车辆传动装置加温板仿真研究

侯 威， 邹天刚， 马立刚， 郭 静， 杨正龙

(1.车辆传动重点实验室, 北京 100072； 2.中国北方车辆研究所， 北京 100072)

引言

传动系统是车辆动力传递的核心系统，其性能对整个车辆的动力性、燃油经济性等都有极大的影响。低温启动是传动装置的基本性能之一，可以使车辆在严寒地区能够正常行驶。为了实现车辆的这一功能，通常在传动装置的油箱底部增设加温板对油液进行加温，从而保证车辆在低温环境下能够正常启动。通过增设加温板，可以使传动装置在低温环境下迅速可靠地启动，对于提高传动装置工作可靠性、降低起动磨损、减少燃油的消耗和提高使用效率等都有着重要的关系，并且加温板作为独立热源不受气候、路况等外在环境制约，是较为理想的油液加温装置[1-2]。

基于某传动装置加温板结构，通过对加温板不同进水温度及流量进行相关仿真[3]，研究加温板温度分布规律，分析其实际的加温效果。对加温板的结构设计具有一定的指导意义。

1 不同进水温度的加温板温度分布

图1为某传动装置加温板的三维模型图，根据传动装置的具体需求，加温板分为2块，分别给箱体的两部分不同位置的油液进行加温，2块加温板通过插管与箱体内部流道沟通。根据箱体的结构尺寸设计了加温板内部流道，并在其中1块加温板上增设了散热片，用以达到更好的加温效果[4]。加温板只有1个进水口和1个出水口，加温板中间布置有加温水道，2块加温板的高温水道之间通过插管及箱体内部流道相沟通。其中，加温板进水口和出水口的孔径为15 mm，2块加温板连接箱体内部孔径为8 mm。

图1 加温板三维模型

由于加温板属于复杂结构的三维模型，在仿真中为了提高仿真运算速度，模型中忽略了螺钉孔等结构，同时对插管及箱体内部流道做了相应简化，并按照默认设置对其进行网格划分[5-6]，网格划分如图2所示。加温板的内部高温水道及进出水口如图3仿真模型所示。加温板的材料为纯铝，通过输入高温水对传动装置的油液进行加温，具体仿真参数如表1所示。

图2 加温板网格划分

图3 加温板内部流道分布

图4为加温板温度分布的仿真结果，由图可知加温板的温度分布主要以高温水流道的形状向周边扩散，温度逐步降低，温度分布梯度较为明显。加温板进口温度设置为60 ℃，加温板出口温度约为43 ℃；散热片的分布同样呈现梯度分布，温度分布在4～20 ℃。针对目前常用的10W-40及15W-40传动油，其耐环境低温分别为-25 ℃和-20 ℃，仿真结果表明，加温板的温度远高于传动油的最低使用温度，可以通过加温板给传动油加温从而实现车辆的低温启动。

表1 仿真的主要参数

图4 加温板温度分布图

在环境温度和进口流量不变的情况下，对不同温度高温水的加温效果进行对比仿真。高温水进口温度分别设置为65， 70， 75 ℃，其仿真结果如图5所示。

由图5所示，设置不同的高温水进口温度对加温板的温度分布影响不大，加温板的温度分布梯度大致相同，但具体的温度数值略有不同[7]。其中，当加温板高温水进口温度为65， 70， 75 ℃时，其出口温度分别约为47， 51， 56 ℃，散热片处最低温度分别约为7， 9， 11 ℃。由以上仿真结果可知，随着加温板进口温度线性增加时，其各处的温度也随之线性增加，具体增加的幅度与加温板相关的位置结构有关。

2 不同进水流量的加温板温度分布

高温水在加温板内部流通时，其流量大小对加温效果也有一定程度的影响[8]。为了更好的评估加温板的加温效果，对不同高温水进口流量进行了相应仿真，在前面仿真进口流量4 L/min的基础上，对进口温度为60 ℃，进口流量分别为5 L/min和6 L/min进行了仿真对比，仿真结果如图6所示。

图5 不同进水温度加温板温度分布图

由图6可知，随着进口流量的增加，加温板的温度分布也有所变化，其高温区域会有所扩大，并且温度也有所提高，当进口温度为60 ℃，进口流量分别为4， 5， 6 L/min时，其出口温度为43， 44， 45 ℃，散热片的最低温度分别为4， 8， 13 ℃，由仿真结果可知，适当增加加温板的进口流量，有利于对传动装置油液的加温。

图6 不同进水流量加温板温度分布图

在对加温板不同进口流量仿真温度分布的同时，也对其内部高温水的流速进行了分析。由图7所示，加温板内部高温水流速相对平稳，高温水最大流速发生在两板之间箱体内部流道处， 当加温板进口流量为4， 5， 6 L/min时，加温板内高温水道平均流速分别约为0.36， 0.43， 0.54 m/s，其箱体内部流道的最大流速分别约为1.4， 1.7， 2.1 m/s。

图7 不同进水流量加温板通道流速图

3 结论

(1) 仿真结果表明，加温板的温度分布主要以高温水流道的形状向周边扩散，温度呈现梯度分布；加温板的温度远高于传动油的最低使用温度，可以通过加温板给传动油加温从而实现车辆的低温启动；

(2) 随着加温板进口温度线性增加，其加温板各处的温度也随之线性增加，增加的幅度与加温板具体的位置结构有关；随着加温板进口流量的增加，其高温区域会有所扩大，并且相应区域的温度也有所提高，有利于对传动装置油液的加温；

(3) 加温板内部高温水流速相对平稳，高温水最大流速发生在两板之间箱体内部流道处，当加温板进口流量为6 L/min时，其最大流速约为2.1 m/s。