北京工业大学 硕士学位论文 液体粘性联轴器可控盘片运动方向数值模拟及实验研究 姓名：王敏 申请学位级别：硕士 专业：热能工程 指导教师：夏国栋

当今国际汽车制造业中，液体粘性传动技术正广泛地应用在高性能汽

车上，然而国内对带有液体粘性联轴器的全时四轮驱动汽车的研究相对落

后。本文重点研究液体粘性联轴器传动性能中一个独特现象一一驼峰现

象，用数值模拟方法对不同槽边型式的内盘片进行受力分析，确定最优的 内盘片模型，从而控制内盘片运动的方向，促使驼峰现象的发生，然后以
此为指导进行实验研究。

全文共分五章。第一章阐述了课题背景和研究意义、比较不同驱动形 式以及液体粘性联轴器在四轮驱动汽车上的应用；第二章详细介绍了液体

粘性联轴器的结构及工作原理、盘片型式以及工作介质的分子结构和物理

性质：第三章总结本项目已有的研究成果，包括盘片型式对扭矩输出计算

的影响、驼峰现象产生的四个过程及驼峰现象发生时内部压力、温度的变

化情况；第四章首先对驼峰现象发生机理进行了概括分析，用ＦＬＵＥＮＴ软件 模拟不同模型和工况下内盘片所受的轴向力差，讨论轴向力差如何促使内 盘片运动，从而产生驼峰现象；最后考虑硅油作为非牛顿流体，粘度随温 度与剪切率变化的两种计算模型。第五章介绍了粘性联轴器实验系统及实 验步骤，研究了内盘片槽边型式、硅油粘度、填充率等不同因素对联轴器 扭矩传递性能的影响，并根据实验后盘片的磨损情况，验证了内盘片运动 方向符合理论分析结果。实验中利用红外热像仪测量联轴器壳体的表面温 度，由此粗略估计内部流体所能达到的最高温度，避免内部温度过高，损 坏实验部件。最后，对整个研究工作进行了全面总结，得到具有盘片倒角

的液体粘性联轴器能够改善四轮驱动汽车的驱动性能。

四轮驱动汽车；液体粘性联轱器；驼峰现象ｉ盘片倒角

北京工业大学工学硕士学位论文

Ｌｉｑｕｉｄ Ｖｉｓｃｏｕｓ

Ｃｏｕｐｌｉｎｇｓ（ＬＶＣ）ａｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ ａｐｐｌｉｅｄ

Ｆｏｕｒ－ｗｈｅｅｌ―ｄｒｉｖｅ

（４ＷＤ）ｖｅｈｉｃｌｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｉｎｄｕｓｔｒｙ，Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ

ｔｈｅ ｆｕｌｌ．ｔｉｍｅ

ｖｅｈｉｃｌｅｓ ｗｉｔｈ ＬＶＣ ｉｓ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｌａｇｇｅｄ ｉｎ Ｃｈｉｎａ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｃｏｎｆｉｒｍ ｔｈｅ ｐｒｅｆｅｒｒｅｄ

ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｏｆ ｉｎｎｅｒ ｐｌａｔｅ ｗｈｉｃｈ

ｉｎｉｔｉａｔｅ ｈｕｍｐｉｎｇ，ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ

ｐｌａｔｅ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｂｙ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ａｌｓｏ，ａ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ． Ｔｈｉｓ ｔｈｅｓｉｓ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｆｉｖｅ ｃｈａｐｔｅｒｓ．Ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｃｈａｐｔｅｒ ｍａｉｎｌｙ ｓｅｔｓ ｆｏｎｌｌ ｔｈｅ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ａｎｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗｏｒｋ，ｇｉｖｅｓ ｅｘｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅ ｍｏｄｅｌｓ， ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ＬＶＣ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

ｖｅｈｉｃｌｅｓ．Ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ

ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ＬＶＣ，ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｉｌ ｉｎ

ｄｅｔａｉｌ．Ｓｏｍｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｉｎ ｃｈａｐｔｅｒ ｔｈｒｅｅ．Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ

ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｐｌａｔｅ ｆｒａｍｅ

ｔｈｅ ｔｏｒｑｕｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｆｏｕｒ ｐｈａｓｅｓ ｏｆ ｈｕｍｐ

ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ

ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ，

ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｈｕｍｐ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｆｉｒｓｔｌｙ，ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｌａｔｅ ｂｅｖｅｌｅｄ

ｅｄｇｅ，ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｅｆｆｅｃｔ

ｔｈｅ ｉｎｎｅｒ ｐｌａｔｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｆｌｕｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，

ｈｕｍｐｉｎｇ．Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ－ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ

ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ

ｐｏｗｅｒ ｌａｗ ｍｏｄｅｌ ｗｅｒｅ ｔｏｏｋ ｉｎｔｏ ａｃｃｏｕｎｔ ａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ

Ｎｏｎ－Ｎｅｗｔｏｎｉａｎ ｆｌｕｉｄ．Ｔｈｅ ｆｉｆｔｈ

ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ，ａｎａｌｙｚｅｓ

ｔｅａｒ ｏｆｉｎｎｅｒｐｌａｔｅ ａｆｔｅｒ

ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ

ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ

ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｓｌｏｔ ｏｆ ｉｎｎｅｒ ｐｌａｔｅ．ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｉｌ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ，

ｆｉｌｌｉｎｇ ｒａｔｅ ｔｈｅ

ｏｎ．Ｗｅａｒ ａｎｄ

ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓ ｔｈａｔ

ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｎｅｒ ｐｌａｔｅｓ ａｃｃｏｒｄｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅｏｒｙ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍ．ｅ ｔｉｍｅ ｓｕｒｆａｃｅ ＬＶＣ ｔｈｅ

ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ

ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ｉｎｆｒａｒｅｄ

ｔｈｅｒｍｏｓｃｏｐｅ

ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎ

ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ。Ｉｎ

ｓｏｍｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ

ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．ＬＶＣ ｗｉｔｈ ｐｌａｔｅ ｂｅｖｅｌｅｄ ｅｄｇｅ

ｉｍｐｒｏｖｅ ｄｒｉｖｅ

ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ４ＷＤ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｆｏｕｒ?－ｗｈｅｅｌ?－ｄｒｉｖｅ ｖｅｈｉｃｌｅ；Ｌｉｑｕｉｄ ｖｉｓｃｏｕｓ ｃｏｕｐｌｉｎｇ；ｈｕｍｐ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｐｌａｔｅ ｂｅｖｅｌｅｄ ｅｄｇｅ

本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

关于论文使用授权的说明

本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。

面积，ｍ２ 硅油热容量，Ｊ／（Ｋｇ?℃１

比例系数 截取外盘片弧长，ｍ 倒角高度，ｍ

指数因子 盘片的数目，片 线速度，ｒｐｍ 功率，ｗ

盘片间间隙，ｍ 硅油温度，Ｋ

内、外盘片间相对速度，ｍ／ｓ Ｘ方向速度分量，ｒｒｇｓ Ｙ方向速度分量，ｍ／ｓ

硅油热膨胀率（体积膨胀系数），１／＇Ｃ

硅油的运动粘度，ｍ２／ｓ 动力粘度，Ｐａ?ｓ 角速度，ｒａｄ／ｓ 密度，ｋｇ／ｍ３

聚合度 剪切应力，Ｐａ

接触分布系数 扭矩关联系数

倒角角度 硅油的填充率 盘片偏移距离，ｍ
１．１课题背景和研究意义
液体粘性传动是流体传动中一个新兴的分支，从提出概念到出现产品应用
仅有四十余年的历史。我国在这方面的研究始于七十年代【Ｉ】。用于四轮驱动

（Ｆｏｕｒ－Ｗｈｅｅｌ―Ｄｒｉｖｅ，以下简称４ＷＤ）汽车传动系的液体粘性联轴器（Ｌｉｑｕｉｄ

Ｃｏｕｐｌｉｎｇ，以下简称ＬＶＣ）是液体粘性传动理论一项新的具体应用。

在汽车传动系统的发展过程中，为了提高汽车的越野性和牵引性，液体粘性

联轴器曾广泛应用于四轮驱动的传动系统。１９４１年，第一辆ＪＥＥＰ汽车诞生，它

的性能大大超出了其设计者的预料，其中的奥秘就是四轮驱动系统。正是这一技 术创新，一直引导ＪＥＥＰ系列经历了６０年的发展历程，奠定了ＪＥＥＰ汽车在越野 性能方面的统治地位。但传统的四轮驱动形式，大部分采用挂挡式的分动箱，只 在必要时，采用四轮驱动。在通常情况下，只采用常规的两轮驱动，故称之为短 时四轮驱动。出现这种情况的主要原因是传统的四轮驱动系统会存在有害的功率 循环：如果在前后轴间采用了可消除功率循环的轴间差速器，那么四轮中任意一

轮打滑，就可能引起四轮空转，使得整车失去了行驶能力，因而难以实现不需要 换挡动作的全时四轮驱动。

二十世纪八十年代末、九十年代初，在国际汽车制造业中，利用液体粘性传 动技术大力发展四轮驱动系统，即在汽车的两轴间采用液体粘性联轴器作为传动 的关键部件。ＬＶＣ作为轴间差速器用于四轮驱动系统具有很多独特的优点，能从 很大程度上满足人们对４ＷＤ汽车性能的要求，并将其应用范围逐渐扩大到一般用 途的车辆，如高性能轿车。这类汽车使用四轮驱动不仅是为了提高汽车的牵引性

和通过性，更重要的是为了提高汽车的行驶性、转向性和制动性。１。据报道，国

外有９０％的四轮驱动汽车上装有该装置，尤其是一些发达国家，如美国、日本、 德国等国家这类汽车所占比例越来越大Ⅲ。在法国，１９８４年四轮驱动越野车销量

只有１．８５万辆，２００２年达到了ｉ０．５万辆，占当年法国新车总销量的５％，２００３ 年法国各类汽车的总销量比去年下降６％至７％，但越野车在法国的销量达到１２万

辆，同比增加１１．６％。所以这项技术在汽车四轮驱动系统中具有突破性的意义， 成为当今汽车发展的一种潮流。然而我国在该领域的研究相对落后，不同的厂家 有着自己不同的四轮驱动技术，比如奥迪Ａ４的Ｑｕａｔｔｒｏ全时四轮系统，大切诺 基的Ｑｕａｄｒａ―ｄｒｉｖｅ系统，以及陆虎的ＥＴＣ技术均各具特色，而对带有粘性联轴 器限制差速器的全时四轮驱动汽车的研究相对落后，中国国产以及中外合作生产 的高级轿车，尚未使用这一国际领先技术。因此本课题的开展是十分迫切并具有

北京工业大掌工学硕士学位论文

重要的现实意义的。 液体粘性联轴器中盘片的结构型式以及盘片间油气两相流体在热态下的剪

切流动特性，决定了ＬＶＣ输出扭矩的性能［３］ｏ虽然对盘片的大致型式的研究趋于 成熟．但是其中槽边型式的研究也是粘性联轴器设计时必须考虑的问题之一。所

以，对此进行研究是不容忽视和非常必要的。

１．２不同的驱动方式的优缺点

现实社会普及的汽车并不是四轮驱动汽车而是二轮驱动汽车。在过去，在路 上行驶的汽车都是后轮驱动占据主导地位，但是到了七十年代后期，前轮驱动的 汽车就慢慢开始占据了主导的地位。尽管现在大多数的轿车都是前轮驱动的，但 是后轮驱动的轿车也又开始被许多汽车厂家所采用，例如，尼桑将它的无限Ｇ３５ 型轿车又改回到后轮驱动，卡迪拉克在它的最新的ＣＴＳ型轿车中也采用了后轮驱 动。到了８０年代后半期，用户出现了开始追求高档车的倾向。四轮驱动成了引 人注目的新技术之一，以下详细介绍各种驱动方式的优缺点。

