CN115163279B - 电控硅油离合器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电控硅油离合器，该电控硅油离合器，包括驱动轴、前盖、后盖、从动盘、支撑座、风扇法兰和电控螺线管，驱动轴穿过后盖与前盖固定；后盖与前盖固定连接，转速与驱动轴转速一致；支撑座一端与从动盘固定连接，另一端固定设有用于安装风扇的风扇法兰。本发明的前、后盖为主动零件，其转速与发动机转速一致，在相同工况下，在滑差热最高点(2/3输入转速附近)，前、后盖转速比主流硅油离合器的前、后盖转速高了30％的发动机转速，离合器散热能力更强。本发明的风扇安装于风扇法兰上，由于风扇不安装在前、后盖上，当风扇旋转时，不会对铸铝的前、后盖以及内部螺栓产生负荷。

Description

电控硅油离合器

技术领域

本发明涉及一种商用车发动机冷却系统，具体涉及一种电控硅油离合器。

背景技术

商用车平台上发动机冷却系统的散热主要通过散热器匹配冷却风扇来完成，对于冷却风扇来说，从早期无法调速的直连风扇到目前可无极变速的硅油风扇，冷却风扇在不断发展。随着国Ⅵ排放的引入，各大商用车及发动机公司对于发动机冷却系统提出了更高要求：在有限的舱体内，冷却风扇需要具备风量大、效率高、控制精确、响应快、低噪音等特性。目前主流的冷却风扇为电控硅油风扇，可通过发动机ECU输出的控制信号来调节风扇转速，响应速度快，同时采用了闭环PID控制，也保证了风扇控制精度高。

发动机主轴旋转会产生的大量的机械能，一部分机械能带动风扇扇叶旋转做功，为有效功；另一部分机械能会因为离合器内部的扭矩传递而转化为热能(也叫滑差热)，为无用功。上述离合器风扇工作时，硅油因传递扭矩会产生大量的热，这些热又叫做滑差热。通过测试发现在主流的硅油离合器在输入某一转速时，风扇转速在2/3输入转速附近时滑差热最高。

若滑差热过高且无法及时释放掉，硅油离合器的温度就会不断升高，并造成许多不良影响：首先高温会导致离合器内部硅油逐步变质，硅油性能衰减，离合器扭矩转换为风扇动能的效率变低，从而产生更多滑差热能量，形成恶性循环；其次高温也传导到离合器内部轴承、密封圈等关键零部件上，造成高温失效，降低了硅油离合器整体可靠性；再次高温也会传导到电控部件——电控螺线管上，造成螺线管使用寿命降低，严重时会发生螺线管故障，在售后市场上，因为高温引起的螺线管的故障率居高不下。

针对滑差热过高的问题，主流电控离合器会通过下述三种方法进行规避：第一通过加高散热翅片高度或增加翅片数量以优化离合器的散热能力，但是加高散热翅片高度或增加翅片数量会引起许多问题，例如：会增加制造成本，会增加离合器重量以及整体静弯矩以至于加重发动机承载的负担，随着翅片制造工艺越来越复杂，翅片容易缺料且外观不良；第二通过提升内部零件抗滑差热能力来规避滑差热高的问题，例如：提升硅油、O型圈、轴承密封、轴承油脂的耐高温能力，但是该方法会增加各个零件设计和制造成本；第三不优化离合器而直接在发动机ECU内设置滑差热的保护功能，每当发动机的转速超过离合器能承受滑差热的上限值时，滑差热的保护功能会启动，直接调整离合器风扇进入全啮合或怠速工作状态以避开离合器的中间转速范围，以此避开离合器的高温区，但是该功能会缩小离合器风扇的有效工作区间，同时降低发动机的燃油经济性。

现有的电控硅油离合器存在以下缺点：

1)、离合器的散热能力不足，导致离合器内部的硅油温度高，硅油粘度下降，传递的扭矩下降，风扇冷却能力不足，发动机水温高。极端情况下，离合器壳体的O型密封圈老化失效，离合器漏油；轴承的密封圈受热负荷失效，硅油进入轴承导致油脂失效轴承卡滞。而增加离合器翅片高度或数量提升离合器散热能力的方式，又涉及制造工艺、成本和重量的增加；

