第３３卷第ｌ期 辽宁工业大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｖｏ１．３３，Ｎｏ．１ ２０１ ３年２月 Ｆｅｂ．２０１３ 电控硅油风扇离合器功率损失研究 王天利１，郑福新 ，张奠忠２，李３．庄河市徐岭镇人民政府，辽宁庄河１１６４００） 妮 ４４２０００ （１．辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁锦州 １２１００１；２．东风汽车股份有限公司，湖北十堰摘要：通过电控硅油风扇离合器功率损失影响因素的分析，对离合器功率损失进行计算，得出功率损失系 数，并确定功率损失最大值点。通过台架性能实验，验证计算分析的正确性，为硅油风扇离合器设计提供理论依 据。 关键词：电控硅油风扇离合器；发动机；功率损失；试验分析 中图分类号：ＴＨ１３２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４－３２６１（２０１３）０１－００４３－０４ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｌｏｓｓ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｓｉｌｉｃｏｎ ０ｉｌ Ｆａｎ Ｃｌｕｔｃｈ ＷＡＮＧ Ｔｉａｎ．．１ｉ，ＺＨＥＮＧ ．Ｆｕ．ｘｉｎ ，ＺＨＡＮＧ Ｄｉａｎ－ｚｈｏｎｇ ，ＬＩ Ｎｉ （１．Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ＆Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉｎｚｈｏｕ １２１００１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｄｏｎｇ Ｆｅｎｇ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ＣＯ．，ＬＴＤ，Ｓｈｉｙａｎ ４４２００２，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｚｈｕａｎｇｈｅ Ｍｔｍｉｃｉｐａｌ Ｐｅｏｐｌｅ’ｓ Ｇｏｖｅｒｎｍｅｎｔ，Ｚｈｕａｎｇｈｅ，１ １６４００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｎ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｌｏｓｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｉｌ ｆａｎ ｃｌｕｔｃｈ，ｐｏｗｅｒ ｌｏｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｌｕｔｃｈ ｗａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｅｆｉｃｉｆｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｌｏｓｓ ｗａｓ ｗｏｒｋｅｄ ｏｕｔ， ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｒｎａｘｉｍｕｍ ｐｏｉｎｔ ｗａｓ ｎａｔｕｒａｌｌｙ ａｓｃｅｒｔａｉｎｅｃｋ Ｔｈｒｏｕｇｈ ｂｅｎｃｈ ｔｅｓｔ，ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ｏｆｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｖｅｒｉｉｅｄ，ｗｈｉｆｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｉｌ ｆａｎ ｃｌｕｔｃｈ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｉｌ ｆａｎ ｃｌｕｔｃｈ；ｅｎｇｉｎｅ；ｐｏｗｅｒ ｌｏｓｓ；ｔｅｓｔ ａｎａｌｙｓｉｓ 风扇总成是汽车发动机冷却系统的核心部件 之一，直接影响发动机的运转工况。