无线束电控硅油离合器
阅读说明：本技术 无线束电控硅油离合器 (Wireless harness electric control silicone oil clutch ) 是由 彭斯 吴志鹏 王宁 于 2021-07-09 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种无线束电控硅油离合器,该硅油离合器包括法兰轴、固定平台、无线式螺线管和控制器,控制器一方面可接受发动机系统的无线通讯信号,将风扇需求转速的信号发送给无线式螺线管,用于控制硅油风离合器的啮合或分离,使硅油风扇实际转速不断接近需求转速；另一方面可将无线式螺线管输出的硅油风扇实时转速通过无线通讯反馈给发动机系统以形成闭环控制,不断修正硅油风扇需求转速,最终使得硅油风扇实时转速和风扇需求转速一致。本发明避免了线束的设计,也规避了不同发动机平台中需要的千差万别螺线管的设计与管理成本,实现了电控螺线管设计的平台化和标准化,大大提高了螺线管适用性。(The invention relates to a wireless beam electric control silicone oil clutch, which comprises a flange shaft, a fixed platform, a wireless solenoid and a controller, wherein the controller can receive a wireless communication signal of an engine system on one hand and send a signal of the required rotating speed of a fan to the wireless solenoid for controlling the engagement or the separation of the silicone oil air clutch so that the actual rotating speed of the silicone oil fan is continuously close to the required rotating speed; on the other hand, the real-time rotating speed of the silicone oil fan output by the wireless solenoid can be fed back to the engine system through wireless communication to form closed-loop control, the required rotating speed of the silicone oil fan is continuously corrected, and finally the real-time rotating speed of the silicone oil fan is consistent with the required rotating speed of the fan. The invention avoids the design of wiring harnesses, avoids the design and management cost of different solenoids required in different engine platforms, realizes the platformization and standardization of the design of the electric control solenoid, and greatly improves the applicability of the solenoid.)
