汽車線控排擋散熱數值模擬和結構優化

□ 韓 軒 □ 張中權 □ 姜寧進

上海科世達-華陽汽車電器有限公司 上海 201814

隨著汽車電子工業和網絡技術的不斷發展，線控技術（X-By-Wire）正在取代傳統的機械裝置，在汽車中的應用越來越多［1］。電子式線控排擋也在這種發展潮流中應運而生，正在逐漸取代傳統的機械式換擋機構［2］。相比傳統的機械式換擋機構，電子式線控排擋采用更加安全可靠、方便快捷的電子控制模式，換擋機制更加靈活，具有最佳的換擋規律，換擋精度好［3］。在線控排擋設計中，為了避免駕駛員換擋誤操作對變速器造成損傷，在利用電子信號傳輸控制模塊控制變速箱運行模式［4-5］的基礎上，一般還會采用電磁閥對換擋手柄的操作方式進行卡位限制。電磁閥是利用通電電磁鐵線圈的電磁效應控制閥芯移動［6-7］，它是線控排擋機械結構中的關鍵部件。電磁閥通電時，閥芯伸出，與換擋手柄結構配合，達到對換擋手柄卡位的目的。

當電磁閥通電工作時，其內部的電磁鐵線圈產生焦耳熱，使電磁閥溫度升高，但升溫不宜過高［8-9］，否則閥芯就會動作不靈敏甚至不動作。在電磁閥溫度升高的過程中，會向鄰近的PCB放熱，PCB的基材對溫度有一定要求，并且上面布置了許多電子元器件，如果溫度過高，電子元器件的可靠性會降低甚至失效。

據以往統計顯示，電子產品的失效中約55%是由于產品過熱引起的，器件環境溫度每升高10℃，其失效率會增加一個數量級［10-11］，產品散熱性能的好壞直接關系到電子設備的運行可靠性。因此，有必要對最苛刻環境狀態下線控排擋的溫度場分布情況進行研究，進而優化產品散熱設計，提高其可靠性，避免由于溫度過高而引起產品失效破壞。

本文設計了一種基于電磁閥限位的新型汽車線控排擋結構，基于6SigmaET軟件建立了線控排擋散熱的計算流體動力學 （Computational Fluid Dynamics,CFD）模型，對線控排擋的溫度場分布狀態進行了數值模擬，針對原始設計的不足提出了優化方案，并對優化方案進行了仿真和實測。

1 新型汽車線控排擋設計

筆者采用手-自一體化方案設計線控排擋，既讓駕駛者體驗手動擋汽車動力強、提速快的開車樂趣，也讓駕駛者感受自動擋汽車操作的簡便快捷［12］。

1.1 新型線控排擋擋位設計

目前傳統的線控排擋多采用直線型排布設計，擋位設計也較簡單，如圖1所示。其中左側為手動擋位設計，M/S擋為手自切換擋、M-擋為減擋、M+擋為加擋；右側為自動擋位設計，D擋為前進擋、N擋為空擋、R擋為倒車擋，停車擋P擋為單獨操作按鈕。標示0的位置為停車時手柄停留位置。

該新型擋位也采用直線型排布設計，擋位設計有別于傳統設計，如圖2所示，其中每個標示的含義和傳統設計的標示含義一致。該排擋設計的自動擋換擋更加靈活，某些位置的擋位狀態會根據手柄操作情況變化，比如在初始0位置，擋位會隨手柄操作情況在P/R/N之間進行切換。

▲圖1 傳統擋位設計

▲圖2 新型擋位設計

線控排擋設計中一般有穩態位置和非穩態位置，穩態位置是指換擋完成后松開手柄，手柄能夠穩定停留的位置，而非穩態位置是指換擋完成后松開手柄，手柄不能停留在釋放位置，它會自動回到對應的穩態位置。傳統擋位設計中有2個穩態位置和4個非穩態位置，而該新型擋位設計中有3個穩態位置和6個非穩態位置，其中P/R/N、R/N/D和M/S標示位置為穩態位置，分別定義為fix1、fix2和fix3。

1.2 線控排擋三維設計

借助Catia設計軟件，設計了該線控排擋的三維數模，如圖3所示，其主要由換擋手柄、PCB、電磁閥、手感曲面、轉軸、外殼及永磁體等組成。

▲圖3 線控排擋三維數模

當操作手柄換擋時，永磁體的位置和角度會隨之發生變化，布置在PCB板上的霍爾傳感器能夠感應到永磁體磁感應強度的變化從而有不同的觸發狀態［13－14］，經過處理的觸發信號被傳送到變速箱控制器，從而控制變速箱實現換擋，完成駕駛員的操作意圖。

