李慧淵，　望運虎，　宋振川，　徐　鳴

(中國北方車輛研究所，北京 100072 )

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溫度和出口壓力對液力減速器制動力矩的影響機理研究

李慧淵，望運虎，宋振川，徐鳴

(中國北方車輛研究所，北京 100072 )

采用ANSYS CFX流場仿真軟件，分析溫度邊界條件對液力減速器空載力矩及制動力矩的影響，并模擬通過控制入口、出口壓力邊界條件來實現對液力減速器工作腔充液率及制動力矩的控制.結果表明，邊界溫度變化對空載力矩影響較大，而對制動力矩影響甚微；出口壓力的變化是影響制動力矩的主要因素，并通過該方法有效地獲取了制動力矩控制曲線.

液力減速器；出口壓力；制動力矩

液力減速器是一些重型車輛上經常采用的一種高效輔助制動裝置.液力減速器可吸收制動能量最高能夠達到90%,彌補了行車制動器的制動能力不能隨著車速的提高而同步提高的缺陷，裝有液力減速器后，可以滿足車輛坡路持續(xù)制動和高速強力制動的要求，可以保持車輛以高的平均車速行駛，有效地輔助行車制動器，提高車輛行駛的安全性.對液力減速器研究的重點也是難點在于對其控制方法研究，通常情況下，利用控制裝置對液力減速器的充放油時機進行控制，其中對充液量的控制是整個控制過程的關鍵也是難點所在.在部分充液工況下，液力減速器內流場是包含氣體和液體的復雜的氣液兩相流，這給液力減速器內、外特性的分析造成了相當的困難.通常，采用一維束流理論或外特性試驗的方法可以粗略地得到制動力矩與充液率的近似關系[1]，但是，由于受到束流理論本身的限制，以及就目前的測試手段而言，很難精確測量液力減速器在工作過程中循環(huán)圓的充液率.液力減速器制動力矩的精確控制，是通過調節(jié)充液率來實現的，而對充液率的調節(jié)則是通過調節(jié)循環(huán)系統(tǒng)輸入與輸出流量的動態(tài)平衡來實現的，即通過控制循環(huán)系統(tǒng)入口與出口的壓力來最終達到控制制動力矩的目的.為了達到上述目的，最直接有效的方法就是對液力減速器部分充液工況進行CFD數值模擬.

1　計算域建立

某液力減速器的結構如圖1(a)所示，主要由動輪、定輪、殼體組成.進口、出口均位于殼體側，并由各自閥體進行控制.動輪隨驅動軸轉動，工作時，進口閥打開，液體由進口進入工作腔，動輪將輸入的機械能轉化為液體能，然后液體以較高的速度沖向定輪葉片，將液體動能全部轉化為熱能.通過調整出口閥壓力來控制出口開啟時機，腔內壓力增加至該壓力后出口閥開啟，高溫液體流出.

在進行流場分析前，需確定計算域.為使仿真值更接近實際值，現將動輪、定輪、殼體部分流道綜合考慮，考慮到液力減速器殼體流道及定輪排氣口不均勻分布，選取整個流道區(qū)域作為計算模型，借助Ansys DesignModeler 模塊提取流道如圖1(b)所示，在制定各計算域及邊界后對其進行網格劃分，如圖1(c)所示.至此仿真分析的計算域建立完畢.

圖1　液力減速器模型

2　計算工況分析

2.1空載工況

當車輛處于平穩(wěn)運行過程中時，液力減速器處于非制動工況，動輪隨傳動軸一直高速轉動，即液力減速器處于空載工況.該工況的分析也是考證液力減速器性能的一個重要環(huán)節(jié)，故在分析制動工況之前先進行空載工況的流場分析.

當液力減速器空轉時，空氣對旋轉軸所產生的力矩為TK-B，即

TK-B=λk·ρk·g·n2·D5.

(1)

式中：TK-B為空載力矩，N·m；λK為空載力矩系數；ρk為空氣密度，kg/m3；g為空氣重力加速度；n為液力減速器動輪轉速，r/min；D為液力減速器循環(huán)圓有效直徑，m.

