何劍飛 李長友 楊素平 曹玉華

（華南農(nóng)業(yè)大學 工程學院，廣州 510642）

一種農(nóng)用車輛液力緩速器外殼的散熱性能數(shù)值模擬

何劍飛 李長友 楊素平 曹玉華

（華南農(nóng)業(yè)大學 工程學院，廣州 510642）

本文以一種農(nóng)用車輛液力緩速器的外殼作為研究對象，利用有限元技術對其散熱性能作了數(shù)值模擬，掌握了其基本散熱的規(guī)律，提出了散熱筋板在液力緩速器殼體設計時應該根據(jù)溫度云圖來分布加入并根據(jù)其散熱規(guī)律對其結構的改進提出了設計的依據(jù)。

液力緩速器；有限元；散熱；數(shù)值模擬

0 引 言

農(nóng)用車輛液力緩速器工作介質(zhì)泄漏，制動力矩波動，是國產(chǎn)農(nóng)用車輛液力緩速器不能產(chǎn)業(yè)化應用的關鍵技術問題。由于液力緩速器的工作腔內(nèi)功熱轉(zhuǎn)換、熱質(zhì)傳遞的過程復雜，工作過程中不僅存在工作介質(zhì)外露，同時還存在不同于一般情況的內(nèi)漏。出現(xiàn)外漏不僅造成工作介質(zhì)嚴重損耗，污染機器和環(huán)境，同時顯著影響其制動效果，危及汽車行駛安全，出現(xiàn)內(nèi)漏必然引起緩速器容積效率急劇下降，液體工作壓力降低，嚴重時會造成緩速器工作失效。制動力矩波動則會導致在車輛剎車時制動產(chǎn)生頓挫感，不平穩(wěn)的制動對車輛的行駛安全有著極大的威脅。而影響泄漏及制動力矩波動的關鍵因素之一是緩速器整機工作溫度的穩(wěn)定性。因此，弄清液力緩速器內(nèi)流場熱力分布及殼體散熱的規(guī)律、說明功熱轉(zhuǎn)換傳遞機理，能為有效的改進整機的設計提供設計的依據(jù)是開發(fā)國產(chǎn)液力緩速器的當務之急。

本文闡述了利用有限元分析技術，對一款試驗樣機的外殼進行了數(shù)值模擬，掌握了該款樣機外殼散熱的基本性能，并模擬其散熱時溫度場分布的基本規(guī)律，從而對樣機的殼體散熱性能進行結構改進提出設計的依據(jù)。

1 液力緩速器能量轉(zhuǎn)換過程概述

緩速器參與制動時所產(chǎn)生的熱量，除了通過工作液流出腔體通過換熱器帶走外，部分熱

量通過傳熱從殼體向外散出，因此良好散熱結構的殼體能夠使到整機迅速地降溫，保證工作液的穩(wěn)定的物性，從而有效的確保工作時緩速器性能的穩(wěn)定以及良好的密封性能。公交車剎車的時間間隔頻率按平均八分鐘來計算，那么也就是說在這段時間內(nèi)溫度必須降到正常值，在制動的時候溫度迅速升高，必須在這個時候把熱量迅速帶走才能保證良好的輔助的制動性能。

緩速器在制動的時候能量交換的方式:工作液在腔體內(nèi)產(chǎn)生的阻力距最終轉(zhuǎn)化為熱量的形式，大部分熱量通過換熱器散發(fā)到空氣中，另外熱量傳到殼體管道，還有使到工作液的溫度升高，并保存在油箱里面。

