硅油風扇離合器轉矩傳遞的數值計算研究

趙立杰，劉 鵬，王新玲

(1.沈陽航空航天大學，遼寧 沈陽 110136； 2.寧波雪龍集團有限公司，浙江 寧波 315800)

0 引言

硅油風扇離合器利用硅油的黏性傳遞轉矩，故其相比傳統冷卻風扇噪聲小，且可根據溫度變化調速，在商用車上得到廣泛應用。硅油離合器與濕式離合器在原理上有一定的相似，Aphale等[1]針對濕式離合器的一組對偶片進行研究，建立了傳遞轉矩的計算公式，并通過試驗和仿真研究了徑向槽對轉矩的影響。Scott等[2]研究了不同工況下硅油風扇離合器工作腔、硅油和空氣之間的溫度差異，提出了“接合差異性”系數，使得傳遞轉矩計算結果更加精確。Blair[3]研究了硅油溫度對風扇離合器性能和使用壽命的影響，對硅油風扇離合器的研發有一定參考價值。李惠珍等[4-5]建立了離合器傳遞扭矩的數學模型，并根據試驗總結了離合器結構參數對性能的影響。趙文輝等[6]和范劍平等[7]不僅研究了幾個不同因素對靈敏性的影響，并且進行了電控硅油離合器的試驗研究。孟慶睿等[8]研究了液黏傳動設備啟動過程液體介質溫升對調速啟動的影響。黃家海等[9-10]建立了一對摩擦副內流體流場的數學模型，得到了傳遞的轉矩、溫度數值解，并通過仿真計算研究了溝槽對流場的影響。上官文斌等[11]建立了硅油離合器傳遞轉矩和散熱量的數學模型，并搭建了試驗臺，進行相關的測試。在此基礎上，本文對硅油風扇離合器轉矩傳遞的數值計算進行研究。

1 硅油離合器迷宮槽摩擦副轉矩傳遞的理論計算方法

1.1 理論基礎

黏性是流體的固有屬性，是流體表征抵抗變形能力強弱的性質。以層流運動為例，流體流動時，鄰近的兩層流體流速會有一定差異，速度小的流層阻礙速度大的流層，反之速度大的流層將拖動速度小的流層。平板間液體速度分布如圖1所示。

圖1 平板間流體速度分布

圖1中,設使上平板勻速運動所需要的力為F,則F(N)由下式計算:

F=μAU/h.

(1)

其中：μ為動力黏性系數，Pa·s；A為平板面積，m2；U為上板運動速度，m/s；h為上下板間隙，m。

根據牛頓內摩擦定律[12]，流體切應力τ(Pa)的大小與其黏性系數及速度梯度成正比，具體表達式為：

τ=μdv/dy.

(2)

其中：v為液體流速，m/s；dv/dy為沿y方向的速度梯度。

將硅油離合器的主動盤和從動盤安裝配合后可形成如圖2所示的迷宮槽，離合器工作時就依靠迷宮槽中的硅油傳遞扭矩。硅油離合器所傳遞的轉矩分為兩部分計算：一是迷宮槽圓柱面間隙所傳遞的轉矩；二是迷宮槽端面間隙所傳遞的轉矩。

設M1為一個端面間隙傳遞的轉矩，M2為一個柱面間隙傳遞的轉矩。迷宮槽摩擦副所傳遞的轉矩為所有端面間隙與柱面間隙傳遞轉矩之和。

圖2 迷宮槽摩擦副

迷宮槽端面傳遞的轉矩M1(Nm)以及柱面間隙傳遞的轉矩M2(Nm)計算公式如下：

(3)

(4)

其中：ρs為硅油密度，kg/m3；γs為運動黏性系數，m2/s；ωa、ωb分別為主、從動盤角速度，rad/s；r1、r2為端面迷宮槽旋轉半徑，m；R1、R2為柱面迷宮槽旋轉半徑。

某一柱面間隙與端面間隙內液體旋轉半徑如圖3所示。對本文所建立的模型，共有10個柱面間隙及9個端面間隙，其傳遞的轉矩之和為輸出轉矩。

圖3 轉矩計算半徑示意圖

1.2 迷宮槽扭矩傳遞的仿真模型

迷宮槽的尺寸示意圖如圖4所示。在Hypermesh中完成網格劃分工作，網格采用結構化六面體網格。為計算準確，將與迷宮槽入口相連的區域劃入計算模型中，為節省計算資源采用周期模型進行計算。邊界條件具體為：主動盤轉速1 000 r/min、從動盤轉速900 r/min，采用質量流量入口及壓力出口。耦合算法采用SIMPLIC算法，動量、能量方程均采用二階迎風格式，計算結果收斂標準采用軟件默認即可。迷宮槽流場網格模型如圖5所示，硅油物性參數如表1所示。

