汽车工程 2015年(第37卷)第6期 Automotive Engineering 2015122 硅油风扇离合器滑差和散热性能的计算与测试水 上官文斌 ,宋黎明 ,贺频燕 ,段耀龙 ,竺菲菲。 (1.华南理工大学机械与汽车工程学院,广州510641;2.雪龙集团股份有限公司,宁波315800) [摘要] 以一双面槽型硅油风扇离合器为研究对象,考虑硅油黏度随剪切半径而变化,建立了硅油离合器传 递转矩和散热量的计算模型。利用建立的模型计算分析了硅油风扇离合器滑差和壳体表面温度随输入转速的变 化。同时构建了硅油风扇离合器试验台,进行相应的测试。计算结果与试验数据基本一致,验证了模型的正确性。 最后,利用所建模型,计算了其它6款硅油风扇离合器的滑差和壳体表面温度,并与试验结果进行了对比分析。 关键词:硅油风扇离合器;滑差;散热性能;计算;测试 Calculation and Measurement of the Slip and Heat Dissipation Performance of Silicone—oil Fan Clutches Shangguan Wenbin 一,Song Liming ,He Pinyan ,Duan Yaolong &Zhu Feifei 1.School ofMechanical&Automotive Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510641; 2.Xuelong Group Co.,Ltd.,Ningbo 315800 [Abstract]Taking a silicone—oil fan clutch with double grooves as the object of study,with consideration of the viscosity change with shear radius,calculation models for the slip and housing surface temperature of silicone—oil fan clutch are set up,with which the changes in clutch slip and housing surface temperature with input rotation speed are calculated.In addition,a test bench for silicone-oil fan clutch is also built to conduct corresponding measurements.The results of calculation well agree with test data,verifying the correctness of the model built.Fi- nally with the models built,the slip and housing surface temperature of six other silicone—oil fan clutches are calcu— ated and compared with tfest results. Keywords:silicone-oil fan clutch;clutch slip;heat dissipation performance;calculation;measurement 的文献较少,国外的研究侧重其控制系统部分和发 日IJ吾 动机冷却系统整体性能与经济性的研究¨ ,国内 的研究工作开始较晚,文献[4]和文献[5]中建立了 硅油离合器传递转矩的数学模型和计算公式,但没 有考虑硅油动力黏度随剪切半径而变化的问题,且 给出的应用实例较少。 l9世纪6O年代博格华纳制造出了世界上第一 台硅油风扇离合器。与传统的冷却风扇相比,硅油 风扇离合器可根据控制温度的要求,自动调节风扇 转速,使发动机在最佳工作温度下工作,因此具有节 能、降噪、减排和延长发动机寿命等优点。硅油风扇 离合器的性能以滑差率和散热性能来衡量,其中滑 差率为滑差(输入与输出转速的差)除以输入转速 的百分比,滑差率一般要求在3%~7%范围。 