Qt=Qh+Qg+Qy+Qk

Qt— 緩速器制動時產(chǎn)生的總熱量；

Qh— 換熱器所帶走的熱量；

Qy— 油箱的油所吸收的熱量；

Qg— 管道所吸收的熱量；

Qk— 緩速器外殼所吸收的熱量。

2 液力緩速器殼體散熱數(shù)值模擬

2.1 液力緩速器傳熱分析理論

液力緩速器熱分析遵循熱力學第一定律，即能量守恒定律，對于一個封閉的系統(tǒng)（沒有質(zhì)量的流入或流出）

Q?W=?U+?KE+?PE

式中：Q—熱量；

W—作功；

?U—系統(tǒng)內(nèi)能；?KE— 系統(tǒng)動能；?PE— 系統(tǒng)勢能。

對液力緩速器傳熱問題： ?KE= ?PE=0；通常不考慮做功：W=0，則Q=?U；對于穩(wěn)態(tài)熱分析：Q=?U=0；即流入的熱量等于流出的熱量。

對于穩(wěn)態(tài)熱分析：，即流入流出的熱傳遞速率q等于系統(tǒng)內(nèi)能的變化。如果系統(tǒng)的凈流濾為0，即流入體統(tǒng)的熱量加上系統(tǒng)自身產(chǎn)生的熱量等于流出系統(tǒng)的熱量：q流入+q生成-q流出=0，則系統(tǒng)熱穩(wěn)態(tài)。

在穩(wěn)態(tài)熱分析中，任一節(jié)點的溫度不隨時間變化。穩(wěn)態(tài)熱分析的能量平衡方程為（以矩陣形式表示）：

式中：[K] —傳導矩陣，包含熱系數(shù)、對流系數(shù)及輻射和形狀系數(shù)；

{T}—節(jié)點溫度向量；

{Q}—節(jié)點熱流率向量，包括熱生成。瞬態(tài)傳熱過程是指一個系統(tǒng)的加熱或冷卻過程，在這個過程中系統(tǒng)的溫度、熱流率、熱邊界條件以及系統(tǒng)內(nèi)能隨時間都有明顯變化。根據(jù)能量守恒原理，瞬態(tài)熱平衡可以表達為（以矩陣形式表示）：

式中：[K] — 傳導矩陣，包含熱系數(shù)、對流系數(shù)及輻射和形狀系數(shù)；

[C] —比熱矩陣，考慮系統(tǒng)內(nèi)能的增加；

{T}—節(jié)點溫度向量；

{T’}—溫度對時間的導數(shù)；

{Q}—節(jié)點熱流率向量，包括熱生成。

2.2 液力緩速器散熱有限元分析

根據(jù)本項目在深圳公交車上的試驗統(tǒng)計，在市區(qū)行走的時候，平均每天制動的次數(shù)大概在5000---7000次左右，裝在車上的緩速器參與輔助制動的頻率基本跟這個數(shù)值一樣。由于工作頻率還是比較高，緩速器的殼體溫度不斷地產(chǎn)生周期性的變化，其表現(xiàn)過程為，正常行駛時溫度與環(huán)境溫度相同，制動時，殼體溫度會因為受到制動時所產(chǎn)生的熱，從腔體內(nèi)部通過熱傳遞的形式而發(fā)生變化。制動解除后，殼體溫度在理論狀態(tài)下應該與環(huán)境溫度相等。

根據(jù)能量守衡的原則，減速器參與制動的時候，所減少的動能，除了磨擦損失和沖擊損失之外，大部分的能量會轉(zhuǎn)化成熱能，為了研究方便，假設所減少的動能完全轉(zhuǎn)化為熱能，假設殼體初始溫度為250°C，殼體材料為45號鋼。

分析的時候為了分析的方便，去掉對分析結果影響不大的一些結構，例如殼體的圓角，孔和螺紋部分，以保證分析的時候網(wǎng)格畫分的準確性和分析結果的順利收斂。

本殼體采用的單元體是Thermal mass Solid87。劃分結構如圖 1。劃分后單元體的總數(shù)目是 29675，網(wǎng)格節(jié)點共55247.無散熱筋結構的殼體劃分后單元體的總數(shù)目是24375，網(wǎng)格節(jié)點共49268。