2)、主流的尼龙风扇通过螺栓与前或后盖连接，风扇旋转产生的应力会传递到离合器的前或后盖以及内部螺栓上。考虑到前、后盖为较软的铸铝件，其壁厚需要满足一定的要求才能保证不变形，一般为3毫米以上。此外，由于前、后盖的螺栓产生的预紧力需要压住O型密封圈，以防硅油泄露。风扇旋转生产的应力会降低离合器螺栓的预紧力，O型圈压缩量不足，导致硅油泄露。而为解决这个问题，需要增加螺栓的数量或者采用更大直径的螺栓，意味着制造或实物成本的增加；

3)、主流离合器的轴承装配在后盖或前盖中，承载前、后盖、风扇的重量和风扇旋转应力。前、后盖、风扇的质心最好与轴承的质心在一条线上，这样可以减少轴承的弯矩，延长使用寿命。但由于一款离合器需要匹配多种风扇，很难保证他们的质心在一起；

4)、主流离合器的轴承有一侧会接触硅油，硅油的最高温度可以达到220℃，那么轴承的密封需要选择耐硅油腐蚀和耐高温的橡胶材料，成本高且容易出现失效；

5)、主流离合器轴承的钢圈成分为轴承钢，其对手件为铸铝的后盖，两者之间是过盈配合。钢的膨胀系数为13E-6/K，铝合金的膨胀系数为23.21E-6/K。而硅油离合器轴承的工作温度为-40～220℃，温度区间跨度很大，所以轴承的游隙变化大，这将严重影响轴承的滚动疲劳寿命,温升,噪声,振动等性能。对轴承和对手件的设计、制造提出了很高的要求；

6)、主流的尼龙风扇装配在前或后盖上，风扇安装的接口尺寸不同会产生新的后盖结构。新开后盖高压压铸模具成本高，且后盖品种多不便于制造管理；

7)、市面上有些硅油离合器的环形断路器兼具导磁和反馈转速的功能，环形断路器一部分在离合器壳体内部，需要增加密封设计，否则硅油会泄露，设计成本增加。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供一种电控硅油离合器，将前、后盖改成主动零件，且扇叶与前、后盖分体安装，实现了散热能力的有效提升。

本发明采用的技术方案是：一种电控硅油离合器，其特征在于：包括驱动轴、前盖、后盖、从动盘、支撑座、风扇法兰和电控螺线管，所述驱动轴一端装配在发动机曲轴或皮带轮上，另一端穿过后盖与前盖固定；所述后盖与前盖固定连接，转速与驱动轴转速一致；所述前盖和后盖之间设有从动盘，所述从动盘与前盖和后盖为齿槽间隙配合，所述齿槽间隙内填充硅油；所述支撑座一端伸入硅油离合器内，与从动盘固定连接；所述支撑座另一端伸出硅油离合器外，通过第一轴承设置在驱动轴上，且其上固定设有用于安装风扇的风扇法兰；所述轴承与前盖之间设有前定位环，与驱动轴凸缘面之间设有后定位环，所述前定位环和后定位环安装在驱动轴上；所述电控螺线管设置在支撑座于驱动轴凸缘面之间，通过第二轴承装配在驱动轴上，通过线束与发动机的控制单元相连；所述从动盘上设有储油腔和回油通道，控制阀杆装配在从动盘上；所述风扇法兰上装配有环形断路器，所述环形断路器设置在控制阀杆和电控螺线管之间，用于传递磁力。

作为优选，所述电控螺线管包括线圈、第二轴承、转速传感器和磁铁，所述线圈、转速传感器和磁铁通过第二轴承安装在驱动轴上，所述线圈通电产生磁力，经环形断路器传递给控制阀杆，所述控制阀杆控制从动盘上的出油口的通断。

作为优选，所述环形断路器包括六个齿，所述风扇法兰带动风扇转动，当环形断路器的齿位于转速传感器与永磁铁之间时产生霍尔效应，转速传感器将反馈输出信号给ECU，ECU依据输出信号计算风扇的实时转速。