1.3 電磁閥卡位設計

該線控排擋中使用了5個電磁閥，電磁閥相對位置如圖4所示，分別對電磁閥由1～5進行編號。電磁閥通過和換擋手柄結構上的卡位槽相互配合作用，以實現對不同擋位操作手柄進行卡位的功能，能避免駕駛員的不恰當換擋操作，達到保護變速箱的目的。

電磁閥通電工作與否和線控排擋擋位信息有關，它們之間的對應關系如下。

▲圖4 電磁閥相對位置示意圖

（1） 當 fix1為 P 擋 時 ，1、2號電磁閥通電工作。其中1號電磁閥限制手柄向R/N/D標示位置操作，需要配合手柄上的按鈕才能解鎖；2號電磁閥限制手柄向P/R標示位置操作。

（2）當fix1為R擋時，2、3號電磁閥工作。其中2號電磁閥限制手柄向P/R/N標示位置操作，需要配合手柄上的按鈕同時使用才能解鎖；3號電磁閥限制手柄向P標示和D標示位置操作。

（3）當fix1為N擋時，2、5號電磁閥工作。其中2號電磁閥限制手柄向P/R標示位置操作，需要配合手柄上的按鈕同時使用才能解鎖；5號電磁閥限制手柄向N/D標示位置操作。

（4）當fix2為R擋時，4號電磁閥通電工作，限制手柄向P/R/N標示位置操作，要配合手柄上的按鈕同時使用才能解鎖。

（5）當fix2為N擋時，3、4號電磁閥通電工作，其中3號電磁閥限制手柄向P標示和D標示位置操作；4號電磁閥限制手柄向P/R/N標示位置操作，需要配合手柄上的按鈕同時使用才能解鎖。

（6）當fix2為D擋時，2、5號電磁閥工作。其中2號電磁閥限制手柄向P/R標示位置操作，需要配合手柄上的按鈕同時使用才能解鎖；5號電磁閥限制手柄向N/D標示位置操作。

2 計算流體動力學模型

2.1 工況分析

該線控排擋在行車過程中，擋位會不斷切換，電磁閥會隨之在通電工作或斷電休息之間轉換，并且在行車過程中車內溫度一般不會太高。在停車狀態時，擋位處于初始位置的P擋，為了保持對換擋手柄的鎖定狀態，1、2號電磁閥會持續工作，工作電磁閥和卡位槽之間的配合關系如圖5所示，1號電磁閥限制換擋手柄逆時針轉動，2號電磁閥限制換擋手柄順時針轉動。

在日照較強的夏天，當把車輛停靠在沒有遮擋的室外時，如果停車時間較長，車內溫度會比較高。因此，對于該線控排擋而言，長時間停車掛P擋時的熱狀態最苛刻，需要對該工況下的線控排擋進行熱設計。如果該工況時的散熱能滿足要求，那么其它狀態時線控排擋的散熱也會滿足要求。

2.2 邊界條件

由于考慮長時間停車狀態的情況，故采用穩態熱分析即可滿足設計要求。為了能夠覆蓋到絕大多數停車狀態時車內的溫度情況，一般設定停車時車內環境溫度為85℃。1、2號電磁閥的額定工作電壓為6 V，經過實驗測得的額定發熱功率為2 W。由于系統中沒有采用風扇、水冷等強制對流散熱設備，故在計算中不能忽略熱輻射對溫度的影響，即全面考慮了對流、傳導和輻射對溫度場的影響。自然散熱分析時，需要考慮重力的影響，重力加速度取9.8 m/s2。

▲圖6 電磁閥附近空氣流場

▲圖7 線控排擋內部溫度場分布云圖

▲圖5 1、2號電磁閥和卡位槽配合狀態

2.3 材料屬性

換擋手柄為鋁合金材料，其導熱系數為190 W/（m·K）；電磁閥的殼體材料為碳鋼，其導熱系數為43 W/（m·K）；PCB板的基材為FR4，其導熱系數為0.3 W/（m·K）；其它零件材料為塑料，其導熱系數為0.2 W/（m·K）。 材料的表面輻射率設為 0.92。

