吳 超，徐 鳴，李慧淵，郭劉洋

(中國(guó)北方車輛研究所車輛傳動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100072)

液力緩速器在制動(dòng)工況時(shí)的工作介質(zhì)為油液，工作時(shí)，由控制系統(tǒng)控制充油機(jī)構(gòu)向工作腔中充油，油液在動(dòng)輪的帶動(dòng)下在工作腔中循環(huán)沖擊定輪葉片，油液的溫度迅速升高，此時(shí)油液的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，由油液帶走，并通過散熱器降低油液的溫度.在動(dòng)輪與油液的相互作用中，油液施加反作用力于動(dòng)輪，產(chǎn)生制動(dòng)力矩.而當(dāng)液力緩速器在非制動(dòng)工況即空轉(zhuǎn)時(shí)，由于液力緩速器循環(huán)圓內(nèi)存有空氣，同樣會(huì)像腔室內(nèi)有油液一樣，產(chǎn)生制動(dòng)力矩，即產(chǎn)生了空轉(zhuǎn)功率損失(簡(jiǎn)稱空損)，這種制動(dòng)作用降低了車輛的行駛效率，是我們所不希望的，而且液力緩速器的制動(dòng)力矩與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，即動(dòng)輪轉(zhuǎn)速越高，其產(chǎn)生的制動(dòng)力矩也就越大，使車輛在正常行駛時(shí)，提速較為困難.

本文對(duì)重型車輛用液力緩速器的空損進(jìn)行了CFD仿真和試驗(yàn)研究，并通過設(shè)計(jì)一種擋片機(jī)構(gòu)，在不影響液力緩速器制動(dòng)性能的前提下，盡量降低其空損.試驗(yàn)結(jié)果表明，擋片機(jī)構(gòu)行之有效，能夠?qū)⒁毫徦倨鞯墓β蕮p失控制在一定范圍內(nèi)，使其滿足重型車輛的使用要求.

1 液力緩速器的空損CFD仿真分析

液力緩速器充滿油液時(shí)的制動(dòng)功率的計(jì)算方法同樣適于計(jì)算空損.當(dāng)液力緩速器不充油液時(shí)，實(shí)際的工作介質(zhì)為空氣，其密度不隨溫度變化，為1.225 kg/m3.設(shè)定邊界條件:定輪進(jìn)口壓力為1個(gè)大氣壓，定輪、動(dòng)輪出口壓力為1個(gè)大氣壓.將液力緩速器動(dòng)輪設(shè)置為繞z軸正向旋轉(zhuǎn)的區(qū)域，其旋轉(zhuǎn)速度分別設(shè)置為 500、800、1 000、1 200、1 500、1 800、2 000、2 500 r/min，其余的設(shè)置為靜止區(qū)域.使用K-Epsilon模型中的standard格式，壓力修正方程選擇SIMPLEC離散形式，動(dòng)量方程等選擇1階迎風(fēng)的計(jì)算格式.

將所有的邊界條件、流體特性、求解動(dòng)量方程、能量方程及壓力修正方程等所需參數(shù)設(shè)置完畢后，根據(jù)壓力入口初始化流場(chǎng)渦動(dòng)能量、渦耗散率(初始化缺省數(shù)據(jù)均為0)，經(jīng)過大量計(jì)算，最后得出計(jì)算結(jié)果如表1所示.

表1 液力緩速器CFD分析計(jì)算結(jié)果

根據(jù)功率與扭矩的關(guān)系式P=Mn/9549，計(jì)算并做出功率隨轉(zhuǎn)速的變化曲線，如圖1所示.

圖1 液力緩速器CFD仿真空損功率曲線

2 液力緩速器的空損試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)臺(tái)的布置

液力緩速器的空損試驗(yàn)臺(tái)架布置見圖2.由于試驗(yàn)臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)不到3 600 r/min，只能做到其允許的最高轉(zhuǎn)速，但可以對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行當(dāng)量計(jì)算，得到3 600 r/min時(shí)的空損功率.

圖2 液力緩速器臺(tái)架試驗(yàn)傳動(dòng)平面布置圖

試驗(yàn)中需記錄的數(shù)據(jù)及其符號(hào)說明見表2.

