黃俊剛，張勝賓，張晶晶（.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州50650；.深圳市特爾佳科技股份有限公司，廣東深圳580）

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葉片傾角因素對液力緩速器制動力矩及其容積比的影響分析

黃俊剛1，張勝賓1，張晶晶2
（1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510650；2.深圳市特爾佳科技股份有限公司，廣東深圳518110）

摘要：為深層次揭示葉片傾角因素對液力緩速器制動效能的影響，文中以某型自主研發(fā)液力緩速器樣機為研究參照，提出制動力矩與力矩容積比雙重性能評價指標(biāo)，考慮實際制動力矩的生成工況，使用經(jīng)過試驗驗證的全流道式CFD預(yù)報方法，得到［25°～90°］范圍內(nèi)的23個葉片傾角特征的制動效能雙重評價指標(biāo)預(yù)報值，并給出部分傾角點上的轉(zhuǎn)速與雙重評價指標(biāo)值關(guān)系曲線。對預(yù)報計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，得出葉片傾角因素與液力緩速器制動效能的影響關(guān)系，為后續(xù)液力緩速器葉輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供理論支持。

關(guān)鍵詞：葉片傾角；液力緩速器；制動力矩；力矩容積比；影響分析

0 前言

液力緩速器是一種流體機械，內(nèi)部流場流態(tài)分布是其內(nèi)在特性，而制動效能則是其內(nèi)在特性的外在反映。影響液力緩速器制動效能的因素眾多，根據(jù)雷諾數(shù)準(zhǔn)則式（1），可以清晰地將影響液力緩速器制動效能的因素分為流體的物性參數(shù)、運動參數(shù)以及結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)［1-2］，其中，物性參數(shù)與運動參數(shù)均為外在參數(shù)，而結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)則為內(nèi)在人為設(shè)計參數(shù)，本文僅研究結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)中的葉片傾角參數(shù)α。

目前已有文獻(xiàn)開展葉片傾角因素對制動力矩的影響分析。文獻(xiàn)［3-6］使用CFD預(yù)報方法對液力緩速器制動力矩開展單一影響因素分析研究；文獻(xiàn)［7-16］就液力緩速器制動力矩開展結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化綜合分析研究，給出葉片傾角、循環(huán)圓形狀及尺寸與制動力矩之間的關(guān)系。綜上所述，前人利用CFD預(yù)報技術(shù)對液力緩速器制動力矩的尺寸參數(shù)影響因素開展了有意義的探索，取得了一定的進(jìn)展，但仍存在評價指標(biāo)單一、機理研究不夠透徹的問題。

為深層次揭示葉片傾角因素對液力緩速器制動效能的影響，本文以某型自主研發(fā)液力緩速器樣機為研究參照，提出制動力矩與力矩容積比雙重性能評價指標(biāo)，并就葉片傾角因素對雙重指標(biāo)的影響進(jìn)行分析。

1 雙重評價指標(biāo)的提出與葉片傾角因素的設(shè)定

1.1 單一制動力矩評價指標(biāo)存在的問題

在考察葉片傾角因素對制動效能影響關(guān)系的過程中發(fā)現(xiàn)，隨著葉片傾角的變化，定轉(zhuǎn)輪工作腔的有效容積也發(fā)生了一定的變化。如圖1所示，隨著葉片傾角的變大，葉片的長度L在不斷變小，由于葉片的厚度是常量，因此，葉片的體積隨著葉片傾角的變大而逐漸減小，最終，在其他幾何因素不變的情況下，定、轉(zhuǎn)輪工作腔的容積隨著葉片傾角的變大而逐漸增大。

圖1　葉片長度隨傾角因素變化示意

為充分驗證上述觀點，以某型自主研發(fā)液力緩速器樣機的定、轉(zhuǎn)輪為例，如表1所示，隨著葉片傾角的變大，可以明顯看出定轉(zhuǎn)輪的有效容積隨著葉輪傾角的增加而變大。

