適時四驅多片離合器熱問題分析及優化

王敷玟 張家彬 徐霖

摘 要：介紹了運用于某適時四驅的軸間多片離合器，針對軸間多片離合器在惡劣工況下容易過熱的問題，通過摩擦學及熱力學理論，分析多片離合器的熱平衡機理，提出多片離合器的溫度控制方法，并通過實車進行參數標定，實踐表明：提出的溫度控制方法能有效抑制多片離合器片溫升，從而提升車輛在嚴苛工況下的連續越野性能，為車輛越野持續性能提升提供解決方案，具有較強的工程應用價值。

關鍵詞：多片離合器;熱平衡;溫控方法;越野性能

Abstract： Introduced the multi-disc clutch used real time four wheel drive， Aiming at the problem that the multi-disc clutch is prone to overheating under severe conditions， the thermal control of method multi-disc clutch is put forward by analyze the thermal balance mechanism of multi-plate clutches according to tribology and thermodynamic theory， and parameter calibration through real vehicles， the practice shows that the proposed temperature control method can effecti -vely suppress the temperature rise of multi-plate clutch plates， thereby improving the continuous off-road performance of the vehicle under severe conditions， which provide solutions for improve off-road performance of vehicles， and have engineering application value.

Keywords： Multi-disc clutch; Thermal equilibrium; Temperature control methods; Off-road performance

前言

適時四驅系統是一種主動控制系統，可通過軸間多片離合器根據不同的車輛行駛工況智能決策后橋扭矩輸出，使車輛獲得優良的動力性、越野性、燃油經濟性及操縱穩定性[1-3]。

軸間多片離合器作為控制前后軸扭矩分配的核心，其持續正常工作能力對于四驅系統性能的發揮具有重要作用，是適時四驅系統重要的功能安全件。然而，由于駕駛員駕駛風格迥異，車輛行駛路況復雜多變，多片離合器經常工作于滑摩狀態，頻繁的斷開與結合將使多片離合器產生大量的熱量。這些熱量如果得不到及時散失，多片離合器摩擦表面會迅速升溫，導致熱點產生，甚至發生離合器片翹曲、粘結、脫開，總成密封性破壞等現象[4]。從而引起整車轉向軸間干涉異響、無四驅輸出/漏油等問題、引起客戶抱怨。

針對多片離合器過熱的問題，文獻[5]利用Matlab建立了主離合器二維溫度場模型，并在直線加速、直線爬坡等工況下進行了溫度預測，獲取了多片離合器溫度場;文獻[6]建立了濕式離合器摩擦副接合工況下的瞬態傳播熱模型，并通過優化徑向矩形油槽寬度來優化離合器溫升問題，文獻[7]引入了副間等效對流換熱系統和等效增益系統，優化了溫度場數值模擬，獲得了較為精準的接觸面局部散熱的濕式離合器摩擦片滑摩溫升特性。然而，上述研究針對多片離合器過熱問題，主要研究內容為如何提升溫度模型的精度，未提及采取何種措施抑制離合器片溫升過快。然而，對于產品硬件特性較為成熟的多片離合器來說，其溫度場已經過多輪驗證，具有較好的溫度估算精度。因此，如何根據已有的溫度模型對其進行溫升分析及溫升抑制成為研究的重點。

本文針對一款全新開發的中大型SUV，基于研發成熟的溫度預測模型，通過優化多片離合器自身控制控制及與整車電控系統匹配，優化多片離合器過熱性能，提升車輛越野持續性，實現城市行走和越野休閑的平衡。

1 適時四驅軸間多片離合器簡介

如圖1所示，采用的四驅系統為一種主動控制的智能適時四驅系統，它主要由取力器總成、中間傳動軸、軸間多片離合器、后差減速器總成等組成。

適時四驅軸間多片離合器是實現車輛前后軸扭矩分配的關鍵執行器。該多片離合器主要由輸入軸、電磁線圈，初級摩擦片組，凸輪盤組件、次級摩擦片組及輸出軸組成。本文研究的多片離合器結構如下：