１．２．１前轮驱动系统

一、降低轿车的成本：现今许多汽车制造厂商都采用这种驱动系统。在制造 和安装方面前轮驱动都比后轮驱动便宜。它没有通过驾驶舱下面的驱动轴，也不 用制造后桥壳，变速器和差速器被装配在一个壳体中，这样所需的零部件就更少。 这种前轮驱动系统还可以方便的在汽车底部安装其他部件，比如制动系统，燃油

二、减轻整车的重量：减轻车重可以提高加速性，制动性和经济性。由于前 轮驱动汽车的驱动轮承受着发动机和驱动桥的重量，可以增加驱动轮的附着力， 对于在湿滑路面上行驶的汽车有很大的帮助。 三、室内空间较大：驾驶室内不会因为有驱动轴通过而有一个大的凸起。比

如本田思域，这种小车也可以捐ｊ有许多轿车无法比拟的后座空间，原因就是有了 一个平整的底板，同时，没有了后差速器，行李箱的空间也会得到增大。 １．２，１．２缺点

一、操纵性变差：因为大多数的质量都集中在汽车的前部，汽车的后部将会 变得轻一些，这样后轮的附着力就会变小，在有冰覆盖的路面上行驶车尾就很容 易发生侧滑。但是这个问题现在已经得到了解决，设计者在设计时会尽可能的将 重量设置在汽车的后部，理想的质量分配是前后轮所承受的的质量之比为ｌ：１， 但是前轮驱动汽车很少有达到或接近这个比值的。 二、前轮所承受的负荷大：前轮必须传递加速，转向和制动时地面作用于轮 胎的力。而轮胎拥有的附着力是有限的，当附着力一部分用来加速时，就必定会

减少对其它部分的作用力。

１．２．２后轮驱动系统

后轮驱动汽车的平衡性和操作性比前轮驱动汽车都将会有很大的提高。随着

一部分机械部件从汽车前部移到后部，后轮驱动的汽车加速时，牵引力将不会由

前轮发出，所以在加速转弯时，驾驶员就会感到有更大的横向握持力，操作性能 变好。这就是高速跑车和一些高性能轿车采用后轮驱动的原因。

现代汽车的动力性和牵引性是车轮所能发出的牵引力所决定的，因为后轮所 承受的负荷比较少，牵引力小一直是后轮驱动汽车的一个问题所在。使用牵引力

控制力系统和车身稳定电子系统可以让后轮驱动的汽车在湿滑的路面上达到和 前轮驱动汽车一样的性能，但是增加了制造成本。

１．２．３四轮驱动系统

近十年间四轮驱动汽车已实现巨大的技术变革。４ＷＤ系统是将发动机的驱动
力从２ＷＤ系统的二轮传动变为四轮传动，而４ＷＤ系统之所以列入主动安全系统． 主要是４ＷＤ系统有比２ＷＤ更优异的发动机驱动力应用效率，使轮胎牵引力与转

向力的有效发挥达到行车稳定性以及循迹性，除此之外４ＷＤ系统更有２ＷＤ所没 有的越野性。４ＷＤ系统当初是为了提高越野汽车穿越性能而采用，但最近为提高

轿车及ＲＶ轿车（游乐汽车，Ｒｅｅｒｅａｔｉｏｎａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ）的行驶稳定性，使高性能 发动机输出功率在与路面相接触中发挥出高运动性能而被采用。 从技术上来说，四轮驱动汽车急速普及的主要原因有以下三点：

一、前轮驱动汽车的普及发展，取代了以往一直占主导地位的后轮驱动汽车， 其数量急速增加，而前轮驱动汽车非常容易实现四轮驱动。 二、大连接角的等速联轴节实用化了，而且价格便宜。过去在将前轮驱动改 造成四轮驱动时，这是一个十分难以解决的技术难题。 三、粘性联轴器实现了商品化，在四轮驱动汽车上装用了粘性联轴器之后，

极大地提高了汽车的操纵性”】。 近年来，四轮驱动汽车的良好越野性和安全性越来越被人们所注目，应用范

围已逐渐扩大到一般用途的车辆。这类汽车使用四轮驱动不仅仅是为了提高汽车 的牵引性和通过性，更重视汽车的行驶性、转向性和制动性。一般的越野车，变 速器后面装有手动分力器，前后车轴各装一个称为驱动桥的部件。变速器输出的 扭矩通过分力器和传动轴，分别传递到前后车轴上的驱动桥，再通过驱动桥将扭 矩传递到轮子上。而在轿车上，由于轿车的车架结构与越野车的车架结构有所不 同，作用目的也有差异，所以轿车上的四轮驱动装置是常啮合式，增加了粘性联

轴器，省去了手动分力器，自动将扭矩按需分配给前后轮子。现代轿车的马力都 比较大，加速时重心后移，造成前轴轻飘。这对于前轮驱动的轿车来讲，即使在 良好的路面上车也会打滑，四轮驱动可以防止这种现象发生。所以，轿车应用四 轮驱动，主要作用是提高车的加速性能。目前四轮驱动的小车，发动机以前置 或者中置为主。前置发动机的轿车分配到前后轴上的重量大致相同，两轴的驱动

力矩大约是４５：５５到４０：６０，中置发动机的跑车，全车重量在前后轴上的分布

大约是４０：６０，两轴的驱动力矩大约是３５：６５到３０：７０。这两类车子前后轴之

间有差速器和粘性联轴器，无论哪一个轴的轮子打滑，都可以通过联轴器的粘性

液体把驱动扭矩传递到不打滑的车轮上。当前轮开始打滑时，前、后轮的转速差 会使联轴器中的粘液发生变化，从而使传动轴将扭矩传递至后轮，待前、后轮的 转速差消失就自动回复原有驱动形式【５】。 １ ２ ３．１四轮驱动系统的分类 目前４ＷＤ大致可分短时（ＰＡＲＴ

４ＷＤ）及全时（ＦＵＬＬ

系统。短时四轮驱动系统可依驾驶者的需求，选择２ＷＤ或４ＷＤ，这种驱动系统属 于比较传统的４ＷＤ系统。从越野方面来看，此种传动系统当选择四轮驱动模式 时前后轮系直接连结，可确保前后轮的驱动力输出，因此适合越野的４ＷＤ系统， 但最近发生了很大变化，一些娱乐车、商用车、轻型车等也广泛使用这种四轮驱 动。轻型车采用短时四轮驱动，主要是比全时四轮驱动经济，最后才考虑它在不 平路面的越野性。短时四轮驱动在正常行驶时用二轮驱动，不用担心出现急转弯 制动现象和前后轮互相干涉现象，振动和噪声也小，燃料消耗少。只有在特殊情 况下，根据驾驶员经验判断，用手动操作将汽车切换成四轮驱动。这样将切换驱

动操作的责任转给了驾驶员，到底何种场合选择哪种驱动方式，必须由驾驶员判 断，无疑加重了驾驶员的劳动强度； 另一种为全时４ＷＤ系统，此种系统不需驾驶员操作，车辆总是处于四轮驱动 系统，此种系统可经前后驱动力的分配，达到驱动力及转向力的最佳化配置， 属于高性能传动系统，除了配置于一般的越野吉普车外，也常用于一些高性能的

跑车上。全时四轮驱动最近才进入实用化，其最大的原因是由于在高摩擦系数路 面上全时四轮驱动出现急转弯制动现象。使用全时四轮驱动，通过伞齿轮式中间 差速器使前后轮始终处于连接状态。这样在非铺装道路的条件下，使用起来问题 不大，但是，在铺装路面和干燥道路路面摩擦系数较大，汽车却不能顺利转弯。 首先，驾驶员感到转向盘变得沉重，同时，未踩刹车，车速却急剧下降，甚至汽 车被迫停车。在冰雪路面上转弯，由于轮胎容易打滑，汽车不会产生急转弯制动 现象，但是由于打滑轮胎产生的地面附着力大小，不能抵消转弯离心力，所以会

沿弯道切线方向冲出道路，本来用四轮驱动是要在冰雪路面发挥其强大的越野性 能，可这样一来使得四轮驱动价值大打折扣。

为了解决上述问题，可以在传动轴装差速器，这种全时四轮驱动汽车又可分

为两类：～类是带有中间差速器的全时四轮驱动汽车，这种汽车除了有前后差速 器以外，还有一个中间差速器。中间差速器的作用是把发动机传来的驱动扭矩传

给前后车轮，并适应前后车轮的转速差。在四轮驱动系统中布置了中间差速器之 后，就不会发生急转弯制动现象，但是四个车轮之中只要有一轮发生空转，汽车 就会抛锚。为了防止汽车抛锚，可以将中间差速器锁死，就是将中间差速器与前 传动轴刚性地连在一起。如图１－１所示。

图卜１中间差速器锁死效果【０ｊ

Ｆｉｇｕｒｅ １－１ Ｌｏｃｋｅｄ ｂｙ ｃｅｎｔｒａｌ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ

汽车在正常行驶时，中间差速器可以自由差动。假如汽车的左前轮陷入泥坑 中而空转，左前轮的驱动力为零，根据差速器的特性可知，右前轮的驱动力也必 为零，右轮停止转动。由于两前轮的驱动扭矩为零，中间差速器前传动轴的驱动 扭矩也为零，因此中间差速器后传动轴的驱动扭矩为零，中间差速器空转，后差 速器不传递扭矩，两后轮停止转动，汽车就抛锚了。这时驾驶员转动中间差速器

锁死开关锁死中间差速器，即将前传动轴和中间差速器刚性连在一起，中间差速

器不能差动而将驱动扭矩传递给两后轮，产生驱动力使汽车驶出泥坑。

另一种是带有粘性联轴器限制差速器差动的全时四轮驱动汽车，如图卜２。 这种汽车在中间差速器上装有一个粘性联轴器来限制差速器的差动，称为单粘性 联轴器系统。还有在后差速器上再装一个粘性联轴器的，其作用防止汽车抛锚， 这种方案称为双粘性联轴器系统。最后在前差速器上再装一个粘性联轴器的，这 种方案称为三粘性联轴器系统。将粘性联轴器与差速器布置在一起，随着粘性联

轴器使用的数量增加和不同的使用位置，能提高四轮驱动汽车的通过性能。

前轮驱动车只是前轮起驱动作用，因而在小的附着系数道路上行驶时，很难 传递足够的扭矩，前轮产生严重的滑转，驱动扭矩大幅度下降。全时４ＷＤ在粘

，。。，。，，，。。』堡型堕塑耋型耋丝鎏，，。，。，。。一

性联轴器作用下，前、后车轮存在转速差，相应地向后轮传递扭矩，加速时往往 前轮转速高于后轮，前轮打滑率也高于后轮，正因为如此，前后车轮同时渭转的 机会也会减少。对于短时４ＷＤ，由于前后轮的轨迹差由轮胎吸收，后轮必须有 大的驱动扭矩。而全时４ＷＤ可以吸收前后轮轨迹差引起的转速差，从而使后轮 扭矩比短时４ＷＤ小得多，故采用粘性联轴器的全时４ＷＤ具有缓和转弯制动的

