汽車線控排擋散熱數(shù)值模擬和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

□ 韓 軒 □ 張中權(quán) □ 姜寧進(jìn)

上海科世達(dá)-華陽汽車電器有限公司 上海 201814

隨著汽車電子工業(yè)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，線控技術(shù)（X-By-Wire）正在取代傳統(tǒng)的機(jī)械裝置，在汽車中的應(yīng)用越來越多［1］。電子式線控排擋也在這種發(fā)展潮流中應(yīng)運(yùn)而生，正在逐漸取代傳統(tǒng)的機(jī)械式換擋機(jī)構(gòu)［2］。相比傳統(tǒng)的機(jī)械式換擋機(jī)構(gòu)，電子式線控排擋采用更加安全可靠、方便快捷的電子控制模式，換擋機(jī)制更加靈活，具有最佳的換擋規(guī)律，換擋精度好［3］。在線控排擋設(shè)計(jì)中，為了避免駕駛員換擋誤操作對變速器造成損傷，在利用電子信號(hào)傳輸控制模塊控制變速箱運(yùn)行模式［4-5］的基礎(chǔ)上，一般還會(huì)采用電磁閥對換擋手柄的操作方式進(jìn)行卡位限制。電磁閥是利用通電電磁鐵線圈的電磁效應(yīng)控制閥芯移動(dòng)［6-7］，它是線控排擋機(jī)械結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部件。電磁閥通電時(shí)，閥芯伸出，與換擋手柄結(jié)構(gòu)配合，達(dá)到對換擋手柄卡位的目的。

當(dāng)電磁閥通電工作時(shí)，其內(nèi)部的電磁鐵線圈產(chǎn)生焦耳熱，使電磁閥溫度升高，但升溫不宜過高［8-9］，否則閥芯就會(huì)動(dòng)作不靈敏甚至不動(dòng)作。在電磁閥溫度升高的過程中，會(huì)向鄰近的PCB放熱，PCB的基材對溫度有一定要求，并且上面布置了許多電子元器件，如果溫度過高，電子元器件的可靠性會(huì)降低甚至失效。

據(jù)以往統(tǒng)計(jì)顯示，電子產(chǎn)品的失效中約55%是由于產(chǎn)品過熱引起的，器件環(huán)境溫度每升高10℃，其失效率會(huì)增加一個(gè)數(shù)量級(jí)［10-11］，產(chǎn)品散熱性能的好壞直接關(guān)系到電子設(shè)備的運(yùn)行可靠性。因此，有必要對最苛刻環(huán)境狀態(tài)下線控排擋的溫度場分布情況進(jìn)行研究，進(jìn)而優(yōu)化產(chǎn)品散熱設(shè)計(jì)，提高其可靠性，避免由于溫度過高而引起產(chǎn)品失效破壞。

本文設(shè)計(jì)了一種基于電磁閥限位的新型汽車線控排擋結(jié)構(gòu)，基于6SigmaET軟件建立了線控排擋散熱的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) （Computational Fluid Dynamics,CFD）模型，對線控排擋的溫度場分布狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬，針對原始設(shè)計(jì)的不足提出了優(yōu)化方案，并對優(yōu)化方案進(jìn)行了仿真和實(shí)測。

1 新型汽車線控排擋設(shè)計(jì)

筆者采用手-自一體化方案設(shè)計(jì)線控排擋，既讓駕駛者體驗(yàn)手動(dòng)擋汽車動(dòng)力強(qiáng)、提速快的開車樂趣，也讓駕駛者感受自動(dòng)擋汽車操作的簡便快捷［12］。

1.1 新型線控排擋擋位設(shè)計(jì)

目前傳統(tǒng)的線控排擋多采用直線型排布設(shè)計(jì)，擋位設(shè)計(jì)也較簡單，如圖1所示。其中左側(cè)為手動(dòng)擋位設(shè)計(jì)，M/S擋為手自切換擋、M-擋為減擋、M+擋為加擋；右側(cè)為自動(dòng)擋位設(shè)計(jì)，D擋為前進(jìn)擋、N擋為空擋、R擋為倒車擋，停車擋P擋為單獨(dú)操作按鈕。標(biāo)示0的位置為停車時(shí)手柄停留位置。

該新型擋位也采用直線型排布設(shè)計(jì)，擋位設(shè)計(jì)有別于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，如圖2所示，其中每個(gè)標(biāo)示的含義和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的標(biāo)示含義一致。該排擋設(shè)計(jì)的自動(dòng)擋換擋更加靈活，某些位置的擋位狀態(tài)會(huì)根據(jù)手柄操作情況變化，比如在初始0位置，擋位會(huì)隨手柄操作情況在P/R/N之間進(jìn)行切換。