作为优选，所述前盖和后盖的材料为铝合金AlSi9Cu3，表面均布置有散热翅片。

作为优选，所述驱动轴通过固定螺钉与前盖固定。

作为优选，所述前盖和后盖通过螺栓固定。

作为优选，所述支撑座上设有密封盘和导磁板。

本发明取得的有益效果是：

1、主流硅油离合器的前、后盖为从动零件而主动盘为主动零件，通过测试发现在主流的硅油离合器在输入某一转速时，风扇转速在2/3输入转速附近时滑差热最高，而这个是离合器经常使用的转速区间，无法避开。而本发明中的前、后盖从从动零件改成主动零件，不管风扇转速多少，在某一输入转速下前、后盖均处于最高转速状态，即其转速与发动机转速一致。在相同工况下，在滑差热最高点(2/3输入转速附近)，本发明中前、后盖转速比主流硅油离合器的前、后盖转速高了30％的发动机转速，散热能力更强；

2、主流的尼龙风扇扇叶通过螺栓与前或后盖连接，风扇旋转产生的应力会集在离合器的前或后盖以及内部螺栓上，考虑到前、后盖为较软的铝铸件，因此前、后盖的使用寿命会受到影响，部分极端情况下离合器内部螺栓也会发生失效情况；本发明中的风扇安装于独立法兰结构上，由于风扇不安装在前、后盖上，当风扇旋转时，不会对铸铝的前、后盖以及内部螺栓产生负荷；

3、主流电控硅油离合器风扇的质心位于风扇金属嵌件附件与后盖中的轴承不同心，因此风扇旋转时的弯矩，会对后盖轴承照成不断冲击，影响后盖轴承的使用寿命；本发明中的扇叶装配在独立法兰结构上，法兰结构内部通过过盈配合装配一个重载轴承(第一轴承)，而本发明中离合器风扇的质心与法兰结构中的轴承质心保持同心，风扇旋转时的弯矩完全由重载轴承承担，不会因为偏心影响轴承使用寿命；

4、本发明中的重载轴承专配在独立的支撑座中，而不在后盖中，因此避免与硅油离合器内部的硅油进行接触，因而受硅油的滑差热高温影响会较小，相较于主流硅油离合器，本发明中重载轴承的密封圈以及内部油脂的耐温性能可由200℃将为150℃，重载轴承成本也会降低，同时因高温影响的售后故障也会大幅降低；

5、主流离合器轴承的成分为轴承钢，其对手件为铸铝的后盖，由于膨胀系数的不同，当离合器工作时，轴承的游隙会发生变化；本发明中的独立法兰结构的主要成分为碳素结构钢，与轴承成分属于一个种类，其膨胀系数相似，当离合器工作时，重载轴承游隙变化量较小，在售后市场上，由于轴承游隙变化引起的轴承故障也得到了遏制；

6、本发明中的前、后盖采用了模块化设计，对于不同的发动机平台，不同直径风扇，仅需要设计单独的法兰结构就可以，而本发明中的离合器前、后盖设计均可保持平台化，不需要另外设计，可以大大节约了设计和管理成本；

