硅油風(fēng)扇離合器非故障性失效模式分析

劉正耀，胡水洋，楊昌凱，朱宏學(xué)

（大冶有色機(jī)電修造有限公司，湖北 黃石 4350052）

硅油風(fēng)扇離合器非故障性失效模式分析

劉正耀，胡水洋，楊昌凱，朱宏學(xué)

（大冶有色機(jī)電修造有限公司，湖北 黃石 4350052）

本文分析了硅油風(fēng)扇離合器在汽車行駛工況中的工作原理，得出由于多方面因素導(dǎo)致硅油風(fēng)扇離合器原設(shè)定的溫度類比關(guān)系與實(shí)際的溫度類比關(guān)系不符是非故障性失效的根本原因，并且提出了非故障性失效模式的解決措施和思路。結(jié)果表明，解決措施的效果明顯。

硅油風(fēng)扇；離合器；非故障性失效分析

CLC NO.: U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-138-03

前言

硅油風(fēng)扇離合器應(yīng)用于汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)，具有顯著的節(jié)能、降噪、減排效果。它深受廣大客戶認(rèn)可，很快在我國汽車工業(yè)得到廣泛推廣應(yīng)用，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

然而，硅油風(fēng)扇離合器在使用過程中經(jīng)常存在一些個體失效，這些個體失效給顧客帶來了不少煩惱和損失。因此，認(rèn)識和分析硅油風(fēng)扇離合器失效模式，采取有效措施預(yù)防失效就顯得尤為重要。

1、硅油風(fēng)扇離合器失效模式

硅油風(fēng)扇離合器失效模式表現(xiàn)形式為：發(fā)動機(jī)高溫或開窩。經(jīng)對因失效返回的硅油風(fēng)扇離合器進(jìn)行檢驗(yàn)、試驗(yàn)，分組、分類，現(xiàn)將“發(fā)動機(jī)高溫或開窩”失效模式按失效性質(zhì)分為故障性失效和非故障性失效兩種形式。

故障性失效：指產(chǎn)品本身有明顯的質(zhì)量缺陷(如漏油、感溫器松動、卡死等)造成“發(fā)動機(jī)高溫或開窩”的失效模式[1]。此類失效約占總量的1/3。

非故障性失效：指無明顯的產(chǎn)品質(zhì)量缺陷仍然存在“發(fā)動機(jī)高溫或開窩”的失效模式。此類失效約占總量的2/3。

故障性失效，其失效原因顯而易見，均為制造過程工藝存在問題，只要重視過程質(zhì)量控制，硅油風(fēng)扇離合器故障性失效將會大大降低。而非故障性失效，原因難以判斷，常常令硅油風(fēng)扇離合器生產(chǎn)廠家感到莫明其妙。在此，本文將重點(diǎn)探討非故障性失效模式原因分析及解決措施。

2、非故障性失效模式原因分析

非故障性失效是怎樣產(chǎn)生的呢?我們先了解一下硅油風(fēng)扇離合器的工作原理和硅油風(fēng)扇離合器在汽車行駛工況的工作原理。

2.1 硅油風(fēng)扇離合器工作原理

硅油風(fēng)扇離合器由主動軸、后蓋、前蓋、感溫器、閥片軸、閥片、軸承等部件組成。（圖1）

硅油風(fēng)扇離合器用硅油作為介質(zhì)，利用硅油的粘度特性來傳遞扭矩[2]，通過熱敏感溫器感知散熱器后面空氣的溫度自動控制硅油風(fēng)扇離合器的分離和嚙合。熱敏感溫器是硅油風(fēng)扇離合器的核心部件，當(dāng)散熱器后面空氣的溫度低時，感溫器產(chǎn)生形變關(guān)閉硅油進(jìn)油孔，因離心作用，硅油從工作腔流回硅油池，離合器分離，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速減慢，此時基本上是空轉(zhuǎn)[2]；當(dāng)散熱器后面空氣的溫度高時，感溫器產(chǎn)生形變打開硅油進(jìn)油孔，硅油從硅油池流進(jìn)工作腔，離合器嚙合，風(fēng)扇高速運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2 硅油風(fēng)扇離合器在汽車行駛工況工作原理