▲圖1 傳統(tǒng)擋位設(shè)計(jì)

▲圖2 新型擋位設(shè)計(jì)

線控排擋設(shè)計(jì)中一般有穩(wěn)態(tài)位置和非穩(wěn)態(tài)位置，穩(wěn)態(tài)位置是指換擋完成后松開手柄，手柄能夠穩(wěn)定停留的位置，而非穩(wěn)態(tài)位置是指換擋完成后松開手柄，手柄不能停留在釋放位置，它會(huì)自動(dòng)回到對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)位置。傳統(tǒng)擋位設(shè)計(jì)中有2個(gè)穩(wěn)態(tài)位置和4個(gè)非穩(wěn)態(tài)位置，而該新型擋位設(shè)計(jì)中有3個(gè)穩(wěn)態(tài)位置和6個(gè)非穩(wěn)態(tài)位置，其中P/R/N、R/N/D和M/S標(biāo)示位置為穩(wěn)態(tài)位置，分別定義為fix1、fix2和fix3。

1.2 線控排擋三維設(shè)計(jì)

借助Catia設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)了該線控排擋的三維數(shù)模，如圖3所示，其主要由換擋手柄、PCB、電磁閥、手感曲面、轉(zhuǎn)軸、外殼及永磁體等組成。

▲圖3 線控排擋三維數(shù)模

當(dāng)操作手柄換擋時(shí)，永磁體的位置和角度會(huì)隨之發(fā)生變化，布置在PCB板上的霍爾傳感器能夠感應(yīng)到永磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化從而有不同的觸發(fā)狀態(tài)［13－14］，經(jīng)過處理的觸發(fā)信號(hào)被傳送到變速箱控制器，從而控制變速箱實(shí)現(xiàn)換擋，完成駕駛員的操作意圖。

1.3 電磁閥卡位設(shè)計(jì)

該線控排擋中使用了5個(gè)電磁閥，電磁閥相對位置如圖4所示，分別對電磁閥由1～5進(jìn)行編號(hào)。電磁閥通過和換擋手柄結(jié)構(gòu)上的卡位槽相互配合作用，以實(shí)現(xiàn)對不同擋位操作手柄進(jìn)行卡位的功能，能避免駕駛員的不恰當(dāng)換擋操作，達(dá)到保護(hù)變速箱的目的。

電磁閥通電工作與否和線控排擋擋位信息有關(guān)，它們之間的對應(yīng)關(guān)系如下。

▲圖4 電磁閥相對位置示意圖

（1） 當(dāng) fix1為 P 擋 時(shí) ，1、2號(hào)電磁閥通電工作。其中1號(hào)電磁閥限制手柄向R/N/D標(biāo)示位置操作，需要配合手柄上的按鈕才能解鎖；2號(hào)電磁閥限制手柄向P/R標(biāo)示位置操作。

（2）當(dāng)fix1為R擋時(shí)，2、3號(hào)電磁閥工作。其中2號(hào)電磁閥限制手柄向P/R/N標(biāo)示位置操作，需要配合手柄上的按鈕同時(shí)使用才能解鎖；3號(hào)電磁閥限制手柄向P標(biāo)示和D標(biāo)示位置操作。

（3）當(dāng)fix1為N擋時(shí)，2、5號(hào)電磁閥工作。其中2號(hào)電磁閥限制手柄向P/R標(biāo)示位置操作，需要配合手柄上的按鈕同時(shí)使用才能解鎖；5號(hào)電磁閥限制手柄向N/D標(biāo)示位置操作。

（4）當(dāng)fix2為R擋時(shí)，4號(hào)電磁閥通電工作，限制手柄向P/R/N標(biāo)示位置操作，要配合手柄上的按鈕同時(shí)使用才能解鎖。

（5）當(dāng)fix2為N擋時(shí)，3、4號(hào)電磁閥通電工作，其中3號(hào)電磁閥限制手柄向P標(biāo)示和D標(biāo)示位置操作；4號(hào)電磁閥限制手柄向P/R/N標(biāo)示位置操作，需要配合手柄上的按鈕同時(shí)使用才能解鎖。

（6）當(dāng)fix2為D擋時(shí)，2、5號(hào)電磁閥工作。其中2號(hào)電磁閥限制手柄向P/R標(biāo)示位置操作，需要配合手柄上的按鈕同時(shí)使用才能解鎖；5號(hào)電磁閥限制手柄向N/D標(biāo)示位置操作。

