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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·  來源：汽車熱管理之家  作者：劉江 趙狐龍  
　
車輛連續(xù)坡起時，離合器長時間處于滑磨狀態(tài)。此時會產生大量的熱，若變速器油冷器的散熱不足以帶走產生的熱量，摩擦片的溫度會持續(xù)上升，當溫度到達摩擦片限值時（250 ℃）觸發(fā)變速器保護策略，限制車輛轉矩輸出。為解決某小型SUV在高原地區(qū)連續(xù)爬坡變速器油
安徽江淮汽車集團股份有限公司 劉江 趙狐龍

車輛連續(xù)坡起時，離合器長時間處于滑磨狀態(tài)。此時會產生大量的熱，若變速器油冷器的散熱不足以帶走產生的熱量，摩擦片的溫度會持續(xù)上升，當溫度到達摩擦片限值時（250 ℃）觸發(fā)變速器保護策略，限制車輛轉矩輸出。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致限矩問題，本研究通過CFD仿真分析給出合理的熱管理優(yōu)化方案。

問題闡述
 
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，當地居民區(qū)坡道陡且長，（圖1），所以對車輛的爬坡性能有更高的要求。
為提高客戶滿意度，提升產品適應性，某小型SUV在當地爬坡路況進行連續(xù)爬坡測試，測試工況見表1，連續(xù)成功爬坡次數2次，表現一般，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爬坡測試工況
經過對測試車輛數據的監(jiān)控和分析，確認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。車輛在坡起時離合器摩擦片會產生大量的熱，如果這些熱量得不到及時散發(fā)，摩擦片的溫度會持續(xù)上升，當升高至限值（250 ℃）時，車輛觸發(fā)限矩保護策略。
問題分析
該小型SUV前端冷卻模塊結構如圖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，整體布置簡潔美觀。但油冷器布置過于靠前，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板，這些因素都將影響油冷器的進風量。
圖2 冷卻模塊結構
圖3 油冷器換熱曲線
圖4 基本型仿真分析
經CFD仿真分析，爬坡工況油冷器正面進風風速僅有0.26 m/s。圖3為油冷器換熱測試曲線（油側溫度：110 ℃；流量：7 L/min；風側溫度：30 ℃），結合圖3可以看出，在0.26 m/s的進口風速下，油冷器性能無法充分發(fā)揮。
通過CFD矢量圖可以看出，前端部分氣流從油冷器四周繞過，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）。導致以上現象的主要原因有二：一是油冷器與冷凝器間隙過大，風扇更容易從油冷器四周吸風；二是油冷器本身厚重具有較大風阻，氣流不易流通。
解決方案
根據上述分析，針對問題提出兩組優(yōu)化方案，如圖5所示。
（1）增加聚風板。在整個冷卻模塊四周添加聚風板，減少“漏風”和“回流”現象，提升進風效率。同時該聚風板還可對油冷器上端具有一定導流作用，一定程度上可以提升油冷器進風量。
（2）“三層”變“兩層”布置方案。將冷凝器高度降低（為不影響空調性能，將其芯體適當加密），將油冷器布置在冷凝器上方，整個冷卻模塊由“三層”變?yōu)?ldquo;兩層”結構，減小風阻有利于提升風量。與此同時，油冷器與冷凝器并列布置，大幅減小了氣流繞過油冷器的現象，進一步提升油冷器進風量。
通過CFD仿真計算兩種方案,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)化方案對比
1）由于聚風板的導流作用，有效減小了油冷器上端氣流繞流現象，同時整個冷卻模塊進風量也略有提升，油冷器正面進風風速仿真結果為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風阻力，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，最終油冷器正面進風風速仿真結果為1.18 m/s。
如圖7所示，與原狀態(tài)對比，方案1進風量有一定提升，變速器油冷器換熱量有一定程度增加；方案2進風量有大幅度提升，同時變速器油冷器散熱量也對應大幅提升，改善效果顯著。

結論
本文通過對車輛測試數據的采集以及前端冷卻模塊結構的分析確認了原因。針對問題癥結給出兩種優(yōu)化方案，同時利用CFD仿真方法驗證方案的效果。仿真結果表明，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，同時減小冷卻系統(tǒng)的整體風阻，變速器油冷器散熱量有了顯著的提升。


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