定、轉(zhuǎn)輪有效容積的變化會對制動效能值產(chǎn)生一定的影響，而定、轉(zhuǎn)輪的有效容積隨著葉片傾角的增大而變大，由此引發(fā)復(fù)雜的影響關(guān)系。因此，單一憑制動力矩值作為關(guān)鍵幾何結(jié)構(gòu)因素影響度的評價指標(biāo)是不夠全面的，不能夠深層次反映出葉片傾角因素與制動效能的關(guān)系。

1.2 雙重評價指標(biāo)的建立

為深層次揭示葉片傾角因素對液力緩速器制動效能的影響關(guān)系，需要附加考慮有效容積變化對制動效能帶來的影響，因此，引入新的評價指標(biāo)——力矩容積比：

表1　某型樣機定轉(zhuǎn)輪葉片傾角因素與有效容積的關(guān)系

上式T為液力緩速器的制動力矩，單位為N· m，V代表定、轉(zhuǎn)輪工作腔的有效容積，單位為mm3，因此，力矩容積比的單位為：

從式3中的單位量綱推導(dǎo)來看，力矩容積比的物理意義是定、轉(zhuǎn)輪工作腔內(nèi)流場的平均壓力。隨著力矩容積比評價的提出，可排除工作腔有效容積對制動效能的影響疊加因素，能夠確切揭示出葉片傾角因素對制動效能的影響關(guān)系。

1.3 葉片傾角因素的設(shè)定

在定、轉(zhuǎn)輪工作腔內(nèi)，工作腔循環(huán)圓在傾斜葉片的分割下形成復(fù)雜的葉片環(huán)繞封閉螺旋運動流，即形成渦旋效應(yīng)。根據(jù)液力緩速器轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)方向，葉片傾角為前傾形式，傾角的理論范圍為［0°，90°］，但由于葉片具有一定的厚度，在角度過小的狀況下，如圖2所示，葉片將相互重疊干涉。根據(jù)本文所用案例的實際結(jié)構(gòu)設(shè)計情況，葉片最小傾角約為25°，最大為90°。為分析葉片傾角對雙重評價指標(biāo)的影響，在其他關(guān)鍵尺寸參數(shù)不變的條件下，以3°作為分段值，對傾角在理論區(qū)間［25°，90°］進(jìn)行對比因素的設(shè)定，結(jié)果如表2所示。

圖2　傾角過小造成的葉片重疊干涉

2 葉片傾角因素對雙重評價指標(biāo)的影響分析

表2　葉片傾角α值的設(shè)定

2.1 制動力矩的全流道式CFD預(yù)報過程簡介

以液力緩速器流場總?cè)肟?、總出口為抽取源進(jìn)行流道抽取，得出全流道模型如圖3（a）。為在流道模型上離散控制方程，必須對流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格的劃分是指在適應(yīng)流道邊界表面的條件下，將其體積劃分為許多個互不重疊的子區(qū)域單元。網(wǎng)格生成質(zhì)量的好壞，對于計算的精度、時間、收斂性都有極為密切的關(guān)系，因此網(wǎng)格技術(shù)在整個仿真計算過程中起關(guān)鍵作用［17］?？紤]到液力緩速器空轉(zhuǎn)流道結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，加上各子流道為非共同體的因素，采用三棱柱/四面體與多體混合網(wǎng)格技術(shù)對流道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如下圖3（b）所示，網(wǎng)格質(zhì)量的級別為好，滿足數(shù)值模擬要求。

結(jié)合液力緩速器實際制動效能的生成工況，設(shè)定邊界條件如下：

圖3　前處理結(jié)果

（1）設(shè)置湍流模型與求解器。針對液力緩速器內(nèi)流場具有渦旋流與壁面彎曲的特征，本文選用穩(wěn)定性好，適用于分離流與渦旋流等復(fù)雜流動的RNGk-ε模型。

（2）定義工作介質(zhì)的物性參數(shù)。根據(jù)SAE標(biāo)準(zhǔn)對液力傳動油的要求，其密度和黏度在工作過程中變化很小，基本可假設(shè)為常數(shù)，分別取ρ=890 kg/m3，μ=0.004 26 kg/m.s［18］。

