黃俊剛孫偉張勝賓

（1.廣東交通職業(yè)技術學院，廣州 510650；2.深圳市特爾佳科技股份有限公司，深圳 518110）

液力緩速器制動力矩的仿真計算與實證研究＊

黃俊剛1孫偉2張勝賓1

（1.廣東交通職業(yè)技術學院，廣州 510650；2.深圳市特爾佳科技股份有限公司，深圳 518110）

為解決現有液力緩速器制動力矩仿真計算方案流場結構過度簡化的問題，以VR120液力緩速器為研究對象，采用全流道計算方法開展了不同轉速條件下的制動力矩計算。采用扣除機械摩擦阻力矩的臺架試驗方法實測了VR120不同轉速條件下的制動力矩并與全流道式仿真計算結果進行對比，結果表明，相對誤差在9.7%以內，證明了全流道制動力矩仿真計算方法的可靠性。

1 前言

液力緩速器利用葉輪渦流損耗效應將車輛的動能轉化為工作介質的熱能，從而使汽車制動減速，制動力矩是其核心技術指標。目前已有大量文獻運用仿真計算方法對該制動力矩進行研究。文獻[1]～文獻[3]對液力緩速器開展了內流場仿真計算，計算結果與試驗結果吻合度較高；文獻[4]～文獻[7]對液力緩速器開展瞬態(tài)仿真研究，得到液力緩速器制動過程中制動力矩變化曲線及瞬時流態(tài)特性；文獻[8]～文獻[16]使用仿真計算方法對液力緩速器開展結構參數優(yōu)化分析，給出了葉片傾角、循環(huán)圓形狀及尺寸與制動力矩之間的關系。研究人員利用仿真計算方法對液力緩速器制動力矩的仿真計算開展了有益的探索，取得了一定的進展，然而，由于存在流場結構過度簡化的問題，制動力矩仿真計算結果與試驗結果偏差較大。

為此，本文以VR120液力緩速器為研究對象，采用全流道計算方法給出了16種轉速條件下的制動力矩計算結果，利用扣除機械摩擦阻力矩的臺架試驗方法對VR120進行相應轉速條件下制動力矩的實測，并將試驗結果與計算結果進行對比分析，形成一套液力緩速器制動力矩仿真計算與驗證方法。

2 制動力矩的全流道式仿真計算

2.1 前處理

液力緩速器制動過程的流場結構如圖1所示。在制動工況下，轉輪13在中心軸14的帶動下高速旋轉，當用戶給出緩速制動指令后，控制閥組3將氣源管道1內的壓縮空氣充入儲油箱上部，工作油液6在壓縮空氣的驅動下沿殼體進油槽7（a）與定輪進油槽10（a）進入定輪10與轉輪13對置構成的工作腔。在高速旋轉的轉輪13帶動下，工作油液在工作腔內做渦流損耗運動，在轉輪13上體現為反向的制動力矩，進而對車輛產生減速作用。液力緩速器是一種泵類裝置，渦流損耗運動后的高壓高溫油液經定輪出油槽10（b）與殼體出油槽7（b）進入翅片式換熱器油道8（a）進行冷卻壓降，冷卻壓降后的工作油液則循環(huán)進入定、轉輪工作腔，直至緩速制動指令解除。在液力緩速器的流場數值計算過程中，翅片式換熱器油道的壓降作用將影響到內流場出口壓力邊界條件的設置，進而影響到計算結果的可靠性，因此，翅片式換熱器油道的壓降作用不容忽視。

以液力緩速器流場總入口、總出口為抽取源進行流道抽取，得到全流道模型如圖2a所示，由定輪子流域、轉輪子流域、翅片式換熱器油道子流域組成。油液在定、轉輪子流域中做渦流損耗增壓運動，溫度升高；油液在翅片式換熱器油道子流域中得到冷卻，同時產生壓降。為在流道模型上將控制方程離散，必須對流道進行網格劃分。網格的劃分是指在適應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。網格生成的質量對于計算的精度、時間、收斂性都有極為密切的關系，因此，網格技術在整個仿真計算過程中起關鍵作用[17～18]?？紤]到液力緩速器空轉流道結構的復雜性，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格技術對流道模型進行網格劃分，如圖2b所示。網格畸變度均小于0.80，網格質量的級別為好，滿足仿真計算要求。

2.2 制動力矩仿真計算的控制方程

油液在轉輪帶動下做渦流損耗運動，加上工作腔內部的葉片繞流的影響，構成了復雜的不可壓縮黏性三維湍流流動而產生制動力矩。因此，適用于產生該制動力矩的流場區(qū)域控制方程為Navier-Stokes方程。