3 原始設計仿真結果

電磁閥附近空氣流場如圖6所示，可以看出，高溫氣體被密閉在線控排擋殼體內，不能和線控排擋外部空氣實現自由流動。

線控排擋內部的溫度場分布如圖7所示，可以看出，1、2號電磁閥的溫度最高，距離1、2號電磁閥越遠，溫度越低；PCB上和2號電磁閥正對的局部區域溫度較高。

電磁閥和PCB的溫度場分布如圖8所示，可以讀出每個電磁閥和PCB的最高溫度值。其中1號電磁閥的溫度約為147℃，溫升為62℃；2號電磁閥的溫度約為150℃，溫升為65℃；3號電磁閥的溫度約為134℃，溫升為49℃；4號電磁閥的溫度約為133℃，溫升為48℃；5號電磁閥的溫度約為123℃，溫升為38℃；PCB的溫度約為125℃，溫升為40℃。由分析結果可知，1、2號電磁閥溫升過高，PCB的溫度過高，需要對結構設計進行優化。

4 優化方案和仿真結果

4.1 優化方案

（1）針對電磁閥附近高溫空氣不能和線控排擋外部空氣進行自由對流的問題，提出在殼體上開孔的方案，如圖9所示，這樣有利于線控排擋內部高溫空氣排出，讓外部低溫空氣進入線控排擋內部。

（2）由于電磁閥和PCB之間沒有任何阻擋，當電磁閥發熱時，會直接對PCB產生熱輻射，通過空氣流動，電磁閥的熱較容易傳導到PCB。針對這一問題，提出在電磁閥和PCB板之間放置一個隔熱導流板，結構如圖10所示，這樣可以阻止電磁閥向PCB進行熱輻射，也有助于高溫氣體沿導流結構流出線控排擋。

▲圖8 電磁閥和PCB的溫度場分布云圖

▲圖9 線控排擋殼體優化方案

▲圖1 0 隔熱導流板優化方案

4.2 優化方案仿真結果

優化后電磁閥附近空氣流場如圖11所示，可以看出，高溫空氣沿隔熱導流板運動，通過線控排擋殼體的上部開孔流出，外部低溫空氣從殼體的下部開孔處流入線控排擋內，促進了對流換熱。

優化后線控排擋內部的溫度場分布如圖12所示，可以看出，線控排擋內部結構溫度明顯降低。

圖13為優化后電磁閥和PCB的溫度場分布，可以讀出每個電磁閥和PCB的最高溫度值。優化前后電磁閥和PCB的溫度對比見表1。分析結果可知，優化方案降低了電磁閥的溫度，溫升降低了20℃左右；PCB的溫度降低最顯著，溫度較原始設計降低了30℃。

▲圖1 1 電磁閥附近空氣流場

▲圖1 2 線控排擋內部溫度場分布云圖

▲圖1 3 電磁閥和PCB的溫度場分布云圖

表1 優化前后溫度對比

5 優化方案與實驗結果對比

5.1 溫度測量實驗

本次試驗主要使用J型熱電偶、ESPEC保溫箱和PASWin數據采集系統等儀器設備，實驗現場如圖14所示。根據仿真結果，在1、2號電磁閥和PCB的溫度最高位置布置熱電偶的測量端，參考端放置在恒溫環境中，當測量端和參考端的溫度有差異時，熱電偶電路回路中就會產生電流，溫度差越大，電流越大，根據溫度差和電流大小之間的關系，通過電氣儀表把電信號轉換成被測介質的溫度；把線控排擋實物放置在ESPEC保溫箱內，設置箱體內環境溫度為85℃，模擬車內高溫環境；使用PASWin數據采集系統對被測電氣元件溫度變化情況進行記錄。

把線控排擋操作到P擋，1、2號電磁閥同時通電工作，施加電壓為6 V。PASWin數據采集系統記錄的溫度動態變化曲線如圖15所示，由圖可知，在測試時間約為1 h時，保溫箱內環境溫度調整到85℃穩定狀態；在測試時間約為4 h時，線控排擋的溫度分布達到穩定狀態。為了保證測試數據準確可靠，在溫度狀態穩定后延長了2 h的測試時間，即總的測試時間為6 h。穩定狀態時，1號電磁閥的溫度約為131℃，2號電磁閥的溫度約為132℃，PCB的溫度約為97℃。

表2 仿真和實測溫度對比

▲圖1 4 溫度實測現場

▲圖1 5 實測溫度變化曲線

5.2 結果對比

優化方案的溫度仿真和實測結果對比見表2。其中差值=實測－仿真，負值表示仿真結果比實測結果低。從對比結果可以看出，仿真結果和實測結果基本吻合，誤差在±2℃，符合工程設計的需要。

6 結束語

設計了一款新型汽車線控排擋，對線控排擋的散熱性能進行了優化。通過仿真和實測結果的對比，表明借助CFD方法較真實地反映了線控排擋的溫度分布情況，利用CFD方法對線控排擋進行散熱設計優化是可行的，由此可以節約開發時間，減少實驗成本。

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