一种湿式离合器摩擦元件表面微织构排布的优化方法

本发明涉及离合器，特别是一种湿式离合器摩擦元件表面微织构排布的优化方法。

背景技术：

1、湿式离合器作为车辆传动系统关键部件，运行过程中会产生短时换挡滑摩与过载长时滑摩两类工况。环形薄板结构的摩擦元件受内外径线速度差异影响，滑摩产热分布差异显著，外径区域产热集中、内径产热偏少。行业常规冷却手段多采用轴内油道向摩擦元件内径喷射润滑油，能够整体降低摩擦副工作温度；同时表面微织构技术已成为改善摩擦片散热、摩擦特性的主流研究方向，现有方案通过设计凹槽微织构、调整织构形式，分别实现优化温度分布、降低高速滑摩带排转矩等效果，在离合器摩擦元件改良中得到应用。

2、但是，现有冷却方式仅能整体控温，无法缓解摩擦元件径向温度分布不均的核心问题；已公开的微织构相关技术仅局限于特定织构结构设计或是单一性能指标优化，并未围绕摩擦元件内外径温差失衡问题搭建完整优化体系。当前行业缺少可量化微织构排布形式、以均衡径向温度为优化目标的标准化流程，无法精准调控不同径向位置织构分布来平衡全域温升，也未结合数据驱动、智能优化算法实现织构参数自动匹配，难以从根源削弱不均温升带来的负面影响。

3、此外，在高速重载工况下，摩擦元件径向温差过大会持续产生内部热应力，诱发摩擦片热翘曲变形，直接破坏离合器接合、分离平顺性，劣化整车传动性能，缩短摩擦元件使用寿命。同时，现有微织构优化手段依赖大量重复有限元仿真试算，计算周期长、成本高，且方案通用性差，更换离合器结构、调整运行工况后需重新完整建模计算，难以适配多型号湿式离合器批量设计需求，制约了湿式离合器摩擦元件性能提升。

技术实现思路

1、本发明的目的是提出一种湿式离合器摩擦元件表面微织构排布的优化方法，基于摩擦元件实际温度分布，建立微织构排布与无量纲温度之间的映射关系，通过数据驱动技术优化不同半径位置的微织构排布，从而调节径向温度分布，减小径向温度差异，为提高离合器性能和寿命提供崭新的思路。

2、为实现上述目的，本发明提出了一种湿式离合器摩擦元件表面微织构排布的优化方法，具体步骤如下：

3、步骤s1、根据离合器实体的实际结构和材料，确定摩擦元件的参数，包括对偶片和摩擦片的半径尺寸、厚度尺寸、导热系数、密度和比热容；

4、步骤s2、建立微织构排布组合样本，定义内径线密度、线密度变化量、径向间距为排布参数，通过调整三组参数取值批量生成多组微织构排布组合样本；

5、步骤s3、根据所述微织构排布组合样本，确定微织构凹坑的对流换热系数、摩擦元件内外径的对流换热系数及接触面的总热流密度，并求解摩擦元件的瞬态温度场，获得不同微织构排布的摩擦元件温度样本；

6、步骤s4、根据所述微织构排布组合样本和摩擦元件温度场样本，通过深度学习模型建立二者的映射关系；所述深度学习模型为五层的全连接神经网络；

7、步骤s5、采用粒子群算法优化微织构排布，以内径线密度、线密度变化量、径向间距为优化变量，以最小化无量纲径向温差为优化目标；

8、步骤s6、对优化后的摩擦片进行滑摩实验，采集温度数据与温度场的优化仿真结果进行对比，验证优化程序的准确性。

9、优选的，步骤s2中，线密度的计算公式如下：

10、；

11、其中，

n为该半径位置的微织构凹坑数，

r为摩擦元件的半径；

12、根据微织构的内径线密度以及线密度变化量，形成不同周向密度的微织构排布；通过调整内径线密度、线密度增量以及径向间距为不同值，组合形成多种的微织构排布样本。

13、优选的，步骤s3中，根据离合器实际工况的转速数据，以及润滑散热所用油液的实际参数，确定微织构凹坑的对流换热系数，公式如下：

14、；

15、其中，为微织构凹坑的对流换热系数，为努塞尔数，re为雷诺数，pr为普朗特数，为润滑油的导热系数，

ν为润滑油的运动粘度，

l为润滑油的特征长度，

u为凹坑油液的流速，

μ为润滑油的动力粘度，为润滑油的比热容。

16、优选的，步骤s3中，摩擦元件内外径的对流换热系数计算公式如下：

17、；

18、其中，为内外径的对流换热系数，为内外径的线速度，为内外径圆环直径，为摩擦元件的热流分配系数，，和分别为摩擦元件的导热系数、密度和比热容，下标

s和

f分别为对偶片和摩擦片。

19、优选的，步骤s3中，根据实际工况的压力和转速数据，计算接触面的总热流密度，公式如下：

20、；

21、其中，为接触面的总热流密度，

f为摩擦系数，

p为接合压力，为摩擦元件相对旋转角速度。

22、优选的，步骤s3中，根据总热流密度以及热流分配系数，确定分配到对偶片和摩擦片的热流量大小，进而结合内外径和微织构的对流换热，确定摩擦元件在不同位置、不同时刻

