硅油風扇離合器非故障性失效模式分析

劉正耀，胡水洋，楊昌凱，朱宏學

（大冶有色機電修造有限公司，湖北 黃石 4350052）

硅油風扇離合器非故障性失效模式分析

劉正耀，胡水洋，楊昌凱，朱宏學

（大冶有色機電修造有限公司，湖北 黃石 4350052）

本文分析了硅油風扇離合器在汽車行駛工況中的工作原理，得出由于多方面因素導致硅油風扇離合器原設定的溫度類比關系與實際的溫度類比關系不符是非故障性失效的根本原因，并且提出了非故障性失效模式的解決措施和思路。結果表明，解決措施的效果明顯。

硅油風扇；離合器；非故障性失效分析

CLC NO.: U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-138-03

前言

硅油風扇離合器應用于汽車發動機冷卻系統，具有顯著的節能、降噪、減排效果。它深受廣大客戶認可，很快在我國汽車工業得到廣泛推廣應用，并取得了良好的經濟效益和社會效益。

然而，硅油風扇離合器在使用過程中經常存在一些個體失效，這些個體失效給顧客帶來了不少煩惱和損失。因此，認識和分析硅油風扇離合器失效模式，采取有效措施預防失效就顯得尤為重要。

1、硅油風扇離合器失效模式

硅油風扇離合器失效模式表現形式為：發動機高溫或開窩。經對因失效返回的硅油風扇離合器進行檢驗、試驗，分組、分類，現將“發動機高溫或開窩”失效模式按失效性質分為故障性失效和非故障性失效兩種形式。

故障性失效：指產品本身有明顯的質量缺陷(如漏油、感溫器松動、卡死等)造成“發動機高溫或開窩”的失效模式[1]。此類失效約占總量的1/3。

非故障性失效：指無明顯的產品質量缺陷仍然存在“發動機高溫或開窩”的失效模式。此類失效約占總量的2/3。

故障性失效，其失效原因顯而易見，均為制造過程工藝存在問題，只要重視過程質量控制，硅油風扇離合器故障性失效將會大大降低。而非故障性失效，原因難以判斷，常常令硅油風扇離合器生產廠家感到莫明其妙。在此，本文將重點探討非故障性失效模式原因分析及解決措施。

2、非故障性失效模式原因分析

非故障性失效是怎樣產生的呢?我們先了解一下硅油風扇離合器的工作原理和硅油風扇離合器在汽車行駛工況的工作原理。

2.1 硅油風扇離合器工作原理

硅油風扇離合器由主動軸、后蓋、前蓋、感溫器、閥片軸、閥片、軸承等部件組成。（圖1）

硅油風扇離合器用硅油作為介質，利用硅油的粘度特性來傳遞扭矩[2]，通過熱敏感溫器感知散熱器后面空氣的溫度自動控制硅油風扇離合器的分離和嚙合。熱敏感溫器是硅油風扇離合器的核心部件，當散熱器后面空氣的溫度低時，感溫器產生形變關閉硅油進油孔，因離心作用，硅油從工作腔流回硅油池，離合器分離，風扇轉速減慢，此時基本上是空轉[2]；當散熱器后面空氣的溫度高時，感溫器產生形變打開硅油進油孔，硅油從硅油池流進工作腔，離合器嚙合，風扇高速運轉。

2.2 硅油風扇離合器在汽車行駛工況工作原理

汽車行駛時，當散熱器水溫高于最佳冷卻水溫時，汽車行駛產生的迎面風與散熱器散發的高溫形成高溫氣流，此高溫氣流傳送到硅油風扇離合器感溫器處，感溫器感知高溫空氣產生形變打開硅油進油孔，此時硅油風扇離合器處于嚙合狀態，風扇高速運轉，形成大量冷卻氣流使散熱器冷卻水溫度逐漸下降[3]。反之，當散熱器水溫低于最佳冷卻水溫度時，汽車行駛產生的迎面風與散熱器散發的低溫形成低溫氣流，此低溫氣流傳送到硅油風扇離合器感溫器處，感溫器感知低溫空氣產生形變關閉硅油進油孔，此時硅油風扇離合器處于分離狀態，風扇低速運轉，散熱器冷卻水溫度逐漸上升。(圖2)

2.3 非故障性失效模式原因分析

從硅油風扇離合器的工作原理和硅油風扇離合器在汽車行駛工況工作原理中，我們發現，硅油風扇離合器分離與嚙合控制條件為：迎面風與散熱器散發的空氣溫度混合組成一定溫度的空氣流傳遞到硅油風扇離合器感溫器處,感溫器產生形變。不難看出：感溫器感知的是空氣溫度而非散熱器內冷卻水真實溫度。

硅油風扇離合器生產廠家的企業標準中的嚙合溫度和分離溫度參數值，均指空氣溫度而非散熱器內冷卻水真實溫度。

嚙合溫度和分離溫度參數值是經過大量的摸擬試驗和大量的汽車路試，測出大量的數據進行整理、分析、比照、類比確定的，是一種類比參數值。如嚙合溫度65℃是指離合器感溫器處的空氣溫度65℃代表散熱器冷卻水真實溫度95℃。而摸擬試驗和汽車路試均在設定工況（如規定迎面風的大小，硅油風扇離合器與散熱器間距離，散熱器的風阻，發動機轉速，散熱器進出水溫度等條件）下進行的。因此這種類比的參數值具有代表性和通用性，適用汽車行駛中大多數工況，但可能不適用汽車行駛特殊工況。