圖1 有限元單元圖

2.2.1 液力緩速器穩(wěn)態(tài)熱分析

對殼體進行穩(wěn)態(tài)熱分析，從溫度場分布圖當中可以看出，當殼體處于穩(wěn)態(tài)的時候，，出現(xiàn)最高溫度的地方在安裝轉(zhuǎn)子的行腔內(nèi)靠外徑的部位，見圖2。原因在于由于轉(zhuǎn)子參與制動的時候所產(chǎn)生的熱量，此部位最靠近熱源，熱量首先通過傳遞的方式傳到此部位，并且不斷的補充。軸心位置溫度為最高的溫度。

從殼體外表面溫度場分布圖見（圖2）可得，外表面穩(wěn)態(tài)散熱的情況：基本呈現(xiàn)出由殼體軸心沿徑向向外溫度依次下降，溫度的最低點出現(xiàn)在散熱筋上面。表面散熱的方式，由于在緩速器參與制動的時候，汽車在行駛的狀態(tài)，殼體表面與空氣熱交換的方式主要是對流方式，在一定的行駛速度下，空氣對流加快，表面散熱的速度比殼體內(nèi)部快，因此殼體表面的溫度比殼體內(nèi)部的溫度低。

圖2 穩(wěn)態(tài)溫度場云圖

2.2.2 液力緩速器瞬態(tài)熱分析

從溫度云圖 3，4中可以得出，殼體瞬態(tài)散熱的規(guī)律為在軸心位置為高溫區(qū)，這與實際情況相吻合，因此應該在不影響性能的前提下加入筋板結構以增大散熱的面積，加快此處的散熱速度。殼體溫度的分布基本是從以殼體的圓心為中點，徑向方向從中點向外溫度依次遞減。殼體軸向溫度的分布，從裝轉(zhuǎn)子的腔體向外，軸向溫度場以此遞減。

圖3 T=25秒時溫度場

選取殼體溫度最低點的數(shù)據(jù)作為分析殼體散熱的特征，可以得到圖5，從溫度的曲線圖中可以得出，殼體溫度最高點的散熱曲線數(shù)值模擬圖基本呈指數(shù)規(guī)律，在溫度高的時候，殼體散熱速度快，在0-250秒這區(qū)間內(nèi)，殼體的溫度迅速的下降，隨著殼體溫度的降低，由于溫差的減少，散熱的速度隨即減慢。

圖5 最低溫度點散熱曲線圖

3 結 論

液力緩速器制動性能的穩(wěn)定性直接影響著商用客車行駛的舒適性和安全性，其中的油液溫度、殼體溫度是表征其制動性能的綜合參數(shù)。利用計算機有限元分析法，對液力緩速度器的功熱轉(zhuǎn)換特性、殼體的傳熱特性分析研究的結果表明：

1)為了提高液力緩速器散熱的性能，液力緩速器殼體結構中的筋板分布應該為非對稱結構，設計時應該在高溫區(qū)域添加，其筋板結構分布規(guī)律應該與溫度云圖相對應。

2)在靠近軸心位置，由于此位置附件溫度為高溫區(qū)，應該增加散熱筋板結構以增大其散熱面積，加快散熱的速度。

圖4 T=171秒時溫度場

選取殼體溫度最高點的數(shù)據(jù)作為分析殼體散熱的特征，可以得到圖6，從溫度的曲線圖中可以得出，殼體溫度最高點的散熱曲線數(shù)值模擬圖基本呈指數(shù)規(guī)律，在溫度高的時候，殼體散熱速度快，在0-250秒這區(qū)間內(nèi)，殼體的溫度迅速的下降，隨著殼體溫度的降低，由于溫差的減少，散熱的速度隨即減慢。

圖6 最高溫度點散熱曲線圖

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（責任編校：劉志壯）

U463.5

A

1673-2219（2010）08-0012-03

2010－04－19

深圳特爾佳股份有限公司與華南農(nóng)業(yè)大學合作的橫向項目。

何劍飛，男，湖南桃江市人，實驗師，研究方向：機械CAD/CAM/CAE技術的應用研究和計算機虛擬仿真技術的研究。李長友，男，山西人，教授，科研副院長，博士生導師。