（3）設(shè)定流域的運動邊界條件。設(shè)定定輪子流域為靜止，設(shè)定轉(zhuǎn)輪子流域以一定速度旋轉(zhuǎn)，為充分驗證全流道式計算方法的可靠性，選取多個轉(zhuǎn)速段進(jìn)行運算。同時，本文考慮試驗驗證臺架的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測試范圍，在轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速500～1 200 r/min范圍內(nèi)均布設(shè)定7種轉(zhuǎn)速邊界條件。

（4）設(shè)置流場進(jìn)、出口的邊界條件。在實際工作過程中，工作油液的驅(qū)動介質(zhì)為壓縮空氣，本文選用進(jìn)口壓力邊界與出口壓力邊界，另外，因出油口回流至油箱，故出油口的環(huán)境壓力等于進(jìn)油口的壓力，均設(shè)定為0.5 MPa。

（5）設(shè)置求解算法。適用于不可壓縮流體的求解算法有SIMPLE、SIMPLEC、PISO三種，相對于SIMPLE、SIMPLE算法，PISO對于復(fù)雜網(wǎng)格給出的計算結(jié)果更為準(zhǔn)確［19-20］，考慮到液力緩速器定、轉(zhuǎn)輪之間全流道式網(wǎng)格的計算量大以及復(fù)雜的問題，本文在數(shù)值模擬過程中采用PISO算法。

2.2 葉片傾角因素對制動力矩的影響分析

使用制動力矩的全流道式CFD預(yù)報方法，設(shè)定制動力矩作為評價指標(biāo)，在轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速為500 rpm的工況下，得到如表3所示的結(jié)果（精確到百分位）。

從表3中可以看出，在500 rpm工況下、葉片傾角為45°時，制動力矩最大。使用RADIANS函數(shù)，將角度α單位從°轉(zhuǎn)化為rad，對表3中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出制動力矩T與葉片傾角α（單位：rad）之間的函數(shù)關(guān)系式（4），擬合決定系數(shù)為0.998 9，具有較高的擬合度。

表3　葉片傾角因素對制動力矩影響計算結(jié)果（500 rpm）

為考察驗證其他轉(zhuǎn)速點上葉片傾角α對制動力矩的影響，揀選具有代表性的葉片傾角度數(shù)，分別為25°/37°/45°/59°/74°/90°，在相關(guān)約定轉(zhuǎn)速條件下進(jìn)行制動力矩的CFD預(yù)報計算，計算結(jié)果如表4所示（精確到百分位）。

表4　轉(zhuǎn)速與總制動力矩的關(guān)系（6種葉片傾角度數(shù)）

基于表4，使用散點圖做出葉片傾角α分別為25°/37°/45°/59°/74°/90°條件下的轉(zhuǎn)速—制動力矩關(guān)系曲線，如圖4所示。從圖中可以明顯看到，在液力緩速器常用的300～1 100 rpm轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，制動力矩最大值仍然處于傾角α為45°條件下。此外，從圖4中亦可以看出隨著轉(zhuǎn)速的上升，葉片傾角因素對制動力矩的影響度逐漸增大。

圖4　轉(zhuǎn)速與制動力矩關(guān)系圖（6種葉片傾角度數(shù)）

2.3 葉片傾角因素對力矩容積比的影響分析

設(shè)定力矩容積比作為評價指標(biāo)，在轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速為500 rpm的工況下，得到如表5所示的結(jié)果（精確到百分位）。

表5　葉片傾角因素對力矩容積比影響計算結(jié)果（500 rpm）

從表5中可以看出，在所選取的葉片傾角點上，力矩容積比在43°傾角達(dá)到最大值；以α=43°為中心向兩端看，隨著傾角的變大或變小，力矩容積比均呈現(xiàn)下降的趨勢。對表5中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出總力矩容積比ηT-V與葉片傾角α（單位：rad）之間的函數(shù)關(guān)系式（5），擬合決定系數(shù)為0.998 9，具有較高的擬合度。

