重型汽車離合器的散熱改進(jìn)措施

趙 軒，劉 歡，李庚璋

重型汽車離合器的散熱改進(jìn)措施

趙 軒，劉 歡，李庚璋

（陜西重型汽車有限公司 汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

重型汽車在起步時(shí)，離合器中的飛輪和從動(dòng)盤由分離狀態(tài)變?yōu)橥耆雍?。分離狀態(tài)時(shí)，離合器中的飛輪由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，從動(dòng)盤無(wú)動(dòng)力來(lái)源；而接合時(shí)，從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速不斷增加，主從動(dòng)件間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，會(huì)造成壓盤、飛輪等零部件溫度升高。如果摩擦表面溫度過(guò)高，會(huì)加劇摩擦片磨損，并將嚴(yán)重影響離合器正常工作和使用壽命。文章從優(yōu)化離合器通風(fēng)散熱的角度，對(duì)三種不同結(jié)構(gòu)的離臺(tái)器進(jìn)行熱平衡分析，根據(jù)各結(jié)構(gòu)離合器平衡后的溫度分布，得到一種較優(yōu)的離合器散熱改進(jìn)方案。

重型汽車；離合器；通風(fēng)散熱；熱平衡分析；散熱優(yōu)化

離合器是將被壓盤所壓的從動(dòng)盤貼壓在飛輪上面?zhèn)鬟f或者切斷發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的飛輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩，從而把發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞到變速器或者切斷動(dòng)力傳遞的裝置[1]。單盤離合器只有一個(gè)從動(dòng)盤，一般為干式離合器（在空氣中工作）。單盤離合器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分離徹底、散熱良好、尺寸緊湊、調(diào)整方便、從動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小等特點(diǎn)而在重型商用車上應(yīng)用最為廣泛[2]。

重型商用車因載荷大、工況惡劣等原因?qū)е码x合器故障率相對(duì)較高。影響離合器使用壽命的因素多種多樣。本文從提升離合器蓋總成通風(fēng)散熱，增強(qiáng)換熱的角度來(lái)改善離合器工作溫度，通過(guò)對(duì)三種離合器改進(jìn)方案進(jìn)行分析，得到一種較好的離合器蓋總成設(shè)計(jì)辦法。

1 離合器的散熱問(wèn)題

目前汽車上采用較為廣泛的是用彈簧壓緊的摩擦離合器[3]。摩擦離合器在分離和接合過(guò)程中，由于摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱。如果不解決好通風(fēng)散熱問(wèn)題，會(huì)使壓盤溫度上升過(guò)高。試驗(yàn)表明，摩擦片的磨損速度是隨著壓盤溫度的升高而增大的。

在正常使用條件下，離合器一般都不會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱現(xiàn)象。然而在某些特殊條件下起步（如重型汽車在陡坡起步或陷入深坑時(shí)起步）情況就不同了。此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速比較高，并且滑磨時(shí)間也比較長(zhǎng)，這樣就必然會(huì)產(chǎn)生大量的熱，使壓盤溫升較高，容易造成摩擦片早期磨損或燒蝕。在特別頻繁的使用條件下，壓盤表面的瞬間溫度有可能達(dá)到1 000℃。過(guò)高的溫度可以使壓盤受熱變形、產(chǎn)生裂紋，甚至碎裂。降低熱應(yīng)力，減少壓盤裂紋的生成和變形，從而可有效地提高離合器的可靠性[4]。

為了改善離合器的熱負(fù)荷，對(duì)于商用車上使用最廣泛的干式單摩擦片膜片彈簧離合器可以采取以下措施：

（1）增大壓盤質(zhì)量使其具有較大的熱容量；

（2）采用利于離合器通風(fēng)散熱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

改善離合器通風(fēng)散熱的結(jié)構(gòu)措施主要包括：在壓盤上設(shè)置散熱筋或鼓風(fēng)筋；在離合器蓋上開(kāi)較大的通風(fēng)孔；在離合器外殼上設(shè)置通風(fēng)窗。

離合器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪殼及變速器殼內(nèi)，變速器殼上設(shè)置有觀察孔以便于觀察維修，同時(shí)有利于離合器散熱。