多片離合器輸入軸連接中間傳動軸，傳遞由動力總成經過取力器及中間傳動軸傳動的力矩，通過多片離合器電控系統控制電磁鐵的電流使電樞吸合，使初級摩擦片組結合，再通過凸輪盤增力機構帶動鋼球在異形球道中運動使次級摩擦片組結合，最終將凸輪盤增力后的的扭矩傳遞給輸出軸。多片離合器傳遞的扭矩與通入電磁鐵的電流成正比，并可以通過調節電流的大小來控制輸出的扭矩大小。可以通過標定實現特定路況/情況下的前后橋扭矩按照一定比例分配，與ESP共同工作提高整車的操縱性及安全性。

上述多片離合器控制扭矩的實現，是通過次級多片摩擦片組中摩擦片及對偶鋼片兩者的相互滑摩，最終使兩者速度同步，達到傳遞力矩的目的，因而滑摩過程中多片離合器也會產生大量的熱，良好的溫度特性對于適時四驅SUV的四驅性能至關重要。

2 多片離合器溫度溫升機理

多片離合器的熱量主要由于次級摩擦片組中摩擦片與對偶鋼片的滑摩產生，產生的熱通過對流及熱傳導傳遞至離合器潤滑油、再通過對流和熱輻射等傳遞至大氣中，因此需要分析多片離合器的生熱機理并討論熱傳傳導、對流和輻射三種傳熱方式。

2.1 摩擦生熱

根據滑摩原理[8]，多片離合器熱量主要取決于正壓力及轉速差，為：

其中，ωsl （t）為輸入摩擦片與對偶鋼片轉速差，τcl（t）正壓力。

2.2 熱傳遞方式

多片離合器的摩擦副兩者均為旋轉部件，并與潤滑油直接接觸，存在著不同形式的熱傳遞，主要通過熱傳導、對流、及熱輻射三種方式同時進行[9]。

1）熱傳導

熱傳導是物體各部分之間不發生相對位移，依靠分子、原子和自由電子等微觀粒子熱運動而產生的熱能傳遞。溫度梯度是發生熱傳導的必要條件。熱傳導過程中，符合傅立葉定律，在各向同性、均勻連續介質中，通過某一截面的熱流密度表達式為：

式中：q為單位時間通過表面的熱流密度，W/m2;λ為材料導熱系數，W/（m°C）;n為單位法向向量;T為材料溫度，°C;“-”為熱量向低得的方向傳導。

2）熱對流

熱對流是流體的流動與其相接觸的壁面，或其他流體之間的熱量交換過程。其中對流換熱的牛頓計算冷卻公式為：

式中，h為對流換熱系數;Tw為固體表面溫度;Tf為流體溫度。影響對流換熱系數h因素主要有四個方面，流動的狀態和起因、流體的物理性質、熱交換面的幾何形狀及有無相變等。在對流計算的過程中，流體遵循質量、動量、能量的守恒。

3）熱輻射

輻射換熱是指物體之間靠輻射的方式進行熱量的傳遞。和熱傳導和熱對流有明顯的不同，輻射換熱不需要物質媒介。物體表面的輻射最大密度滿足由斯蒂芬—波爾茲曼（Stefan- Boltzmann）定律：

式中，Ts為表面絕對溫度，K;σ為斯蒂芬波爾茲曼常數;

ε為物體的表面發射率，取值范圍在0-1之間;發射率取決于物質種類，表面溫度和表面狀況。

由于多片離合器結構非常復雜，是一種流固多耦合系統，需要在試驗環境下綜合分析多片離合器的生熱及散熱問題。

2.3 熱平衡方式

根據多片離合器結構，分析多片離合器熱量傳遞途為：

其中，為溫升率，ρ為離合器潤滑油密度，Cp為離合器潤滑油熱容，為與扭矩管理器硬件結構相關的綜合散熱傳遞系數，A為散熱面積，T∞為計算起點溫度。

3 解決方案分析

由多片離合器溫升原理，從通過以上分析，針對扭矩管理器溫升問題，對其溫度升因素進行FTA分析，提出優化措施：

上述措施中，多片開離合器溫度控制方式主要包括生熱控制和散熱控制，考慮多片離合器結構已固定，通過優化散熱系統、增加散熱面積及本體熱容量需要反復的工程實踐，耗費周期較差，不具有可操作性，因此從控制離合器片打滑來控制多片離合溫升，主要為：

