分動器用濕式單離合器鋼片軸向溫度場分布研究

徐占 屠有余 劉振宇 倪家傲 劉偉東

【歡迎引用】 徐占，屠有余， 劉振宇，等.分動器用濕式單離合器鋼片軸向溫度場分布研究[J].汽車文摘，2024（XX）： 1-11.

【Cite this paper】 XU Z， TU Y Y， LIU Z Y， et al. Research on Axial Temperature Field Distribution of Wet Single Clutch [J]. Automotive Digest （Chinese）， 2024（XX）：1-11.

【摘要】以適時分動器用濕式離合器為研究對象，搭建離合器傳遞扭矩熱力學模型，估算離合器傳遞扭矩及對流換熱因數，提取影響鋼片溫度的關鍵因素，并對關鍵因素開發鋼片溫度動態測試物理模型。基于實測結果，分析不同鋼片軸向溫度場分布規律，優化離合器冷卻油道，實現了不同鋼片最大溫度差降幅達74.6%，有效提升離合器傳遞扭矩能力，同時進行不同油溫、扭矩、轉速差下的離合器溫度模型深度標定，實現分動器實車精準傳遞扭矩能力的同時，仍具備可靠的熱保護功能。

關鍵詞：濕式單離合器；鋼片溫度；溫度模型；動態測試

中圖分類號：U463.215 ? 文獻標識碼：A ?DOI： 10.19822/j.cnki.1671-6329.20220125

Research on Axial Temperature Field Distribution of Wet Single Clutch

Xu Zhan，Tu Youyu， Liu Zhenyu， Ni Jiaao， Liu Weidong

（Global R&D Center， China FAW Corporation Limited， Changchun 130013）

【Abstract】 Taking wet clutch as the research object， through theoretical calculation of coupling steel temperature of clutch， the clutch torsional and convective heat transfer coefficients are estimated by establishing the clutch torsional thermodynamic model. The main factors affecting the accuracy of calculation are extracted， and a physical model for dynamic measurement of steel sheet temperature is developed for key factors. Based on the measured results， the distribution law of axial temperature field of different steel plates is analyzed， the cooling oil passage of the clutch is optimized， the maximum temperature difference of different steel plates is reduced by 74.6%， which effectively improves the transmission torque of the clutch. At the same time， the clutch temperature model in-depth calibration under different oil temperature， torque and speed difference is carried out， which realizes the precise torque transfer ability of the transfer case while still secures the function of reliable thermal protection function.

Key words： Wet single clutch， Temperature of the steel， Temperature model， Dynamic testing

0 引言

目前市場上主流的適時四驅分動器均采用多片濕式離合器做為中央差速和扭矩分配機構。單離合器與雙離合器（Dual Clutch Transmission，DCT）的不同點主要體現在扭矩容量大、摩擦片組多、摩擦片面壓大、冷卻流量被動控制方面。在離合器傳遞扭矩過程中，如果因離合器冷卻油道設計不合理，會導致離合器不同鋼片溫升速率差異較大，部分摩擦片組會過早超過許用溫度限值，導致離合器燒蝕，嚴重影響離合器傳遞扭矩及耐久性能，目前各項研究均采用熱仿真進行濕式離合器溫度估算[1-9]。

為研究整車極限越野工況下，不同對偶鋼片軸向溫度場分布情況，本文從濕式離合器熱力學估算、鋼片溫度動態測試、離合器冷卻油道設計、冷卻油道改進前后驗證結果4個方面進行分析，研究2種不同冷卻油路下，離合器各鋼片軸向溫度場分布情況。本文以縱置后驅轉四驅車型用適時四驅分動器為例，進行上述溫度分布研究。

1 濕式單離合器熱力學估算

對于單式多片濕式離合器，傳遞扭矩與普通雙離合器一樣，主要影響因素有離合器工作摩擦面數、摩擦副摩擦因數、摩擦面內外徑、摩擦片之間的壓力。根據濕式多片離合器數學模型[1-2]，進行了濕式離合器傳遞扭矩研究，其傳遞扭矩為：

[TC=2nμF3r13-r23r12-r22] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：TC是離合器向前輸出扭矩；n是離合器摩擦面數；μ是離合器摩擦因數，為經驗值，μ取0.1；F是離合器壓緊力；r1是摩擦面外徑；r2是摩擦面內徑。

本文只針對離合器滑摩狀態進行測試分析，常用牛頓冷卻公式計算摩擦片表面強制對流換熱[2]，如式（2）所示。滑動摩擦時摩擦副表面對流換熱因數計算[2]如式（3）所示。