由式(1)可知，在其他條件不變的情況下，氣體密度ρk的變化可直接影響空載力矩的大小.

2.1.1仿真分析預處理

以動輪轉速為3 600 r/min工況點為例，來分析液力減速器空載工況的工作特性.空載工況下的液力減速器只有空氣流入流出，由于空氣在動輪高轉速帶動下速度很高，最大速度接近甚至超過音速，所以有必要考慮空氣的可壓縮特性及黏性加熱特性,在仿真分析軟件中的傳熱模型需使用總能方式(Total Energy)[2].從液力減速器工作腔結構考慮，將整個計算域分為4部分：入口域、動輪域、定輪域和出口域，如圖2所示.各個計算域之間是通過交互面(interface)技術[2]進行連接的，定輪域和動輪域相交互的公共面、動輪域與殼體域(包括入口域和出口域)相交互的公共面交接耦合成交互面，如圖3所示.由于動輪為旋轉件，在動輪域和其它3個計算域連接時，要考慮坐標系的轉換.同時定義該工況下的邊界條件為：殼體的泄油孔為空氣入口、定子的排氣孔為空氣出口，且分別與大氣環(huán)境相連，其它外置邊界如葉片表面、工作腔內部表面均為壁面邊界.

圖2　4個計算域及流體屬性設置

圖3　液力減速器計算域交互面(interface)的設置

2.1.2空載工況計算結果

考慮空氣的可壓縮特性及受溫度影響較大的特點，現通過對壁面溫度邊界條件進行控制來分析空氣流體特性的變化趨勢，從而分析溫度對空載力矩的影響規(guī)律.參考空載試驗數據，在假定壁面絕熱的基礎上分別定義壁面溫度為300 K、350 K、420 K，分析空載力矩在不同壁面溫度邊界條件下的變化趨勢，圖4為計算過程中不同壁面溫度下空載力矩的監(jiān)測曲線(橫坐標為計算累積時間步，縱坐標為監(jiān)控變量-空轉力矩).不同壁面溫度下空載力矩結果見表1.由此可見，在空載工況，液力減速器工作腔內氣體溫升會明顯影響空載力矩，相同轉速下，溫度越高，動輪的力矩越小，壁面溫度由350 K升到420 K，空轉力矩降低了6.4%.這與理論分析結果是一致的，由公式(1)表明，氣體密度ρk隨腔內溫度的上升而減小，從而導致力矩值有降低趨勢.

圖4　空載工況CFX監(jiān)控不同壁面溫度力矩曲線

表1　不同壁面溫度下空載力矩結果

表1為不同壁面溫度下空載力矩值?？梢钥闯鲭S著壁面溫度的增加，空載力矩逐漸減小，這是由于溫度變化使得空氣密度改變引起的，溫度越高空氣密度越小，導致空載力矩減小，這與公式(1)描述相符.現以壁面溫度420 K工況為例，分析該工況下液力減速器內流場仿真結果，如圖5所示。由流體域壓力云圖及速度矢量圖分布可以看出：由于進出口均與大氣相通，故腔內最高壓力值略高于大氣壓，其高壓值分布在葉輪葉片根部壓力面?zhèn)龋椅挥诟恐行膮^(qū)域；而氣體速度矢量最高值高達459.9 m/s，屬于超音速流動，這與動輪高速旋轉及空氣工質屬性密切相關.

2.2制動工況

2.2.1不考慮溫度影響

在制動工況，液力減速器為部分充液狀態(tài)，工作腔內含有油、空氣兩種介質，腔內流動屬于兩相流動.油為計算域內的主相，空氣為次相，其流場流動更為復雜.鑒于液力減速器本身結構及工作特性所形成的復雜流場，在湍流模型中選取剪切應力傳輸模型(SST模型).暫不考慮溫度對制動力矩的影響.