俑蠡ｋ－‰ｌ １ Ｆ Ｉ

ｗ ● ☆暇 矗蜃 ｈ。≮

图卜２带有粘性联轴嚣的全时四轮驱动汽车的示意图【０１

Ｆｕｌｌ－ｔｉｍｅ ４ＷＤ ｖｅｈｉｃｌｅ ｗｉｔｈ ＬＶＣ

１．３液体粘性联轴器在４ＷＤ汽车上的应用

目前一些小型４Ｖ／Ｄ系统采用粘性联轴器技术，如奥迪Ａ４和富士林人等。这 类四驱车在平时是以前轮进行驱动，只是在前轮失去附着力时才通过ＬＶＣ将动力 输出给后轮，ＬＶＣ是自动将动力传输给后轮的装置，很多小型的ＳＵＶ也采用这类 ＬＶＣ系统，但相对常规越野车的机械式四驱装景，ＬＶＣ不适合高强度的越野行使。

作为一种新型的流体传动，液体粘性传动具有以下性能特点：

一、主动件和被动件上作用的扭矩永远相等，因而液体粘性传动无变转能

二、虽然液体粘性传动无变转能力，但它传递的扭矩可随负载的变化进行 调节，调节方法主要是控制油膜剪切的工作面积。 三、液体粘性传动是一种绝对可穿透性的传动，即在传动过程中，负载的 任何变化，都将影响到与主动件相连的动力装置。

因为液体粘性传动所传递的扭矩与转速差成正比，所以在纯油膜剪切

范围内，当输入转速不变，输出转速上升时，扭矩下降：输出转速下降时，扭矩 上升，因而具有调节负载的自适应性。 五、液体粘性传动具有优良的无级调速性能，即当输入转速不变时，输出

转速可在很大范围内变化。 除了上述特性外，液体粘性传动还有一些其它特性，如它是一种非刚性连接，

具有缓冲和减振作用。粘性联轴器就是基于液体粘性传动这些优点，应用于４ＷＤ

（１）用于短时４ＷＤ汽车在某些汽车中，用粘性联轴器取代轴间差速器，发 动机动力经过粘性联轴器传递给后桥，使传动系的布置方案变得更为简单。当汽 车正常行驶时，前后轮的转速基本相等，联轴器不工作，这时汽车相当于前轮驱 动。当汽车加速或爬坡时，汽车质心后移，前轮将出现打滑，转速升高，前后轮 出现转速差，联轴器开始工作，将部分扭矩传递给后桥，使之产生足够的驱动力 帮助前轮恢复正常的工作状态，提高了它的动力性。由于粘性传动不如机械传动 可靠，所能传递的扭矩较小，因此这种布置型式多用于轿车和轻型汽车。 （２）用于连接前后驱动轮系这种方法是取消中间差速器（如图卜３ａ），利 用粘性联轴器把前后驱动轮系直接连接起来。联轴器利用其前后转速差传递扭 矩，两轮驱动汽车在正常行驶时，前后轮转速相同，粘性联轴器空转不工作，汽 车有一轮无驱动力，仍为两轮驱动汽车。一旦前轮或后轮出现空转打滑，前后轮 的转速差变大，粘性联轴器开始工作，把驱动扭矩分配未出现打滑的轮子上，汽 车自动变成了四轮驱动汽车。 （３）用于轴间差速器的限动装置联轴器除了用于连接前后桥，还可以用作 前后桥差速器的限动装置，所以经常需要把联轴器和差速器布置在一起，即联轴

器布置在差速器壳体内，一般有两种布置方案，即轴式布置（如图卜３ｂ）和壳式布 置（如图１－３ｃ）。轴式布置将内、外盘片分别安装在左、右半轴上，这样内、外 盘片的转速差等于左、右半轴的转速差，而壳式布置将内、外盘片分别安装在左 半轴和差速器壳上，盘片的转速差等于差速器壳体与左半轴的转速差。把联轴器

北京工业大学工学硕士学位论文

布置在差速器壳体内，使结构更加的紧凑，与其他形式的防滑差速器相比，在泥 泞的道路上行驶时，它可以利用峰值特性使差速器的锁紧系数达到无穷大，从而

有效的提高了汽车的行驶通过性。 （４）左右扭矩分配式粘性联轴器有些发动机前置的前轮驱动汽车在改造成 四轮驱动汽车时在后桥上布置了左右扭矩分配式粘性联轴器来代替后桥差速器。

粘性联轴器左侧的内盘片与左半轴连接到一起，右侧的内盘片与右半轴连接到～

起，相应的外盘片固定在粘性联轴器壳体上，并通过齿轮与传动轴和前桥相连。

当汽车正常行驶时，联轴器的内外盘片的转速相等而不工作，相当于发动机前置 的前轮驱动汽车。当前后桥车轮转速不相等时，内外盘片出现转速差，联轴器工 作，成为四轮驱动汽车。另外，当汽车转弯时，后桥左右车轮的转速不同，这时 粘性联轴器吸收了左右半轴的转速差，又起到了后桥差速器的作用。这样的布置 方式相当于把两个联轴器做在了一起，代替了中间差速器和轮间差速器，使结构

更加的简单，降低了成本，但同时使传动系的效率降低了。

图卜３ ＬＶＣ在４Ｗ１）中的几种安装型式【３】

Ｆｉｇｕｒｅ １－３ Ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆＬＶＣ ｉｎ

综上所述，目前在国际汽车制造业中，正是利用液体粘性传动技术大力发展

全时四轮驱动系统。然而，我国在该领域的研究相对落后，从提高车辆机动性和

越野性方面考虑，采用性能先进的全时四轮驱动系统是一项有重要意义和十分迫

切的任务。本课题主要针对液体粘性联轴器这一重要部件进行研究。

１．４本课题的研究内容

本论文研究的主要内容有： １．用ＦＬＵＥＮＴ软件对液体粘性联轴器内部工作流体在盘片不同槽边型式下 的压力场和流场进行数值模拟，计算作用在内盘片上的轴向力差，设计促使驼峰 现象发生的最佳盘片型式，为今后液体粘性联轴器的设计工作提供必要的依据： 并且讨论硅油作为非牛顿流体对粘性联轴器性能的影响。 ２．有针对性地自制供全时四轮驱动汽车用液体粘性联轴器的盘片。

３．对自制液体粘性联轴器的性能进行全面系统的台架试验。测试不同盘片 型式年ＩＩＩＮ隙的液体粘性联轴器在不同的工质粘度、填充率、输入转速等条件下的 扭矩传递性能，并对驼峰现象产生的条件进行了深入的分析研究。

４．利用红外测温仪测量联轴器壳体表面温度，由此估量内部流体所能达到

北京工业大学工学硕士学位论文

第２章液体粘性联轴器和工质的介绍

液体粘性联轴器最早由英国的法加森公司研制，后来英国的ＧＫＮ公司使之 商品化。此后，随着液体粘性联轴器作为四轮驱动汽车的轴间差速限制装置与扭 矩传递系统的重要部件，极大地推动了四轮驱动汽车的发展。液体粘性联轴器的 优点在于，如果适当地变更内外盘片的形状和两盘之间的间隔，适当地选择一定 特性的硅油，可以使粘性联轴器的扭矩分配特性非常柔和而且连续，因此ＬＶＣ 扭矩传递特性对于确保四轮驱动汽车的行驶稳定性及牵引力特性十分重要。液体 粘性联轴器的独特之处还在于它传递不同的扭矩而无需控制液压和电力，它是自

动调节的。同时，从地球环境与能源的角度出发，采用粘性联轴器可以减轻汽车

的重量．提高其紧凑性和经济性【７】，并改善其性能。紧凑的结构和优良的性价比 也是其优点。ＬＶＣ在国外市场的参考价格是：６００～２０００美元／个（ＯＥＭ）［１”。ＬＶＣ 在剪切阶段传递扭矩时，传递的效率很高，输入与输出扭矩值基本相等，扭矩值 随转速差的增大而逐渐增加。深入研究ＬＶＣ盘片的形状以及工作介质特性，对粘 性联轴器设计的改进有所帮助。

２．１．１液体粘性联轴器的结构

图２－１典型的ＬＶＣ部件图

Ｆｉｇｕｒｅ ２－１ Ｔｙｐｉｃａｌ ＬＶＣ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ

如图２－１为液体粘性联轴器的典型部件示意图，ＬＶＣ由输入轴、输出轴（与

外壳相连接）、外壳、内盘片、外盘片、含有一定比例空气的硅油组成。内（外） 盘片分别通过花键与输入（出）轴连接，外盘片之间有分离环固定，使相邻外盘 片间保持相等的间隙，内盘片可以沿花键做轴向运动。通常外盘片沿周向开有小 孔．内盘片沿径向开槽。

第２章液体粘性联轴器和工质的介绍

图２―２所示为本文研究的液体粘性联轴器外观图，图２―３所示为其结构示意 图。轴１开有外花键，与内盘片２的内花键相啮合；壳体５开有内花键，与外盘 片３的外花键相啮合；外盘片由分离环４分离，内盘片以一定间隙相间装配，内

外盘片的间隙充有工作介质――硅油，壳体开有两个径向加油孔，用以注入和排

Ｆｉｇｕｒｅ ２－２ Ｔｈｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆＬＶＣ ｉｎ

图２－２液体粘性联轴器的外观图 ４ＷＤ

本文实验中采用的注油方法是：用黄油枪将硅油以一定的压力，通过设在壳 体下端的加油孔注入粘性联轴器，同时将另一侧的加油孔敞开，与大气相通或使 用真空装置抽吸。 液体粘性联轴器如同密封在 壳体中的多片式离合器，不同之处 在于它不存在分离机构。一般情况 下，相邻外盘片间隙一定，还有一 种不具有分离环的粘性联轴器。两 种均是依靠壳体内温度增加，内压 增高迫使盘片移动，减少内、外盘 片之间的间隙，即用油膜厚度的改 变来调节扭矩。本文试验中采用带 有分离环的粘性联轴器。

１．轴２．内盘片３外盘片４，分离环５壳体６．壳体端益７ 挡块８．油封９．轴承ｌＯ．轴承端盖

图２―３液体粘性联轴器结构示意图“３

Ｆｉｇｕｒｅ ２－３ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆａ ＬＶＣ
盘片对ＬＶＣ的传递扭矩的能力具有决定性的作用，其厚度、数量及表面质量 对扭矩的传递特性均有影响。厚度大，可提高盘片的刚度，避免变形；但厚度太 大，会增加ＬＶＣ的体积和重量，所以在尽可能小的安装空间内获得尽可能大的传

北京工业大学：Ｔ＝学硕士学位论文

递扭矩，厚度不应太大，以增加盘片在有限空间内的数量。由于传递的扭矩与剪 切面积有关，因此盘片内径只要强度许可，应尽可能小以提高有效剪切面积。。 由于在混合摩擦状态中，内、外盘片会相互接触，进入混合摩擦工作方式，因而 会产生一定程度的磨损，为了增加其耐磨性延长使用寿命．可对表面进行调质处 理，以提高强度。根据文献［１０，１１］，本实验中采用图２―４所示的盘片形状。