技术领域
本发明涉及一种商用车发动机冷却系统，具体涉及一种无线束电控硅油离合器。
背景技术
商用车平台的发动机系统的散热是通过冷却风扇来完成，冷却风扇从早期无法调速的直连风扇，升级到有限转速挡可调的电磁风扇，再到无极变速的硅油风扇，冷却风扇不断向着调速越来越准确，响应时间越来越短来发展。目前市场上的硅油风扇，包括温控和电控硅油风扇，其中电控硅油风扇因精确控制，快速响应而成为商用车平台的首选。
商用车行驶过程中，整车控制系统会依据发动机内部水温等参数，并结合相应的算法，得出电控硅油风扇的需求转速，并将需求转速通过电控螺线管传递给风扇，同时风扇的实际转速也会通过电控螺线管传递给控制系统，实现闭环控制，可见电控螺线管是硅油风扇的核心电气部件，其一般通过线束与发动机连接，但线束连接经常会给风扇的售后市场带来各种问题，轻则降低风扇使用寿命，严重时造成整车故障或异常停车。造成整车故障或异常停车的原因主要有以下几点：
1、当电控硅油风扇工作时，随着发动机的不断震颤，线束接插件可能从插槽内松脱，从而与发动机断开连接；同时线束可能逐步脱离原本位置，并与扇叶发生干涉，导致线束切伤；
2、连接线束布置的不合理，导致部分线束会经过发动机表面的高温区域，当电控硅油风扇工作时，该部分线束的外层保护胶皮可能因持续受热而开裂、脱落，影响螺线管功能；
3、主流硅油风扇大都是吸风式设计，当风扇工作时，会自动吸附风扇周围的小质量物体，且因风扇放置在发动机舱体内，外界条件也较恶劣，经常发生小石子或小昆虫等异物时撞击线束，从而导致线束损坏。
而且，目前主流商用车及发动机平台种类多，电控硅油离合器与发动机连接时，适配线束的要求也千差万别：接插件种类、线束外观、线束固定方式以及线束长短都不相同，导致所需电控螺线管的种类较多，生产、装配如此多螺线管的成本较高，防止与其他发动机平台所需的螺线管混淆的管理成本也较高，这也无疑增加了电控硅油风扇的成本。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供一种无线束电控硅油离合器，通过无线通讯实现电控螺线管与发动机系统的信号传输，避免了线束的设计，规避了不同发动机平台中需要的千差万别螺线管的设计与管理成本。
本发明采用的技术方案是：一种无线束电控硅油离合器，包括与发动机主轴固定连接的法兰轴，其特征在于：还包括固定平台、无线式螺线管和控制器，所述固定平台与发动机外壳或护风罩固定连接，所述无线束螺线管与固定平台固定连接，所述控制器设置在固定平台上，所述控制器一方面可接受发动机系统的无线通讯信号，将风扇需求转速的信号发送给无线式螺线管，用于控制硅油风离合器的啮合或分离，使硅油风扇实际转速不断接近需求转速；另一方面可将无线式螺线管输出的硅油风扇实时转速通过无线通讯反馈给发动机系统以形成闭环控制，不断修正硅油风扇需求转速，最终使得硅油风扇实时转速和风扇需求转速一致。
作为优选，所述控制器内设有MCU芯片、无线通讯模块、电源模块、PWM驱动模块和稳压供电模块，所述MCU芯片采集和过滤无线式螺线管输出的硅油风扇实际转速信号；所述MCU芯片借助无线通讯模块与发动机系统进行数据交互，一方面取得硅油风扇的需求转速，同时实时反馈硅油风扇实际转速；当电控硅油离合器工作时，MCU芯片发射驱动信号到PWM驱动模块和稳压供电模块，用于无线螺线管的供电。
进一步的，所述无线通讯模块为信号中转模块，建立了MCU芯片与发动机系统的数据交互，在硬件上囊括了一个双通的信号发射与信号接收的设备，交互的信号可覆盖3m以内范围。
进一步的，所述电源模块为稳压调节模块，可将蓄电池供应的直流电稳定的供应给MCU芯片，避免蓄电池输出的瞬态高压击穿MCU芯片，提升控制器整体寿命。
进一步的，所述PWM驱动模块和稳压供电模块均为无线螺线管的供电模块，所述PWM驱动模块提供占空比和频率均可变的PWM信号，在PWM信号控制下，硅油离合器的内部形成强度不同的磁场，硅油离合器的工作状态也会在分离与全啮合之间变化。
