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某小型SUV高原爬坡离合器热管理性能优化仿真分析

2021-03-10 15:38:10·  来源：汽车热管理之家  作者：刘江 赵狐龙  
　
车辆连续坡起时，离合器长时间处于滑磨状态。此时会产生大量的热，若变速器油冷器的散热不足以带走产生的热量，摩擦片的温度会持续上升，当温度到达摩擦片限值时（250 ℃）触发变速器保护策略，限制车辆转矩输出。为解决某小型SUV在高原地区连续爬坡变速器油
安徽江淮汽车集团股份有限公司 刘江 赵狐龙

车辆连续坡起时，离合器长时间处于滑磨状态。此时会产生大量的热，若变速器油冷器的散热不足以带走产生的热量，摩擦片的温度会持续上升，当温度到达摩擦片限值时（250 ℃）触发变速器保护策略，限制车辆转矩输出。为解决某小型SUV在高原地区连续爬坡变速器油温高导致限矩问题，本研究通过CFD仿真分析给出合理的热管理优化方案。

问题阐述
 
墨西哥城位于墨西哥中南部高原的山谷中，海拔2 240 m，四季气候凉爽宜人，年平均气候在18 ℃左右。由于地形特点，当地居民区坡道陡且长，（图1），所以对车辆的爬坡性能有更高的要求。
为提高客户满意度，提升产品适应性，某小型SUV在当地爬坡路况进行连续爬坡测试，测试工况见表1，连续成功爬坡次数2次，表现一般，爬坡性能有提升空间。
图1 墨西哥城居民区坡道
表1 某小型SUV爬坡测试工况
经过对测试车辆数据的监控和分析，确认影响车辆爬坡性能的主要原因是变速器油冷器散热能力不足。车辆在坡起时离合器摩擦片会产生大量的热，如果这些热量得不到及时散发，摩擦片的温度会持续上升，当升高至限值（250 ℃）时，车辆触发限矩保护策略。
问题分析
该小型SUV前端冷却模块结构如图2所示，呈三层布置方式，冷凝器布置在模块的前上方，冷凝器与散热器依次随其后，整体布置简洁美观。但油冷器布置过于靠前，造成它与冷凝器之间的间隙较大，且油冷器四周未装配聚风板，这些因素都将影响油冷器的进风量。
图2 冷却模块结构
图3 油冷器换热曲线
图4 基本型仿真分析
经CFD仿真分析，爬坡工况油冷器正面进风风速仅有0.26 m/s。图3为油冷器换热测试曲线（油侧温度：110 ℃；流量：7 L/min；风侧温度：30 ℃），结合图3可以看出，在0.26 m/s的进口风速下，油冷器性能无法充分发挥。
通过CFD矢量图可以看出，前端部分气流从油冷器四周绕过，仅有小部分从正面流通（从图4油冷器流体域颜色可以看出）。导致以上现象的主要原因有二：一是油冷器与冷凝器间隙过大，风扇更容易从油冷器四周吸风；二是油冷器本身厚重具有较大风阻，气流不易流通。
解决方案
根据上述分析，针对问题提出两组优化方案，如图5所示。
（1）增加聚风板。在整个冷却模块四周添加聚风板，减少“漏风”和“回流”现象，提升进风效率。同时该聚风板还可对油冷器上端具有一定导流作用，一定程度上可以提升油冷器进风量。
（2）“三层”变“两层”布置方案。将冷凝器高度降低（为不影响空调性能，将其芯体适当加密），将油冷器布置在冷凝器上方，整个冷却模块由“三层”变为“两层”结构，减小风阻有利于提升风量。与此同时，油冷器与冷凝器并列布置，大幅减小了气流绕过油冷器的现象，进一步提升油冷器进风量。
通过CFD仿真计算两种方案,如图6所示。
图5 优化方案（左1、右2）
图6 优化方案仿真分析（左1、右2）
图7 优化方案对比
1）由于聚风板的导流作用，有效减小了油冷器上端气流绕流现象，同时整个冷却模块进风量也略有提升，油冷器正面进风风速仿真结果为0.4 m/s。
2）“三层”变“两层”布置方案大大减小了整体冷却模块的进风阻力，油冷器与冷凝器并列布置有效减小了油冷器前端气流的散失，最终油冷器正面进风风速仿真结果为1.18 m/s。
如图7所示，与原状态对比，方案1进风量有一定提升，变速器油冷器换热量有一定程度增加；方案2进风量有大幅度提升，同时变速器油冷器散热量也对应大幅提升，改善效果显著。

结论
本文通过对车辆测试数据的采集以及前端冷却模块结构的分析确认了原因。针对问题症结给出两种优化方案，同时利用CFD仿真方法验证方案的效果。仿真结果表明，冷却模块采用“三层”变“两层”布置方式，可大大减少油冷器前端气流的散失，同时减小冷却系统的整体风阻，变速器油冷器散热量有了显著的提升。


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