适时四驱多片离合器热问题分析及优化

王敷玟 张家彬 徐霖

摘 要：介绍了运用于某适时四驱的轴间多片离合器，针对轴间多片离合器在恶劣工况下容易过热的问题，通过摩擦学及热力学理论，分析多片离合器的热平衡机理，提出多片离合器的温度控制方法，并通过实车进行参数标定，实践表明：提出的温度控制方法能有效抑制多片离合器片温升，从而提升车辆在严苛工况下的连续越野性能，为车辆越野持续性能提升提供解决方案，具有较强的工程应用价值。

关键词：多片离合器;热平衡;温控方法;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

適时四驱系统是一种主动控制系统，可通过轴间多片离合器根据不同的车辆行驶工况智能决策后桥扭矩输出，使车辆获得优良的动力性、越野性、燃油经济性及操纵稳定性[1-3]。

轴间多片离合器作为控制前后轴扭矩分配的核心，其持续正常工作能力对于四驱系统性能的发挥具有重要作用，是适时四驱系统重要的功能安全件。然而，由于驾驶员驾驶风格迥异，车辆行驶路况复杂多变，多片离合器经常工作于滑摩状态，频繁的断开与结合将使多片离合器产生大量的热量。这些热量如果得不到及时散失，多片离合器摩擦表面会迅速升温，导致热点产生，甚至发生离合器片翘曲、粘结、脱开，总成密封性破坏等现象[4]。从而引起整车转向轴间干涉异响、无四驱输出/漏油等问题、引起客户抱怨。

针对多片离合器过热的问题，文献[5]利用Matlab建立了主离合器二维温度场模型，并在直线加速、直线爬坡等工况下进行了温度预测，获取了多片离合器温度场;文献[6]建立了湿式离合器摩擦副接合工况下的瞬态传播热模型，并通过优化径向矩形油槽宽度来优化离合器温升问题，文献[7]引入了副间等效对流换热系统和等效增益系统，优化了温度场数值模拟，获得了较为精准的接触面局部散热的湿式离合器摩擦片滑摩温升特性。然而，上述研究针对多片离合器过热问题，主要研究内容为如何提升温度模型的精度，未提及采取何种措施抑制离合器片温升过快。然而，对于产品硬件特性较为成熟的多片离合器来说，其温度场已经过多轮验证，具有较好的温度估算精度。因此，如何根据已有的温度模型对其进行温升分析及温升抑制成为研究的重点。

本文针对一款全新开发的中大型SUV，基于研发成熟的温度预测模型，通过优化多片离合器自身控制控制及与整车电控系统匹配，优化多片离合器过热性能，提升车辆越野持续性，实现城市行走和越野休闲的平衡。

1 适时四驱轴间多片离合器简介

如图1所示，采用的四驱系统为一种主动控制的智能适时四驱系统，它主要由取力器总成、中间传动轴、轴间多片离合器、后差减速器总成等组成。

适时四驱轴间多片离合器是实现车辆前后轴扭矩分配的关键执行器。该多片离合器主要由输入轴、电磁线圈，初级摩擦片组，凸轮盘组件、次级摩擦片组及输出轴组成。本文研究的多片离合器结构如下：

多片离合器输入轴连接中间传动轴，传递由动力总成经过取力器及中间传动轴传动的力矩，通过多片离合器电控系统控制电磁铁的电流使电枢吸合，使初级摩擦片组结合，再通过凸轮盘增力机构带动钢球在异形球道中运动使次级摩擦片组结合，最终将凸轮盘增力后的的扭矩传递给输出轴。多片离合器传递的扭矩与通入电磁铁的电流成正比，并可以通过调节电流的大小来控制输出的扭矩大小。可以通过标定实现特定路况/情况下的前后桥扭矩按照一定比例分配，与ESP共同工作提高整车的操纵性及安全性。

上述多片离合器控制扭矩的实现，是通过次级多片摩擦片组中摩擦片及对偶钢片两者的相互滑摩，最终使两者速度同步，达到传递力矩的目的，因而滑摩过程中多片离合器也会产生大量的热，良好的温度特性对于适时四驱SUV的四驱性能至关重要。

2 多片离合器温度温升机理

多片离合器的热量主要由于次级摩擦片组中摩擦片与对偶钢片的滑摩产生，产生的热通过对流及热传导传递至离合器润滑油、再通过对流和热辐射等传递至大气中，因此需要分析多片离合器的生热机理并讨论热传传导、对流和辐射三种传热方式。

2.1 摩擦生热

根据滑摩原理[8]，多片离合器热量主要取决于正压力及转速差，为：

其中，ωsl （t）为输入摩擦片与对偶钢片转速差，τcl（t）正压力。

2.2 热传递方式

多片离合器的摩擦副两者均为旋转部件，并与润滑油直接接触，存在着不同形式的热传递，主要通过热传导、对流、及热辐射三种方式同时进行[9]。

1）热传导

热传导是物体各部分之间不发生相对位移，依靠分子、原子和自由电子等微观粒子热运动而产生的热能传递。温度梯度是发生热传导的必要条件。热传导过程中，符合傅立葉定律，在各向同性、均匀连续介质中，通过某一截面的热流密度表达式为：