运用电控硅油 １ 离合器功率损失因素分析 １．１离合器的结构原理 风扇离合器（以下简称离合器）的发动机冷却系统 可以根据发动机的工况及温度自动调节风扇转速， 并具有节能、降噪、保持发动机水温基本稳定、提 高发动机寿命等优点。由于输入与输出端的转速 差，离合器在分离、耦合以及过渡状态下不可避免 地存在一定功率的损失。如果功率损失过大将会使 离合器本身的温度过高，导致硅油加快老化，影响 离合器的结构如图１所示。根据发动机水温信 号，离合器自动控制电控总成２通断电，从而控制 阀片９与进油孔８的相对位置，并实现进油量的控 制，从而控制风扇转速。发动机水温一般工作温度 在８５～９５℃，起动时，控制离合器处于分离状态， 风扇转速低，冷起动效果好。当温度高于９５℃时， 控制离合器处于耦合状态，风扇转速高，发动机散 热条件好；当温度低于８５℃时，控制离合器处于 离合器的工作性能和使用寿命…。 由于离合器是通过硅油的高黏度特性来传递 扭矩，则由滑差产生的热量将导致离合器整体温度 升高，因此如何减少功率损失是离合器的关键技术 之一，并对提高离合器质量具有重要意义。 收稿日期：２０１２—１２—２４ 作者简介：王天利（１９５７一），男，辽宁朝阳人，教授。 分离状态，风扇转速低，防止发动机温度过低。循 环往复，使发动机在适当的水温下工作，并保证发 动机使用性能。 辽宁工业大学学报（自然科学版） 第３３卷 ５ ６ ７ ８ ９ ｍ ¨ ￡！ ｎ Ｍ ｌ一主动轴；２一电控总成；３一壳体；４一主动盘；５一回油孔； ６一盖体；７一回油通道；８一进油孔；９一阀片总成；ｌＯ一磁环镶间； １ １一轴承；ｌ２一储油室；１３一油池盖；ｌ４一工作腔；１５一散热片 图１ 电控硅油风扇离合器结构图 离合器工作时，主动轴１带动主动盘４旋转； 主动盘４通过工作腔ｌ４内的高黏度硅油带动从动 盘（盖体６和壳体３）旋转，安装在壳体３上的风扇 随着转动。当阀片９开启时，硅油由储油室ｌ２通 过进油孔８进入工作腔ｌ４，在离心力的作用下向边 缘流动；在回油孔５处有泵油机构，由回油孔５、 回油通道７进入储油室１２，此时离合器处于耦合状 态；当阀片９闭合时，硅油在离心力和泵油机构的 作用下，由工作腔１４通过回油孔５、回油通道７回 到储油室１２内，此时离合器处于分离状态。 １．２离合器功率损失的影响因素 根据工作原理和具体结构可以推断，影响离合 器功率损失的主要因素有以下几点【２Ｊ：（１）硅油黏 度。硅油黏度越高离合器传递扭矩能力越强，耦合 时滑差越小，功率损失越小。（２）主、从动盘环槽 径向间隙。间隙越小传递扭矩能力越强，功率损失 越小。（３）主、从动盘环槽相对面积。表面积越大 传递扭矩能力越强，耦合时滑差越小，功率损失越 小。（４）泵油机构。泵油机构性能会影响离合器分 离后的稳定转速，分离时风扇转速越低，功率损失 越小。（５）硅油量。硅油量过多或过少会影响分离 和耦合的灵敏度，使得分离或耦合不完全，功率损 失增加［３】ｏ ２ 离合器的功率损失规律 ２Ｊ 醐 栖雠贼 贼雠 宝宝 ．仃… 主＋ 玎…亩妻衾霎对应于输入 。一 Ｔ 如式（１）。 ２ Ｍ＝ 兰 二 ２ 兰一兰 ２ － ２２ １５（ｒ￣ 一 ） 式中： 为离合器传递的扭矩，Ｎ·１１１； 为硅油动 力黏度，ｍ２／ｓ；ＣＯ１、∞２分别为主动盘角速度、从动 盘角速度，ｓ～； 。、ｔ＂２分别为主动盘半径、从动盘 半径，ｍ；Ａｎ为离合器滑差，ｒ／Ｉｎｉｎ【３】 ＿由于离合器在耦合、分离以及过渡工况不可避 免地存在主、从动盘间的滑差，并产生滑摩功而导 致离合器发热，因此主、从动盘问的滑摩功即是离 合器的损失功率，如式（２）所示。 墨：—－－－一２ｎＭ—Ａｎ： 一·＿·＿一 （ｌ，Ｉ２） Ｐ ２ 式中： 为离合器损失功率；Ｐ为风扇功率。 ２ｒｃＭＡ，ｚ： △，ｚ （３） ２２５（ｒ￣ 一 ） 显然损失的功率与滑差的平方呈正比，因此应 尽量减少滑差，否则发热量将按滑差平方关系增 加，功率损失将更加严重。