进一步的，所述控制器内设有滤波抗扰动模块，所述滤波抗扰动模块具有两个作用：第一过滤通讯信号，去除掉信号内的杂波，使发动机系统与硅油离合器的信号传输更加准确，同时信号交互速度也更快；第二可屏蔽外界干扰信号，提高硅油离合器抗电磁干扰的能力。
作为优选，所述固定平台上设有交流发电机、电压调节器和蓄电池，所述法兰轴设有法兰轴齿轮，所述交流发电机的转子上设有与法兰轴齿轮啮合的发电机齿轮，所述法兰轴转动，通过法兰轴齿轮和发电机齿轮的啮合传动，带动交流发电机的转子部分运动，所述交流发电机输出三相交流电到电压调节器内，所述电压调节器将交流发电机输出的交流电进行处理，使交流电变成直流电，用于蓄电池的充电；若蓄电池充满电，所述电压调节器则会起到过充保护功能，不再继续充电。
进一步的，所述电压调节器内部设有整流模块、滤波模块、蓄电池充放电检测控制模块、电压控制模块和故障指示及短路保护模块，所述整流模块可借助半导体二极管的单向导电性能，将交流电变成单向脉动的直流电；所述滤波模块用于去除直流电中的纹波分量；所述蓄电池充放电检测控制模块用于检测蓄电池的通、放电状态，并加以管理；所述电压控制模块用于控制蓄电池的输入电压，一旦输入电压超过蓄电池的额定电压，控制模块会进行电压限制，保证蓄电池的输入电压不会超过额定电压，以延长蓄电池寿命；所述故障指示以及短路保护模块用于蓄电池状态的显示：当蓄电池正常工作时，指示灯亮绿光，当出现异常大电流时，保护模块会立刻切断供电回路，以保护蓄电池，同时指示灯亮红光，提醒检测人员关注。
更进一步的，所述整流模块采用的是四个二极管组成的桥式整流电路。
进一步的，所述固定平台通过金属支架与发动机外壳体固定连接。
本发明取得的有益效果是：
1、本发明的控制器，一方面接受发动机系统的控制信号，控制硅油风扇的工作状态，实现风扇啮合与分离状态的切换；另一方面可将风扇的实际转速反馈回发动机系统，以实现闭环控制，上述信息交换全部通过控制器中的无线通信模块得以实现；避免了线束的设计，也规避了不同发动机平台中需要的千差万别螺线管的设计与管理成本，实现了电控螺线管设计的平台化和标准化，大大提高了螺线管适用性，降低了电控硅油离合器的生产成本；
2、本发明的硅油离合器与发动机装配时，无需在发动机上走线，也无需使用线束固定的零件，因此降低了发动机方面的设计成本，简化了电控硅油离合器和发动机间的装配工艺；
3、目前电控硅油风扇能耗主要来源于两部分：第一部分是发动机主轴旋转带动硅油风扇工作需要消耗的机械能，第二部分是供应给电控螺线管所需的电能；本发明的硅油离合器可借助发动机主轴带动法兰轴旋转产生的机械能，带动发电机给电控螺线管供电，而无需外部供电，从而无需第二部分的电能消耗，因此在能耗方面低于现有电控硅油风扇，更加低碳环保，符合国六节能减排的要求；
4、本发明设置了交流转直流的电压调节器，涵盖了整流、滤波和过充保护功能：首先交流发电机输出的是交流电，无法直接输入到蓄电池，因而需要进行整流，目的是将交流电转换为直流电；其次整流后为脉动型直流电，由于该直流电中包含较大的交流纹波分量，如果直接通入蓄电池，会降低蓄电池寿命，而滤波电路可以过滤掉纹波分量，让电压波形变得平滑；若充电的功率超过了蓄电池的安全阀值，过充保护功能会自动启动，将电流钳制到安全范围内，保护蓄电池。；
5、固定平台通过金属支架连接整车，相较于线束连接更加稳固持久，不会受发动机震颤的影响，不会出现接插件脱落，或者与扇叶发生干涉等问题；同时也可避免传统的线束受热损坏或者受到异物撞击的问题，可有效降低电控硅油离合器的售后赔偿率，提高其市场竞争力。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为电压调节器内部电路图；
图3为控制器内部电路图；
图4-5为发动机连接示意图；
附图标记：1.1、法兰轴；1.2、交流发电机；1.3、电压调节器；1.4、蓄电池；1.5、控制器；1.6、无线式螺线管；1.7、前/后盖与主动盘；1.8、塑料扇叶；