圖4 迷宮槽尺寸示意圖

2 計算結果與分析

2.1 模型正確性驗證

輸出轉矩的仿真結果與理論計算結果對比如表2所示。由表2可知，主動盤轉速為1 000 r/min、從動盤轉速為900 r/min時輸出轉矩的理論計算值與仿真結果僅相差0.62 Nm，驗證了此模型可用來做轉矩仿真計算。

圖5 迷宮槽流場網格模型

參數數值密度(kg/m3)980黏度(Pa·s)9.8比熱[J/(kg·K)]3 300熱傳導率[W/(m·K)]0.6

表2 輸出轉矩仿真值與理論計算值對比

2.2 溫度分布

主動盤轉速為1 000 r/min、從動盤轉速為900 r/min下仿真得到的迷宮槽硅油溫度變化如圖6所示。

圖6 迷宮槽硅油溫度變化

由圖6可得：輸入轉速為1 000 r/min、輸出轉速為900 r/min的工況下，硅油由于內部的摩擦剪切導致溫度升高，且溫度隨著迷宮槽半徑增加而增加；在絕熱邊界條件下，旋轉半徑最小的槽內硅油溫度有301 K左右,旋轉半徑最大的槽內硅油溫度有306 K。分析原因可知，由于迷宮槽半徑的增加，主、從動板圓周速度增加，迷宮槽內硅油圓周速度在Z向的梯度增加，耗散生熱量相應增加。

2.3 輸入轉速對流場壓力的影響

仿真得到的迷宮槽流場壓力沿徑向的變化如圖7所示。

由圖7可以看出：在某一確定輸入、輸出轉速下，迷宮槽內流場壓力分布沿半徑方向呈臺階狀，且對于迷宮槽的各端面間隙，旋轉半徑越大，端面間隙的壓力越小，相鄰端面間隙壓力的減小量為兩者中間柱面間隙壓力的變化量；對于迷宮槽的柱面間隙，各個間隙內流場壓力沿半徑方向減小，但對于某一柱面間隙內部，流場壓力沿半徑方向基本不變，沿軸向變化幅度較大。

圖7 迷宮槽流場壓力沿徑向的變化曲線

3 硅油離合器轉速跟隨測試試驗

硅油離合器性能試驗臺原理圖如圖8所示。該試驗臺包括電機、轉矩儀、紅外線轉速儀，風扇離合器總成、電腦等。

1-電機；2-轉矩儀；3-紅外線轉速儀；4-風扇離合器總成；5-溫度傳感器；6-加熱器；7-鼓風機

利用試驗設備測得輸入轉速分別為1 000 r/min、1 500 r/min、2 000 r/min、2 500 r/min以及3 000 r/min的輸入轉矩，試驗結果與仿真結果的對比如圖9所示。由圖9可以看出：輸入轉速越大，所需的輸入轉矩隨之增加；在輸入轉速較低的情況下，仿真計算輸入轉矩與實測值較為接近，但在輸入轉速較大時，仿真值要大于實測值，但輸入轉矩隨輸入轉速變化的趨勢基本一致。

4 結論

本文在考慮了黏性液體內摩擦生熱的基礎上，分析研究了硅油離合器的扭矩傳遞性能，結果表明：

(1) 本文所建立的仿真模型在硅油離合器扭矩傳遞的計算上與理論計算值吻合程度很高，故可用此模型對硅油離合器的轉矩傳遞性能作簡單預測。

(2) 流體溫度場的分布情況為半徑大的迷宮槽處，產生的黏性耗散熱多于半徑小的迷宮槽，溫度升高更明

顯。硅油離合器滑差越大，硅油的Z向速度梯度就越大，黏性產生的耗散熱隨之增加。

(3) 本文所建立的模型在計算轉矩時需要已知輸入轉速、輸出轉速，不能根據輸入轉速計算滑差和輸出轉速等，對此方面的仿真計算需要進一步研究完善。

圖9 相同輸入轉速下輸入轉矩仿真值與實測值對比