根據RDU鎖止控制及限扭控制原理，與其它電控系統匹配，建立Matlab/Simulink模型：

4 驗證效果

為確認RDU鎖止控制及限扭控制對抑制多片離合器溫升的效果，以20°沙土坡道起步和深沙越野工況為例，進行整車標定及測試。

圖8分別為未實施優化控制、僅實施限扭控制、僅實施RDU鎖止控制及實施所有控制時，車輛連續啟停通過通過20°沙土坡道的次數，結果表明，同時實施RDU鎖止控制及限扭控制后車輛連續啟停爬坡次數達23次，遠大于未實施任何控制時車輛的爬坡次數6次;此外，僅實施限扭控制、僅實施RDU鎖止控制時，也可提升車輛連續啟停爬坡次數，分別為9次和10次。表明所提出的溫度控制方法具有在極限脫困工況下具有顯著效果。

為進一步驗證所提出的溫度控制方法有效性，將實施不同控制方法的車輛在深沙上沿預設的路徑行駛，記錄車輛四驅持續工作時間，如下表：

表1中，實施所有控制控制的四驅的持續工作時間為570s，優于僅實施限扭的控制及僅實施RDU鎖止的控制，可將四驅持續工作提升235s。此外，僅實施限扭控制及僅實施RDU鎖止控制也可提升四驅持續工作時間，分別為提升105s及143s。

5 結論

本文運用于適時四驅的軸間多片離合器為研究對象，通過分析多片離合器溫升機理，提出RDU鎖止模式、多片離合器對發動機限扭控制轉速差及溫度限扭控制，并通過實車標定優化，得出如下結論：

（1）所提出的RDU鎖止控制及限扭控制均可提升多片離合器過熱性能，并且同時實施時可獲得最佳效果、大幅提升四驅過熱性能，從而提升車輛極限工況下的通過性，具有較強的工程實用價值;

（2）標定開發時，多片離合器電控系統與整車其他電控系統需要統一協調控制、才能更有效提升整車動力性、越野通過性及多片離合器的過熱性能。

參考文獻

[1] Kenneth D. Norman. Objective Evaluation of On-Center Handling Performance[J]. Warrendale PA： SAE paper 84--69.

[2] Hiroyuki Ando and Tsuyoshi Murakami，AWD Vehicle Simulation with the Intelligent Torque Controlled Coupling as a Fully Control -lable AWD System，2005 SAE World Congress Detroit， Michigan April 11-14， 2005.

[3] 田磊.適時四驅典型工況扭矩分配控制策略及仿真[D].北京：北京理工大學，2016.

[4] 楊亞聯，張喀，秦大同.濕式多片離合器熱機耦合溫度場及應力場分析[J]中國機械工程，2014，25（20）：2740-2781.

[5] 孫雷.NexTrac扭矩管理器工作原理及性能分析[D].北京：北京理工大學，2016.

[6] 李東兵.混合動力車輛濕式多片離合器徑向矩形油槽寬度對溫度場影響[J].機械傳動，2015，39（12）：49-52.

[7] 吳健鵬，馬彪，李和言等.考慮接觸面局部散熱的濕式離合器摩擦片滑摩溫升特性[J].北京理工大學學報，2019，39（9）：926-932.

[8] 溫詩鑄.摩擦學原理[M].北京：清華大學出版社，1990：100-102.

[9] 趙鎮南.傳熱學[M]北京：高等教育出版社，2002：32-41.