2.1、整流模块；2.2、滤波模块；2.3、蓄电池充放电检测控制模块；2.4、电压控制模块；2.5、故障指示以及短路保护模块；
3.1、MCU芯片；3.2、无线通讯模块；3.3、电源模块；3.4、PWM驱动模块；3.5、稳压供电模块；3.6、滤波抗扰度模块；4.1、固定平台；
5.1、法兰轴齿轮；5.2、发电机齿轮；5.3、金属支架。
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1-5所示，本发明的一种无线束电控硅油离合器，包括法兰轴1.1、离合器前/后盖1.7和塑料扇叶1.8，法兰轴1.1与发动机主轴通过螺栓连接，当发动机主轴旋转时，扭矩可以直接传递到法兰轴上；离合器前/后盖1.7及主动盘为硅油离合器中最核心的部分，主动盘轴与法兰轴1.1螺纹连接，因此发动机扭矩可以直接传导到主动盘上，然后借助工作腔体内的硅油，将扭矩传传递到离合器前/后盖1.7上；后盖上面布置有螺钉，并与塑料扇叶1.8相连，可将扭矩传导到扇叶上面，引起扇叶转动；前盖通过螺钉与后盖连接，内部包含储油腔，用于存储硅油，离合器前/后盖1.7表面均布置大量翅片，当离合器工作时，可用于散热，以降低滑差热引起的离合器的高温。
现有的电控硅油离合器，其电控螺线管通过线束与发动机连接，行驶过程中，整车控制系统会依据发动机内部水温等参数，并结合相应的算法，得出电控硅油风扇的需求转速，并将需求转速通过电控螺线管传递给风扇，同时风扇的实际转速也会通过电控螺线管传递给控制系统，实现闭环控制。线束连接经常会给风扇的售后市场带来各种问题，轻则降低风扇使用寿命，严重时造成整车故障或异常停车。
本发明的无线束电控硅油离合器，还包括固定平台4.1、无线式螺线管1.6和控制器1.5，固定平台4.1与发动机外壳或护风罩固定连接，无线束螺线管1.6与固定平台4.1固定连接，控制器1.5设置在固定平台4.1上，控制器1.5一方面可接受发动机系统的无线通讯信号，将风扇需求转速的信号发送给无线式螺线管1.6，用于控制硅油风离合器的啮合或分离，使硅油风扇实际转速不断接近需求转速；另一方面可将无线式螺线管1.6输出的硅油风扇实时转速通过无线通讯反馈给发动机系统以形成闭环控制，不断修正硅油风扇需求转速，最终使得硅油风扇实时转速和风扇需求转速一致。本发明的控制器1.5一方面接受发动机系统的控制信号，控制硅油风扇的工作状态，实现风扇啮合与分离状态的切换；另一方面可将风扇的实际转速反馈回发动机系统，以实现闭环控制，上述信息交换全部通过控制器1.5中的无线通信模块得以实现，避免了线束的设计，也规避了不同发动机平台中需要的千差万别螺线管的设计与管理成本，实现了电控螺线管设计的平台化和标准化，大大提高了螺线管适用性，降低了电控硅油离合器的生产成本。本发明的电控硅油离合器与发动机装配时，无需在发动机上走线，也无需使用线束固定的零件，降低了发动机的设计成本，简化了电控硅油离合器和发动机间的装配工艺。
结合图2所示，在一实施例中，控制器1.5内设有MCU芯片3.1，无线通讯模块3.2、电源模块3.3、PWM驱动模块3.4、稳压供电模块3.5和滤波抗扰动模块3.6。
MCU芯片3.1是控制器1.5的核心部件，其功能如下：当本发明工作时分别发射驱动信号到PWM驱动模块3.4和稳压供电模块3.5，用于无线螺线管的供电；采集及过滤无线式螺线管1.6输出的风扇实际转速信号；借助模块3.2与发动机系统进行数据交互，一方面取得硅油风扇的需求转速，同时也实时反馈风扇实际转速。
无线通讯模块3.2是一个信号中转模块，建立了MCU芯片3.1与发动机系统的数据交互，在硬件上囊括了一个双通的信号发射与信号接收的设备，交互的信号可覆盖3米以内范围。
电源模块3.3是一个稳压调节模块，可将蓄电池1.4供应的直流电，稳定的供应给MCU芯片3.1，避免蓄电池输出的瞬态高压击穿3.1，提升控制器1.5的整体寿命。