关于硅油风扇离合器滑差和散热性能计算方面 本文中以一款双面槽型硅油风扇离合器为研究 对象,测试了该离合器的滑差和壳体表面温度随输 入转速的变化;考虑硅油动力黏度随剪切半径变化, 建立了硅油离合器传递转矩和散热的计算模型,利 用该模型计算分析了滑差和壳体表面温度随输入转 速的变化。计算结果和实测值基本一致,证明了模 宁波市2013年度产业技术创新及成果产业化科技专项(2013B10012)和国家自然科学基金(51275175)资助。 原稿收到日期为2013年6月14日,修改稿收到日期为2013年7月31日。 2015(Vo1.37)No.6 上官文斌,等:硅油风扇离合器滑差和散热性能的计算与测试 a 。ar ・693・ 1.2 圆环面剪切面传递转矩的数学模型 硅油在主动板和从动板间流动时,圆环面剪切 d0) dr (10) 面可简化为如图3所示的情形。 图3 圆环面剪切面传递转矩计算图 假定硅油周向流速沿 轴为线性分布 ],得到 dM r= 2 O)1--0 )2: tx = :2artz , /.3dr (7) dZ 式中: 、09 分别为主、从动板角速度; 为圆环面剪 切面间隙。 将式(4)代入式(7)并积分,求得圆环面油膜从 剪切半径Ri到R。之间的传递转矩 为 1 M = 1T i ( 一∞ )[3a (尺:一R )+4b (尺:一R )] 0凡 (8) 1.3 圆柱面剪切面传递转矩的数学模型 圆柱面剪切面可简化为半径为 rn套在一起 的圆筒,两者分别以角速度 、 绕z轴旋转,外圆 筒内壁与内圆筒外壁之间充满硅油,油膜宽度为L, 如图4所示。 J L, l一 . ,、 l , f , rdr 。一一 L / r z f r ’ — f 2 \ 、 . \ =l。。 :3 图4圆柱面剪切面传递转矩计算图 设油膜中半径,处的硅油角速度为 ,周向流 速为1Z ,则有 (9) 将式(10)代入式(6)并积分,求得宽度为,J的 圆柱面油膜所传递的转矩为 Mc=dM =2Tr/ ̄sc/3 dz=2,rrL/ ̄3sor警(11 将式(4)代人式(11),得到 M d —————2lT/—(ac— r3+bcr2)———~dr (12 ) ' ̄Lsmin对式(12)两边进行积分,得到圆柱面油膜所传 递的转矩 为 M : 2 i ( 1一∞2) (13) (o r。+6。)r bo——rir。 + +—— ln lb l (a,ori十6 )r。 1.4双面槽型硅油离合器传递转矩的一般计算公式 双面槽型硅油离合器工作示意图如图5所示。 硅油风扇离合器工作室可分为若干个圆环面剪切面 传递转矩模型和圆柱面剪切面传递转矩模型。由主 从动盘的角速度与转速的关系式 =盯n /30,i:1, 2,以及式(8)和式(13),可得硅油风扇离合器传递 转矩为 (a)圆环面剪切面示意图 (b)圆柱面剪切面示意图 图5 双面槽型硅油离合器转矩计算图 ・694・ 汽车工程 2015年(第37卷)第6期 吉 (n ~z)( (3ao(Ro', , Ⅳ2 4b。( 一 ))+∑ / (蒜+ I)) 式中:Ⅳ1、Ⅳ2分别为圆环面剪切面、圆柱面剪切面个 数;n 、 分别为输入、输出转速;h 为第i个圆环面 剪切面间隙;,J 为第 个圆柱面剪切面油膜宽度; 、 . 尺。. 分别为第i个圆环面剪切面的内半径、外半径;r 、 r。 分别为第 个圆柱面剪切面的内半径、外半径。 式(14)中输入转速n 与输出转速n 的差可用 △几表示,即△n=n 一n ,本文中将An定义为滑差, 滑差An除以输入转速n 的百分比定义为滑差率。 对于含多对剪切槽的硅油离合器,不考虑回油 槽的影响,其传递的转矩 可按式(14)计算。考虑 回油槽影响时,设离合器主、从动盘上没有回油槽时 总的黏性剪切面积为S ,加工出回油槽后总剪切面 积减少了Js:,令转矩修正系数叼=s /S (范围5%~ 15%),则离合器传递转矩的修正值 为 M =(1一r/)M (15) 当硅油离合器输入转速为 且达到稳定工作 状态时,经过一段时间,输出转速 、硅油与壳体表 面温度和最小剪切半径处硅油温度 i 都不再变 化。根据力矩平衡,风扇驱动转矩 与离合器传递 转矩的修正值相等,即 M (n )=M (n:,Ts i ) (16) 工程上,通常测试一些特定转速下的风扇驱动 转矩和流量,根据这些测试得到的数据,通过数据拟 合的方法,可以得到风扇在其它转速下的驱动转矩、 流量与输出转速的函数关系。 