图２－４内外盘片的形状

Ｆｉｇｕｒｅ ２－４ Ｔｈｅ ｓｈａｐｅ ｏｆｉｎｎｅｒ ａｎｄ ｏｕｔｅｒ ｐｌａｔｅ

另外，内外盘片分别加工了若干槽和孔，对提高ＬＶＣ的传递扭矩具有重要的 作用：

（１）保持形状的稳定性，防止因“峰值”产生的变形；

从理论上讲，因为油膜剪切力和剪切面积成正比，没有打孔的盘片应能产生 更大的扭矩。但承有负荷的实心盘片易发生变形。德国大众汽车有限公司通过实 验，对长期承受重载的一系列盘片的观察表明，其中某些盘片的一面有较明显的 磨损痕迹，而另一面几乎和新的～样，说明这些盘片曾与相邻的盘片接触，并且 方向不确定。图２―５、图２－６分别是实验后外盘片和内盘片磨损情况，这类盘片 失去了原有的平面形状，其传递扭矩特性必然交坏。因此，盘片周围的中部开若 干槽和孔，有助于保持形状的稳定性，并可避免引起盘片的振动。 （２）改善扭矩传递特性； 对于有孔盘片，空气积聚在外盘片的孔内，所传递的扭矩可以从外盘片内径 到内盘片外径积分，减去外孔扭矩褥到。据测定，在同样条件下，有孔盘片的扭

矩可高出无孔盘片的２０％――３０％。

（３）利于硅油的填充； 因ＬＶＣ盘片的间隙小，所用的硅油粘度较大，所以流动性差。若采用实心盘 片，将使硅油的填充变得相当困难，而槽和孔的存在会使填充大大加快。 （４）硅油可通过槽和孔做局部运动，有利于硅油的循环，从而防止局部过热。

（５）盘片上的槽和孔对粘性联轴器的驼峰现象具有决定作用。日产汽车有限 公司的实验观察表明：盘片上不开孔、槽时，盘片难以发生轴向移动，从而不会

发生液体粘性联轴器的一个重要现象――驼峰现象。

图２－５磨损后的外盘片实体图

Ｆｉｇｕｒｅ ２－５ Ｔｈｅ ｓｈａｐｅ ｏｆｏｕｔｅｒ

ａｆｔｅｒ Ｗｅａｌ＂ａｎｄ ｔｅａｒ

图２－６磨损后的内盘片实体图

ｗｅａｒ ａｎｄ ｔｅａｒ Ｆｉｇｕｒｅ ２－６ Ｔｈｅ ｓｈａｐｅ ｏｆｉｎｎｅｒ ｐｌａｔｅ ａｆｔｅｒ

盘片的形状不仅影响液体粘性联轴器剪切工况下的扭矩输出，而且对驼峰现

北京Ｚ业大学工学硕士学位论文

象的发生起着重要的作用。文献【３１给出了有倒角的内盘片将影响液体粘性联轴器 工作特性。

２．１．３液体粘性联轴器的密封

粘性联轴器的密封即对硅油的密封，它是ＬＶＣ设计中不容忽视的问题。因 为在ＬＶＣ工作过程中会产生大量的热量。特别是在极端工作条件下，工作腔内 油温会很高，同时系统的压力也急剧增加，硅油的蠕动爬行能力很强，所以高温 高压下硅油的密封很重要。一般的Ｏ型密封圈不能满足要求，本文实验中采用 氟胶骨架密封，型号为ＶＩＡＳ．４５，其温度承受极限为２３０＂Ｃ－－２７０℃，压力承受
极限大约为１５个大气压１２…。

２．１．４液体粘性联轴器的工作原理

液体粘性联轴器有两种工作状态，即：油膜粘性剪切工作状态和“驼峰”工 作状态。通常情况下，由于汽车豹各轮胎很难保持严格相同的转速，所以ＬＶＣ 经常处于油膜剪切工作状态，即利用油膜剪切传递动力。轴旋转时，带动与之啮 合的内盘片，由于油膜剪切作用产生的扭矩带动外盘片，外盘片将扭矩传到与之 啮合的壳体，从而起到传递扭矩作用。但是在特殊路面条件下，如果一轮打滑失
去牵引力，则轮间的转速变得不同，使得联轴器主被动盘之间出现转速差。这时

因摩擦而产生的热量会促使其内部的油气两相工质产生流动，而且联轴器内压 力、温度升高，最后在主被动盘片间形成准刚性连接，进入“驼峰”工作状态， 液体粘性联轴器将动力传递给其余车轮，从而实现驱动能力：离开特殊路面后， 主、被动盘片之间转速差减小直至无转速差，这时联轴器内部工质的温度、压力 会自动降下来，联轴器又恢复到油膜剪切工作状态。因此，ＬＶＣ中工质的性能对 传递扭矩特性影响也很大。 在粘性剪切阶段，随转速差的增大，硅油剪切产生热量增加，内部硅油温 度升高，ＬＶＣ内部压力增加，硅油膨胀压缩空气。这时大部分空气溶解于硅油， 未溶解的空气聚集在盘片的外边缘，瞬时填充率增大。在“驼峰”阶段，转速差 逐渐接近于零，输出扭矩达到最大（盘片间为准刚性联接）；温度逐渐降低，内 部压力减小，空气泡膨胀并从硅油中释放，瞬时填充率逐渐下降至原值。因此气 泡的存在有两个重要作用：１．影响了硅油的粘度；２．引起硅油和空气泡在盘片间

的流动，内盘片受轴向压力而接近直至贴紧外盘片。

液体粘性联轴器允许输入轴与输出轴同向或反向运转，却不影响其工作性 能，装有ＬＶＣ的４ＷＤ汽车脱离“抛锚”路面就是输入轴与输出轴同向运转的实例； 而在汽车下坡油门关小，利用发动机制动时，输入轴与输出轴则反向运转。

液体粘性联轴器中工作介质――硅油中封存一定量的空气，在运行中通过温

度与压力的变化改变粘度，所以硅油的初始填充率在很大程度上决定ＬＶＣ的特性

第２章液体粘性联轴器和工质的介绍

３］ｏ初始填充率即常温常压下充入ＬＶＣ的硅油体积与ＬＶＣ内腔容积之比，一般

初始填充率在８０～９５％，空气的含量对扭矩传递值的大小以及驼峰现象都有着重

高性能的４ＷＤ在中间、后差速器上大都安装了ＬＶＣ，以改善汽车高速行驶时 的转弯与操纵性能和刹车力的分布，并与ＡＢＳ系统兼容。ＬＶＣ代替轴间差速器，

既有差速功能，又能在必要时提高牵引力。汽车急转弯时，左右车轮的转速差很

大，应该把ＬＶＣ的输出扭矩控制在合理的范围，以免导致转向不足。当四个轮胎 的滚动周长不～致或ＬＶＣ的安装有偏差时，可能会导致ＬＶＣ工作介质的剧烈搅动 而过热，过度的高温将破坏工作流体的性质【“】。

２．１．５液体粘性联轴器的性能特点

随着粘性联轴器的实用化，极大地推动了四轮驱动汽车的发展。总的来说，
粘性联轴器具有以下性能特点：

１．在不利的道路情况下，根据车轮滑转情况和道路情况，自动地分配驱动 扭矩，保证汽车有良好的牵引性和加速性，同时也减少了滚动阻力和燃料消耗【１６】； ２．在操作上没有任何附加操作，驾驶员无需熟悉新的操作系统； ３．转向性能表现为“中和”状态，前轮驱动会因转向不足，偏离了弯道， 后轮驱动则会甩尾，而四轮驱动可由各个轮子的动力自动分配，就不会存在上面

问题，从而提高了转向性和操作稳定性¨７】： ４．起到差速的作用，从而很大程度上消除了功率循环； ５．在传动系统中不会出现过载现象： ６．利用ＬＶＣ中硅油的阻尼作用，可降低传动系统中的振动，减轻动力传递 中的刚性冲击ｉ１ ８】；

７．结构简单，制造方便，成本低。

硅油是粘性联轴器的工作介质，它应用在粘性风冷离合器已经很久。其性能

特点对粘性联轴器的工作性能具有重要的影响，因此有必要对其进行分析研究。

在液体粘性传动中硅油的作用是传递扭矩，通常应具备以下特点㈣：

２．有良好的氧化稳定性：因为工作液体在氧化后会使油的颜色变暗，粘度 与酸值增大，并生成大量的沉淀，对金属产生腐蚀作用并影响传递扭矩的能力； ３．有较高的比热容和热导率。目前液力传动油的比热容大致在（０．４～Ｏ．５）

×４１８７Ｊ／ｋｇ?℃范围内，其热导率为０．１１６～０．１５１Ｗ／（ｍ．℃）： ４．应具有防锈作用，抗泡沫能力、凝固点要低、不易发挥、无毒等。

液体粘性联轴器内部的工作介质主要是硅油，为了改善其扭矩传递的特性，

液体粘性联轴器内部还有一定量的空气存在。因为如果全部为硅油，当内部温度 升高，压力急剧增加时，无法控制密封壳体内的压力，使得超出了壳体极限压力。 同时空气有助于发生驼峰现象。硅油类型的选择很大程度上将影响ＬＶＣ的扭矩

２．２．１硅油的分子结构

月一妻一。一［一羹一。］：一至一Ｒ

ＣＨｌ一Ｓ／一Ｏ―Ｓｆ―Ｏ一＆一ＣＨｌ

２．２．２甲基硅油的性能特点

ＩＩＩＩ曼！！！！！！！苎！鼍曼曼！！！！！曼曼皇曼！！！！！！！曼鼍曼！！！！！！！！鼍曼！！！！！曼！

第２苹液体粘性联轴器和工质的介绍

能使其流动。相反地，如果剪切荷载迅速增加到足够大，液体呈现出粘弹特性，

牛顿流体的基本原理无法对该现象解释。在一般情况下，很多液压传动油和润滑

油会由于剪切力的作用使分子受到破坏而粘度下降。而硅油的抗剪切力为最好矿 物油的２０倍，在同样情况下粘度随剪切率的增加而下降并不大，因而其抗剪切 力很大。但高粘度硅油的抗剪切力相对较小，这是因为硅油受剪切时，沿流动方

向发生变形和取向的结果。即硅油的螺旋结构在剪切方向上发生拉伸变形，且分

子排列方向和流动方向一致，应变速度越大，定向排歹Ｕ越整齐，流动阻力就愈小， 从而导致表观粘度愈小。但这种粘度的下降是暂时的、可逆的，一旦去掉剪切力， 则又恢复到原来的粘度。随剪切率的增加，工作介质的粘度下降，性质与牛顿流

体的偏差相当大１２…。

从文献［２１］可知硅油表观粘度与剪切率的关系，在对数坐标下，硅油的粘性 剪切特性是非线性的，但是当剪切率较大时，曲线呈近似的线性关系。空气溶于

硅油之后，可能在某种程度上会改变硅油的粘度――剪切率特性。由文献［３］，

纯硅油以及填充率ｑ ｏ＞／９５％的硅油一空气的混合流体为剪切稀化流体，ｑ ｏ＝８０

９０％的硅油一空气混合流体则表现出轻微的剪切稠化特性。

５．热稳定性好：甲基硅油受热时很难氧化，只有在２００℃以上温度时才逐

渐有氧化趋势。在－６５～２００℃的范围内使用可保持稳定的化学性质。除了有好的 热稳定性，硅油的蒸汽压力低，挥发度也很小； ６．容易调配得到任意粘度的硅油：硅油可以按照具体用途制成不同粘度的 产品。甲基硅油既可制成０．６５Ｘ１０～２／ｓ（２０℃）类似水状的产品，又可制成高

