CN103955581B - 车辆湿式离合器用旋转密封优化设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于车辆传动装置的密封工程化设计技术领域，具体涉及一种旋转密封参数的优化设计方法。车辆湿式离合器用旋转密封优化设计方法，它包括以下步骤：A.建立旋转密封的通用槽型形线描述方程；B.选定设计变量为优化对象，根据设计变量允许的取值范围，设定其边界约束条件；C.确定目标函数；D.优化计算；本发明对旋转密封端面进行流体动力润滑优化设计，使旋转密封端面产生较强的流体动压力，以减小摩擦磨损，提高密封槽的工作性能和使用寿命。

Description

车辆湿式离合器用旋转密封优化设计方法
技术领域
本发明属于车辆传动装置的密封工程化设计技术领域，具体涉及一种车辆湿式离合器用旋转密封参数的优化设计方法。
背景技术
在车辆传动领域，旋转密封是一种特殊形式的端面动密封，作为关键元件，它广泛应用于变速器等内包含有液压控制的旋转执行部件中，如湿式离合器、制动器以及液力变矩器。这些部件一般都会存在一个或多个旋转密封来使压力油液从静止件流入旋转轴中进行动力传递，并保证系统油压。旋转密封的性能直接影响到传动装置的整体性能，其一旦发生密封失效，会导致传动装置的整体故障。其失效形式多是密封端面的严重磨损，这种磨损失效取决于摩擦对偶面的润滑状态。
高功率密度是车辆传动的发展趋势，而提高转速，降低传递的力矩是提高传动装置功率密度的有效措施。伴随传动装置工作转速的提高，其对湿式离合器和制动器用旋转密封的工作转速也提出了更高的要求。然而，工作转速的提高必然使旋转密封摩擦副承受的PV值升高，极可能导致磨损加剧，使用寿命和可靠性降低，因此旋转密封应具有高PV值性能方能完成传动系统的设计目标。
另外，在乘用车领域，随着消费者对于车辆驾驶的简单性、平顺性、舒适性要求的提高和汽车技术的不断发展，传统的手动变速器逐渐淘汰，自动变速器，无级变速器，双离合变速器将占有越来越大的市场份额，各企业与研究机构围绕其展开的研究也越来越多。提高传动装置效率，减少功率损失，提高传动装置可靠性成为其研究重点之一。其中的旋转密封作为液压动力传递的关键元件，在自动变速器中需要维持2.5MPa的油压，在CVT中压力则高达8MPa，转速最大可以达到7500r/min，轴直径达到80mm，密封系统最大会有几千瓦的摩擦功率损失。一方面影响传动装置效率，另一方面这一部分损失的功率使密封系统承受较高的热应力，严重情况下导致密封失效，引发动力装置故障。
总体来看，高速高压是汽车动力系统设计的发展趋势。高性能旋转密封是未来车辆传动系统中不可或缺的元件，为了提高旋转密封的工作性能，改善润滑状态，减小摩擦功率损失，减少磨损，提高可靠性与工作寿命，针对旋转密封的优化设计就显得尤为重要。相关的研究成果，在军事和民用领域都有广阔的应用前景和实用价值。
发明内容
本发明的目的是：提出一种车辆湿式离合器用旋转密封优化设计方法，从而使旋转密封端面产生较强的流体动压力。
本发明的技术方案是：车辆湿式离合器用旋转密封优化设计方法，其特征在于，它包括以下步骤：
A.建立旋转密封的通用槽型形线描述方程；
在旋转密封的初始槽型形线θ0＝f(r)0上选取离散点其中位于旋转密封内圆，位于旋转密封外圆，相邻两点沿旋转密封半径方向间距相等；令在各自所在的圆周上任意移动一定角度后得到形线关键点依次对中相邻的两个点使用三次样条插值方法得到n分段的最多三次的多项式函数曲线，通过多项式函数曲线建立槽型形线描述曲线；
B.针对旋转密封，将包括槽数N、槽深hg、周向槽台比δθ、径向槽坝比δr、螺旋角α的端面槽型设计参数，以及槽型设计参数作为优化对象X，即：
根据设计参数允许的取值范围，设定其边界约束条件，即：
其中，下脚标min表示最小边界约束条件，max表示最大边界约束条件；
C.确定目标函数；
选择在给定油膜厚度下的油膜承载力Flcc作为评价指标来衡量某种形式的槽型形成动压效应的强弱能力，以油膜承载力最大即负的油膜承载力-Flcc最小为参数优化计算的目标函数，即：
f(X)＝(-Flcc)min
D.优化计算
利用步骤A中所建立的槽型形线描述方程，根据边界约束条件，以(-Flcc)min为目标对X进行优化。
本发明的有益效果是：(1)本发明对旋转密封端面进行流体动力润滑优化设计，使旋转密封端面产生较强的流体动压力，以减小摩擦磨损，提高密封槽的工作性能和使用寿命；
(2)本发明利用有限个离散点通过函数三次样条插值得到多项式函数曲线，建立一般曲线槽型的描述方法，该描述方法可表示多种形线，具有很强的灵活性，克服了现有技术中只能针对固定槽型形线进行优化的缺点；
(3)本发明将设计变量划分为槽数N、槽深hg、周向槽台比δθ、径向槽坝比δr、螺旋角α，以及槽型设计参数，针对不同目标的优化问题，可通过设定其它设计参数的边界约束条件设定为已知的方法，对选择的参数进行优化设计；
(4)本发明将槽型形线的优化问题转化为槽型设计变量和槽型形线优化两个优化子问题，这样一来既可以合理提高优化计算的效率，也可以更好地研究开槽基本参数和槽型形线参数分别对设计指标的影响。
附图说明
图1为车辆湿式离合器用旋转密封槽型形线优化策略示意图；
图2为车辆湿式离合器用旋转密封参数化设计体系示意图；
图3为槽型形线参数优化计算流程示意图。
具体实施方式：
车辆湿式离合器用旋转密封优化设计方法，它包括以下步骤：
参见附图1，A.建立通用槽型形线描述方程；
在旋转密封的初始槽型形线θ0＝f(r)0上选取离散点其中位于旋转密封内圆，位于旋转密封外圆，相邻两点沿旋转密封半径方向间距相等；令在各自所在的圆周上任意移动一定角度后得到形线关键点依次对中相邻的两个点使用三次样条插值方法得到n分段的最多三次的多项式函数曲线，通过多项式函数曲线建立槽型形线描述曲线；
由于螺旋槽端面旋转密封具有较好的计算流体动力润滑特性和实际工作性能，故可将螺旋槽形线作为初始形线；
参见附图2，B.针对旋转密封，将包括槽数N、槽深hg、周向槽台比δθ、径向槽坝比δr、螺旋角α的端面槽型设计参数，以及槽型设计参数作为优化对象X，即：
根据设计参数允许的取值范围，设定其边界约束条件，即：
其中，下脚标min表示最小边界约束条件，max表示最大边界约束条件；
若针对部分设计参数进行优化，则将其它的设计参数设定为定值；
C.确定目标函数；
选择在给定油膜厚度下的油膜承载力Flcc作为评价指标来衡量某种形式的槽型形成动压效应的强弱能力，以油膜承载力最大即负的油膜承载力-Flcc最小为参数优化子程序计算的目标函数，即：
f(X)＝(-Flcc)min
D.优化计算；
D1：令槽型设计参数都等于0，即所有形线关键点都位于初始槽型形线θ0＝f(r)0上，以端面槽型设计变量中的槽数N、槽深hg、周向槽台比δθ、径向槽坝比δr、螺旋角α为本阶段优化对象，根据边界约束条件，以(-Flcc)min为目标函数进行参数优化，完成对槽数N、槽深hg、周向槽台比δθ、径向槽坝比δr、螺旋角α的优化；
D2：将D1中的优化结果作为优化初值，以槽型设计参数为优化目标，根据边界约束条件，以(-Flcc)min为目标，对步骤A中建立的槽型形线描述方程进行参数优化计算，进而完成对槽型形线参数的优化。
步骤D中所用的优化计算如图3所示：首先采用拉丁超立方试验设计法合理选取设计空间样本点，构建槽型参数化几何模型，对端面流场区域进行网格划分，通过贴体坐标变换将实际的物理域转化到规则的计算域上求解，采用有限体积法离散Reynolds方程进行数值计算，得到不同设计参数样本点下的端面压力场分布，进而求得油膜承载力；在试验设计的基础上对各设计参数进行敏度分析，辨识关键参数，确定搜索方向并初步搜索寻优，合理减少设计变量的数目或者缩小设计空间以提高近似模型精度和优化效率；采用近似建模方法拟合上一步样本点数据，构造关键参数的近似模型，得到原数值仿真模型的近似模型后进而针对该近似模型，在设计空间内搜索最优解，在较短的计算时间内，得到近似模型最优解并输出结果。