7、本发明中的环形断路器直接连接到法兰结构上，避免深入离合器的后盖内部，避免与硅油接触，防止离合器使用过程中的硅油泄露问题。

附图说明

图1-2为本发明的结构示意图；

图3为本发明的电控硅油离合器内部结构示意图；

图4-5为风扇法兰结构示意图；

图6为支撑座和密封盘的结构示意图；

其中：01、驱动轴；02、电控螺线管；02.1、磁铁；02.2、转速传感器；02.3、线圈；02.4、第二轴承；03、风扇法兰；04、环形断路器；05、后定位环；06、第一轴承(重载轴承)；07、支撑座；08、密封盘；09、导磁板；10、前定位环；11、前盖；12、后盖；13、分开盘；14、控制阀杆；15、垫块；16、固定螺钉；17、O型圈；18：前后盖安装螺栓；19、从动盘；19.1、储油腔；19.2、回油通道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1-6所示，本发明的一种电控硅油离合器，包括驱动轴01、前盖11、后盖12、从动盘19、支撑座07、风扇法兰03和电控螺线管02，驱动轴01一端装配在发动机曲轴或皮带轮上，另一端穿过后盖12与前盖11固定；后盖12与前盖11固定连接，转速与驱动轴01转速一致；前盖11和后盖12之间设有从动盘19，从动盘19与前盖11和后盖12为齿槽间隙配合，齿槽间隙内填充硅油；支撑座07一端伸入硅油离合器内，与从动盘19固定连接；支撑座07另一端伸出硅油离合器外，通过第一轴承06设置在驱动轴01上，且其上固定设有用于安装风扇的风扇法兰03；轴承06与前盖11之间设有前定位环10，与驱动轴01凸缘面之间设有后定位环05，前定位环10和后定位环05安装在驱动轴01上；电控螺线管02设置在支撑座07于驱动轴01凸缘面之间，通过第二轴承02.4装配在驱动轴01上，通过线束与发动机的控制单元相连；所述从动盘19上设有储油腔19.1和回油通道19.2，控制阀杆14装配在从动盘19上；所述风扇法兰03上装配有环形断路器04，环形断路器04设置在控制阀杆14和电控螺线管02之间，用于传递磁力。

本实施例中，电控螺线管02包括线圈02.3、第二轴承02.4、转速传感器02.2和磁铁02.1，线圈02.3、转速传感器02.2和磁铁02.1通过第二轴承02.4安装在驱动轴01上，线圈02.3通电产生磁力，经环形断路器04传递给控制阀杆14，控制阀杆14控制从动盘19上的出油口的通断。

本实施例中，环形断路器04包括六个齿，风扇法兰03带动风扇转动，当环形断路器04的齿位于转速传感器02.2与永磁铁02.1之间时产生霍尔效应，转速传感器02.2将反馈输出信号给ECU，ECU依据输出信号计算风扇的实时转速。

本实施例中，前盖11和后盖12的材料为铝合金AlSi9Cu3，表面均布置有散热翅片。

本实施例中，驱动轴01通过固定螺钉16和垫块与前盖11固定。

本实施例中，前盖11和后盖12通过螺栓18固定。

本实施例中，支撑座07上设有密封盘08和导磁板09。

本发明为一种电控硅油离合器具备高散热能力，主要由主动、从动以及控制3部分组成：主动部分包括驱动轴01、前盖11、后盖12、前定位环10和后定位环05；从动部分包括从动盘19、支撑座07和风扇法兰03；控制部分包括控制阀杆14、导磁板09、电控螺线管02和环形断路器04。

具备五种功能：传递扭矩、传递磁力、驱动硅油流动、反馈风扇转速和散热，下面将进行详细分叙：

1、传递扭矩功能

驱动轴01装配在发动机曲轴或皮带轮上，用于传递发动机动力，前盖11通过螺纹部分与驱动轴01连接，而后盖12通过螺栓18与前盖11连接，因此本发明中的前盖11和后盖12转速与驱动轴01转速一致。

从动盘19位于前盖11和后盖12之间，从动盘19与前盖11、后盖12间为齿槽间隙配合，齿槽间(称为工作腔)内填充硅油。支撑座07与从动盘19螺纹连接，风扇法兰03与支撑座07螺纹连接，轴承06外圈与支撑座07为过盈配合，风扇装配在法兰03上，因此本发明中的从动盘19、支撑座07、风扇法兰03转速一致。

本发明的扭矩传递路线为：驱动轴01→前盖11→后盖12→从动盘19→支撑座07→风扇法兰03。

2、传递磁力功能

本发明的磁力源头是电控螺线管02，主要由线圈02.3、轴承02.4、转速传感器02.2、磁铁02.1组成。

本发明中的电控螺线管02通过轴承装配在驱动轴上，轴承02.4内圈转速与驱动轴01一致，同时轴承02.4外圈静止，线束与发动机的控制单元相连，用于信号交互：一方面ECU的电压控制信号传递给线圈02.3，线圈02.3通电产生磁力；另一方面尼龙扇叶的转速可以通过转速传感器02.2将电压信号传递回ECU，形成闭环控制。

