基于有限元的硅油风扇离合器散热性能分析方法技术

本发明专利技术公开了基于有限元的硅油风扇离合器散热性能分析方法，该方法建立了硅油风扇离合器的三维结构模型并进行简化；根据液粘传动理论，运用理论知识计算硅油风扇离合器工作时的生热率和壳体散热率，并对硅油热源进行重构；利用网格划分软件划分网格，将计算得到的物理参数输入；再通过流体力学软件对硅油风扇离合器模型进行仿真，并对计算结果进行后处理，以进一步分析硅油风扇离合器的散热性能。该方法能够准确的分析硅油风扇离合器在不同工况下的散热性能和硅油的温度情况，从而节约了实验所需要的大量时间，并解决了实验测量温度不准确等问题。为硅油风扇离合器的结构改进提供了理论依据。本发明专利技术涉及汽车零部件计算机辅助工程技术领域。

Analysis method of heat dissipation performance of viscous fan clutch based on finite element method

【技术实现步骤摘要】
基于有限元的硅油风扇离合器散热性能分析方法
本专利技术涉及汽车零部件计算机辅助工程
，特别涉及基于有限元的硅油风扇离合器散热性能分析方法。
技术介绍
作为汽车冷却系统中重要的动力传递元件，硅油风扇离合器在发动机冷却性能中扮演重要的角色。硅油风扇离合器作为液压传动件，散热过程是一个流固耦合系统。工作过程中由于主动盘、从动盘滑差剪切硅油导致硅油温度升高，硅油的粘度随着温度升高而呈现线性减小，使得硅油风扇离合器传递扭矩的能力降低，从而导致整个风扇冷却系统工作效率降低。目前，对硅油离合器散热方面的研究非常少，国内主要采用测温仪器对硅油风扇离合器表面温度进行提取，这种方式存在一定的缺点：1、硅油风扇离合器工作时转速过快，无法测量离合器内部硅油的工作温度。2、为保证测量结果的准确性，通常需要反复试验，这种方式浪费了大量的工作成本。因此硅油风扇离合器工作时的温度和内部硅油温度分布可以通过有限元仿真计算完成，把不方便提取的数据转换成可视化的图像和能够处理的数据。硅油风扇离合器的散热可以用有限元方法进行仿真，但是硅油风扇离合器内部结构复杂，仿真模型的建立，相关参数的导入等因素均会对结果产生很大的影响，而目前相关研究建立的计算模型比较简单，未考虑硅油风扇离合器内部的主动盘、剪切槽等结构，计算结果并不准确。因此需要对仿真和计算方法进行研究和改进。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供了一种基于有限元的硅油风扇离合器散热性能分析方法，该方法能准确分析硅油风扇离合器在不同工况下的散热性能。本专利技术的目的可以通过如下技术方案实现：基于有限元的硅油风扇离合器散热性能分析方法，包括如下步骤：通过三维建模软件建立包括主动盘、从动盘以及离合器壳体的硅油风扇离合器三维模型；将连续的硅油槽分解为若干个不同剪切半径的圆柱剪切槽和圆环剪切槽，并在三维模型中将相邻的两个圆环剪切槽和两个圆柱剪切槽合并为一个剪切槽；建立单个剪切槽内的硅油生热方程：Q1＝Kπ(Ma+Mc)(Δn)/30，其中Q1为生热率，Ma为圆环剪切槽传递扭矩，Mc为圆柱剪切槽传递扭矩，Δn为主动盘与从动盘转速差，K为生热系数；根据硅油生热方程计算每个剪切槽的生热率；建立硅油风扇离合器壳体散热方程：Q2＝(h1+h2)(To-Ta)(ηA1+A2)，其中Q2为散热率，h1为对流换热系数，h2为辐射换热系数，To为离合器壳体表面的温度，Ta为工作环境温度，ηA1为离合器壳体肋片的有效表面积，A2为壳体表面的面积；根据散热方程计算硅油风扇离合器壳体的散热率；利用网格划分软件划分硅油风扇离合器的网格，并生成流体力学软件能够识别的网格输入文件，将网格输入文件输入流体力学软件；将每个剪切槽的生热率，硅油风扇离合器壳体的散热率以及外界的环境温度作为边界条件，利用流体力学软件进行计算；改变仿真计算的输入参数，得到硅油风扇离合器的散热性能曲线。作为优选的技术方案，硅油风扇离合器壳体散热包括辐射散热和对流散热。作为优选的技术方案，利用对流散热公式计算辐射散热的散热率。作为优选的技术方案，将硅油风扇离合器壳体的表面肋片等效为直肋片。作为优选的技术方案，划分有限元网格时，在硅油风扇离合器尺寸较小的区域加大网格单元密度，在尺寸较大区域减小网格单元密度，整体网格单元密度从小到大呈线性变化。作为优选的技术方案，所述流体力学软件为FLUENT软件、STARCCM软件、Nastran软件或ANASYS软件。作为优选的技术方案，利用FLUENT软件求解时，将网格文件输入FLUENT软件的稳态求解器。在FLUENT软件的稳态求解器中使用能量守恒方程，设定硅油和硅油风扇离合器壳体的物理参数，定义流体与固体的交界面为耦合交界面，采用稳态求解器进行残差计算。作为优选的技术方案，仿真计算的输入参数为硅油风扇离合器的转速或壳体的导热系数。作为优选的技术方案，硅油风扇离合器的散热性能曲线为硅油风扇离合器壳体、主动盘、硅油温度随转速或导热系数变化的曲线。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：1.本专利技术在建立及简化模型的过程中，采用重构的方法将连续的两个圆环剪切槽和圆柱剪切槽合并为一个剪切槽，有效避免了因为原结构硅油槽尺寸过小带来的网格数量大并且质量不高的问题。2.本专利技术在计算过程中考虑到了不同剪切槽内硅油生热率不同，对不同剪切槽内的硅油分别计算生热率，保证了输入参数和计算结果的准确性。3.本专利技术充分考虑了硅油风扇离合器的生热机理，建立的方程能够准确计算出硅油风扇离合器的生热率，使得仿真结果具有更高的准确性，为硅油风扇离合器的设计以及优化提供了参考依据。4.本专利技术能够分析不同材料导热率对硅油风扇离合器散热性能的影响，在实际工程中可以结合材料导热性能，质量和成本等多方面因素进行选择，具有一定的工程意义。附图说明图1是本专利技术实施例中基于有限元的硅油风扇离合器散热性能分析方法的流程图；图2是本专利技术实施例中硅油风扇离合器的结构示意图；图3是本专利技术实施例中剪切槽结构示意图；图4(a)是本专利技术实施例中圆柱剪切槽传递扭矩示意图；图4(b)是本专利技术实施例中圆环剪切槽传递扭矩示意图；图5是本专利技术实施例中有限元网格模型图；图6是本专利技术实施例中硅油风扇离合器壳体平均温度随转速变化曲线图；图7是本专利技术实施例中硅油风扇离合器壳体平均温度随导热率变化曲线图；图8是本专利技术实施例中主动盘平均温度随转速变化曲线图；图9是本专利技术实施例中硅油平均温度随转速变化曲线图。其中：1：主动盘，2：弹簧片，3：从动盘，4：储油腔挡板，5：线圈，6：主动轴，7：轴承，8：圆柱剪切槽，9：圆环剪切槽，10：主动盘槽挡板，11-17：硅油体网格模块，18：空气体网格模块，19：主动盘体网格模块，20：壳体以及从动盘体网格模块。具体实施方式下面结合实施例及附图对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。如图1所示，基于有限元的硅油风扇离合器散热性能分析方法，包括如下步骤：(1)建立硅油风扇离合器的三维模型并进行结构简化：通过三维建模软件建立硅油风扇离合器的三维模型，并在模型的基础上进行简化，由于本专利技术只分析离合器壳体、主动盘、从动盘以及硅油的温度特性，因此建模时将图2中主动轴6、轴承7、储油腔挡板4，线圈5，弹簧片2等与扭矩传递无关的部件去掉，仅留下主动盘1、从动盘3以及离合器壳体。(2)分解连续的硅油槽并进行重构：由于连续的剪切槽整体分析时较为复杂，因此需要将连续的硅油槽进行分解，得到如图3所示的若干个不同剪切半径的圆柱剪切槽8和圆环剪切槽9。如图4(a)所示，圆柱剪切槽8的扭矩计算时可看做是两个圆筒筒壁之间传递扭矩。如图4(b)所示，圆环剪切槽9的扭矩计算时可看做是两个圆盘之间传递扭矩。每相邻两个圆柱剪切槽8和相邻本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于有限元的硅油风扇离合器散热性能分析方法，其特征在于，包括如下步骤：/n通过三维建模软件建立包括主动盘、从动盘以及离合器壳体的硅油风扇离合器三维模型；/n将连续的硅油槽分解为若干个不同剪切半径的圆柱剪切槽和圆环剪切槽，并在三维模型中将相邻的两个圆环剪切槽和两个圆柱剪切槽合并为一个剪切槽；/n建立单个剪切槽内的硅油生热方程：Q