ηT-V=15 487α6-101 867α5+269 828α4-363 394α3+256 750α2-87 920α+11 899（5）

為考察驗證其他轉(zhuǎn)速點上葉片傾角對力矩容積比的影響，揀選具有代表性的葉片傾角度數(shù)，分別為25°/37°/43°/59°/74°/90°，在相關(guān)約定轉(zhuǎn)速條件下進(jìn)行CFD預(yù)報計算，計算結(jié)果如表6所示（精確到百分位）。

表6　轉(zhuǎn)速與力矩容積比的關(guān)系（6種葉片傾角度數(shù)）

基于表6，使用散點圖做出葉片傾角α分別為25°/37°/43°/59°/74°/90°條件下的轉(zhuǎn)速—力矩容積比關(guān)系曲線，如圖5所示。從圖中可以明顯看到，在液力緩速器常用的300～1 100 rpm轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，力矩容積比最大值仍然處于傾角α為43°條件下。此外，從圖5中亦可以看出隨著轉(zhuǎn)速的上升，葉片傾角因素對力矩容積比的影響度逐漸增大。

圖5　轉(zhuǎn)速與力矩容積比關(guān)系（6種葉片傾角度數(shù)）

3 結(jié)論

（1）定、轉(zhuǎn)輪有效容積的變化會對制動效能產(chǎn)生一定的影響，而定、轉(zhuǎn)輪的有效容積隨著葉片傾角的增大而變大，由此引發(fā)復(fù)雜的影響關(guān)系。因此，單一憑制動力矩值作為關(guān)鍵幾何結(jié)構(gòu)因素影響度的評價指標(biāo)是不夠全面的，不能夠深層次反映出葉片傾角因素與制動效能的關(guān)系。

（2）采用雙重評價指標(biāo)，設(shè)定轉(zhuǎn)速工況為500 rpm，在選取的23個葉片傾角度數(shù)中，制動力矩在傾角45°時達(dá)到最大，以傾角45°為中心向兩端看，隨著傾角的變大或變小，制動力矩均呈現(xiàn)下降的趨勢；力矩容積比值的最大點出現(xiàn)在傾角為43°的條件下；以傾角43°為中心向兩端看，隨著傾角的變大或變小，力矩容積比均呈現(xiàn)下降的趨勢。

（3）揀選具有代表性的葉片傾角度數(shù)為25°/ 37°/43°/59°/74°/90°，在液力緩速器常用的300～1 100 rpm轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，預(yù)報計算并作出轉(zhuǎn)速—制動力矩、轉(zhuǎn)速—力矩容積比關(guān)系曲線，得出制動力矩最大值始終處于傾角α為45°條件下，力矩容積比最大值始終處于傾角α為43°條件下。

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研究方向：汽車液力輔助制動系統(tǒng)技術(shù)

中圖分類號：U463.53+3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-8496-（2016）-01-0039-06

收稿日期：2015-12-05

作者簡介：黃俊剛（1985-），男，講師，博士

項目基金：廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院博士科研啟動基金“基于CFD技術(shù)的液力緩速器制動扭矩多因素作用機理研究”（項目編號：GG81080134）；橫向科技項目“液力緩速器關(guān)鍵技術(shù)難題研究”（項目編號：KYH18101）

Influence Analysis of Blade Angle on Hydraulic Retarder's Braking Torque and Volume Efficiency

HUANG Jun-gang1，ZHANG Sheng-bin1，ZHANG Jing-jing2
（1.Guangdong Communication Polytechnic，Guangzhou 510650，China；2.Shenzhen Terca Technology Co.，Ltd.，Shenzhen 518110，China）

Abstract:To reveal the influence of blade angle on the braking performance of hydraulic retarder，this article，taking a certain type of independent-developed retarder as reference for the study，proposed dual performance evaluation to braking torque and torque ratio.With the experimental verification of using a full-course CFD flow forecasting methods，the dual braking performance evaluation index forecast value of 23 blade angles within the range of［25°～90°］is obtained，and the curve of speed and double evaluation value is also provided.After comparative analysis on forecast results，the influencing relation between blade angle and braking performance of hydraulic retarder was concluded，which may provide theoretical support for optimizing hydraulic retarder's structure.

Key words:blade angle；hydraulic retarder；braking torque；volume efficiency；influence analysis