適時(shí)四驅(qū)多片離合器熱問(wèn)題分析及優(yōu)化

王敷玟 張家彬 徐霖

摘 要：介紹了運(yùn)用于某適時(shí)四驅(qū)的軸間多片離合器，針對(duì)軸間多片離合器在惡劣工況下容易過(guò)熱的問(wèn)題，通過(guò)摩擦學(xué)及熱力學(xué)理論，分析多片離合器的熱平衡機(jī)理，提出多片離合器的溫度控制方法，并通過(guò)實(shí)車(chē)進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，實(shí)踐表明：提出的溫度控制方法能有效抑制多片離合器片溫升，從而提升車(chē)輛在嚴(yán)苛工況下的連續(xù)越野性能，為車(chē)輛越野持續(xù)性能提升提供解決方案，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：多片離合器;熱平衡;溫控方法;越野性能

Abstract： Introduced the multi-disc clutch used real time four wheel drive， Aiming at the problem that the multi-disc clutch is prone to overheating under severe conditions， the thermal control of method multi-disc clutch is put forward by analyze the thermal balance mechanism of multi-plate clutches according to tribology and thermodynamic theory， and parameter calibration through real vehicles， the practice shows that the proposed temperature control method can effecti -vely suppress the temperature rise of multi-plate clutch plates， thereby improving the continuous off-road performance of the vehicle under severe conditions， which provide solutions for improve off-road performance of vehicles， and have engineering application value.

Keywords： Multi-disc clutch; Thermal equilibrium; Temperature control methods; Off-road performance

前言

適時(shí)四驅(qū)系統(tǒng)是一種主動(dòng)控制系統(tǒng)，可通過(guò)軸間多片離合器根據(jù)不同的車(chē)輛行駛工況智能決策后橋扭矩輸出，使車(chē)輛獲得優(yōu)良的動(dòng)力性、越野性、燃油經(jīng)濟(jì)性及操縱穩(wěn)定性[1-3]。

軸間多片離合器作為控制前后軸扭矩分配的核心，其持續(xù)正常工作能力對(duì)于四驅(qū)系統(tǒng)性能的發(fā)揮具有重要作用，是適時(shí)四驅(qū)系統(tǒng)重要的功能安全件。然而，由于駕駛員駕駛風(fēng)格迥異，車(chē)輛行駛路況復(fù)雜多變，多片離合器經(jīng)常工作于滑摩狀態(tài)，頻繁的斷開(kāi)與結(jié)合將使多片離合器產(chǎn)生大量的熱量。這些熱量如果得不到及時(shí)散失，多片離合器摩擦表面會(huì)迅速升溫，導(dǎo)致熱點(diǎn)產(chǎn)生，甚至發(fā)生離合器片翹曲、粘結(jié)、脫開(kāi)，總成密封性破壞等現(xiàn)象[4]。從而引起整車(chē)轉(zhuǎn)向軸間干涉異響、無(wú)四驅(qū)輸出/漏油等問(wèn)題、引起客戶(hù)抱怨。

針對(duì)多片離合器過(guò)熱的問(wèn)題，文獻(xiàn)[5]利用Matlab建立了主離合器二維溫度場(chǎng)模型，并在直線加速、直線爬坡等工況下進(jìn)行了溫度預(yù)測(cè)，獲取了多片離合器溫度場(chǎng);文獻(xiàn)[6]建立了濕式離合器摩擦副接合工況下的瞬態(tài)傳播熱模型，并通過(guò)優(yōu)化徑向矩形油槽寬度來(lái)優(yōu)化離合器溫升問(wèn)題，文獻(xiàn)[7]引入了副間等效對(duì)流換熱系統(tǒng)和等效增益系統(tǒng)，優(yōu)化了溫度場(chǎng)數(shù)值模擬，獲得了較為精準(zhǔn)的接觸面局部散熱的濕式離合器摩擦片滑摩溫升特性。然而，上述研究針對(duì)多片離合器過(guò)熱問(wèn)題，主要研究?jī)?nèi)容為如何提升溫度模型的精度，未提及采取何種措施抑制離合器片溫升過(guò)快。然而，對(duì)于產(chǎn)品硬件特性較為成熟的多片離合器來(lái)說(shuō)，其溫度場(chǎng)已經(jīng)過(guò)多輪驗(yàn)證，具有較好的溫度估算精度。因此，如何根據(jù)已有的溫度模型對(duì)其進(jìn)行溫升分析及溫升抑制成為研究的重點(diǎn)。

本文針對(duì)一款全新開(kāi)發(fā)的中大型SUV，基于研發(fā)成熟的溫度預(yù)測(cè)模型，通過(guò)優(yōu)化多片離合器自身控制控制及與整車(chē)電控系統(tǒng)匹配，優(yōu)化多片離合器過(guò)熱性能，提升車(chē)輛越野持續(xù)性，實(shí)現(xiàn)城市行走和越野休閑的平衡。