離合器蓋是離合器壓緊彈簧和分離桿的支承殼體。在保證一定剛度的同時(shí)，離合器蓋中央有較大圓孔，在保證膜片彈簧離合器正常工作的同時(shí)，也有利于離合器通風(fēng)散熱。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在離合器的接合過(guò)程中，由于滑磨的存在，每接合一次的過(guò)程都要產(chǎn)生大量的熱，而每次接合的時(shí)間又短（大約3 s），因此，熱量根本來(lái)不及全部傳到周圍空氣中去，必然導(dǎo)致摩擦副的溫升。在使用頻繁和艱難條件下工作的離合器，這種溫升就更為嚴(yán)重。

由于摩擦片的摩擦材料導(dǎo)熱性很差，在滑磨過(guò)程中所產(chǎn)生的熱主要由飛輪和壓盤等零件吸收，為了使每次接合時(shí)溫升不至于過(guò)高，要求壓盤有足夠的質(zhì)量來(lái)吸收熱量。方案一：僅增加壓盤質(zhì)量，結(jié)構(gòu)不變，如圖1所示。

圖1 方案一結(jié)構(gòu)：僅增加壓盤質(zhì)量

質(zhì)量增加，加大了離合器壓盤的熱容量，理論上有利于降低離合器溫升。為進(jìn)一步增強(qiáng)離合器的通風(fēng)散熱，在增大壓盤質(zhì)量的同時(shí)，對(duì)離合器壓盤的結(jié)構(gòu)做一些改變，即方案二：在離合器壓盤上增加散熱筋（在離合器旋轉(zhuǎn)時(shí)也起到導(dǎo)流作用），如圖2所示。

圖2 方案二結(jié)構(gòu)：增加壓盤質(zhì)量，同時(shí)增加散熱筋

除了提升離合器壓盤的熱容量及增加散熱筋外，也可以在離合器蓋上增加導(dǎo)流葉片，如圖3所示。方案三：在方案二的基礎(chǔ)上，對(duì)離合器蓋增加導(dǎo)流葉片。

3 離合器的熱交換

離合器接合產(chǎn)生熱量的同時(shí)也伴隨著熱量的傳遞，也就是說(shuō)離合器產(chǎn)生熱量和放出熱量是同時(shí)進(jìn)行的。

離合器接合過(guò)程中，從動(dòng)盤與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪及離合器壓盤通過(guò)摩擦產(chǎn)生熱量。熱量在相互接觸的固體間通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式傳遞。離合器在旋轉(zhuǎn)時(shí)與周圍空氣進(jìn)行著熱對(duì)流。同時(shí)，離合器也通過(guò)熱輻射的方式不斷向發(fā)動(dòng)機(jī)及變速器殼體輻射熱量。

圖4 計(jì)算模型

為了得到三種結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的離合器在工作過(guò)程中的熱場(chǎng)分布，本文采用STAR-CCM+軟件對(duì)三種不同結(jié)構(gòu)的離合器進(jìn)行熱仿真計(jì)算，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析可得最優(yōu)散熱效果的離合器結(jié)構(gòu)。為了獲得良好的網(wǎng)格質(zhì)量以捕捉準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，網(wǎng)格類型采用多面體網(wǎng)格和棱柱網(wǎng)格結(jié)合。

圖4為該仿真采用的計(jì)算模型。采用空氣為工作介質(zhì)，壓力為0.1 MPa，環(huán)境溫度為20 ℃。變速器側(cè)殼體（圖5）和發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)殼體（圖6）材料均選用牌號(hào)為HT250的鑄鐵，導(dǎo)熱系數(shù)λ為 50 W/m?K，空氣側(cè)表面對(duì)流傳熱系數(shù)為50 W/(m2?℃)，除散熱面表面外其余表面理想化為絕熱表面。

圖5 變速器側(cè)殼體

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)殼體

4 分析驗(yàn)證

離合器在接合過(guò)程中，摩擦表面當(dāng)時(shí)的表面溫度計(jì)算公式如下[4]：

式中，為滑磨功；為摩擦副接觸面面積；為材料參與吸熱的有效厚度；為離合器兩次接合的時(shí)間間隔（冷卻時(shí)間）；為熱流分配系數(shù)；λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)；為滑磨功率；為滑磨的無(wú)因次參數(shù)；傅里葉系數(shù)0和有關(guān)。

