش)بّب.
عبدا.. و همکارانش در مطالعه دیگری به روش المان محدود دوبعدی در نرم افزار ANSYS13 به بررسی توزیع دمایی سیستم کلاچ در حالت گذرا برای توزیع فشارهای مختلف پرداخته اند. در این تحلیل به منظور درنظرگرفتن تمام شرایط فشاری که بین سطوح اعمال میشود از دو توزیع فشار خطی و یکنواخت استفاده شده است. نتایج نشان میدهد با افزایش تعداد قطع و وصل در سیستم کلاچ، دما افزایش خواهد یافت. درحالت کلی نیز افزایش دما با توزیع فشار یکنواخت بیشتر از حالت خطی میباشدبْب.
سزل و همکارانش در یک کار تحقیقاتی توزیع دمایی کلاچ سرامیکی مورد استفاده در خودروهای مسافربری را به روش المان محدود در نرم افزار COSMOS مورد بررسی قرار دادهاند. این نوع کلاچها دارای دو قسمت سرامیکی و آلومنیومی میباشد و نتایج تحلیل توزیع دمایی در این دو قسمت نشان می دهد انتقال حرارت هدایت1 در قسمت الومنیومی به مراتب بهتر از قسمت سرامیکی صورت میپذیرد . از اینرو برای توزیع دمایی ×یکنواخت بین دو قسمت اصطکاکی مذکور، اجزای گرمایی2 تغییر داده شده تا به یک توزیع یکنواخت دمایی در هر دو قسمت برسندبَب. × در کار تحقیقاتی حاضر نیز شرایط توزیع دمائی برای دو سیستم کلاچ تک صفحهای و دو صفحهای به روش المان محدود
متقارن محوری در نرم افزار Abaqus مورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به اینکه مقایسه دو سیستم مدنظر است از یک نوع فشار سطحی به عنوان فشار خطی استفاده شده و برای اعتبار سنجی نیز از نتایج تحقیقات عبدا.. و همکارانش استفاده شده استبْب؟
-2 معادلات گرمای تولید شده :
سیستم کلاچ دارای سه بخش اصلی دیسک، صفحه کلاچ و فلایویل است. همانطور که عنوان شد در این تحقیق به مطالعه و بررسی عملکرد حرارتی دو سیستم کلاچ تک صفحهای و دو صفحهای پرداخته شده است. سیستم کلاچ تک صفحهای دارای یک دیسک، فلایویل و صفحه کلاچ است در حالیکه که کلاچ دو صفحهای علاوه بر موارد ذکر شده دارای یک صفحه اضافه و یک قطعه واسطه(دیسک دوم) ما بین دو صفحه کلاچ نیز میباشد(شکل .((1)
شکل -1 شمای کلی از سیستم کلاچ دو صفحه ای
هنگامی که دو سطح مالشی در تماس با یکدیگر قرار دارند اختلاف دور مابین آنها سرش ایجاد میکند و نتیجه آن تولید گرما در سطوح تماسی خواهد بود. این موضوع مبین عملکرد سیستم کلاچ است در حالتی که بین سطوح تماسی آن(دیسک، صفحه کلاچ و فلایویل) اختلاف دور وجود دارد. در حالت کلی، گرمای تولید شده در سیستم کلاچ به دو روش هدایت (به دلیل سطوحی که مستقیمأ با هم در تماسند) و جابجایی به دلیل هم مرزی اجزاء این سیستم با هوا اتفاق خواهد افتاد.
در این مقاله با توجه به متقارن بودن سیستم کلاچ از مدل متقارن×محوری1 با فرض خواص دمایی ایزنتروپیک و وابسته به دما برای تحلیلها در نظر گرفته شده است. در زمینه توزیع فشار نیز همانطور که عنوان شد از مدل توزیع فشار خطی براساس تئوری طراحی سیستم کلاچ استفاده شده است ب7ب. در محاسبات فرض شده تمام انرژی اصطکاکی به گرما تبدیل گردد و گرمای تولید شده براساس معادله ذیل محاسبه شده استب 8و10
پارامترهای ارائه شده در معادلات به شرح ذیل است: گرمای تولید شده در فلایویل
گرمای تولید شده در صفحه کلاچ
گرمای تولید شده در دیسک فشاری
سرعت سرش
سرعت زاویهای سرش
گرمای تولید شده بین سطوح با فرض توزیع فشار خطی براساس موقعیت هندسی شعاع دیسک در هر لحظه از زمان سایش، براساس معادله ذیل بیان شده است:
شکل (2) شمای متقارن محوری از سیستم کلاچ دو صفحهای را با توزیع فشار به صورت خطی (سایش یکنواخت) نشان داده شده است.
شکل -2 نمایش توزیع فشار یکنواخت در سیستم کلاچ دو صفحهای
معادله توزیع دمایی بر حسب زمان نیز برای سیستم کلاچ اصطکاکی در دستگاه مختصات استوانهای براساس معادله (6) بیان میشود که در آن k ضریب هدایت گرمایی، چگالی و c گرمای ویژه است.
به منظور محاسبه دما در سیستم های کلاچ مورد بررسی، از مدل تماسی استفاده شده که استفاده از آن در محاسبه دمای کلاچ خودروها معمول است. در این مدل دما در فصل مشترک سطوحی که با هم در تماساند به صورت برابر در نظر گرفته شده استب10ب.
-3 روش المان محدود:1
برای تحلیل دمایی سیستم کلاچ در حالت گذرا از نرم افزار Abaqus استفاده شده است. معادله ( (7 معادله تعادل انرژی است که برای انتقال حرارت در نرم افزار Abaqus مورد استفاده قرار گرفته است. در این معادله انتقال حرارت به روشهای هدایت، جابجایی وتشعشعی در نظر گرفته شده و ضریب هدایت حرارتی وابسته به دما و اثرات گرمای نهان نیز لحاظ شده است.
در این معادله V حجم، S سطح مقطع، چگالی و̇ نرخ تغییرات انرژی درونی ماده بر حسب زمان است. q شار حرارتی بر واحد سطح جسم و r حرارت بر واحد حجم است که از محیط بر جسم وارد میشود. از طرفی فرض میشود که انتقال حرارت هدایتی از قانون فوریه پیروی کند. این معادله با استفاده از روش تفاضلی پسرو2 توسط نرم افزار حل شده و گام زمانی آن نیز توسط نرم افزار به صورت خود تطبیق انتخاب شده است.
مدل المان محدود متقارن محوری به همراه بارگذاری و شرایط مرزی برای کلاچهای تک صفحهای و دوصفحهای در شکل (3) نشان داده شده است. نوع المانهای به کار رفته در این مدلها از المانهای 4 گرهای DCAX4 است. ضریب انتقال حرارت همرفتی نیز که در جدول (1) به آن اشاره شده براساس مرجع 40/89 (7) در نظر گرفته شده است. تحلیل-های همگرایی مش، جهت انتخاب یک سایز مش بهینه انجام شده است که نتایج آن در شکل (4) و (5) به ترتیب برای کلاچهای تک صفحهای و دوصفحهای قابل مشاهده است.
در جدول((1 اطلاعات مربوط به سیستم کلاچ دو صفحهای و تک صفحهای و همچنین سایر پارامترهای مورد نیاز ارائه شده است.