汽車行駛時，當(dāng)散熱器水溫高于最佳冷卻水溫時，汽車行駛產(chǎn)生的迎面風(fēng)與散熱器散發(fā)的高溫形成高溫氣流，此高溫氣流傳送到硅油風(fēng)扇離合器感溫器處，感溫器感知高溫空氣產(chǎn)生形變打開硅油進(jìn)油孔，此時硅油風(fēng)扇離合器處于嚙合狀態(tài)，風(fēng)扇高速運(yùn)轉(zhuǎn)，形成大量冷卻氣流使散熱器冷卻水溫度逐漸下降[3]。反之，當(dāng)散熱器水溫低于最佳冷卻水溫度時，汽車行駛產(chǎn)生的迎面風(fēng)與散熱器散發(fā)的低溫形成低溫氣流，此低溫氣流傳送到硅油風(fēng)扇離合器感溫器處，感溫器感知低溫空氣產(chǎn)生形變關(guān)閉硅油進(jìn)油孔，此時硅油風(fēng)扇離合器處于分離狀態(tài)，風(fēng)扇低速運(yùn)轉(zhuǎn)，散熱器冷卻水溫度逐漸上升。(圖2)

2.3 非故障性失效模式原因分析

從硅油風(fēng)扇離合器的工作原理和硅油風(fēng)扇離合器在汽車行駛工況工作原理中，我們發(fā)現(xiàn)，硅油風(fēng)扇離合器分離與嚙合控制條件為：迎面風(fēng)與散熱器散發(fā)的空氣溫度混合組成一定溫度的空氣流傳遞到硅油風(fēng)扇離合器感溫器處,感溫器產(chǎn)生形變。不難看出：感溫器感知的是空氣溫度而非散熱器內(nèi)冷卻水真實(shí)溫度。

硅油風(fēng)扇離合器生產(chǎn)廠家的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的嚙合溫度和分離溫度參數(shù)值，均指空氣溫度而非散熱器內(nèi)冷卻水真實(shí)溫度。

嚙合溫度和分離溫度參數(shù)值是經(jīng)過大量的摸擬試驗(yàn)和大量的汽車路試，測出大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析、比照、類比確定的，是一種類比參數(shù)值。如嚙合溫度65℃是指離合器感溫器處的空氣溫度65℃代表散熱器冷卻水真實(shí)溫度95℃。而摸擬試驗(yàn)和汽車路試均在設(shè)定工況（如規(guī)定迎面風(fēng)的大小，硅油風(fēng)扇離合器與散熱器間距離，散熱器的風(fēng)阻，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，散熱器進(jìn)出水溫度等條件）下進(jìn)行的。因此這種類比的參數(shù)值具有代表性和通用性，適用汽車行駛中大多數(shù)工況，但可能不適用汽車行駛特殊工況。

當(dāng)汽車重載或超載且又行駛在路況較差的公路上時，或當(dāng)汽車重載或超載爬坡時，此時，發(fā)動機(jī)負(fù)荷重，熱負(fù)荷大，冷卻水升溫急速；車速慢，迎面風(fēng)小，冷卻條件極差。以上工況表明：一方面發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷大，冷卻水水溫升溫急速，急需散熱冷卻；而另一方面車速慢，迎面風(fēng)小，不能及時將散熱器周邊高溫空氣迅速傳遞到硅油風(fēng)扇離合器感溫器處。即使散熱器內(nèi)水溫已接近100℃，而硅油風(fēng)扇離合器的感溫器處空氣溫度仍低于65℃。此時，硅油風(fēng)扇離合器仍處于分離狀態(tài)，冷卻風(fēng)量明顯不足，無法正常冷卻，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)高溫或開鍋。

當(dāng)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)布局不合理，硅油風(fēng)扇離合器距散熱器距離過大時，高溫?zé)峥諝鈧鬟f減慢，或不能及時迅速的傳遞到硅油風(fēng)扇離合器感溫器處，同樣會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)高溫或開鍋。

綜上所述，硅油風(fēng)扇離合器的非故障性失效的根本原因應(yīng)為：汽車在特殊惡劣工況下行駛，或汽車?yán)鋮s系統(tǒng)布局不合理，使原設(shè)定的溫度類比關(guān)系與實(shí)際的溫度類比關(guān)系不符，硅油風(fēng)扇離合器嚙合延遲或不嚙合，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)高溫或開鍋。