Claims (4)

1.车辆湿式离合器用旋转密封优化设计方法，其特征在于，它包括以下步骤：
A.建立旋转密封的通用槽型形线描述方程；
在旋转密封的初始槽型形线θ0＝f(r)0上选取离散点 其中位于旋转密封内圆，位于旋转密封外圆，相邻两点沿旋转密封半径方向间距相等；令在各自所在的圆周上任意移动一定角度后得到形线关键点依次对中相邻的两个点使用三次样条插值方法得到n分段的最多三次的多项式函数曲线，通过多项式函数曲线建立槽型形线描述曲线；
B.针对旋转密封，将包括槽数N、槽深hg、周向槽台比δθ、径向槽坝比δr、螺旋角α的端面槽型设计参数，以及槽型设计参数作为优化对象X，即：
根据设计参数允许的取值范围，设定其边界约束条件，即：
其中，下脚标min表示最小边界约束条件，max表示最大边界约束条件；
C.确定目标函数；
选择在给定油膜厚度下的油膜承载力Flcc作为评价指标来衡量某种形式的槽型形成动压效应的强弱能力，以油膜承载力最大即负的油膜承载力-Flcc最小为参数优化计算的目标函数，即：
f(X)＝(-Flcc)min
D.优化计算
利用步骤A中所建立的槽型形线描述方程，根据边界约束条件，以(-Flcc)min为目标对X进行优化。
2.如权利要求1中所述的车辆湿式离合器用旋转密封优化设计方法，其特征在于，步骤D的具体方法为：
D1：令槽型设计参数都等于0，即所有形线关键点都位于初始槽型形线θ0＝f(r)0上，以端面槽型设计变量中的槽数N、槽深hg、周向槽台比δθ、径向槽坝比δr、螺旋角α为本阶段优化对象，根据边界约束条件，以(-Flcc)min为目标函数进行参数优化，完成对槽数N、槽深hg、周向槽台比δθ、径向槽坝比δr、螺旋角α的优化；
D2：将D1中的优化结果作为优化初值，以槽型设计参数为优化目标，根据边界约束条件，以(-Flcc)min为目标，对步骤A中建立的槽型形线描述方程进行参数优化计算，进而完成对槽型形线参数的优化。
3.如权利要求1中所述的车辆湿式离合器用旋转密封优化设计方法，其特征在于，步骤B中，若针对部分设计参数进行优化，则将其它的设计参数设定为定值。
4.如权利要求1、2或3所述的车辆湿式离合器用旋转密封优化设计方法，其特征在于，所述初始槽型形线选定为螺旋槽。
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