式中：q为单位时间通过表面的热流密度，W/m2;λ为材料导热系数，W/（m°C）;n为单位法向向量;T为材料温度，°C;“-”为热量向低得的方向传导。

2）热对流

热对流是流体的流动与其相接触的壁面，或其他流体之间的热量交换过程。其中对流换热的牛顿计算冷却公式为：

式中，h为对流换热系数;Tw为固体表面温度;Tf为流体温度。影响对流换热系数h因素主要有四个方面，流动的状态和起因、流体的物理性质、热交换面的几何形状及有无相变等。在对流计算的过程中，流体遵循质量、动量、能量的守恒。

3）热辐射

辐射换热是指物体之间靠辐射的方式进行热量的传递。和热传导和热对流有明显的不同，辐射换热不需要物质媒介。物体表面的辐射最大密度满足由斯蒂芬—波尔兹曼（Stefan- Boltzmann）定律：

式中，Ts为表面绝对温度，K;σ为斯蒂芬波尔兹曼常数;

ε为物体的表面发射率，取值范围在0-1之间;发射率取决于物质种类，表面温度和表面状况。

由于多片离合器结构非常复杂，是一种流固多耦合系统，需要在试验环境下综合分析多片离合器的生热及散热问题。

2.3 热平衡方式

根据多片离合器结构，分析多片离合器热量传递途为：

其中，为温升率，ρ为离合器润滑油密度，Cp为离合器润滑油热容，为与扭矩管理器硬件结构相关的综合散热传递系数，A为散热面积，T∞为计算起点温度。

3 解决方案分析

由多片离合器温升原理，从通过以上分析，针对扭矩管理器温升问题，对其温度升因素进行FTA分析，提出优化措施：

上述措施中，多片开离合器温度控制方式主要包括生热控制和散热控制，考虑多片离合器结构已固定，通过优化散热系统、增加散热面积及本体热容量需要反复的工程实践，耗费周期较差，不具有可操作性，因此从控制离合器片打滑来控制多片离合温升，主要为：

根据RDU锁止控制及限扭控制原理，与其它电控系统匹配，建立Matlab/Simulink模型：

4 验证效果

为确认RDU锁止控制及限扭控制对抑制多片离合器温升的效果，以20°沙土坡道起步和深沙越野工况为例，进行整车标定及测试。

图8分别为未实施优化控制、仅实施限扭控制、仅实施RDU锁止控制及实施所有控制时，车辆连续启停通过通过20°沙土坡道的次数，结果表明，同时实施RDU锁止控制及限扭控制后车辆连续启停爬坡次数达23次，远大于未实施任何控制时车辆的爬坡次数6次;此外，仅实施限扭控制、仅实施RDU锁止控制时，也可提升车辆连续启停爬坡次数，分别为9次和10次。表明所提出的温度控制方法具有在极限脱困工况下具有显著效果。

为进一步验证所提出的温度控制方法有效性，将实施不同控制方法的车辆在深沙上沿预设的路径行驶，记录车辆四驱持续工作时间，如下表：

表1中，实施所有控制控制的四驱的持续工作时间为570s，优于仅实施限扭的控制及仅实施RDU锁止的控制，可将四驱持续工作提升235s。此外，仅实施限扭控制及仅实施RDU锁止控制也可提升四驱持续工作时间，分别为提升105s及143s。

5 结论

本文运用于适时四驱的轴间多片离合器为研究对象，通过分析多片离合器温升机理，提出RDU锁止模式、多片离合器对发动机限扭控制转速差及温度限扭控制，并通过实车标定优化，得出如下结论：

（1）所提出的RDU锁止控制及限扭控制均可提升多片离合器过热性能，并且同时实施时可获得最佳效果、大幅提升四驱过热性能，从而提升车辆极限工况下的通过性，具有较强的工程实用价值;

（2）标定开发时，多片离合器电控系统与整车其他电控系统需要统一协调控制、才能更有效提升整车动力性、越野通过性及多片离合器的过热性能。

参考文献

[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.适时四驱典型工况扭矩分配控制策略及仿真[D].北京：北京理工大学，2016.

[4] 杨亚联，张喀，秦大同.湿式多片离合器热机耦合温度场及应力场分析[J]中国机械工程，2014，25（20）：2740-2781.

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

[6] 李东兵.混合动力车辆湿式多片离合器径向矩形油槽宽度对温度场影响[J].机械传动，2015，39（12）：49-52.

[7] 吴健鹏，马彪，李和言等.考虑接触面局部散热的湿式离合器摩擦片滑摩温升特性[J].北京理工大学学报，2019，39（9）：926-932.

[8] 温诗铸.摩擦学原理[M].北京：清华大学出版社，1990：100-102.

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