PWM驱动模块3.4和稳压供电模块3.5都是无线螺线管1.6的供电模块，前者可提供占空比和频率均可变的PWM信号，在该信号下，本发明中离合器的内部可形成强度不同的磁场，离合器的工作状态也会在分离与全啮合之间变化；后者可提供稳定的电压，用于采集风扇实际转速。
滤波抗扰动模块3.6具有两个作用：第一过滤通讯信号，去除掉信号内的杂波，使发动机系统与本发明之间的信号传输更加准确，同时信号交互速度也更快；第二可屏蔽外界干扰信号，提高本发明抗电磁干扰的能力，干扰信号包括手机的通讯信号以及其他无线电干扰号信号。
结合图1-2及图4-5所示，固定平台4.1上设有交流发电机1.2、电压调节器1.3和蓄电池1.4，法兰轴1.1设有法兰轴齿轮5.1，交流发电机1.2分为转子和定子部分，转子为旋转运动部分，而定子为固定不动部分；交流发电机1.2的转子上设有与法兰轴齿轮5.1啮合的发电机齿轮5.2。法兰轴1.1转动，通过法兰轴齿轮5.1和发电机齿轮5.2的啮合传动，带动交流发电机1.2的转子部分运动，交流发电机1.2输出三相交流电到电压调节器1.3内，电压调节器1.3将交流发电机输出的交流电进行处理，使交流电变成直流电，用于蓄电池1.4的充电；若蓄电池1.4充满电，电压调节器1.3则会起到过充保护功能，不再继续充电。本发明可以借助发动机主轴旋转时产生的扭矩进行自发电，从而降低了电控离合器的能量损耗，实现了国六节能减排的要求。
本发明通过在法兰轴1.1及交流发电机1.2的转子处布置有齿轮，当发动机主轴转动时，法兰轴1.1同步旋转，并通过齿轮间的啮合运动，带动交流发电机1.2的转子旋转，从而产生相应的电能，法兰轴1.1与交流发电机1.2转子间的齿数比，可依据发动机平台的种类，离合器的种类以及离合器的运行工况，灵活调整，以满足自发电需求。
本发明中交流发电机1.2可依据转子的不同转速，输出不同功率的交流电能，例如：当法兰轴1.1怠速时，交流发电机1.2转子转速也较低，交流发电机1.2的输出功率低，对蓄电池1.4充电也缓慢；当法兰轴1.1中速运行时，转子可达到额定转速，并对蓄电池1.4以额定功率进行充电；当发动机主轴高速运行时，转子可达到转速限值，并对蓄电池1.4快速充电。
结合图2所示，本实施例中，电压调节器1.3内部设有整流模块2.1、滤波模块2.2、蓄电池充放电检测控制模块2.3、电压控制模块2.4和故障指示及短路保护模块2.5。
整流模块2.1可借助半导体二极管的单向导电性能，将交流电变成单向脉动的直流电，本发明中整流模块2.1采用的是四个二极管组成的桥式整流电路。
整流模块2.1输出的是具有纹波分量的直流电，纹波就是直流电压中的交流成分，如果直接通入蓄电池1.4中，会缩短蓄电池的使用寿命，因此此处引入了RC滤波模块2.2，用于去除直流电中的纹波分量。
蓄电池1.4既接受交流发电机1.2的充电，也承担控制器1.5的电能消耗，因此蓄电池1.4自身同时存在着充、放电状态，因此本发明引入了蓄电池充放电检测控制模块2.3，用于检测蓄电池1.4的通、放电状态，并加以管理。
电压控制模块2.4用于控制蓄电池的输入电压，一旦输入电压超过蓄电池的额定电压，控制模块会进行电压限制，保证蓄电池的输入电压不会超过额定电压，以延长蓄电池寿命。
故障指示以及短路保护模块2.5用于蓄电池状态的显示：当蓄电池正常工作时，指示灯亮绿光，当出现异常大电流时，保护模块会立刻切断供电回路，以保护蓄电池，同时指示灯亮红光，提醒检测人员关注。
本发明设置了交流转直流的电压调节器1.3，涵盖了整流、滤波和过充保护功能：首先交流发电机1.2输出的是交流电，无法直接输入到蓄电池1.4，因而需要进行整流，目的是将交流电转换为直流电；其次整流后为脉动型直流电，由于该直流电中包含较大的交流纹波分量，如果直接通入蓄电池1.4，会降低蓄电池1.4寿命，而滤波电路可以过滤掉纹波分量，让电压波形变得平滑；若充电的功率超过了蓄电池的安全阀值，过充保护功能会自动启动，将电流钳制到安全范围内，保护蓄电池1.4。