2 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型

2.1 工況分析

該線控排擋在行車過程中，擋位會(huì)不斷切換，電磁閥會(huì)隨之在通電工作或斷電休息之間轉(zhuǎn)換，并且在行車過程中車內(nèi)溫度一般不會(huì)太高。在停車狀態(tài)時(shí)，擋位處于初始位置的P擋，為了保持對換擋手柄的鎖定狀態(tài)，1、2號(hào)電磁閥會(huì)持續(xù)工作，工作電磁閥和卡位槽之間的配合關(guān)系如圖5所示，1號(hào)電磁閥限制換擋手柄逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，2號(hào)電磁閥限制換擋手柄順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

在日照較強(qiáng)的夏天，當(dāng)把車輛?？吭跊]有遮擋的室外時(shí)，如果停車時(shí)間較長，車內(nèi)溫度會(huì)比較高。因此，對于該線控排擋而言，長時(shí)間停車掛P擋時(shí)的熱狀態(tài)最苛刻，需要對該工況下的線控排擋進(jìn)行熱設(shè)計(jì)。如果該工況時(shí)的散熱能滿足要求，那么其它狀態(tài)時(shí)線控排擋的散熱也會(huì)滿足要求。

2.2 邊界條件

由于考慮長時(shí)間停車狀態(tài)的情況，故采用穩(wěn)態(tài)熱分析即可滿足設(shè)計(jì)要求。為了能夠覆蓋到絕大多數(shù)停車狀態(tài)時(shí)車內(nèi)的溫度情況，一般設(shè)定停車時(shí)車內(nèi)環(huán)境溫度為85℃。1、2號(hào)電磁閥的額定工作電壓為6 V，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測得的額定發(fā)熱功率為2 W。由于系統(tǒng)中沒有采用風(fēng)扇、水冷等強(qiáng)制對流散熱設(shè)備，故在計(jì)算中不能忽略熱輻射對溫度的影響，即全面考慮了對流、傳導(dǎo)和輻射對溫度場的影響。自然散熱分析時(shí)，需要考慮重力的影響，重力加速度取9.8 m/s2。

▲圖6 電磁閥附近空氣流場

▲圖7 線控排擋內(nèi)部溫度場分布云圖

▲圖5 1、2號(hào)電磁閥和卡位槽配合狀態(tài)

2.3 材料屬性

換擋手柄為鋁合金材料，其導(dǎo)熱系數(shù)為190 W/（m·K）；電磁閥的殼體材料為碳鋼，其導(dǎo)熱系數(shù)為43 W/（m·K）；PCB板的基材為FR4，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.3 W/（m·K）；其它零件材料為塑料，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.2 W/（m·K）。 材料的表面輻射率設(shè)為 0.92。

3 原始設(shè)計(jì)仿真結(jié)果

電磁閥附近空氣流場如圖6所示，可以看出，高溫氣體被密閉在線控排擋殼體內(nèi)，不能和線控排擋外部空氣實(shí)現(xiàn)自由流動(dòng)。

線控排擋內(nèi)部的溫度場分布如圖7所示，可以看出，1、2號(hào)電磁閥的溫度最高，距離1、2號(hào)電磁閥越遠(yuǎn)，溫度越低；PCB上和2號(hào)電磁閥正對的局部區(qū)域溫度較高。

電磁閥和PCB的溫度場分布如圖8所示，可以讀出每個(gè)電磁閥和PCB的最高溫度值。其中1號(hào)電磁閥的溫度約為147℃，溫升為62℃；2號(hào)電磁閥的溫度約為150℃，溫升為65℃；3號(hào)電磁閥的溫度約為134℃，溫升為49℃；4號(hào)電磁閥的溫度約為133℃，溫升為48℃；5號(hào)電磁閥的溫度約為123℃，溫升為38℃；PCB的溫度約為125℃，溫升為40℃。由分析結(jié)果可知，1、2號(hào)電磁閥溫升過高，PCB的溫度過高，需要對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

4 優(yōu)化方案和仿真結(jié)果

4.1 優(yōu)化方案

（1）針對電磁閥附近高溫空氣不能和線控排擋外部空氣進(jìn)行自由對流的問題，提出在殼體上開孔的方案，如圖9所示，這樣有利于線控排擋內(nèi)部高溫空氣排出，讓外部低溫空氣進(jìn)入線控排擋內(nèi)部。