t的温度t(

r,θ,z,t)；其中，

r为径向坐标位置，

θ为周向坐标位置，

z为厚度坐标位置；

23、针对不同微织构排布的摩擦片采用有限元方法分别计算温度场，得到摩擦元件温度样本。

24、优选的，步骤s4中，深度学习模型输入两个特征：内径线密度和线密度变化量，输出两个特征：无量纲的径向温差和无量纲的最大温度；其中，无量纲的径向温差计算公式如下：

25、；

26、为径向无量纲温差，和分别为径向最高无量纲温度和最低无量纲温度；

27、无量纲温度的计算公式如下：

28、；

29、其中，为无量纲温度，为初始温度，为参考温度，为滑摩产生的热流密度，为参考长度。

30、优选的，步骤s5中，具体操作如下：

31、假设粒子总数为

n，对于粒子

i，其对应的微织构排布为：

32、；

33、其中，为粒子

i对应的微织构排布集合，为粒子

i对应的内半径线密度，为粒子

i对应的周向线密度增量，为摩擦元件外半径；

34、同时，应用深度学习模型计算粒子

i对应的微织构排布的径向温差，优化目标为径向温差最小，公式如下：

35、；

36、其中，为粒子群能搜索到的全局最优解，为径向无量纲温差的最小值；

37、假设粒子

i能搜索到的最优解为，粒子

i和粒子群的最佳微织构排布分别为：

38、；

39、其中，为粒子

i对应的最佳微织构排布集合，为粒子

i对应的内半径最佳线密度，为粒子

i对应的最佳周向线密度增量，为粒子

i对应的最佳径向线密度间距，为粒子群对应的最佳微织构排布，为粒子群对应的内半径最佳线密度，为粒子群对应的最佳周向线密度增量，为粒子群对应的最佳径向线密度间距；

40、优化过程中，控制内径线密度、线密度增量和径向间距这三个值的更新速度和方向，公式如下：

41、；

42、其中，为粒子

i在第

k+1步的内径线密度的更新速度，为粒子

i在第

k步的内半径线密度，为粒子

i在第

k步的内径最佳线密度，为粒子

i在第

k+1步的线密度增量的更新速度，为粒子

i在第

k步的线密度增量，为粒子

i在第

k步的最佳线密度增量，为粒子

i在第

k+1步的径向间距的更新速度，为粒子

i在第

k步的径向间距，为粒子

i在第

k步的最佳径向间距，为惯性权重，

k为迭代次数，为个体学习因子，为群体学习因子，、为区间[0,1]中的随机数；

43、最终得到粒子

i对应的微织构排布更新公式为：

44、；

45、其中，为粒子

i在

k+1步的内半径线密度，为粒子

i在第

k+1步的线密度增量，为粒子

i在第

k+1步的径向间距。

46、因此，本发明提出了一种湿式离合器摩擦元件表面微织构排布的优化方法，其有益效果如下：

47、（1）本发明以缩小径向无量纲温差为核心优化目标，通过梯度化微织构排布精准调控各径向位置散热能力，大幅降低了滑摩过程径向温度差，从源头抑制了不均温升引发的热应力、热翘曲变形，有效改善了离合器接合、分离平顺性，延长摩擦元件使用寿命，提升了车辆传动系统运行稳定性与安全性。

48、（2）本发明首次采用内径线密度、线密度变化量、径向间距三个独立参数量化微织构排布形式，依靠参数组合批量生成海量排布样本，完整覆盖了工程中各类可行的织构布置方案，避免了传统单一织构方案局限性，为摩擦片微织构设计提供标准化、可量化的设计依据。

49、（3）本发明采用粒子群智能算法自动迭代搜寻最优排布参数，无需人工反复试算对比，可快速收敛至温差最小的织构方案；算法内置惯性权重、双学习因子更新机制，兼顾局部最优与全局最优，寻优精度高、收敛稳定，适配不同散热均衡需求的优化场景。

50、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。