[Q1=Ah（TS-Tf）] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

[h=0.332ω12λ23ρ12cp13η-16] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：A是換熱表面積，h是對流換熱因數，Ts是進入離合器的油溫，Tf是摩擦副工作表面溫度，[ω]是摩擦片滑動摩擦角速度，λ是潤滑油熱傳導因數，ρ是潤滑油密度，Cp是潤滑油比熱容，η是潤滑油溫度為Ts時潤滑油黏度。

2 離合器鋼片溫度影響因素

摩擦片的加工精度和磨損程度都會影響滑摩過程溫升情況，同時需要結合系統慣性、載荷、接合時長、接合過程、滑摩速差、基礎油溫、分動器殼體環境溫度、潤滑油流量多維度分析[1-9]，提取關鍵因素，并在對偶鋼片溫度動態測試開發中以充分考慮，確保溫度測試邊界條件與實車匹配應用完全一致，才能使分析和溫度模型標定具有應用價值和意義。如圖1和圖2所示，建立多維度溫升和散熱影響因素分析圖，能夠準確提取溫升主要因素。

圍繞摩擦片升溫和散熱影響因素，設計對偶鋼片動態溫度測試方案，考慮鋁殼體面積和潤滑油量對離合器溫度影響，本文將基于分動器總成，完全按照實車苛刻及常用工況，對離合器鋼片溫度進行精確測量分析。

3 對偶鋼片溫度動態測試

3.1 測試難度分析

由于離合器摩擦片承受高溫、高轉速的復雜環境，并處于浸油、封閉腔體內，且摩擦片組數眾多，同時采集各對偶鋼片溫度難度極大。已發表的離合器溫升實測的文獻數量較少[10-11]，并且沒有關于分動器用濕式單離合器的鋼片溫度實測文獻。99%的濕式離合器文獻研究對象是模型和仿真，其實測難度主要表現在：

（1）數據采集設備布置困難

摩擦片組處于狹小密閉空間，數據采集設備電路系統的設計和硬件安裝極具挑戰性。

（2）數據傳輸穩定性難以保證

摩擦片組和壓盤都是高速旋轉件，需要使用無線數據傳輸的方式采集溫度信號。無線傳輸系統的準確性、穩定性是試驗能否成功的關鍵。

（3）電力持續穩定供應困難

受電池體積和續航時間限制，依靠電池供電的傳統方式在此種測試下無法使用。在不影響離合器功能的前提下，通過無線電磁感應方式實現可靠、穩定、持續的電力供應是實現溫度測試的難點之一。

（4）測控系統可靠性要求高

在臺架上實現各個變量解耦，對臺架的控制非常重要。為了實現完整的升溫和降溫過程，測控系統要有足夠的可靠運行時間，以捕獲所需的參數。

（5）傳感器選型與安裝難度較高

要求K型熱電偶傳感器測頭及線束直徑小于0.25 mm，線束需抗電磁干擾并具有耐磨、耐高溫和油品兼容性。傳感器測頭需要通過鑄工膠封裝在提前采用電刻蝕徑向打孔的鋼片內部。

3.2 測試方案開發

針對分動器中濕式離合器摩擦片組冷卻流量沿軸向分布特點，設計定制化方案。冷卻油泵內轉子通過花鍵固定在分動器輸入軸上，油液隨輸入軸轉動通過導油孔泵入離合器內部對摩擦片組冷卻降溫，屬于被動冷卻方式。對偶鋼片溫度測試方案如圖3所示。

本文采用射頻測試技術，在8個對偶鋼片的傳遞扭矩過程中實現溫度實時精準采集。總體技術路線：對偶鋼片內埋入式的K型熱電偶直接接入射頻發射器上，而發射器通過離合器外殼上固定的旋轉工裝一起隨外殼高速旋轉，射頻信號通過工裝上的轉子天線、殼體上的定子天線傳輸至固定在臺架上的主機接收器。定轉子天線要實現信號穩定傳輸，需要計算設計出合理范圍的電容，為發射器供電。天線線圈電容計算見式（3），線圈產生的感應電勢計算見式（4）。

[Ca=εb1d1/4kd] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

[Ea=N（Δ?/Δt）] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

式中：Ca為定、轉子線圈極板電容，ε為極板介電常數，b1為轉子線圈寬度，d1為轉子線圈直徑，k為靜電力常量，d為定、轉子線圈間距，Ea為高頻磁場感應電勢，N為線圈匝數，Δφ/Δt為磁通率。