1 適時(shí)四驅(qū)軸間多片離合器簡(jiǎn)介

如圖1所示，采用的四驅(qū)系統(tǒng)為一種主動(dòng)控制的智能適時(shí)四驅(qū)系統(tǒng)，它主要由取力器總成、中間傳動(dòng)軸、軸間多片離合器、后差減速器總成等組成。

適時(shí)四驅(qū)軸間多片離合器是實(shí)現(xiàn)車(chē)輛前后軸扭矩分配的關(guān)鍵執(zhí)行器。該多片離合器主要由輸入軸、電磁線圈，初級(jí)摩擦片組，凸輪盤(pán)組件、次級(jí)摩擦片組及輸出軸組成。本文研究的多片離合器結(jié)構(gòu)如下：

多片離合器輸入軸連接中間傳動(dòng)軸，傳遞由動(dòng)力總成經(jīng)過(guò)取力器及中間傳動(dòng)軸傳動(dòng)的力矩，通過(guò)多片離合器電控系統(tǒng)控制電磁鐵的電流使電樞吸合，使初級(jí)摩擦片組結(jié)合，再通過(guò)凸輪盤(pán)增力機(jī)構(gòu)帶動(dòng)鋼球在異形球道中運(yùn)動(dòng)使次級(jí)摩擦片組結(jié)合，最終將凸輪盤(pán)增力后的的扭矩傳遞給輸出軸。多片離合器傳遞的扭矩與通入電磁鐵的電流成正比，并可以通過(guò)調(diào)節(jié)電流的大小來(lái)控制輸出的扭矩大小。可以通過(guò)標(biāo)定實(shí)現(xiàn)特定路況/情況下的前后橋扭矩按照一定比例分配，與ESP共同工作提高整車(chē)的操縱性及安全性。

上述多片離合器控制扭矩的實(shí)現(xiàn)，是通過(guò)次級(jí)多片摩擦片組中摩擦片及對(duì)偶鋼片兩者的相互滑摩，最終使兩者速度同步，達(dá)到傳遞力矩的目的，因而滑摩過(guò)程中多片離合器也會(huì)產(chǎn)生大量的熱，良好的溫度特性對(duì)于適時(shí)四驅(qū)SUV的四驅(qū)性能至關(guān)重要。

2 多片離合器溫度溫升機(jī)理

多片離合器的熱量主要由于次級(jí)摩擦片組中摩擦片與對(duì)偶鋼片的滑摩產(chǎn)生，產(chǎn)生的熱通過(guò)對(duì)流及熱傳導(dǎo)傳遞至離合器潤(rùn)滑油、再通過(guò)對(duì)流和熱輻射等傳遞至大氣中，因此需要分析多片離合器的生熱機(jī)理并討論熱傳傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種傳熱方式。

2.1 摩擦生熱

根據(jù)滑摩原理[8]，多片離合器熱量主要取決于正壓力及轉(zhuǎn)速差，為：

其中，ωsl （t）為輸入摩擦片與對(duì)偶鋼片轉(zhuǎn)速差，τcl（t）正壓力。

2.2 熱傳遞方式

多片離合器的摩擦副兩者均為旋轉(zhuǎn)部件，并與潤(rùn)滑油直接接觸，存在著不同形式的熱傳遞，主要通過(guò)熱傳導(dǎo)、對(duì)流、及熱輻射三種方式同時(shí)進(jìn)行[9]。

1）熱傳導(dǎo)

熱傳導(dǎo)是物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移，依靠分子、原子和自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱能傳遞。溫度梯度是發(fā)生熱傳導(dǎo)的必要條件。熱傳導(dǎo)過(guò)程中，符合傅立葉定律，在各向同性、均勻連續(xù)介質(zhì)中，通過(guò)某一截面的熱流密度表達(dá)式為：

式中：q為單位時(shí)間通過(guò)表面的熱流密度，W/m2;λ為材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m°C）;n為單位法向向量;T為材料溫度，°C;“-”為熱量向低得的方向傳導(dǎo)。

2）熱對(duì)流

熱對(duì)流是流體的流動(dòng)與其相接觸的壁面，或其他流體之間的熱量交換過(guò)程。其中對(duì)流換熱的牛頓計(jì)算冷卻公式為：

式中，h為對(duì)流換熱系數(shù);Tw為固體表面溫度;Tf為流體溫度。影響對(duì)流換熱系數(shù)h因素主要有四個(gè)方面，流動(dòng)的狀態(tài)和起因、流體的物理性質(zhì)、熱交換面的幾何形狀及有無(wú)相變等。在對(duì)流計(jì)算的過(guò)程中，流體遵循質(zhì)量、動(dòng)量、能量的守恒。