【技术特征摘要】
1.基于有限元的硅油风扇离合器散热性能分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
通过三维建模软件建立包括主动盘、从动盘以及离合器壳体的硅油风扇离合器三维模型；
将连续的硅油槽分解为若干个不同剪切半径的圆柱剪切槽和圆环剪切槽，并在三维模型中将相邻的两个圆环剪切槽和两个圆柱剪切槽合并为一个剪切槽；
建立单个剪切槽内的硅油生热方程：Q1＝Kπ(Ma+Mc)(Δn)/30，其中Q1为生热率，Ma为圆环剪切槽传递扭矩，Mc为圆柱剪切槽传递扭矩，Δn为主动盘与从动盘转速差，K为生热系数；根据硅油生热方程计算每个剪切槽的生热率；
建立硅油风扇离合器壳体散热方程：Q2＝(h1+h2)(To-Ta)(ηA1+A2)，其中Q2为散热率，其中h1为对流换热系数，h2为辐射换热系数，To为离合器壳体表面的温度，Ta为工作环境温度，ηA1为离合器壳体肋片的有效表面积，A2为壳体表面的面积；根据散热方程计算硅油风扇离合器壳体的散热率；
利用网格划分软件划分硅油风扇离合器的网格，并生成流体力学软件能够识别的网格输入文件，将网格输入文件输入流体力学软件；
将每个剪切槽的生热率，硅油风扇离合器壳体的散热率以及外界的环境温度作为边界条件，利用流体力学软件进行计算；
改变仿真计算的输入参数，得到硅油风扇离合器的散热性能曲线。


2.根据权利要求1所述的基于有限元的硅油风扇离合器散热性能分析方法，其特征在于，硅油风扇离合器壳体散热包括辐射散热和对流散热。


3.根据权利要求2所述的基于有限元的硅油风扇离合器散热性能分析方法，其特征在于，利用对流散热公式...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺频艳，陈亚楼，上官文斌，王新玲，虞雷斌，段耀龙，
申请(专利权)人：雪龙集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33