制動工況邊界條件設置：出口和入口均在殼體上，定輪上的排氣孔與大氣相通.以動輪轉速為1 500 r/min為例，設定入口以壓力為0.15 MPa的100%油液輸入，且壓力值恒定不變，通過調節(jié)出口壓力來確定工作腔內充液率，從而控制液力減速器制動力矩.表2和圖6為對應不同出口壓力工況下的計算結果.由此可見，在動輪轉速一定的條件下，出口平均充液率隨著出口壓力增加而增加，同時制動力矩隨著充液率的增加而增加，流體流速亦隨著出口壓力增加而增大，即其他條件不變的情況下，液力減速器制動力矩由出口壓力所決定，出口壓力增大，引起充液率增加，同時腔內流速亦增大，最終導致制動力矩增大.

表2　制動工況出口壓力控制計算結果

圖6　制動力矩、最高流速、出口充液率與出口壓力的變化曲線

圖7、圖8為液力減速器出口壓力為2 MPa、4 MPa兩個工況點的內流場分布情況.由動輪、定輪交界面上空氣體積分數分布可以看出:高壓工況點較低壓工況點空氣體積分數明顯減少，同時從速度分布云圖來看，出口壓力2 MPa條件下，流速最大值為205.2 m/s；4 MPa條件下，流速最大值為210.9 m/s，可見流體流速隨著出口壓力增大也有所增加，這與表2分析結果是一致的.

圖7　出口壓力為2 MPa條件下空氣相體積分數與速度分布云圖

圖8　出口壓力為4 MPa條件下空氣相體積分數與速度分布云圖

2.2.2考慮溫度影響

在現有不考慮溫度的制動工況基礎上，添加溫度條件，分析溫度因素對制動力矩的影響程度，同時更加真實地模擬實際工況.考慮溫度的制動工況邊界條件設置與不考慮溫度的邊界設置一致，在考慮傳熱時，由于涉及到旋轉動能與熱能的轉換，必須使用總能方式的傳熱模型，考慮溫度傳遞及黏性加熱影響.

計算結果見表3.通過對比出口壓力2 MPa條件下壁面溫度分別為350 K、420 K的計算結果,并與不考慮溫度工況比較可知，壁面溫度對制動力矩影響甚微，壁面溫度從350 K上升到420 K后，制動力矩變化了1.4%.通過對比5 MPa壓力下考慮溫度與不考慮溫度的動輪力矩、出口充液率，得出考慮溫度影響的動輪力矩與不考慮溫度的動輪力矩基本一致.這是由于在部分充液狀態(tài)下，空氣的質量分數非常低(并非體積分數)，動輪產生的力矩大部分來源于油，由于油的密度隨溫度變化不明顯，一般可忽略不計，所以對于部分充液狀態(tài)下，考慮溫度與不考慮溫度得到的動輪力矩基本相同.

表3　考慮溫度影響的計算結果

3　結　論

以某型液力減速器為研究對象，首先分析了空載工況液力減速器空載力矩隨壁面溫度變化規(guī)律，其次模擬了通過控制入口、出口壓力來實現對充液率及制動力矩的控制.結果表明，邊界溫度變化對空載力矩影響較大，而對制動力矩影響甚微；而出口壓力的變化是引起制動力矩變化的主要因素，通過該方法可有效地獲取制動力矩控制曲線.該方法可有效地指導液力減速器設計及力矩控制研究.

[1]過學迅，時軍．車輛液力減速制動器設計和試驗研究[J] ．汽車工程，2003，25(3)：239-242.

[2]丁源，吳繼華.ANSYS CFX 14.0從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2013:126.

Study of influence Mechanism of Temperature and OutletPressure on Braking Torque of Hydraulic Retarder

LI Hui-yuan,WANG Yun-hu,SONG Zhen-chuan,XU Ming

(China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072,China)

The paper adopts ANSYS CFX flow field simulation analysis software to analyze the effect of temperature boundary condition on empty load torque and breaking torque of hydraulic retarder, and simulates the control to work cavity volume of fraction and braking torque by modulating inlet and outlet pressure condition. Results show that temperature condition works greatly on empty load torque, but small on braking torque; the outlet pressure is the principal factor affecting braking torque, and the control curve of the braking torque has been obtained by this means.

hydraulic retarder; outlet pressure; braking torque

1009-4687(2016)01-0024-05

2015-12-01.

李慧淵(1981-)，女，工程師，研究方向為液力傳動技術.

U463.53+3

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