3）熱輻射

輻射換熱是指物體之間靠輻射的方式進(jìn)行熱量的傳遞。和熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流有明顯的不同，輻射換熱不需要物質(zhì)媒介。物體表面的輻射最大密度滿足由斯蒂芬—波爾茲曼（Stefan- Boltzmann）定律：

式中，Ts為表面絕對(duì)溫度，K;σ為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù);

ε為物體的表面發(fā)射率，取值范圍在0-1之間;發(fā)射率取決于物質(zhì)種類(lèi)，表面溫度和表面狀況。

由于多片離合器結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，是一種流固多耦合系統(tǒng)，需要在試驗(yàn)環(huán)境下綜合分析多片離合器的生熱及散熱問(wèn)題。

2.3 熱平衡方式

根據(jù)多片離合器結(jié)構(gòu)，分析多片離合器熱量傳遞途為：

其中，為溫升率，ρ為離合器潤(rùn)滑油密度，Cp為離合器潤(rùn)滑油熱容，為與扭矩管理器硬件結(jié)構(gòu)相關(guān)的綜合散熱傳遞系數(shù)，A為散熱面積，T∞為計(jì)算起點(diǎn)溫度。

3 解決方案分析

由多片離合器溫升原理，從通過(guò)以上分析，針對(duì)扭矩管理器溫升問(wèn)題，對(duì)其溫度升因素進(jìn)行FTA分析，提出優(yōu)化措施：

上述措施中，多片開(kāi)離合器溫度控制方式主要包括生熱控制和散熱控制，考慮多片離合器結(jié)構(gòu)已固定，通過(guò)優(yōu)化散熱系統(tǒng)、增加散熱面積及本體熱容量需要反復(fù)的工程實(shí)踐，耗費(fèi)周期較差，不具有可操作性，因此從控制離合器片打滑來(lái)控制多片離合溫升，主要為：

根據(jù)RDU鎖止控制及限扭控制原理，與其它電控系統(tǒng)匹配，建立Matlab/Simulink模型：

4 驗(yàn)證效果

為確認(rèn)RDU鎖止控制及限扭控制對(duì)抑制多片離合器溫升的效果，以20°沙土坡道起步和深沙越野工況為例，進(jìn)行整車(chē)標(biāo)定及測(cè)試。

圖8分別為未實(shí)施優(yōu)化控制、僅實(shí)施限扭控制、僅實(shí)施RDU鎖止控制及實(shí)施所有控制時(shí)，車(chē)輛連續(xù)啟停通過(guò)通過(guò)20°沙土坡道的次數(shù)，結(jié)果表明，同時(shí)實(shí)施RDU鎖止控制及限扭控制后車(chē)輛連續(xù)啟停爬坡次數(shù)達(dá)23次，遠(yuǎn)大于未實(shí)施任何控制時(shí)車(chē)輛的爬坡次數(shù)6次;此外，僅實(shí)施限扭控制、僅實(shí)施RDU鎖止控制時(shí)，也可提升車(chē)輛連續(xù)啟停爬坡次數(shù)，分別為9次和10次。表明所提出的溫度控制方法具有在極限脫困工況下具有顯著效果。

為進(jìn)一步驗(yàn)證所提出的溫度控制方法有效性，將實(shí)施不同控制方法的車(chē)輛在深沙上沿預(yù)設(shè)的路徑行駛，記錄車(chē)輛四驅(qū)持續(xù)工作時(shí)間，如下表：

表1中，實(shí)施所有控制控制的四驅(qū)的持續(xù)工作時(shí)間為570s，優(yōu)于僅實(shí)施限扭的控制及僅實(shí)施RDU鎖止的控制，可將四驅(qū)持續(xù)工作提升235s。此外，僅實(shí)施限扭控制及僅實(shí)施RDU鎖止控制也可提升四驅(qū)持續(xù)工作時(shí)間，分別為提升105s及143s。

5 結(jié)論

本文運(yùn)用于適時(shí)四驅(qū)的軸間多片離合器為研究對(duì)象，通過(guò)分析多片離合器溫升機(jī)理，提出RDU鎖止模式、多片離合器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)限扭控制轉(zhuǎn)速差及溫度限扭控制，并通過(guò)實(shí)車(chē)標(biāo)定優(yōu)化，得出如下結(jié)論：

（1）所提出的RDU鎖止控制及限扭控制均可提升多片離合器過(guò)熱性能，并且同時(shí)實(shí)施時(shí)可獲得最佳效果、大幅提升四驅(qū)過(guò)熱性能，從而提升車(chē)輛極限工況下的通過(guò)性，具有較強(qiáng)的工程實(shí)用價(jià)值;

（2）標(biāo)定開(kāi)發(fā)時(shí)，多片離合器電控系統(tǒng)與整車(chē)其他電控系統(tǒng)需要統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制、才能更有效提升整車(chē)動(dòng)力性、越野通過(guò)性及多片離合器的過(guò)熱性能。

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