本发明磁力回路的路线为：线圈02.3→环形断路器04→控制阀杆14→导磁板09→支撑座07→线圈02.3。

3、驱动硅油流动功能

从动盘19上设计有储油腔19.1和回油通道19.2，控制阀杆14通过螺钉装配在从动盘19上。当线圈02.3通电时，控制阀杆14受磁力吸合，关闭位于从动盘19上的出油口，硅油依靠离心力流到齿槽中，再通过主动盘19上的回油通道19.2回到储油腔19.1。当工作腔中的硅油较少，传递扭矩较小，风扇怠速。当线圈02.3断电时，控制阀杆14会依靠自身弹力打开，出油口打开，储油腔19.1中的硅油会进入工作腔传递扭矩，风扇啮合。

4、反馈风扇转速功能

风扇法兰03上装配有环形断路器04，它由6个齿组成，当齿位于螺线管的转速传感器02.2与永磁铁02.1间时产生霍尔效应，因此转速传感器02.2会反馈输出信号给发动机ECU，ECU可以依据信号计算风扇的实时转速。

5、散热功能

前盖11、后盖12的材料为散热能力高的铝合金AlSi9Cu3，表面布置有散热翅片，前盖11、后盖12为主动部分，转速与发动机主轴转速相同，与主流硅油离合器风扇相比，与空气换热效率提高20％，散热能力得到极大优化。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要结构特征。本发明不受上述实例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种电控硅油离合器，其特征在于：包括驱动轴、前盖、后盖、从动盘、支撑座、风扇法兰和电控螺线管，所述驱动轴一端装配在发动机曲轴或皮带轮上，另一端穿过后盖与前盖固定；所述后盖与前盖固定连接，转速与驱动轴转速一致；所述前盖和后盖之间设有从动盘，所述从动盘与前盖和后盖为齿槽间隙配合，所述齿槽间隙内填充硅油；所述支撑座一端伸入硅油离合器内，与从动盘固定连接；所述支撑座另一端伸出硅油离合器外，通过第一轴承设置在驱动轴上，且其上固定设有用于安装风扇的风扇法兰；所述轴承与前盖之间设有前定位环，与驱动轴凸缘面之间设有后定位环，所述前定位环和后定位环安装在驱动轴上；所述电控螺线管设置在支撑座于驱动轴凸缘面之间，通过第二轴承装配在驱动轴上，通过线束与发动机的控制单元相连；所述从动盘上设有储油腔和回油通道，控制阀杆装配在从动盘上；所述风扇法兰上装配有环形断路器，所述环形断路器设置在控制阀杆和电控螺线管之间，用于传递磁力；所述前盖和后盖为主动件，转速与发动机转速一致。

2.根据权利要求1所述的电控硅油离合器，其特征在于：所述电控螺线管包括线圈、第二轴承、转速传感器和磁铁，所述线圈、转速传感器和磁铁通过第二轴承安装在驱动轴上，所述线圈通电产生磁力，经环形断路器传递给控制阀杆，所述控制阀杆控制从动盘上的出油口的通断。

3.根据权利要求1所述的电控硅油离合器，其特征在于：所述环形断路器包括六个齿，所述风扇法兰带动风扇转动，当环形断路器的齿位于转速传感器与永磁铁之间时产生霍尔效应，转速传感器将反馈输出信号给ECU，ECU依据输出信号计算风扇的实时转速。

4.根据权利要求1所述的电控硅油离合器，其特征在于：所述前盖和后盖的材料为铝合金AlSi9Cu3，表面均布置有散热翅片。

5.根据权利要求1所述的电控硅油离合器，其特征在于：所述驱动轴通过固定螺钉与前盖固定。

6.根据权利要求1所述的电控硅油离合器，其特征在于：所述前盖和后盖通过螺栓固定。

7.根据权利要求1所述的电控硅油离合器，其特征在于：所述支撑座上设有密封盘和导磁板。