电磁离合器多场耦合特性及多学科设计优化

发布时间：2020-03-27 11:56

【摘要】：电磁离合器是磁力机械产品中常见的一种传动部件,广泛应用到各个领域。电磁离合器的研究涉及到电磁学、热学、机械动力学及材料学等多个学科,是电磁场、温度场、结构场等多个物理场综合作用的复杂多场耦合问题,场内及场间耦合关系决定着电磁离合器工作的可靠性。为了提升电磁离合器工作性能,本文在研究电磁场、温度场、结构场多场耦合关系基础上,构建了电磁离合器多场耦合特性求解及多学科优化体系框架,分析了多场耦合作用下的电磁特性、温度特性及结构特性,并利用多学科协同优化方法解决电磁离合器多场耦合优化问题,旨在为磁力机械多场耦合问题提供一种可行的求解方法。本文的主要研究内容如下:(1)在分析基本场及场间耦合关系的基础上,研究了电磁离合器的电磁场、温度场、结构场多场耦合关系及求解策略,给出了电磁离合器多场耦合分析技术路线,构建了电磁离合器多场耦合特性分析及求解技术体系,旨在为多场耦合系统分析提供一种可行方法。(2)为了获得电磁离合器动作快速性的主要影响因素,对电磁离合器静动态特性进行分析。研究了电磁吸力关键参数的主要影响因素,结果表明磁势、电流及衔铁厚度与电磁吸力成正比,工作气隙与电磁吸力成反比关系;同时,研究了涡流、弹簧作用对电磁离合器动作响应的影响,结果表明计涡流比不计涡流、有弹簧作用比无弹簧作用时衔铁动作分别延迟了 12ms和3ms,为改进衔铁动作灵敏性提供依据。(3)为了获得电磁离合器失效的主要影响因素,研究了电磁离合器的耦合特性,分析了耦合作用下的温度场及结构场。结果表明轻负载结合一次摩擦热为主要热源,在温度场分析时不容忽视,处于轻负载长时间稳定工作与频繁结合分离两种工况下,工作0.5h温度分别上升了5.462℃和19℃,表明不同工况的对流换热系数对温度场影响较大;同时,耦合作用下应力应变分析结果表明轻负荷、工作过程中仅一次通断电下摩擦盘最大变形发生在边缘及中心孔附近,最大应力发生在摩擦盘固定面中心孔附近,频繁通断电工况下会出现翘曲变形,是影响性能的原因之一。(4)由于电磁离合器多场耦合系统涉及多个学科,将多学科协同优化方法应用到电磁离合器优化设计中。首先,将改进人工蜂群算法和径向基代理模型近似技术引入协同优化方法,提出了一种改进协同优化方法,并利用测试函数对其性能分析;其次,建立电磁离合器多学科优化设计模型,利用径向基代理模型技术构建以衔铁动作时间最小、单位摩擦面压力最小和结合一次总热量最小为优化目标的三个学科级模型;最后,将改进协同优化方法应用于电磁离合器多学科设计优化,结构表明优化后衔铁动作时间、单位摩擦面压力、结合一次总热量相比优化前分别减少了 1.650%、7.670%、9.69%,频繁结合分离工况下工作0.5h温升值相比优化前降低了6.571℃。
【图文】：

(a) 摩擦式电磁离 器 (b) 牙嵌式电磁离 器(a) Friction Type Eelectromagnetic Clutch (b) Toothed Electromagnetic Clutch图1-1 电磁离 器 观图Fig.1-1 Appearance Drawing of Electromagnetic Clutch离合器出现是根据工厂出现的传送带原理，，通过调节皮带的松紧实现离合器的接通分离。由于这种应用具有局限性，不能适应后期的变速工作，因此出现了摩擦式的离合器。在出现锥形摩擦离合器问世的同时，鉴于占用空间小、摩擦面积大提高结合快速性的特点，

2 电磁离合器多场耦合分析及优化体系研究11图2-1 基本场 场耦 关系图Fig.2-1 Multi-field Coupling Relation Diagram of Fundamental Field（2）耦合关系的分类耦合关系复杂，根据划分标准不同得到的耦合形式多种多样，耦合关系通常可分为五大类，表 2-2 对基本场间耦合关系进行了分类[47]：表2-2 耦 关系的分类Tab.2-2 Classification of Coupling Relations耦合关系 划分标准 划分具体形式 实例 实例解说边界耦合域耦合根据耦合区域边界耦合：在边界发生耦合 流-固耦合问题 流-固之间通过边界传递热量域耦合：耦合发生在域内 热-应力耦合问题 域内温度变化产生热应力单向耦合双向耦合根据耦合的相互作用双向耦合：两场间相互作用明显电、磁场问题电场强度影响磁感应强度变化，反之同理单向耦合：一个方向作用相比另一方向非常显著热应力问题温度场产生热应力相比在变形下的温度场的性质变化更显著直接耦合间接耦合两场相互作用是否通过其它场进行直接耦合：不通过其它场 电、磁场问题 电磁场间不通过其它场间接耦合：通过其它场电场与结构场之间通过热场传递电流变化导致焦耳热的变化，导致结构变形微分耦合代数耦合根据耦合方程的形式微分耦合：微分形式 电、磁场问题 电磁场通过微分形式作用代数耦合：通过数学函数形式耦合热应力问题物体热梯度昌盛内部应力，通过代数方程表达；应力变化不一定产生温度变化
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH133.4

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本文编号：2602921