發射模塊需要穩定的電壓、電荷量，以確保信號采集及傳輸的穩定性，因此電容即天線制作極其重要。電容過大，發射器處于供電保護狀態；電容過小，導致信號傳輸不穩定。線圈由鉬金屬、絕緣膠帶等多種材料交替覆蓋，兩個線圈最終形成一個封閉電容極板。轉子線圈設計見圖4，定子線圈設計見圖5。

結合摩擦產熱理論計算和單組摩擦片熱分布仿真分析[11]，確定對偶鋼片最高溫處于有效摩擦面的中心位置，鋼片溫度仿真分析見圖6，溫度傳感器測頭（K型熱電偶）安裝位置見圖7。

3.3 對偶鋼片溫度測試條件

基于分動器總成，通過無線射頻實時測試該濕式離合器在總成運轉狀態下8個對偶鋼片最高溫度。依據縱置適時四驅分動器不同典型工況的離合器使用邊界開展溫度測試，測試條件見表1。

4 試驗結果與冷卻油道布置分析

4.1 對偶鋼片溫度測試結果

K型熱電偶編號為1#～8#。由于溫度采集模塊最多可拓展到8個通道，而被測離合器擁有10組摩擦片，因此兩側的對偶鋼片溫度不予以采集。從離合器壓盤開始順序編號，第1個鋼片設置為A1#，第2個設置為A2#，以此類推直至最后1個鋼片設置為A10#，熱電偶1#～8#對應鋼片A2#～A9#。熱電偶在鋼片上布置見圖8，鋼片編號見圖9。

被測離合器由內外花鍵轂、摩擦片組、回位彈簧和壓盤部件組成，其中冷卻油通過對稱設計的內花鍵轂上的徑向油道，進入中間部位摩擦片組并同時向兩側流動。被測離合器冷卻內部油道分布見圖9。

以分動器30 ℃油溫、輸入轉速為500 r/min的工況為例，進行A2#～A9#不同鋼片溫升和溫降工況測試分析。同一轉速差為200 r/min下，離合器傳遞不同扭矩時，鋼片溫度測試結果見圖10～圖15。

通過上述試驗結果（圖16～圖18）表明，10組摩擦片僅靠單油道進行冷卻，各鋼片溫差高達114 ℃，遠離油道溫升較快。溫差隨傳遞扭矩增加先變大再降低，最后保持不變。該油道設計帶來的溫度分布異常，將嚴重影響其壽命。

4.2 冷卻油道改進與驗證

上述單排冷卻油道設計導致不同鋼片溫度差異較大，需對油道進行優化設計，原冷卻進油道布置在離合器內轂中間部位，為同一平面單排環形槽設計，該環形槽上均布6個徑向油道孔，潤滑油進入環槽后由環槽上同一平面的6個油道孔進入10組摩擦片的中間部位進行潤滑冷卻，導致上述中間摩擦片溫度遠低于兩邊的摩擦片，冷卻嚴重失衡。新改進方案是根據原鋼片溫度分布情況進行軸向環槽優化，增加一排環形槽設計，單環槽上的徑向油道數量不變，確保每排油道均勻冷卻5組摩擦片，改進方案見圖19。

將改進后的方案按照改進前的工況重新進行臺架試驗便于對比改進效果。選取試驗潤滑油溫為30 ℃、分動器輸入轉速為500 r/min、輸出轉速為300 r/min和離合器向前傳遞扭矩為400 N·m的典型工況的試驗結果進行說明，試驗結果見圖20～圖22。

通過對比分析離合器冷卻油道改進前后鋼片溫度試驗結果，發現單油道各鋼片溫差最高約29 ℃，遠低于改進前的114 ℃；溫差隨傳遞扭矩增加逐漸上升，最后保持不變，變化特征明顯，便于溫升控制。改進后溫度分布正常，符合濕式離合器傳遞扭矩溫升特性，離合器可靠性與耐久性大幅提升。

5 發熱因數與冷卻因數標定

5.1 鋼片升降溫因數試驗

為建立發熱、冷卻因數與離合器滑摩功率的標定關系[12]，以分動器油底殼處油溫60 ℃為基礎，基于臺架試驗進行不同輸入轉速、轉速差和傳遞扭矩下鋼片溫度動態測試。通過離合器鋼片溫度上升、下降工況的精準測試結果分析，擬合同一工況下能夠包含所有鋼片的升溫和降溫隨時間、滑摩功率關系，提取鋼片溫度發熱、冷卻因數[13]，并寫入分動器離合器溫度模型列表中，為整車離合器傳遞扭矩與熱保護提供精準的熱模型數據，發熱及冷卻因數與臺架離合器滑摩功率標定關系見圖23～圖24。