滑差太小也不行，因为 滑差与离合器灵敏度有直接关系，滑差越小分离时 所用时间越长，则离合器调节风扇转速的能力与响 应速度下降，所以滑差是一个关键参数，应选取最 佳值。由式（２）可知，滑差率Ａｎ／ｎ还可以表示损失 功率所占风扇功率的比例。由此可以用滑差率来计 算离合器损失功率，为离合器的优化设计提供重要 的思路和依据。 ２．２功率损失系数 设离合器的输入转速为 ｌ，输入转矩为 ， 则离合器的输入功率为刀ｌＭ；设离合器输出转速为 ２，风扇扭矩为Ｍ２，同理风扇功率为 ２Ｊｊｌ ，因此 功率损失为 Ｐ＝Ｍ２Ａｎ （４） 由风扇定律有 ———＿：＿一●（ ）：——＝＿ｌ Ｍｌ ｎｌ 算得 （ ） （５） 代入式（４）得 △ ＝（ ． ） （ ） （６） 变换得 去 ≯ｃ （７） 似 云’其中凳 笑 Ｄ 时的风扇功率 Ｍｌｐｎ １表示损失功率贴 舭 将 ’ ”…一… … ４６ 辽宁工业大学学报（自然科学版） 第３３卷 情况下，离合器功率损失随滑差变化的规律如图５ ４ 结 论 ／ ＿—、 ≥ （１）离合器工作时，主、从动盘间存在的滑差 是离合器产生功率损失的根本原因，同时对离合器 的灵敏度有直接影响，因此必须合理控制。（２）由 于损失功率影响离合器的使用性能和寿命，因此需 要通过合理调整或改进硅油性能与数量，主、从动 盘环槽的结构尺寸，泵油机构的性能等多个要素来 减少离合器的功率损失。（３）功率损失系数的变化 规律可以直观描述离合器功率损失的变化规律，因 己 料 辎 ／ ｆ ７ ｆ Ｉ ｜ ｜ ｜ ／ 风扇输出转速 ｒ．ｍｉｆｆ ） 此可以通过合理匹配影响离合器功率损失的各个 图５功率损失曲线 因素，使离合器耦合、分离工作点远离功率损失系 由图５可见，开始阶段损失功率随输出转速增 数最大点。（４）离合器的功率损失无法避免，因此 加，当转速增加到１ ６８４ ｒ／ｍｉｎ时损失功率达到最大 需要通过改善离合器的通风、散热结构减少功率损 值５．６３ ｌ ｋＷ左右；当输出转速继续增加时，损失功 失的不利影响。 率开始下降。显然曲线上升的速率要小于下降的速 率，并且与图２所示的功率损失规律曲线一致。 参考文献： 由式（１０）分析可知，当输入转速为２ ６００ ｒ／ｍｉｎ， ［１】冉振亚，韩兆运，赵树恩．车用硅油风扇离合器的设计 输出转速为１ ７３３ ｒ／ｒａｉｎ时功率损失最大，即 与试验分析［Ｊ】．重庆大学学报，２００６，２９（１）：３０—３２． ｘ＝＝５．４７６ ｋＷ．显然理论分析与实验结果基本吻 ［２］范剑平，高晶敏，魏宸官．电控硅油风扇离合器的试验 合，由此可见输出转速１ ６８４ ｒ／ｍｉｎ左右时功率损失 研究［Ｊ］．汽车工程，１９９９，２ｌ（６）：３６４—３６８． 严重。因此在离合器开发过程中，要尽量使风扇的 ［３］王益有．硅油离合器匹配设计与研究［Ｄ］．广州：华南理 工作转速远离功率损失最大点，即离合器分离和耦 工大学，２０１０． 合转速应该尽量向两端靠近。 责任编校：孙林 （上接第３７页） 断裂。恶劣的低温环境和过多的夹杂物也是促进焊 下，就将导致内壁所形成的微裂纹快速扩展，最后 缝变脆和开裂的因素。建议该类重要焊接件在焊后 造成脱水管沿焊接后的马氏体硬化区发生瞬时断 要进行退火处理，在服役使用过程中应定期进行现 裂。材料中过多的夹杂物会增大钢在低温下的脆性 场监测和检验。 ｆ４］低温环境也会促进脱水管开裂的进程。 参考文献： ３结 论 ［１】ＧＢ １０５６１－－１９８９钢中非金属夹杂物显微评定方法【Ｓ】． 储油球罐底部脱水管发生的开裂属于应力集 ［２】ＧＢ／Ｔ ６３９４－－２００２金属平均晶粒度测定方法【Ｓ】． 中开裂，主要原因是由于焊接操作不当和环境恶 ［３】董秀文李岩．某液化气球罐下排污管法兰断裂分析［Ｊ】＿ 劣，致使焊缝热影响区被淬火，形成了高硬度的马 理化检验：物理分册，２００４，４Ｏ（１）：４０—４２． 氏体硬化区，致使该部位的性能过脆。在焊接残余 ［４】束德林．工程材料力学性能［Ｍ】北京：机械ｌ，Ｊｋ￣版社， 应力和外部载荷的共同作用下，导致脱水管焊缝的 ２００４：７３—７５． 责任编校：孙林