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某小型SUV高原爬坡離合器熱管理性能優(yōu)化仿真分析

2021-03-10 15:38:10·  來(lái)源：汽車熱管理之家  作者：劉江 趙狐龍  
　
車輛連續(xù)坡起時(shí)，離合器長(zhǎng)時(shí)間處于滑磨狀態(tài)。此時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，若變速器油冷器的散熱不足以帶走產(chǎn)生的熱量，摩擦片的溫度會(huì)持續(xù)上升，當(dāng)溫度到達(dá)摩擦片限值時(shí)（250 ℃）觸發(fā)變速器保護(hù)策略，限制車輛轉(zhuǎn)矩輸出。為解決某小型SUV在高原地區(qū)連續(xù)爬坡變速器油
安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司 劉江 趙狐龍

車輛連續(xù)坡起時(shí)，離合器長(zhǎng)時(shí)間處于滑磨狀態(tài)。此時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，若變速器油冷器的散熱不足以帶走產(chǎn)生的熱量，摩擦片的溫度會(huì)持續(xù)上升，當(dāng)溫度到達(dá)摩擦片限值時(shí)（250 ℃）觸發(fā)變速器保護(hù)策略，限制車輛轉(zhuǎn)矩輸出。為解決某小型SUV在高原地區(qū)連續(xù)爬坡變速器油溫高導(dǎo)致限矩問(wèn)題，本研究通過(guò)CFD仿真分析給出合理的熱管理優(yōu)化方案。

問(wèn)題闡述
 
墨西哥城位于墨西哥中南部高原的山谷中，海拔2 240 m，四季氣候涼爽宜人，年平均氣候在18 ℃左右。由于地形特點(diǎn)，當(dāng)?shù)鼐用駞^(qū)坡道陡且長(zhǎng)，（圖1），所以對(duì)車輛的爬坡性能有更高的要求。
為提高客戶滿意度，提升產(chǎn)品適應(yīng)性，某小型SUV在當(dāng)?shù)嘏榔侣窙r進(jìn)行連續(xù)爬坡測(cè)試，測(cè)試工況見(jiàn)表1，連續(xù)成功爬坡次數(shù)2次，表現(xiàn)一般，爬坡性能有提升空間。
圖1 墨西哥城居民區(qū)坡道
表1 某小型SUV爬坡測(cè)試工況
經(jīng)過(guò)對(duì)測(cè)試車輛數(shù)據(jù)的監(jiān)控和分析，確認(rèn)影響車輛爬坡性能的主要原因是變速器油冷器散熱能力不足。車輛在坡起時(shí)離合器摩擦片會(huì)產(chǎn)生大量的熱，如果這些熱量得不到及時(shí)散發(fā)，摩擦片的溫度會(huì)持續(xù)上升，當(dāng)升高至限值（250 ℃）時(shí)，車輛觸發(fā)限矩保護(hù)策略。
問(wèn)題分析
該小型SUV前端冷卻模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示，呈三層布置方式，冷凝器布置在模塊的前上方，冷凝器與散熱器依次隨其后，整體布置簡(jiǎn)潔美觀。但油冷器布置過(guò)于靠前，造成它與冷凝器之間的間隙較大，且油冷器四周未裝配聚風(fēng)板，這些因素都將影響油冷器的進(jìn)風(fēng)量。
圖2 冷卻模塊結(jié)構(gòu)
圖3 油冷器換熱曲線
圖4 基本型仿真分析
經(jīng)CFD仿真分析，爬坡工況油冷器正面進(jìn)風(fēng)風(fēng)速僅有0.26 m/s。圖3為油冷器換熱測(cè)試曲線（油側(cè)溫度：110 ℃；流量：7 L/min；風(fēng)側(cè)溫度：30 ℃），結(jié)合圖3可以看出，在0.26 m/s的進(jìn)口風(fēng)速下，油冷器性能無(wú)法充分發(fā)揮。
通過(guò)CFD矢量圖可以看出，前端部分氣流從油冷器四周繞過(guò)，僅有小部分從正面流通（從圖4油冷器流體域顏色可以看出）。導(dǎo)致以上現(xiàn)象的主要原因有二：一是油冷器與冷凝器間隙過(guò)大，風(fēng)扇更容易從油冷器四周吸風(fēng)；二是油冷器本身厚重具有較大風(fēng)阻，氣流不易流通。
解決方案
根據(jù)上述分析，針對(duì)問(wèn)題提出兩組優(yōu)化方案，如圖5所示。
（1）增加聚風(fēng)板。在整個(gè)冷卻模塊四周添加聚風(fēng)板，減少“漏風(fēng)”和“回流”現(xiàn)象，提升進(jìn)風(fēng)效率。同時(shí)該聚風(fēng)板還可對(duì)油冷器上端具有一定導(dǎo)流作用，一定程度上可以提升油冷器進(jìn)風(fēng)量。
（2）“三層”變“兩層”布置方案。將冷凝器高度降低（為不影響空調(diào)性能，將其芯體適當(dāng)加密），將油冷器布置在冷凝器上方，整個(gè)冷卻模塊由“三層”變?yōu)?ldquo;兩層”結(jié)構(gòu)，減小風(fēng)阻有利于提升風(fēng)量。與此同時(shí)，油冷器與冷凝器并列布置，大幅減小了氣流繞過(guò)油冷器的現(xiàn)象，進(jìn)一步提升油冷器進(jìn)風(fēng)量。
通過(guò)CFD仿真計(jì)算兩種方案,如圖6所示。
圖5 優(yōu)化方案（左1、右2）
圖6 優(yōu)化方案仿真分析（左1、右2）
圖7 優(yōu)化方案對(duì)比
1）由于聚風(fēng)板的導(dǎo)流作用，有效減小了油冷器上端氣流繞流現(xiàn)象，同時(shí)整個(gè)冷卻模塊進(jìn)風(fēng)量也略有提升，油冷器正面進(jìn)風(fēng)風(fēng)速仿真結(jié)果為0.4 m/s。
2）“三層”變“兩層”布置方案大大減小了整體冷卻模塊的進(jìn)風(fēng)阻力，油冷器與冷凝器并列布置有效減小了油冷器前端氣流的散失，最終油冷器正面進(jìn)風(fēng)風(fēng)速仿真結(jié)果為1.18 m/s。
如圖7所示，與原狀態(tài)對(duì)比，方案1進(jìn)風(fēng)量有一定提升，變速器油冷器換熱量有一定程度增加；方案2進(jìn)風(fēng)量有大幅度提升，同時(shí)變速器油冷器散熱量也對(duì)應(yīng)大幅提升，改善效果顯著。

結(jié)論
本文通過(guò)對(duì)車輛測(cè)試數(shù)據(jù)的采集以及前端冷卻模塊結(jié)構(gòu)的分析確認(rèn)了原因。針對(duì)問(wèn)題癥結(jié)給出兩種優(yōu)化方案，同時(shí)利用CFD仿真方法驗(yàn)證方案的效果。仿真結(jié)果表明，冷卻模塊采用“三層”變“兩層”布置方式，可大大減少油冷器前端氣流的散失，同時(shí)減小冷卻系統(tǒng)的整體風(fēng)阻，變速器油冷器散熱量有了顯著的提升。


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