表2 試驗(yàn)中采集的信號(hào)及其符號(hào)

2.2 空損試驗(yàn)

啟動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)架液壓系統(tǒng)，使系統(tǒng)潤(rùn)滑油壓達(dá)到0.2～0.3 MPa，啟動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)架電機(jī)，在每個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)穩(wěn)定0.5～1.0 min后采集各轉(zhuǎn)速點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括n、M、p.液力緩速器的空損功率試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，將試驗(yàn)與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可見二者變化趨勢(shì)基本一致.

圖3 液力緩速器空損功率曲線

液力緩速器的制動(dòng)功率P與其主軸轉(zhuǎn)速n的三次方和其工作腔有效直徑 D的五次方成正比[1]，關(guān)系式為

當(dāng)液力緩速器空轉(zhuǎn)時(shí)，ρ為空氣的密度，λ為空氣損失功率系數(shù).

為了得到最高轉(zhuǎn)速時(shí)的空損功率，根據(jù)式(1)可知，對(duì)于同一個(gè)液力緩速器在同一種介質(zhì)的條件下，不同轉(zhuǎn)速下功率的關(guān)系為:P1/P2=(n1/n2)3.據(jù)此，可由轉(zhuǎn)速為2 520 r/min時(shí)的功率16.7 kW當(dāng)量得出液力緩速器動(dòng)輪轉(zhuǎn)速在3 600 r/min時(shí)的空損功率為48.71 kW.可見，最高轉(zhuǎn)速時(shí)，液力緩速器的空損非常大，無法滿足車輛使用要求.為了克服液力緩速器空損大的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了降低空損的擋片機(jī)構(gòu).

2.3 擋片機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

從關(guān)系式(1)可見，若能減小有效直徑D，其空損將大幅降低.根據(jù)這一思想，在液力緩速器的定輪上設(shè)計(jì)了一種擋片機(jī)構(gòu)，來減小液力緩速器的有效直徑，其原理圖如圖4所示.

圖4 擋片機(jī)構(gòu)原理示意圖

當(dāng)車輛處于正常行駛的非制動(dòng)工況時(shí)，擋片開啟(即圖4中擋片與定輪所在平面平行)，擋住部分流道，相當(dāng)于循環(huán)圓直徑變小，起到改變空氣環(huán)流的作用.而當(dāng)車輛處于制動(dòng)工況時(shí)，由于油液的沖擊力很大，將擋片推開，擋片將與定輪葉片貼合在一起，油液進(jìn)入定輪流道循環(huán)，循環(huán)圓直徑與未裝擋片時(shí)相同，制動(dòng)力矩不受影響.當(dāng)制動(dòng)完成后，油液被排空，擋片回到原始位置，繼續(xù)起到降低空損的作用.

根據(jù)以上理論分析，經(jīng)過計(jì)算，最終所設(shè)計(jì)的擋片如圖5所示.

圖5 定輪上的擋片機(jī)構(gòu)

2.4 安裝擋片機(jī)構(gòu)后的空損試驗(yàn)

在定輪上裝上擋片機(jī)構(gòu)以后，對(duì)液力緩速器再次進(jìn)行空損試驗(yàn).試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)同上.試驗(yàn)后，繪出的空損功率曲線如圖6所示，圖中還繪制了安裝擋片前的試驗(yàn)曲線.

圖6 液力緩速器裝擋片后的空損功率曲線

同樣，根據(jù)圖6中動(dòng)輪轉(zhuǎn)速在3 000 r/min時(shí)的空損功率6.77 kW，可當(dāng)量計(jì)算出裝上擋片機(jī)構(gòu)后，液力緩速器在最高轉(zhuǎn)速3 600 r/min時(shí)的空損功率為11.7 kW.

3 結(jié)論

由圖6可以看出，在采取了降低空損的措施后，液力緩速器的空損大幅減小，已經(jīng)滿足了車輛的使用要求，在最高轉(zhuǎn)速3 600 r/min時(shí)，其空損功率減小的絕對(duì)值為37.01 kW，相對(duì)幅度為75.98%.同時(shí)，試驗(yàn)也驗(yàn)證了擋片機(jī)構(gòu)對(duì)于降低空損是行之有效的，它能夠?qū)⒁毫徦倨鞯墓β蕮p失控制在一定范圍內(nèi)，滿足了重型車輛正常行駛時(shí)的功率需求.

[1] 朱經(jīng)昌，魏宸官，鄭慕僑.車輛液力傳動(dòng)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1982.