圖7和圖8分別為變速器端和發(fā)動(dòng)機(jī)端離合器表面溫度分布云圖，圖9為離合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，表1—表3分別為三種不同方案的離合器變速器端、發(fā)動(dòng)機(jī)端和內(nèi)部的熱場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)比。

圖7 離合器的變速器端表面溫度分布云圖

表1 三種不同方案的離合器變速器端的表面熱場(chǎng)數(shù)據(jù)

方案最高溫度/℃平均溫度/℃散熱量/W平均換熱系數(shù)/W/(m2?℃) 方案一211.58101.72 31572.0 方案二198.7598.22 20386.7 方案三246.99106.02 44040.3

圖8 離合器的發(fā)動(dòng)機(jī)端表面溫度分布云圖

表2 三種不同方案的離合器發(fā)動(dòng)機(jī)端的表面熱場(chǎng)特性

方案最高溫度/℃平均溫度/℃散熱量/W平均換熱系數(shù)/W/(m2?℃) 方案一354.38235.83 06751.4 方案二342.76227.32 95551.0 方案三369.60218.52 83053.3

根據(jù)對(duì)比分析，方案二增加離合器壓盤質(zhì)量同時(shí)增加散熱筋結(jié)構(gòu)，可改善離合器的工作溫度且離合器內(nèi)溫度均勻度較好。

圖9 離合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

表3 離合器內(nèi)部熱場(chǎng)數(shù)據(jù)

方案離合器平均溫度/℃溫度分布均勻度 方案一206.50.909 7 方案二205.90.912 7 方案三209.90.902 8

5 樣件試裝及實(shí)車驗(yàn)證

根據(jù)上述分析，按所選優(yōu)化方案進(jìn)行樣件試制和裝車驗(yàn)證，實(shí)測(cè)離合器表面溫度與優(yōu)化前進(jìn)行對(duì)比，相同工況和起步次數(shù)下，平均溫度降低 3 ℃，與上述仿真分析基本吻合。因此，此種方案已在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行推廣應(yīng)用。

6 結(jié)語(yǔ)

為改善離合器的散熱情況，增加離合器壓盤質(zhì)量以提升壓盤熱容量，改善了離合器熱負(fù)荷；同時(shí)在離合器壓盤上增加散熱筋，既增加了換熱面積又起到導(dǎo)流作用。經(jīng)過(guò)分析該方案可對(duì)離合器工作溫度起到改善作用，有利于延長(zhǎng)離合器的使用壽命。

[1] 武田信之.載貨汽車設(shè)計(jì)[M].北京:人民交通出版社, 1997.

[2] 王霄鋒.汽車底盤設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2010.

[3] 陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].5版.人民交通出版社,2006.

[4] 徐石安.汽車離合器[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

Heat Dissipation Improvement of the Clutch for Heavy-duty Vehicle

ZHAO Xuan, LIU Huan, LI Gengzhang

( Automotive Engineering R&D Institute, Shaanxi Heavy Duty Automobile Company Limited, Xi’an 710200, China )

During the start of the heavy-duty vehicle, the flywheel and driven plateof the clutch change from a separated state to a fully engaged state.In the separated state, the flywheeloftheclutch is driven to rotate by the engine, and the driven plate has no power source.And in the engaged state, as the speed of the driven plate continues to increase, the relative sliding occurs between the driving and the driven part, which will cause the temperature of the pressure plate andthe flywheels to rise.If thetemperatureof the friction surface is too high, it will aggravate the friction lining wear, and will seriously affect the normal operation and service life of the clutch.In this paper, the thermal balance of three clutches with different structures was analyzed, and a better solution to improve the heat dissipation of the clutch wasobtained according to the temperature distribution of the thermal balance for the clutch with different structures.

Heavy-duty vehicle;Clutch; Heat dissipation;Thermal balance analysis;Heat dissipaion optimization

U463.2

A

1671-7988(2022)21-108-04

U463.2

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.021.020

趙軒（1990—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)槠嚨妆P設(shè)計(jì)，E-mail:zhaoxuan@sxqc.com。