达２甜／ｓ的如同饴糊一样的粘稠液体。

７．耐寒性好：低中粘度甲基硅油在－５０～６５℃失去流动性，粘度达０．１莳／ｓ

时，一４０℃才失去流动性。

８．热膨胀特性：ＬＶＣ热力学行为的一个决定因素是由于热扩散导致系统内 压上升，即通过摩擦生热，内压上升。对于甲基硅油，在２５～１７５。Ｃ之间，其热

膨胀系数的范围大致在：９５～１００Ｘ １０‘１／℃。如果假设壳体是刚性的，那么可 估算出系统的压力。

９．空气在硅油中的溶解率：由文献［２２］指出空气在硅油中的溶解率与硅油 粘度基本无关，加热至２００。Ｃ时，溶解率未显示出与温度变化的明显的相关性。 但在ＬＶＣ中，温度的变化与系统压力的变化密切相关，所以必须考虑温度的影响。

空气在硅油中的溶解率关系到ＬＶＣ盘片间的法向压力差，该差值可能是驼峰现象
产生或消失的决定因素。

综上所述，甲基硅油的性能适合液体粘性联轴器的工作需要。 粘性联轴器作为汽车的动力传动装置，对扭矩特性的要求越来越严格。并且

北京工业大学工学硕士学位论文

由于经济性、环保等要求，使得联轴器的设计逐渐紧凑、轻型。对于紧凑性设计 可以增加流体的粘度，但是粘度过大会造成过热和盘片的磨损，从而影响流体的

粘度和扭矩传递的稳定性。为了改善盘片的磨损，文献［７］提出可以将铁粉等金 属的混合物加入到硅油中从而增加粘度，同时保证硅油长期使用的稳定性，对抑 制磨损也非常有效。

２．２．３硅油粘度的调配

硅油可以按照具体用途制成不同粘度的产品。任意粘度的甲基硅油可以在平 衡反应时调节链终止剂用量得到，也可由两种不同粘度的甲基硅油相互混合得 到。后一种方法得到的硅油与平衡反应生成的硅油在分子量分布上有差别，但物 理性质基本一样。任意粘度的硅油可根据下列经验公式调配：
Ｇｌ ｌｏｇｖｌ＋Ｇ２

ｌｏｇｖ２＝（Ｇ１＋Ｇ２）ｌｏｇｖ

Ｖ１――高粘度硅油的粘度，ｍ２／ｓ； ｙ２――低粘度硅油的粘度，ｍ２／ｓ： ｒ――配制硅油的粘度，一／ｓ； ＧＩ――高粘度硅油的质量，蚝： 国――低粘度硅油的质量，蚝

液体粘性联轴器的内部结构与湿式多片离合器类似。但两者的工作原理却有 所不同，后者是利用活塞推动摩擦压板传递扭矩，根据电脑控制工作油压，从而 改变该离合器传递扭矩的大小；前者根据不同的路面情况，自动地传递扭矩，这
一切要归功于内部盘片的结构和流体的热行为特性。

液体粘性联轴器有两种工作方式。在混合摩擦工作方式时，内、外盘片相互

接触发生摩擦，形成刚性连接从而传递动力，因此盘片表面会产生一定程度的磨 损。为了提高其强度，刚度和耐磨性，对表面进行处理显得非常必要。

在粘性传动中选用硅油的主要原因在于它具有高粘度、良好的粘温特性和较 强的抗剪切能力。从保护环境的角度，对ＬＶＣ的设计要求结构紧凑，同条件下可 以增加流体的粘度。但是可能导致ＬＶＣ在工作时热负荷的增加以及盘片的磨损， 从而使得工作介质性能下降影响扭矩传递的稳定性。通过加入几种添加物，不仅 对抑制盘片的磨损非常有效，而且有助于扭矩传递的长期稳定性。

第３章本项目前期研究成果

第３章本项目前期研究成果

随着现代生活水平的提高，人们越来越希望在不同的路面、气候条件和用途
下，一种单一车型就能够满足需要，看似不可能的事情却有新的突破，即采用四 轮驱动系统正是从延伸功能的角度出发，最大程度的拓展了轿车的使用功能，粘

性联轴器是一种新型的传动装置，安装在四轮驱动车辆上，取得了一定的成果， 使得轿车的操作性、乘坐舒适性和燃油经济性得到了充分的体现。对于粘性联轴 器的研究越来越受到人们的关注。相对国外的液体粘性联轴器的研究来说，特别 是日本，我国的研究水平还很低，所以加速粘性联轴器的研究在我国有着重要的 意义。本项目对粘性联轴器结构、原理和各种参数进行了研究，包括粘性联轴器

输出剪切扭矩的计算及盘片结构对其的影响、驼峰现象产生过程、驼峰触发的温 度、驼峰发生时的最小转速差等。

３．１液体粘性联轴器输出剪切扭矩的计算

在进行液体粘性联轴器剪切输出扭矩的计算之前，有必要确定内部工作流体 表现为哪种类型流体。目前有两种不同的看法，并在此基础上建立起各自的扭矩
计算模型：Ｐｅｓｃｈｋｅ，ｒｏｊｉ Ｔａｋｅｍｕｒａ等人［２４２８］认为，ＬＶＣ内的剪切工质可以视为

牛顿流体，扭矩值的计算可由牛顿内摩擦定律求得。如图３．１，在内外盘片之间 油层半径，处取一微小圆环面积ｄＡｏ＝２ｊｒｒｄｒ，其切应力ｒ＝掣（６９ｌ一。２）ｒ／ｓ＝

该处的剪切应力ｄＦ＝ｒｄＡｏ；油膜微元所传递的扭矩为ｄＭｑ＝，ｄ＾

对于内盘片数目为Ⅳｌ，外盘片数目为Ⅳ２的处于工作状态盘片的ＬＶＣ，并综合考 虑了温度和剪切率对硅油粘度的影响，硅油的粘度随着温度的升高和剪切率的增

加而降低，其扭矩可以表示为

Ｍ。：（Ⅳｌ＋Ｎ，一１）ｒ ２ｒｐｙ．ＡＯｏｒ．∥．ｄｒ

ｌｇｖ㈣２ １０一。。珥矗７ ２９”Ｉｇｖｏ

一（等饥产ｈ旷（等户?ＶＺ（ｒｓ）

００＿一承受油膜剪切作用的面积，ｍ２；

爿――硅油的动力粘度，Ｐａ?ｓ； ｒ１、ｒ２――盘片的计算内、外径，ｍ： ｐ――硅油在常温下的密度，ｋｇ／ｍ３： ｙ――硅油的运动粘度，Ｉｎ２／ｓ

北京丁业大学Ｔ学硕士学位论文

图３－１简化的ＬＶＣ盘片扭矩传递计算模型Ｉ

Ｆｉｇｕｒｅ ３－１ Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｔｏｒｑｕｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ Ｉ

△“――内、外盘片间的转速差，ｒａｄ／ｓ： Ｓ――相邻内外盘片间油层的厚度，即盘片间隙，ｍ：

Ｉｆ％、――硅油在零剪切率及不同温度时的运动粘度值，ｍ２／ｓ；

ｒｏ――硅油在零剪切率以及２５℃时的运动粘度值，ｍ２／ｓ： 瓦――硅油的瞬时温度，Ｋ： ，，Ｂ――参考剪切率值ＹＢ＝３００（ｓ‘１）。

Ａ１、Ｂ１的值是通过实验数据拟合关系式得出的［４，２５，２６１，可参考表３一ｌ选取。 表３一ｉ Ａｌ、Ｂ１值的选取与硅油粘度的关系表 ４，平均值
Ｏ．４９ Ｏ．４８ Ｏ．４２
０．０４ ｍ２／ｓ ０．０６ ｍ２／ｓ ０．１２ ｍ２／ｓ
－０．０８３ －０．０８８ ―０．１２

将，；、ｙ、Ｓ、，ｌ、Ｉ＂２代入式（３―１），得出：

Ｍ。：盟掣出．即，。ｃ＂ｒ４佃也４－４）（３－４）

卟≮等产?＃ｐＶｏ（ＴＳ／２９８）－ａ＇（才“’”’一州’）

（Ｙ＞３００ ｓ‘１）

式（３－４）、（３－５）是以硅油为牛顿流体的前提下推导得出的。它假设了ＬＶＣ内 部硅油的密度保持恒定，并且硅油粘度只是温度与剪切率的函数。

Ｓ．Ｋ．Ｍｏｈａｎ、Ｂ．Ｖ Ｒａｍａｒａｏ等人‘２７１认为，盘片间的流体（硅油）是伪塑型流

体，其扭矩值的计算符合幂律流体的运动规律。硅油本身虽然有着良好的粘温性， 但是它随着温度的升高，表观粘度值的变化仍然是显著的，而且随着硅油中含气 率的不同，其流体的特性表现出非牛顿流体的特征，如图３―２，在半径ｒ处取一 微小扇环面积ｄＡｏ＝ｒｄｒｄ目，该处的剪切应力ｄＦ＝ｒｄｄｏ；所能传递的扭矩为ｄＭｑ

第３章本项目前期研究成果

Ｍ。＝ＪｄＭ。＝Ｊ，?ｄＦ＝Ｊｆｒ．ｒ ２ｄｒｄＯ（３－６）

以Ｌｖｃ内的硅油和空气的混合流体是非牛顿流体，来建立幂律流体行为模

ｆ＝ｙ‘＝ｐｖ呱Ｊ’七了

图３－２简化的ＬＶＣ盘片扭矩传递计算模型ＩＩ

Ｆｉｇｕｒｅ ３－２ Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｔｏｒｑｕｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ＩＩ
七与Ｋ及ｒ。的值参考文献‘２７０引。

两种求剪切扭矩的方法均未考虑盘片间空气泡的影响，没有考虑盘片上孔与 槽的存在，并且假设外盘片的间隙总保持一致，内盘片最初位于相邻外盘片的中 央。盘片上孔与槽的存在会减少油膜的剪切面积，应减去对应部分面积所能传递 的扭矩，对ＬＶＣ的输出扭矩值五磊加以修正。根据文献【３］，扣除盘片孔槽所能传递

的扭矩慨’，则有：％ｏ爿‰崛’＝￡％。￡视为关联系数，则ＬⅣＣ实际剪切扭矩

Ｍ＝（Ｎ１＋Ｎ２―１）’￡。螈

不同粘性联轴器ｅ的值是有所差别的，主要取决于内盘片的槽数和外盘片的 孔数。如果两者的槽孔数目相等，槽孔每次出现的时间一定，在一个时间间隔内 所传递的扭矩是振荡性的，如图３－－３所示：在某段时间，ＬＶＣ的实际输出扭矩值 由最大值逐渐减少直至最小值，维持一段时间后又开始逐渐增加，直至最大值， 周而复始的如此变化。如果槽孔的数目不同，避免了槽和孔同时相遇，可以减少 盘片间的冲击和震动，属于非振荡性，如图３―４所示。通过对本课题所用的盘片

结构进行分析计算，剪切扭矩随时间基本无变化，并且得到了关联系数。如图３ ―４所示：ＬⅣＣ实际输出的扭矩值基本保持恒定，是未考虑孔槽所计算出的扭矩 值的０．５６６７倍。

图３－３振荡型的输出扭矩与时间的变化的关系图

Ｆｉｇｕｒｅ ３－３ Ｔｏｒｑｕｅ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆｈｏｌｅ ａｎｄ ｓｌｏｔ ＶＳ．Ｔｉｍｅ