當汽車重載或超載且又行駛在路況較差的公路上時，或當汽車重載或超載爬坡時，此時，發動機負荷重，熱負荷大，冷卻水升溫急速；車速慢，迎面風小，冷卻條件極差。以上工況表明：一方面發動機熱負荷大，冷卻水水溫升溫急速，急需散熱冷卻；而另一方面車速慢，迎面風小，不能及時將散熱器周邊高溫空氣迅速傳遞到硅油風扇離合器感溫器處。即使散熱器內水溫已接近100℃，而硅油風扇離合器的感溫器處空氣溫度仍低于65℃。此時，硅油風扇離合器仍處于分離狀態，冷卻風量明顯不足，無法正常冷卻，進而導致發動機高溫或開鍋。

當汽車冷卻系統布局不合理，硅油風扇離合器距散熱器距離過大時，高溫熱空氣傳遞減慢，或不能及時迅速的傳遞到硅油風扇離合器感溫器處，同樣會導致發動機高溫或開鍋。

綜上所述，硅油風扇離合器的非故障性失效的根本原因應為：汽車在特殊惡劣工況下行駛，或汽車冷卻系統布局不合理，使原設定的溫度類比關系與實際的溫度類比關系不符，硅油風扇離合器嚙合延遲或不嚙合，進而導致發動機高溫或開鍋。

3、非故障性失效解決措施探討

3.1 修改硅油風扇離合器性能參數值

考慮到汽車在特殊惡劣工況行駛,如汽車重載或超載行駛，汽車重載或超載爬坡行駛等，修訂設定溫度類比關系，使設定的溫度類比關系更接近該特殊惡劣工況實際的溫度類比關系。經多次進行汽車重載爬坡行駛模擬試驗，最后將原嚙合溫度參數值60℃-65℃，修改為55℃-60℃。經路試效果良好，節能效果無明顯下降。

3.2 正確布置汽車冷卻系統

我們知道，硅油風扇離合器生產廠家的企業標準或行業標準中的嚙合溫度和分離溫度參數值是在設定條件確定的。主機廠在布置汽車冷卻系統時應盡量考慮接近設定條件，減小設定的溫度類比關系與實際的溫度類比關系誤差。汽車冷卻系統正常布置如圖3。

4、結論

（1）硅油風扇離合器非故障性失效根本原因是：多方面因素導致硅油風扇離合器原設定的溫度類比關系與實際的溫度類比關系不符，硅油風扇離合器嚙合延遲或不嚙合。

（3）正確布置汽車冷卻系統是解決硅油風扇離合器非故障性失效良好途徑。

（3）修改硅油風扇離合器性能參數值，適當降低嚙合溫度是解決硅油風扇離合器非故障性失效最佳途徑。路試證明，嚙合溫度設置在55℃-60℃時，效果明顯。

[1] 趙榮林,.硅油風扇離合器的正確使用及故障分析.內燃機1996, 05：29-31.

[2] 魏宸官,張少華,.硅油風扇離合器調速靈敏性分析[J].汽車工程1997.01:41-44,51.

[3] 冉振亞，韓兆運，趙樹恩。重型車用新型硅油風扇離合器的設計[J].機械設計與制造，2006, 03:12-13.

分析上面的圖形可以看出，對原始波形進行算術平均濾波后，波形在峰值附近比較不平滑；對原始波形進行一階低通濾波后，波形雖然相對光滑，但是濾波效果不好，對原始波形先進性一階低通濾波然后進行算術平均濾波，波形在峰值附近相對比較光滑，并且濾波效果要比僅僅進行一階低通濾波的波形好。

3、實驗及結論

示功特性是指減振器在壓縮和復原行程中的阻力變化特性。示功圖也可以顯示減震器在工作過程中的吸功能力。從示功圖上可以直觀的看出減震器的最大壓縮阻力和復原阻力。通過示功圖可以看出減震器的設計效果，示功圖應當穩定、完整，不應有空行程、阻尼系數突變等畸變情況[5]。某個氣壓減震器的示功圖如圖8所示。

參考文獻

[1] 祁立君,李錄平.基于VB的振動信號采集與分析系統的研究[J].微計算機信息，2007，9：118-120.

[2] 周慶貴. 基于 VB編程環境數據采集系統的設計[J].測控技術，2008,27（4）：62-64.

[3] 白樹森. 基于VB的數據采集系統[J].應用實踐，2006,1：74-75.

[4] 曹家興，薛敏華. 基于 VB 編程的電位滴定數據采集及處理系統[J].現代科學儀器，2010,8：62-64.

[5] 王泉.車輛工程減震技術解析[J].現代制造技術與裝備，2008,5：16-18.

Failure mode analysis of viscous fan clutch

Liu Zhengyao, Hu Shuiyang, Yang Changkai, Zhu Hongxue
(Daye nonferrous electromechanical Manufacturing Co. Ltd., Hubei Huangshi 435005)

This paper analyzes the working principle of viscous fan clutch in the condition of the car, draws non-faulty of viscous fan clutch is the root cause of the failure mode, and puts forward solutions and ideas of non-fault failure mode.The results show that the solution effect is obvious.

Viscous fan；Clutch；Failure Analysis

U463.2

A

1671-7988(2015)02-138-03

劉正耀，工程師，就職于大冶有色機電修造有限公司，從事汽車風扇離合器設計試驗研究。