3、非故障性失效解決措施探討

3.1 修改硅油風(fēng)扇離合器性能參數(shù)值

考慮到汽車在特殊惡劣工況行駛,如汽車重載或超載行駛，汽車重載或超載爬坡行駛等，修訂設(shè)定溫度類比關(guān)系，使設(shè)定的溫度類比關(guān)系更接近該特殊惡劣工況實(shí)際的溫度類比關(guān)系。經(jīng)多次進(jìn)行汽車重載爬坡行駛模擬試驗(yàn)，最后將原嚙合溫度參數(shù)值60℃-65℃，修改為55℃-60℃。經(jīng)路試效果良好，節(jié)能效果無明顯下降。

3.2 正確布置汽車?yán)鋮s系統(tǒng)

我們知道，硅油風(fēng)扇離合器生產(chǎn)廠家的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的嚙合溫度和分離溫度參數(shù)值是在設(shè)定條件確定的。主機(jī)廠在布置汽車?yán)鋮s系統(tǒng)時應(yīng)盡量考慮接近設(shè)定條件，減小設(shè)定的溫度類比關(guān)系與實(shí)際的溫度類比關(guān)系誤差。汽車?yán)鋮s系統(tǒng)正常布置如圖3。

4、結(jié)論

（1）硅油風(fēng)扇離合器非故障性失效根本原因是：多方面因素導(dǎo)致硅油風(fēng)扇離合器原設(shè)定的溫度類比關(guān)系與實(shí)際的溫度類比關(guān)系不符，硅油風(fēng)扇離合器嚙合延遲或不嚙合。

（3）正確布置汽車?yán)鋮s系統(tǒng)是解決硅油風(fēng)扇離合器非故障性失效良好途徑。

（3）修改硅油風(fēng)扇離合器性能參數(shù)值，適當(dāng)降低嚙合溫度是解決硅油風(fēng)扇離合器非故障性失效最佳途徑。路試證明，嚙合溫度設(shè)置在55℃-60℃時，效果明顯。

[1] 趙榮林,.硅油風(fēng)扇離合器的正確使用及故障分析.內(nèi)燃機(jī)1996, 05：29-31.

[2] 魏宸官,張少華,.硅油風(fēng)扇離合器調(diào)速靈敏性分析[J].汽車工程1997.01:41-44,51.

[3] 冉振亞，韓兆運(yùn)，趙樹恩。重型車用新型硅油風(fēng)扇離合器的設(shè)計[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2006, 03:12-13.

分析上面的圖形可以看出，對原始波形進(jìn)行算術(shù)平均濾波后，波形在峰值附近比較不平滑；對原始波形進(jìn)行一階低通濾波后，波形雖然相對光滑，但是濾波效果不好，對原始波形先進(jìn)性一階低通濾波然后進(jìn)行算術(shù)平均濾波，波形在峰值附近相對比較光滑，并且濾波效果要比僅僅進(jìn)行一階低通濾波的波形好。

3、實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

示功特性是指減振器在壓縮和復(fù)原行程中的阻力變化特性。示功圖也可以顯示減震器在工作過程中的吸功能力。從示功圖上可以直觀的看出減震器的最大壓縮阻力和復(fù)原阻力。通過示功圖可以看出減震器的設(shè)計效果，示功圖應(yīng)當(dāng)穩(wěn)定、完整，不應(yīng)有空行程、阻尼系數(shù)突變等畸變情況[5]。某個氣壓減震器的示功圖如圖8所示。

參考文獻(xiàn)

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[5] 王泉.車輛工程減震技術(shù)解析[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2008,5：16-18.

Failure mode analysis of viscous fan clutch

Liu Zhengyao, Hu Shuiyang, Yang Changkai, Zhu Hongxue
(Daye nonferrous electromechanical Manufacturing Co. Ltd., Hubei Huangshi 435005)

This paper analyzes the working principle of viscous fan clutch in the condition of the car, draws non-faulty of viscous fan clutch is the root cause of the failure mode, and puts forward solutions and ideas of non-fault failure mode.The results show that the solution effect is obvious.

Viscous fan；Clutch；Failure Analysis

U463.2

A

1671-7988(2015)02-138-03

劉正耀，工程師，就職于大冶有色機(jī)電修造有限公司，從事汽車風(fēng)扇離合器設(shè)計試驗(yàn)研究。