图３―４非振荡型的输出扭矩与时间的变化的关系图

Ｆｉｇｕｒｅ ３－４ Ｔｏｒｑｕｅ ｗｉｔｈ

ｓｍｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆｈｏｌｅ

ａｎｄ ｓｌｏｔ ＶＳ．Ｔｉｍｅ

上述对粘性联轴器剪切阶段的输出扭矩在不同的盘片结构下进行了计算。根 据库仑摩擦定律，求得液体粘性联轴器在发生峰值现象时所能传递的最大扭矩：

Ｍ。＝詈（Ⅳｌ＋Ｎ２―１）｛勾ｐ（吒’一ｒ１３）

ｆ――内外盘片接触分布系数；

第３章本项目前期研究成果

厂――内外盘片间摩擦系数；

ｐ一壳体内部的压力，Ｐａ。

３．２驼峰现象产生过程
如前所述，适当的设计液体粘性联轴器，可以使扭矩分配特性非常柔和且连 续，很适合轴间的差动限制。从它的结构来看，似乎也没有什么奇妙之处，都是 很普通的结构。尽管粘性联轴器的结构看起来简单，但在这个结构之中，会出现

一种令人难以想象的现象――驼峰现象。

如果液体粘性联轴器只能有剪切输出扭矩的状态，在下述的情况中，就可能 发生问题。假设有一辆在中间差速器和前后差速器上都装有液体粘性联轴器的四 轮驱动汽车，在泥泞路面抛锚了，驾驶员长时间反复踏动池门踏板，但始终不能
摆脱困境。众所周知，车轮空转的动力是发动机提供的，在利用粘性联轴器限制 车轮空转过程中，液体粘性联轴器也吸收了部分的能量，另一部分热能发散到了 空气中和周围的零部件上去了，但该部分能量相对地较少，所以时间～长，液体

粘性联轴器内温度将急剧上升，这样硅油的性质就会发生变化，液体粘性联轴器 的盘片也可能产生热变形而损坏。如果等液体粘性联轴器冷却之后重试，那么下 次成功的机会将更小。表面上是这么回事，可是液体粘性联轴器有一个令人难以 想象的性能。由于粘性联轴器长期运作，内部工作介质的特性突然发生变化，内、 外盘片互相接触并产生库仑摩擦，在瞬间使液体粘性联轴器的内轴和壳体之间连 成了一体，传递的扭矩急剧上升并较稳定地持续一段时间，这样车辆就很容易脱 离抛锚路面了。在此之后，粘性联轴器又逐步恢复到原来的工作状态。驼峰现象

的产生过程可用如下四个阶段来描述： （１）粘性剪切阶段：这一阶段是驼峰现象的起点。如图３－５－ａ所示，在粘性

剪切阶段，主动盘和被动盘之间存在间隙，粘性联轴器所传递的扭矩由剪切运动

产生，遵循牛顿内摩擦定律。

（２）触发阶段：在粘性剪切阶段，空气以气泡的形式存在于联轴器中，可视

化实验观察表明【１２】，气泡主要存在于外盘片的小孔内和边缘处。当内盘片顺时针

旋转时，由于旋转盘片对硅油的推动作用，外盘片小孔右半部分变成高压区，左 半部分为低压区，因而气泡流向低压区，如图３―５一ｂ示。气体不仅在小孔内分布 不均，在粘性联轴器内的分布也因为流体的旋转而变得更不均匀。在极端工作条 件下，例如前轮打滑，后轮静止，此时转速差很大，由于功率损失，硅油内部产 生很大热量。由于气泡分布的不均匀性，气泡较多的区域产生的热量少，因而压

力比其它区域要低，这又使更多的气泡向那里聚集，从而加剧了气泡分布的不均
匀性【２２０ ４１，在这种情况下，某些盘片前后的压力不相等，从而使内盘片向低压区 移动。

北京工业大学工学硕士学位论文

（３）驼峰阶段：也称为自激扭矩放大阶段。随着温度的升高，硅油体积继续 膨胀，内压不断升高，盘片孔糟内的大量空气突然完全鲍溶解酗硅漓之中，粘性

联轴器内硅油填充率接近或达到１００％，巨大的压差推动部分内盘片迅速靠近与

之相邻的外盘片并相互接触。相互接触的内外盘片在高压作用下，处于一种混合

摩擦状态，能传递很大的扭矩，驼峰现象因而发生了。此时，内、外盘片同步运

转，粘性联轴器处于闭锁状态，如图３―５一ｃ所示。 （４）复原阶段；由于在驰蜂阶段液体粘性联轴器可实现闭锁，主、被动盘同 步运转。转速差为零，所以在惯性区域（ＬＶＣ内压和温度仍然有～定程度上井的 区域）之后，温度不再继续上升，系统内压在短时间内迅速降低，高压下溶解于 硅油的空气重新被释放出来，内盘片与外盘片分离，联轴器又恢复到粘性剪切阶

段，如图３－５－ｄ示。

驼峰现象是粘性联轴器工作过程中的特有现象，它不仅可以使液体粘性联轴 器闭锁，提高汽车的通过性，而且实现过热自我保护。因为在温度急剧上升的过 程中，粘性联轴器继续工作下去是很危险的。而在这一时刻，联轴器将两端的驱 动轮连接到一起了，与联轴器成一体转动，停止了扰动硅油，输出扭矩的工作过 程中也不再吸收能量，使粘性联轴器温度下降．慢慢恢复到粘性剪切阶段。

３．３驼峰现象触发时壳内压力

假设Ｉ．ⅣＣ内部的空气是理想气体，根据理想气体状态方程可以诗算得戮壳体

在填充硅油时，内部空气的初始状态为；Ｅ，：ｈｐｏ。温度死，体积（１一ｑＤ）ｙ々

ＬＶＣ在运动过程中的任意一个瞬时状态，内部空气的压力对应ＬＶＣ运动过程中的 任意一个瞬时状态，内部空气的压力对应Ｐ；．温度正，而此时硅油膨胀所占的体
芦－（瓦一Ｔｏ）目ｏ?Ｖ
ｆ１．ｑｏ）?Ｖ－，‘（正．蜀）‘ｑｏ?Ｖ

这样就能得出ＬＶＣ内部壳体压力的关系式

胪Ⅳ毒‘而忑Ｉ－赢／１０韧

叮ｏ――ＬＶｃ内部硅油的初始填充率； 口――硅油热膨胀率（体积膨胀系数），鼻＝Ｏ．０００９５

。。。。，。―，。。。垒量查塑型墼型鳖。。。，。。。。一

Ｆｉｇｕｒｅ ３－５ Ｓｋｅｔｃｈｍａｐ ｏｆＳＴＡｐｒｏｃｅｓｓｅｓ

闰３－５自激扭矩放大现象的产生过程示意图

３．４驼峰现象的触发温度

粘性联轴器工作过程中系统内的温度不能过高，因为甲基硅油在２００。Ｃ以上 开始氧化，另外密封材料对温度也有要求。如常用的与甲基硅油不相容的聚四氟 乙烯橡胶最高工作温度为２７０＂Ｃ，温度过高，密封将变软、烧坏，从而失去密封 作用，因而有必要计算联轴器的触发温度，以保证系统内的温度低于温度极限。 联轴器的触发温度由初始填充率珈决定。珈越大，触发温度越低。每一个ｗｏ 对应一个触发温度正。因此可以预先设定”ｏ来控制联轴器的极限温度五，即联
轴器的触发温度。 联轴器驼峰触发时，硅油体积膨胀量为
ｐ‘＝确卢（五一７０）＝Ｈ可ｏ ｐ（五一Ｔｏ） （３－１３）

北京工业大学工学硕士学位论文

式中巧一硅油初始填充率所对应的温度，取常温，Ｋ；

五――联轴器的触发温度，Ｋ；

附一硅油的初始体积（ｘｔ应于７／ｏ），ｍ３；

ｐ１――联轴器容积，ｍ３。
联轴器驼峰触发时，填充率为ｚ／＝１００％，故

式（３―１３）和（３－１４）联立 ¨珊卢（五一而）＝Ｈ（１―７０）

由此得 ７／ｏ＝１／【口（五－Ｔｏ）＋１］×１００％ （３－１６） （３―１５）

将口＝Ｏ．０００９５ １／＇Ｃ，Ｔｏ＝２９８Ｋ代入，根据计算，将硅油初始填充率∞ｏ分

别取为８５％、９０％、９５％时，ＬＶＣ发生驼峰现象时硅油的温度值分别不应超过：２１０。Ｃ、

３．５驼峰现象的触发转速差

发生驼峰现象的必要条件为联轴器系统温度达到使硅油填充率变为１００％的 极限温度，而达到这一温度又要受转速差△力的影响。转速差△疗太小，则由于 功率损失较小，亦即产热功率较小，热平衡温度小于驼峰触发温度，不会发生驼 峰现象。因而必存在一个最小转速差△届。转速差低于该数值，不会触发驼峰

３．６驼峰现象的触发时间

驼峰触发的时间ｔ是指从某一转速差Ａｎ（Ａｎ＞Ａｎ．，。）出现到驼峰触发的时间 历程。驼峰触发的时间ｔ由转速差Ａｎ和初始填充率”ｏ决定。填充率∞ｏ一定，
转速差Ａｎ越大，驼峰触发的时间ｆ越小；转速差Ａｎ一定，填充率Ｔ？Ｑ越大，驼

峰触发的时间ｔ越小。另外，驼峰触发时间ｔ还受联轴器起始温度的影响。显然 起始温度乃越大，ｔ越小。因起始温度％不好确定，故取为常温２９８Ｋ。 文献【２９】提出以下的计算公式：

ｆ――驼峰触发的时间，ｓ；

△卜联轴器的功率损失，Ｗ；

弟３章卒项目前期研究成果

Ｃ。一硅油热容量，Ｊ／（Ｋｇ－℃）；

该方法没有考虑联轴器的散热因素，因而计算的时间数值偏小，不能真实反
映真实的情况。由于硅油的粘度为温度的函数，在达到触发温度前，△Ｐ是一个

变值。同时，ＬＶＣ的散热量也是温度的函数，同样是～个变值。

本章对液体粘性联轴器近几年的研究进行了总结。其中包括硅油作为不同性 质流体时，扭矩输出的计算公式，综合考虑了各种因素的影响，如内外盘片直径、

个数、转速差、外盘片之闻的间隙、温度和剪切率对硅油粘度的影响，并提出了 硅油作为非牛顿流体符合幂律模型。由于盘片上的槽、孔对扭矩的输出有一定的 影响，文献［３］考虑了不同的盘片结构对输出扭矩稳定性的影响。通过分析得到

在一定的时间间隔内，盘片孔槽数目相等，则输出扭矩呈振荡型；盘片孔槽数目

不相等，则输出扭矩呈非振荡型，并且精确计算出输出扭矩值是未考虑孔槽所计

算出的扭矩值的０．５６６７倍。

液体粘性联轴器中一个最重要的现象――驼峰现象，也是液体粘性联轴器的

优点所在。自从研究开始就引起了人们的重视，对它发生的机理虽然已提出了不

少的理论和假设，但是真工Ｆ机理的认识还没有达成一致的观点。本章简单介绍了 驼峰现象的发生过程，驼峰现象发生时的有关参数（比如壳体内部压力、触发温 度、最低转速差以及触发时间）对实验研究具有指导作用。

北京工业大学工学硕士学位论文

第４章液体粘性联轴器可控盘片运动方向数值模拟

液体粘性联轴器有两种工作状态，即油膜剪切工作状态和驼峰工作状态。路
况良好情况下，联轴器不工作。遇到特殊路面时，比如泥泞路面、冰雪路面等， 车轮空转，轮间转速不同，导致联轴器内外盘片相对旋转直至发生驼峰现象，使