發熱因數隨離合器滑摩功率的變化趨勢以20 kW為轉折點，小于20 kW時相同功率下隨著輸入轉速上升發熱因數呈下降趨勢，轉速越低發熱因數越高，發熱因數在范圍為350～550；當滑摩功率高于20 kW時，各轉速下的發熱因數逐漸趨于穩定，達到平衡狀態，對整車分動器離合器傳遞扭矩標定有利。冷卻因數隨滑摩功率變化趨勢也是在20 kW處呈明顯分界，但低于該滑摩功的工況各輸入轉速下的冷卻因數差異較大，轉速越高冷卻因數越大，散熱能力越強；在滑摩功率大于20 kW以后的工況，不同轉速下冷卻因數逐漸趨于一致，有利于對整車連續傳遞扭矩工況下插值點的鋼片溫度準確估算。

5.2 搭建離合器溫度模型

基于該濕式離合器鋼片溫度估算，進行離合器溫度模型搭建[14]，共有4個模塊組成，包括流量計算模塊、功率計算模塊、因數計算模塊和溫度計算模塊，離合器溫度模型見圖25。

基于上述離合器鋼片溫度估算模型，將發熱因數和冷卻因數模型標定分為以下3個步驟進行。

（1）基于穩態滑摩試驗結果，獲取基礎加熱因數和冷卻因數。結合油溫、滑摩功率和后軸轉速3個輸入信號，反向查臺架試驗數據表獲取當前工況的基礎加熱因數和基礎冷卻因數，基礎因數表可標定修正。

（2）通過需求扭矩、滑摩功率及滑摩功率變化率識別滑摩狀態。判斷當前離合器是在有轉速差滑摩還是在無轉速差滑摩，進而選取對應狀態下的冷卻因數，標定閾值須能準確識別滑摩狀態。

（3）通過識別當前擋位，區分前進擋和倒擋情況。對于倒擋工況下，不同滑摩狀態，標定不同冷卻潤滑油流量，修正冷卻功率，由最終的發熱因數、冷卻因數、發熱功率、冷卻功率進行溫度計算，獲取離合器鋼片片溫和離合器甩油油溫。

5.3 溫度模型仿真結果

通過對溫度模型發熱因數、冷卻因數、滑摩狀態，來判斷閾值，充分考慮其溫度場、變形場和流場之間的相互作用，基于上述摩擦副熱流固耦合數學模型[15]，進行轉速差200 r/min、傳遞扭矩1 000 N·m的工況連續3次滑摩仿真，每次滑摩持續時間5 s。仿真計算結果表明，離合器鋼片溫度計算值與動態工況下離合器實測鋼片溫度變化趨勢相同，擬合效果溫升階段優于溫降階段，均能夠真實精準覆蓋離合器鋼片最高溫。通過該溫度模型計算的鋼片溫與相同工況實際鋼片測試溫度絕對差值均在10 ℃以內，滿足溫度控制需求，計算結果準確可靠，為離合器溫度保護判斷提供了有效信息，以6#鋼片為例，溫升實測結果與仿真數據對比見圖26。

6 結束語

分動器在向前傳遞不同扭矩時，根據離合器冷卻油道改進前后鋼片溫度軸向分布實測試驗結果分析得出以下結論：

（1）對于多片式濕式單離合器，采用對稱式單冷卻油道設計，各工況下不同鋼片溫度差異較大，單排油道冷卻軸向摩擦片數量不宜超過5組。

（2）離合器采取大流量與軸向均布冷卻方式更利于離合器散熱，但大潤滑油流量增加分動器輸入軸的拖曳損失，從而影響傳動效率需要進行仿真尋優。

（3）不同輸入轉速下和離合器相同滑摩功率下，鋼片的發熱因數有較大差異，轉速越大發熱因數越小，滑摩功率大于20 kW后發熱因數基本趨于穩定。

（4）離合器滑摩功率小于20 kW時，在不同輸入轉速下鋼片的冷卻因數差異比發熱因數更大，轉速越高冷卻因數越大，滑摩功率大于20 kW后冷卻因數與輸入轉速敏感度降低并趨于相同。

（5）基于冷卻潤滑油流量、滑摩功率、冷熱因數、鋼片溫度的離合器溫度模型進行溫度仿真，仿真鋼片溫度與臺架實測鋼片溫度的差值小于10 ℃，表明離合器溫度模型精準可靠。

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（責任編輯 明慧）

【作者簡介】

徐占（1984—），男，中國第一汽車股份有限公司研發總院，主要研究方向為傳動系統設計方法。

E-mail： xuzhan@faw.com.cn