2硅油风扇离合器传热的数学模型 当硅油风扇离合器工作时,剪切面间隙中的硅 油处于油膜剪切工作状态,其主、从动板间存在转速 差(滑差),导致硅油内部产生大量的剪切热,这些 热量会通过壳体传给周围空气。热量交换依次为硅 油与壳体内表面的对流换热、壳体导热和壳体外表 面与周围空气的对流换热,这3部分热交换传导的 热量达到稳定并都与硅油产生的剪切热相等时,硅 油风扇离合器进入平稳工作状态。 建立硅油风扇离合器传热的数学模型时,由于 射动换时热(当,圆1;气)(盘4气流)与肋流向空片向气圆传的盘圆热换盘流。 热流动 … ”鱿 ≥…… D 一:■lIf 上官文斌,等:硅油风扇离合器滑差和散热性能的计算与测试 一目IⅢ 散热肋上,测温点4、5、6、8和9夹在散热肋里。实 测过程中待电机停转后,立即依次测试测9个测温 点的温度值。 4.2测试结果与分析 表1输入、输出转速和滑差率 输入转速 nl/(r/min) 998 1 301 1 599 1 9O1 输出转速 n2/(r/min) 991 1 288 1 580 1 873 滑差/ (r/min) 7 l3 19 28 滑差率/% 加 ∞ 鲫 ∞0.70 1.00 1.19 1.47 (1)滑差多次测试,并求均值,得到给定输入 转速下的输出转速、滑差及滑差率,测试结果见表1。 由表1可知,随着输入转速的提高,滑差率逐渐变大。 (2)温度多次测试并求均值,测试得到给定输 入转速下的离合器壳体表面温度值如表2所示。由 表2可知,随着输入转速的提高,壳体表面温升明显。 另外表2中的平均值将作为壳体表面平均温度值。 2 198 2 5Ol 2 156 2 44O 42 61 1.91 2.44 2 797 2 707 90 3.22 表2离合器壳体表面温度值 输入转速 l/(r/min) 998 1 301 壳体表面温度To 【/℃ 测点1 28.3 26.3 测点2 30.3 28.7 测点3 30.7 28.8 测点4 26.3 25.O 测点5 28.8 27.0 测点6 31.7 3O.5 测点7 27.5 25.2 测点8 28.8 27.3 测点9 28.0 25.8 平均值/oC 28.9 27.2 1 599 l 901 2 198 2 5O1 27.3 28.3 3O.5 33.0 29.3 3O.3 32.5 35.7 29.3 30.5 33.O 36.0 25.8 26.8 28.8 30.8 27.8 28.8 30.8 33.2 3O.8 32.O 34.0 36.5 25.8 27.0 28.7 31.2 28.0 29.0 31.5 34.0 26.2 27.2 29.5 31.5 27.8 28.9 31.0 33.5 2 797 38.2 40.5 40.8 34.2 37.3 41.O 36.7 38.5 36.8 38.2 4.3滑差、壳体表面温度计算与实测对比 根据所建立的数学模型,编制计算程序来计算 硅油离合器的滑差和壳体表面温度等参数,计算结 果与实测结果的比较如图13和图14所示。 p 35 赠 恒 撩 蛙 30 I UUU l UU Z UUU 2,UU j UUU 输入转速/(r/mi ̄) 图14离合器壳体表面温度特性 l 000 1 500 2000 2 500 3 000 在差异,波动区间在2%左右,所以总体上计算值与 实验值比较一致,证实了本文建立的理论模型的正 确性。 输入转速/(r/rain) 图13硅油离合器滑差 工作腔中硅油温度的最大值在最大剪切半径 由图13和图14可见,硅油离合器滑差计算值 与实验值相比稍大,壳体表面温度计算值与实验值 相比稍小。工程上,即便同款离合器的滑差率也存 处,计算得到的硅油温度最大值如图15所示。 离合器硅油的安全使用温度一般在180℃以 下,由图15可知硅油最高温度在100%左右,满足 要求。 汽车工程 2015年(第37卷)第6期 4.4应用 p \ 根据文中建立的计算模型,结合实测数据,即可 m =兮 ∞ :2 略 赠 舞 坦 调试得到离合器的液体系数。工程实际中,离合器 数量远远少于风扇数量,如想获取所有离合器液体 系数,工作量也不会很大。 