得车辆脱离不良路面。对产生驼峰现象机理的研究有利于更好地设计液体粘性联

４．１驼峰现象理论的研究现状

在液体粘性联轴器的剪切运动阶段综合考虑了内外盘片数、盘片半径、硅油 粘度、盘片间隙、内外盘片的转速差等多种因素，给出了许多扭矩特性与换热的
数学模型。尽管对扭矩传递机理的解释和理论分析已取得一定进展，但是对于导

致驼峰现象发生机制的理论研究，至今尚无完满的解释。以下是多位学者对于具

有相似参数的ＬＶＣ的驼峰现象成因的解释：
１．Ｔａｕｒｅｇ ａｎｄ

Ｈｏｒｓｔ【２２】观察到：内盘片上不同压力分布是驱动盘片向凸形

边缘移动的动力。径向孔槽边缘上的毛边有助于产生驼峰现象，假如这些槽的边 缘是圆滑的，那么发生驼峰现象是不可能。他们的实验结果表明，盘片的几何形 状是发生驼峰现象的一个决定因素。

２．Ｔａｋｅｍｕｒａ ａｎｄ

Ｎｉｉｋｕｒａ【２４１认为：粘性联轴器内部空气的不均匀分布是导

致驼峰现象的一个主要因素。基于该假设，他们给出了扭矩传递的实验分析和计 算结果：如果旋转盘片的一侧聚集着大量的空气，该处的粘性流体的扩散就会减 少．会导致相对较低的温度和压力，这一区域流体的膨胀量也就相对有着较少量 空气的另一侧要多。这种不平衡导致了ＬＶＣ内、外盘片的巨大压力差，从而推动 内盘片轴向移动产生驼峰现象。 ３．Ｐｅｓｃｈｋｅ［惶１通过实验研究了粘性联轴器，其驼峰现象的理论建立在流体的 流变特性上，他认为密封壳体内的压力是导致驼峰现象发生的主要因素。系统压

力来源于硅油扩散和热力膨胀，像“液压夹紧力”作用到内外盘片上，强迫二者

接触。Ｐｅｓｃｈｋｅ同时在盘片问的平面层流中观察到流体粘弹性的法向压力差，虽 然该压差比系统压力小１０％，但它们可以像系统压力一样促使驼峰现象产生。ＬＶＣ 内部的气泡决定了驼峰现象的触发温度和压力梯度。他把没有磨损的盘称为压力 盘，有磨损的盘称为摩擦盘。 Ｐｅｓｃｈｋｅ的驼峰理论假设压力盘和摩擦盘有同样机会产生驼峰现象，并观察 到所有盘片在轴向都是自由移动的。该驼峰理论的先决条件是具有不对称的结 构，但他没有解释为什么不对称结构是不稳定的。

！烹苎！！！！！！！！！鼍苎！！！！！！！詈曼！！！曼曼竺！！！烹！苎！！烹！！．Ｉ曼！！！苎苎兰！！！！！！ｒ

第４章液体粘性联轴器可控盘片运动方向数值模拟 ４．ｓ．Ｋ．Ｍｏｈａｎ ｅｔ

ａｌ【ｚ“实验发现当实心盘片浸没在牛顿流体中旋转时，内

盘片的稳定位置总是在相邻外盘片的中间，但有孔槽的盘片贝ｑ大不糨同。他们认

为在内盘片的槽边缘存在一种液体“泵吸”（ｐｕｍｐｉｎｇ）现象，导致液体轴向流动。

ｓ．Ｋ．Ｍｏｈａｎ是美国Ｎｅｗ

Ｇｅａｒ学会研究液体粘性联轴器小组的学术带头

人，该小组在实验中发现：驼峰现象之后，最先的磨损发生在内盘片孔及其延伸

５．Ｗａｋａｍａｔｓｕ ｅｔ ａｌ

ｐ”第一个给出了粘性联轴器内的流体流动分析。基于

牛顿流体和Ｓｔｏｋｅｓ相似理论，在没有气泡条件下的三维计算结果表明流体速度

几乎没有任何径向分量，有气泡条件下的二维分析解释了气泡对驼峰现象发生的

决定作用。他们发现空气在完全溶于流体之前，对驼峰现象的发生起了重要作用。

但据实验测定，充满硅油而没有空气的粘性联轴器几乎能立即发生驼峰现象【２ ７】；

而一般情况下，驼峰现象仅发生在空气完全溶于粘性联轴器的液体中以后，所以 肯定有其他因素导致驼峰现象的发生。

上述的理论大都只从单方面进行了分析研究：或从工作流体的特性出发，或 从盘片的几何结构出发。 在第一组因素中，驼峰现象发生开始阶段，扭矩突然增加与ＬＶＣ中逐渐增加

的工质温度和压力有关。ＬＶＣ中由于剪切硅油产生的热量导致其温度升高，当硅 油热力膨胀时，密封腔中的压力增加，气泡被压缩到全部溶于硅油中时，密封腔 中压力迅速增加，驼峰现象出现，表明温度、压力、有无气泡中任何一个因素都

在第二组因素中，根据实验结果．盘片的几何形状和孔、稽对驼峰现象产生 有影响。Ｔａｕｒｅｇ和Ｈｏｒｓｔ发现在盘片制作过程中，打孔、开槽会在孔、槽边缘 留下毛边，导致内盘片上的压力差推动内盘片朝凸边运动。Ｎｅｗ

Ｖｅｎｔｕｒｅ Ｇｅａｒ

学会的实验表明最先的磨损发生在内盘片凸出孔的前缘。由于液体粘弹性产生的 法向应力，驱使旋转内盘片稳定在相邻外盘片的中间，而不能促傻发生驼蜂现象， 这是因为法向应力与流体的速度梯度成正比。如果盘片逐渐靠拢，那么该处的剪 切率增加，由此在盘片表面产生的法向应力将导致轴向力使内、钋盘片分离，从 而不会发生驼峰现象，所以法向应力不能提供产生和维持驼峰现象所需的轴向压

力梯度【３３】。 Ｓ．Ｋ．Ｍｏｈａｎ的理论ｆ２７Ｊ表明在发生驼峰现象时，所有内盘片是按照同一方向

与相邻的外盘片接触，这与Ｐｅｓｃｈｋｅ的实验结果【１列不一致。 为了解释驼峰现象产生的机理，激发与维持驼峰现象的原因都应该考虑。这 些理论并没有同时考虑这两方面，而且都需要实验的进一步支持。

北京工业大学工学硕士学位论文

４．２盘片运动可控的理论分析

随着液体粘性传动技术的发展，汽车四轮驱动技术取得了突破性进展。液体 粘性联轴器是汽车全时四轮驱动系统的重要部件，而其摩擦片的型式以及摩擦片 间油气两相流体在热态下的剪切流动特性是影响液体粘性联轴器性能的关键。根
据文献ｌｌ Ｊ，它一方面利用油膜剪切传动原理，解决了四轮驱动中的功率循环问题：

另一方面，当一轮打滑失去牵引力时，因主被动盘之间的转速差而产生的热量又 会促使其内部的油气两相工质产生特殊的流动，最后在主被动盘问形成准刚性连

接（驼峰工作阶段），液体粘性联轴器将有附着力一轮的动力传递给打滑车轮，从 而实现驱动能力。在液体粘性联轴器由粘性剪切工作阶段转向驼峰工作阶段的过 程中，联轴器内部流体温度、压力逐渐升高，内部油气两相流体的流动情况发生

变化，使得作用在内盘片两侧的压力将失去平衡，从而导致内盘片沿轴向向左（或 向右）移动，进而与其左侧（或右侧）外盘片发生准剐性的摩擦，发生驼峰现象。

如果内盘片两侧结构完全对称，且液体粘性联轴器工作腔内流体流动状态也 完全对称，则作用在内盘片两侧的压力将处于平衡状态，内盘片保持在与相邻两 外盘片等距离的位置旋转，无法发生驼峰现象。

由于发生驼峰现象时，盘片的运动方向是随机的，所以内外盘片之间将会形

成两种接合方式：一种是两相邻内盘片共同夹紧同一外盘片的“三明治”式；另
一种是一个内盘片与一个外盘片形成准刚性接合的“搭接”式。显然，由于液体

粘性联轴器内的盘片很薄，前一种接合方式有利于摩擦面的充分接合，保持刚性 稳定，而后者出于受力不均，容易导致盘片翘监而使局部区域出现严重磨损。研

究中发现，液体粘性联轴器工作一段时间后，内、外盘片的局部区域出现严重磨

损的痕迹，同时影响液体粘性联轴器在驼峰工作阶段所能传递的扭矩。由此产生 “接合不良一磨损一严重接合不良一进一步磨损”的恶性循环也会影响液体粘性联 轴器的使用寿命。因此，“三明治”式的接合方式明显优于“搭接”式。根据文 献［２２】，盘片表面由于制作加工孔、槽残留的毛边可能是造成发生驼峰现象的因素， 使内盘片两侧产生压力差，驱动盘片朝凸形边缘运动，如图４一ｌ所示。 为了在短时间内促使驼峰现象的发生，对内盘片径向的窄槽边缘开不同角度 的倒角，从而达到人为控制内盘片运动方向，促使驼峰现象的发生。本文用ＦＬＵＥＮＴ

软件模拟在盘片不同倒角型式下内盘片上所受的轴向力差，研究利于产生驼峰现 象的最优倒角型式。
本节分析了液体粘性联轴器内工作介质的流动情况，从数值计算上探索硅油 的性质和盘片的几何型式对发生驼峰现象的影响。

耋：耋鎏兰兰兰登翌翌三兰耋盐誊垫玄璺警堡篓篓

Ｖ垒Ａｎ＝Ｏ Ｖ垒△ｎ＞Ｏ

Ｐｆ＇（１：￥ＳＵｒｅ Ｄｌｆｌｉｒｌｎｌ：＊

Ｏｌｅｔｒｌｂｕｔｌｏｎ

Ｖｉｓｃｏｕｓ Ｍｏｄｅ

ＳＴＡ＆ＥＴＡ－Ｍｏｄｅ

图４一ｌ二维１搋动模型

Ｆｉｇｕｒｅ ４－１ Ｔｗｏ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｌｏｗ ｍｏｄｅｌ

实际上，三维计算结果表明除了在有孔区域，流体的流动是三维的，在不同

半径处的速度几乎没有径向分量，被认为仅沿周向流动，其它处流体之间无相互 作用［３１，３２】。因此将联轴器中流体的流动简化为是三个相邻盘片间平板的二维流 动。根据文献［３］，在粘性联轴器中沿内盘片周向开有１６个呈辐射状的窄槽，并 在盘片窄槽边缘开不同程度的倒角如图４－２。由于流体的速度场和压力场将随着