（2）由于電磁閥和PCB之間沒有任何阻擋，當(dāng)電磁閥發(fā)熱時(shí)，會(huì)直接對PCB產(chǎn)生熱輻射，通過空氣流動(dòng)，電磁閥的熱較容易傳導(dǎo)到PCB。針對這一問題，提出在電磁閥和PCB板之間放置一個(gè)隔熱導(dǎo)流板，結(jié)構(gòu)如圖10所示，這樣可以阻止電磁閥向PCB進(jìn)行熱輻射，也有助于高溫氣體沿導(dǎo)流結(jié)構(gòu)流出線控排擋。

▲圖8 電磁閥和PCB的溫度場分布云圖

▲圖9 線控排擋殼體優(yōu)化方案

▲圖1 0 隔熱導(dǎo)流板優(yōu)化方案

4.2 優(yōu)化方案仿真結(jié)果

優(yōu)化后電磁閥附近空氣流場如圖11所示，可以看出，高溫空氣沿隔熱導(dǎo)流板運(yùn)動(dòng)，通過線控排擋殼體的上部開孔流出，外部低溫空氣從殼體的下部開孔處流入線控排擋內(nèi)，促進(jìn)了對流換熱。

優(yōu)化后線控排擋內(nèi)部的溫度場分布如圖12所示，可以看出，線控排擋內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度明顯降低。

圖13為優(yōu)化后電磁閥和PCB的溫度場分布，可以讀出每個(gè)電磁閥和PCB的最高溫度值。優(yōu)化前后電磁閥和PCB的溫度對比見表1。分析結(jié)果可知，優(yōu)化方案降低了電磁閥的溫度，溫升降低了20℃左右；PCB的溫度降低最顯著，溫度較原始設(shè)計(jì)降低了30℃。

▲圖1 1 電磁閥附近空氣流場

▲圖1 2 線控排擋內(nèi)部溫度場分布云圖

▲圖1 3 電磁閥和PCB的溫度場分布云圖

表1 優(yōu)化前后溫度對比

5 優(yōu)化方案與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

5.1 溫度測量實(shí)驗(yàn)

本次試驗(yàn)主要使用J型熱電偶、ESPEC保溫箱和PASWin數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等儀器設(shè)備，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場如圖14所示。根據(jù)仿真結(jié)果，在1、2號(hào)電磁閥和PCB的溫度最高位置布置熱電偶的測量端，參考端放置在恒溫環(huán)境中，當(dāng)測量端和參考端的溫度有差異時(shí)，熱電偶電路回路中就會(huì)產(chǎn)生電流，溫度差越大，電流越大，根據(jù)溫度差和電流大小之間的關(guān)系，通過電氣儀表把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度；把線控排擋實(shí)物放置在ESPEC保溫箱內(nèi)，設(shè)置箱體內(nèi)環(huán)境溫度為85℃，模擬車內(nèi)高溫環(huán)境；使用PASWin數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對被測電氣元件溫度變化情況進(jìn)行記錄。

把線控排擋操作到P擋，1、2號(hào)電磁閥同時(shí)通電工作，施加電壓為6 V。PASWin數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄的溫度動(dòng)態(tài)變化曲線如圖15所示，由圖可知，在測試時(shí)間約為1 h時(shí)，保溫箱內(nèi)環(huán)境溫度調(diào)整到85℃穩(wěn)定狀態(tài)；在測試時(shí)間約為4 h時(shí)，線控排擋的溫度分布達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。為了保證測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，在溫度狀態(tài)穩(wěn)定后延長了2 h的測試時(shí)間，即總的測試時(shí)間為6 h。穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，1號(hào)電磁閥的溫度約為131℃，2號(hào)電磁閥的溫度約為132℃，PCB的溫度約為97℃。

表2 仿真和實(shí)測溫度對比

▲圖1 4 溫度實(shí)測現(xiàn)場

▲圖1 5 實(shí)測溫度變化曲線

5.2 結(jié)果對比

優(yōu)化方案的溫度仿真和實(shí)測結(jié)果對比見表2。其中差值=實(shí)測－仿真，負(fù)值表示仿真結(jié)果比實(shí)測結(jié)果低。從對比結(jié)果可以看出，仿真結(jié)果和實(shí)測結(jié)果基本吻合，誤差在±2℃，符合工程設(shè)計(jì)的需要。

6 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一款新型汽車線控排擋，對線控排擋的散熱性能進(jìn)行了優(yōu)化。通過仿真和實(shí)測結(jié)果的對比，表明借助CFD方法較真實(shí)地反映了線控排擋的溫度分布情況，利用CFD方法對線控排擋進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)優(yōu)化是可行的，由此可以節(jié)約開發(fā)時(shí)間，減少實(shí)驗(yàn)成本。

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