表3为3个系列6款离合器性能的实测与计算 值。同一系列中的两款离合器的结构完全相同,硅 坦 1 200 1 800 2 400 3 000 油黏度或者输入转速有差别。由表3可知,如果离 合器输入转速较高,而所使用的硅油动力黏度又较 输入转速/(r/min) 图15硅油温度最大值 低,则该款离合器的滑差率会比较大。 表3 离合器性能实测与计算结果 动力黏度/ 系列 (壳体表面 输入转速/ 输出转速/(r/min) 温度/℃ 28.O 滑差/(r/min) 实测值 80 滑差g/% 实测值 2.50 滑差率 mPa・s) (r/min) 3 200 实测值 3 120 计算值 3 l11 计算值 89 计算值 相对误差/% 2.78 l1.2O 1(a) 10 000-I-1% 1(b) 2(a) 2(b) 3(a) 3(b) 3 050 ̄1% 20 000 ̄l% 20 000±1% 15 000±1% 25 000 ̄1% 34.1 31.1 28.8 33.0 32.5 4 000 3 400 2 600 2 400 2 400 3 7oo 3 305 2 523 2 340 2 350 3 654 3 304 2 533 2 326 2 336 300 95 77 60 50 346 96 67 74 64 7.50 2.79 2.96 2.50 2.08 8.65 2.82 2.58 3.O8 2.67 15.33 1.O8 —12.84 23.2O 28.37 [2]Lee Kyu Hyun,Lee Joo Heon.Development of a Continuously Vari— 5结论 以一款双面槽型硅油风扇离合器为研究对象, 考虑了硅油黏度随剪切半径变化,建立了硅油离合 able Speed Viscous Fan Clutch for Engine Cooling System[C]. SAE Paper 980838. [3] Nikhil Bhat,Sameer Joshi,Ken Shiozaki,et a1.Adaptive Control of an Externally Controlled Engine Cooling Fan—drive[C].SAE Paper 2006一O1—1036. 器传递转矩和散热热量计算的模型。利用该模型计 算分析了一款硅油风扇离合器的滑差和壳体表面温 度随输入转速的变化。实验测试了硅油风扇离合器 [4] 李惠珍,孙军.硅油风扇离合器传递扭矩计算方法的研究[J]. 内燃机学报,1989,7(1):45—52. [5]王益有.硅油风扇离合器匹配设计的研究[D].广州:华南理工 大学,2010. 的滑差和壳体表面温度随输入转速的变化。计算结 果和实验值基本一致,证明了模型的正确性。 利用所建立的模型和开发的计算程序,计算分 析了另外6款硅油风扇离合器的滑差和壳体表面温 度,计算结果和实测结果具有较好的一致性。 [6]姜继海.液体变粘度缝隙流动理论与解析[M].北京:国防工业 出版社,2005. [7]魏宸官,赵家象.液体粘性传动技术[M].北京:国防工业出版 社.1996. [8] 黄家海,方文敏,邱敏秀.流体黏温特性对液黏调速离合器传动 特性的影响[J].上海交通大学学报,2011,45(11):1619—1625. [9]Huang Jiahai,Wei Jianhua,Qiu Minxiu.Laminar Flow in the Gap Between Two Rotating Parallel Frictional Plates in Hydro-viscous 本文中提出的计算硅油风扇离合器的滑差和壳 体表面温度随输入转速变化模型,可以用于硅油风 扇离合器的产品设计开发,在对多方案设计进行优 选时,可节省大量的改进设计和实验工作,缩短硅油 风扇离合器的开发周期。 参考文献 [1]Lee Man Hyung,Kim Myoung Kook,Park Hyung Gyu.Electroni- eally Controlled Viscous Cooling Fan Clutch in the Vehicle[J]. 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