盘片上窄槽的经过发生周期性波动，因此在某一半径处截取相邻槽间的一部分作

为研究区域．给出了两种型式的计算模型，如图４―３、图４―４所示。ｘ轴为周向，

图４－２带倒角的内盘片形状

Ｆｉｇｕｒｅ ４－２ Ｔｈｅ ｓｈａｐｅ ｏｆｉｎｎｅｒ ｐｌａｔｅ ｗｉｔｈ ｅｄｇｅ

北京工业大学工学硕士学位论文

假设内外盘片的厚度均为ｌｍｍ，内外盘片间隙ｓ－－０．４ｍｍ，相邻外盘片轴向间

距／＇Ｆ１．８ｍ，初始偏移量占＝０．６ｍｍ，截取半径，＝４０ｒａｍ时，外盘片弧长Ｌ＝２５ｍｍ，

如果内盘片结构对称，等距处于外盘片之间时，流场和内盘片表面受力情况也对 称，为了分析内盘片受力对驼峰现象产生的影响，因此计算时内盘片取无量纲初

图４－３计算模型（一）

Ｆｉｇｕｒｅ ４－－４ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｍｏｄｅｌ

４．３．１控制方程及边界条件

粘性联轴器中内盘片和外盘片相互摩擦而导致扭矩增加的现象叫驼峰现 象。为了解释这种现象，必须考虑驼峰现象的发生和如何维持。本文关注的重
点是内盘片上所受压力差和粘性力差，压力促使内盘片向外盘片运动，一旦内 外盘片相互接触，该力还能使接触持续一段时间。作用在内盘片上的轴向力差

由于流体运动所致，描述流体运动的周向和轴向动量方程、质量守恒方程分别

如式（４―１）、（４－２）、（４－３）：

括＋专Ｖ劳一塞＋（誓鲁］

’Ｉ ａ 舐 却Ｊ 苏Ｉ融

ｐ（‰罢＋Ｖ刳一考＋ｆ堡Ｏｘａｔ

第４章液体粘性联轴器可控盘片运动方向数值模拟

假设内盘片速度为零，设“为外盘片相对于内盘片的速度。根据文献［１］ 实验提供的各种粘度及填充率对应的发生驼峰现象的最低转速差，作者取内、

外盘片之间的转速差为Ａｎ＝１８８ｒｐｍ，则相对速度Ｕｏ＝０．７８５ｍ／ｓ。硅油的密度

ｐ＝９７０ｋｇ／埘３，初始动力粘度一＝５８．２姆／ｍ－ｓ。由于流体是高粘度硅油，本文

计算工况下雷诺数Ｒｅ（＝ｐＵ。ｈ／，ｕ）在１０。３～１０之间，因此ＬＶＣ内流体运动状态 为层流。由于内盘片上槽是均匀分布，相邻外盘片间的速度场和压力场随内盘 片上槽的分布而周期性变化，因此可取一个周期对流体运动和盘片受力进行分 析，方程的边界条件如下：
边界ｌ（外盘片）：ｕ＝Ｕｏ，ｖ＝Ｏ

边界２（内盘片）：Ｕ＝Ｏ，ｖ＝Ｏ

边界３（流体入口及出口）：Ⅳ＾口Ⅻｍ口，ｖ＾口叫＆口，Ｐ＾口＝ｐ＆口

根据文献［３３】，外盘片Ｊｚ：／Ｌ的影响可用有效渗透性表示，则外盘法向速度在 数值上可用达西公式表示为：

其中Ｋ是渗透率，在实心外盘片和打孔外盘片中，渗透性对ＬＶＣ中流体的

影响差别不大，对内盘片上的压力有细微差别，但对驼峰现象的产生影响不大，

因此忽略外盘片孔、洞对流场的影响。 目前对ＬＶＣ内部工作流体的性质有两种看法，由此基础上建立了各自扭矩

输出的计算模型。本章具体分析不同性质的流体在盘片间运动对轴向力差的影

ＦＬＵＥＮＴ软件基于有限容积法针对每种流动的物理问题特点，采用适合于它 并在计算速度、稳定性和精度方面达到最佳的数值解法。它推出了多种优化的物

理模型，如定常流动和非定常流动；层流（包括各种非牛顿流体模型）和紊流（包 括最先进的紊流模型）；不可压缩流动和可压缩流动；传热和化学反应等等。在

ＦＬＵＥＮＴ中，采用Ｇｉｍｂｉｔ专用前处理软件，可生成结构化和非结构化网格。对二维

流动，可以生成三角形、矩形网格：对于三维流动，则可生成四面体、六面体、 楔形和金字塔等网格；结合具体计算还可生成混合网格，其自适应功能对网格进

行细分或粗化等１３“。 ＦＬＵＥＮＴ提供了三种数值计算方法： 一、分离求解法（Ｓｅｇｒｅｇａｔｅｄ Ｓｏｌｖｅｒ）

该方法同时考虑所有网格单元来解出单个变量，解下一个变量时，在当前解

北京工业大学工学硕士学位论文

的基础上，更新其他变量的数值，直至全部解出变量。它的每个离散控制方程都 是相关变量的隐式线化。其适用范围为不可压缩流动和中等可压缩流动，拥有耦 合求解法中没有的混合组分燃烧模型、多相流模型、相变模型、指定质量流周期 流动模型、周期性传热传导模型等。该算法稳定性好。收敛缓慢。 二、耦合显式求解法（Ｃｏｕｐｌｅｄ

Ｅｘｐｌｉｃｉｔ Ｓｏｌｖｅｒ）

该算法同时解方程组中的变量，每个单元内的未知量用邻近单元的已知和未 知值解出，因此方程必须同时来解未知量。主要用来求解可压缩流动。相对隐式 格式，该算法稳定性好，内存占用小，应用极为广泛。 三、耦合隐式求解法（Ｃｏｕｐｌｅｄ

Ｉｍｐｌｉｃｉｔ Ｓｏｌｖｅｒ）

该算法与耦合显式解法一致，不同之处是线化方程时采用隐式格式。由于采 用隐式格式，因而计算精度与收敛性要优于显式格式，但占用较多的内存。另一 个优点是可以求解高速可压流动。 对每一个计算区域，无论采用哪种格式，都是将非线性的控制方程离散得到 相关变量的一系列代数方程。针对上述各种解法的特点，本文采用分离求解法。

４．４计算结果 ４．４．１牛顿流体模型

对于牛顿流体，剪切力正比于张力应力： ｆ＝工腰

其中，∥是动力粘度，与；无关。将；：善＋竽代入式（４―５），锝：

．｛～＝２∥万Ｏｖ ｌ，铲∥睁葛

（４－２）、（４－３）得：

粘性联轴器中工作流体，运动速度值一般不会超过ｌＯｍ／ｓ且速度场相对比较 稳定【３３】，不妨假设流动为稳态，工作流体不可压缩，将式（４―６）代入式（４－１）、

“了＋Ｖｉ＝一一｛＋ｌ 动量方程：“瓦Ｏｕ＋Ｖ面Ｏｕ＝一吉罢＋（窘＋矿０２ｕＶ

嬲 Ｐ７－４ｅ ｌ嗷。 ＠。』

第４章液体粘性联轴器可控盘片运动方向数值模拟

砂 砂 “瓦¨万５一一Ｐ茜ｗｌ再＋百ｏｙ 。，ｊ ＼如一

连续性方程：婴＋娑＝０

４．４，１．１模型（一）的模拟结果 （１）不同倒角角度与轴向力差的关系对图４－１所示区域的内盘片采用不 同倒角角度进行数值模拟。为了计算精确，采用三角型非结构化网格口５１，并选择 合适的网格密度使计算结果与网格密度无关。计算结果如图４―５至图４―８所示， 比较图中等压线的分布可见，压力随ｘ轴变化，Ｙ轴局部区域无压力梯度，而在 靠近内盘片倒角处压力分布发生变化；内盘片前缘（迎流）凸角处压力最大，后缘 最小，说明压力分布受盘片倒角的影响。同时作用在内盘片上的轴向力差由压力

产生，是导致盘片运动的因素。不同倒角角度的内盘片上的轴向力差如图４－９，

说明轴向力差方向与Ｙ轴正方向相反，促使内盘片向内外盘片间距狭窄的一边运 动。随着盘片倒角角度越小，作用在所取单元上的轴向力差越大。由于盘片厚度 只有ｌｍｍ，从强度和加工工艺要求，倒角角度不能太小，因此本文选取３０。倒角 的内盘片进行研究。

ｏ＝３００总压等压分布图

Ｆｉｇｕｒｅ ４－５ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｏｎｔｏｕｒ ａｔ

北京工业大学工学硕士学位论文

图４－６ ｏ＝４５０总压等压分布图

Ｆｉｇｕｒｅ ４－６ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｏｎｔｏｕｒ ａｔ ｅ＝４５０

ｅ＝６００总压等压分布图

Ｆｉｇｕｒｅ ４－７ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｏｎｔｏｕｒ ａｔ

图４－８ ｏ＝９００总压等压分布图

Ｆｉｇｕｒｅ ４－８ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｏｎｔｏｕｒ ａｔ ｅ＝９００

图４－９内盘片上的轴向力差随倒角角度的关系

Ｆｉｇｕｒｅ ４―９ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ

注：图中的负号说明力的方向同Ｙ轴正向相反（以下同）

（２）不同边缘倒角型式与轴向力差的关系当遇到不良路面时，希望驼峰现 象在短时间内发生，也就需要较大的力促使内盘片朝外盘片运动，使盘片接触发 生摩擦产生驼峰现象。盘片的倒角能改变压力的分布，因此选择内盘片窄槽边缘 倒角的不对称结构，使之能够改变轴向力差的大小。不同的边缘倒角型式分别称 为基本形状（用Ａ表示）、前后缘偏左右倒角（Ｂ）、前缘（迎流）倒角（ｃ）、后缘（逆

北京工业大学工学硕士学位论文

流）倒角（Ｄ）、前后缘偏左倒角（Ｅ）、前后缘偏右倒角（Ｆ），其中倒角角度取为３０”， 图４一１０至图４－１５是硅油等压分布图。图４－１１至图４一１３的等压线分布规律与图 ４―１０比较，除了槽边边缘倒角周边压力和狭缝间的压力不同外，其他处相似。

表４－１比较在不同边缘型式下作用于内盘片上的轴向力差，可以看出粘性力

相对于压力可以忽略。根据文献［３３］，惯性力对内盘片上的轴向力有很大的影响， 由于Ｒｅ＝１０刁～１０，惯性力与粘性力相比不可忽略，因此在研究中保留。

第４章液体粘性联轴器可控盘片运动方向数值模拟

表４一ｌ作＿ｌ＿｝｛在不同倒角型式内盘片上的轴向力莠

Ｔａｂｌｅ ４－ｌ Ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ

ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ

ｉｎｎｅｒ ｐｌａｔｅ

Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ
０．３９８２３ 一２．１３３３ －５３．５０２３ ５２．９８６３ 一１５７．９５６ １５５．５１７３
－０．０３７７６ ０．０５８３ －０．１８３８３ Ｏ．１１１７７６ －０．０５２ Ｏ．１３６８８
０．３６０３８ ―２．０７３８８ －５３．６８６３ ５４．１０３１６ ―１５８．００８ １５５．６６３３

从表４－１可以看出，Ｂ、ｃ、Ｅ均可增加内盘片的不对称性，促使驼峰现象的 发生。并且在相同情况下，Ｅ和Ｂ、ｃ相比压力差较大，容易在短时间内使盘片 相互接触发生摩擦，促使驼峰现象的发生。以上结果均假设盘片相对速度的方向 沿ｘ轴『Ｆ向，而在实际应用工作过程中，内外盘片的相对速度方向并不确定。当 相对速度方向沿ｘ轴负向时，Ｄ、Ｆ的变化趋势此时分别和Ｃ、Ｅ相同，轴向力差 方向改变，从而导致内、外盘片的相互接合顺序发生改变，大部分盘片间形成 “三明治”式的接合方式，因此选择型式Ｅ，如图４―１６、图４―１