结合图4所示，本实施例中，固定平台4.1通过注塑与无线束螺线管1.6相连，同时固定平台4.1的内部通过低压注塑集成了交流发电机1.2、电压调节器1.3、蓄电池1.4、控制器1.5以及相互连接的线束。通过低压注塑技术，可以有效降低塑料注塑时的外部高温，有效保护上述电气件内部元件不受高温影响。
结合图5所示，法兰轴1.1过盈连接法兰轴齿轮5.1，法兰轴齿轮5.1和发电机齿轮5.2通过齿间啮合进行连接，金属支架5.3一端与固定平台4.1进行螺钉连接，同时另外一端也通过螺钉布置在发动机外壳体上。法兰轴齿轮5.1与发电机齿轮5.2齿轮间的齿轮比可以依据发电机1.2种类进行调整，以满足发电机的额定输入转速，本发明中的发电机额定转速大于法兰轴转速。法兰轴1.1的转动将带动法兰轴齿轮5.1，通过齿间啮合，带动发电机齿轮5.2，从而将法兰轴的扭矩传递给发电机1.2的转子部分，从而产生电能。金属支架5.3在离合器工作时，与发动机保持相对静止，同时固定平台4.1也相对静止，因此固定平台4.1内部的交流发电机1.2、电压调节器1.3、蓄电池1.4和控制器1.5也保持静止。
当发动机主轴转动时，因法兰轴1.1与发动机为螺钉连接，法兰轴1.1的转速与发动机主轴转速保持相同，而法兰轴1.1转动产生的机械能将分为两部分：第一部分机械能直接传递到主动盘中，并经过硅油的剪切力，将绝大部分机械能传递到前、后盖1.7中，最终带动塑料扇叶1.8的转动，并给发动机系统进行散热；而另外小部分机械能因为硅油的剪切力转换为离合器的滑差热，并通过前、后盖表面进行了散热；第二部分机械能通过齿轮组(法兰轴齿轮5.1和发电机齿轮5.2)传递给交流发电机1.2的转子部分，并输出交流电能，接着通过电压调节器1.3，交流电整流为直流电，并存储入蓄电池1.4。
当发动机主轴怠速运转时，法兰轴也是怠速运转，产生机械能较少：第一部分机械能只能使塑料扇叶1.8进行怠速运转，此时本发明对发动机系统的散热能力不强，发动机会逐步升温；第二部分机械能只能使交流发电机1.2转子达到空载转速，充电电流低，而此时无线式螺线管1.6需求较多的电能才能使硅油风扇进入怠速运行，此时蓄电池进入放电过程。
当发动机主轴中速运行时，法兰轴1.1也是中速运转，产生机械能正常：第一部分机械能可以使塑料扇叶1.8进行中速运转，此时本发明的散热能力达到正常，发动机会保持当前温度；第二部分机械能可以使交流发电机1.2转子进入额定转速范围，并以额定电流进行充电，而此时无线螺线管1.6仅需要适量电能就可以使硅油风扇进入中速运行，此时蓄电池1.4进入缓慢充电过程。
当发动机主轴高速运行时，法兰轴1.1也是高速运转，产生较多机械能：第一部分机械能可以使得塑料扇叶1.8进行高速运转，此时本发明的散热能力达到最大，发动机会快速降温；第二部分机械能可以使交流发电机1.2的转子达到限值转速运行，并以限值电流进行充电，而此时无线螺线管1.6仅需要少量电能就可以使硅油风扇高速运行，此时蓄电池1.4进入快速充电过程，当蓄电池1.4充满时，充放电检测控制模块2.3将启动电压控制模块2.4，以限制输入蓄电池1.4的功率，以保护蓄电池1.4寿命。
本发明中的无线通讯模块3.2位于控制器1.5内部：一方面可借助滤波抗扰动模块3.6接受发动机系统的控制信号，并将控制信号通过MCU芯片3.1传递给PWM驱动模块3.4以及稳压供电模块3.5，用于无线螺线管1.6的供电；另一方面也可将无线螺线管1.6采集到的风扇实际转速值，传递回发动机系统，形成闭环控制系统。本发明中无线通讯的发射端可以直接集成入发动机系统的内部或者采用USB外接方式，直接与整车发动机的诊断口相连。
本发明中的金属支架5.3可以通过螺钉与发动机外壳相连，也可以与散热器的护风罩相连，连接的具体位置可依据离合器，发动机系统以及散热器护风罩的结构尺寸来决定，选择比较灵活，仅需要布置在相对发动机静止的位置即可。
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。
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