Navier-Stokes方程基于流體質量守恒方程提出，描述了黏性流體的動量守恒：

式中，Δ為拉普拉斯算子；ρ為流體密度；P為壓力；u、v、w分別為流體在t時刻，在點（x,y,z）處的速度分量；X、Y、Z分別為外力在流體微元上的直角坐標分量；μ為流體的粘性系數；θ為流體的速度散度，對于不可壓縮流體，θ=0。

Navier-Stokes方程比較準確地描述了實際流動，可壓縮黏性流體的流動分析均可歸結為對此方程的研究。由于其形式復雜，實際上只有極少量情況可以求出精確解，故產生了利用該控制方程進行數值求解的方法[19～20]。

2.3 邊界條件的設定

為充分驗證全流道仿真計算的可靠性，在全工況范圍內均布設定了16種轉輪轉速邊界條件，其余邊界條件均為單值定量，如表1所示。

2.4 制動力矩的仿真計算與后處理結果

適用于不可壓縮流體的求解算法有SIMPLE、SIMPLEC、PISO 3種，相對于SIMPLE、SIMPLEC算法，PISO對于復雜網格給出的計算結果更為準確[21～23]，考慮到液力緩速器定、轉輪之間全流道式網格的計算量大且復雜，在仿真計算過程中采用PISO算法。運行計算程序，分別對VR120在不同轉速工況下的流場進行迭代求解，并分別對殘差與制動扭矩值進行收斂監(jiān)控，900 r/min典型工況下的計算收斂監(jiān)控如圖3所示。

表1 邊界條件的設定

使用Function Calculator-Torque數據后處理功能，得到如表2所示的結果。

表2 VR120液力緩速器內流場仿真計算結果

3 制動力矩的臺架測試

3.1 試驗準備

圖4所示為制動力矩的測試臺架，其組件參數見表3，試驗樣機為福伊特VR120液力緩速器，流場結構參數與前述仿真計算模型相同。

表3 測試臺架參數

3.2 試驗方案

采用傳遞法進行制動力矩的測量，傳遞方程為：

式中，Tt為臺架測試系統(tǒng)總阻力矩；Tp為樣機制動力矩；Tmf為臺架測試系統(tǒng)機械摩擦阻力矩。

根據式（2）與前述液力緩速器制動力矩的產生原理，設計了扣除機械摩擦阻力矩的臺架測試方案。試驗樣機裝于試驗臺架進行空載測試，所得測試結果為系統(tǒng)機械摩擦阻力矩，然后對樣機進行加載制動測試，所測結果為系統(tǒng)總阻力矩。系統(tǒng)總阻力矩與系統(tǒng)機械摩擦阻力矩的差值即為樣機制動力矩試驗值。

在測試中，樣機氣壓加載值為0.5 MPa，扭矩傳感器每隔0.5 s采集一次數據，持續(xù)制動30 s后，制動卸載，每個轉速工況下重復測試5次。

3.3 測試結果與誤差分析

按照上述預定試驗方案，每個轉速工況取5次測試的平均值，根據式（2）得到樣機制動力矩試驗值。將制動力矩試驗值與仿真計算值的差值與試驗值的比值定義為相對誤差，臺架試驗測試結果與仿真相對誤差如表4所示。由表4可知，在設定的16個轉速點上，制動力矩仿真計算結果相對誤差不超過9.7%，制動力矩仿真計算結果與臺架測試結果隨轉速的變化趨勢一致。

表4 臺架測試結果與仿真相對誤差

誤差分析：

a.測量設備產生的誤差。試驗中使用的轉速轉矩傳感器是直接進行參數采集的儀器，無論測量精度多高，終究會有誤差產生。

b.仿真計算條件設定誤差。在實際工況條件下，工作油液的溫度是變化的，進而引起黏度改變，最終造成仿真計算結果與臺架測試結果存在一定偏差。

4 結束語

本文以VR120液力緩速器為研究對象，采用全流道仿真計算方法給出了不同轉速條件下的制動力矩計算結果并利用臺架試驗進行了驗證，結果表明，全流道式仿真計算結果與試驗值隨轉速變化趨勢一致，吻合度較高，證明了全流道制動力矩仿真計算方法的可靠性，為進一步開展液力緩速器制動性能優(yōu)化設計提供了仿真計算與驗證方法。

1 黃俊剛，李長友，沈文浩，等.液力緩速器定轉子工作腔流場數值模擬.機床與液壓，2010，38（3）：110～112.

2 王鐵.車用電控液力緩速器三維流場分析的仿真方法研究：[學位論文].長春：吉林大學，2006.

3 沈文浩.液力緩速器制動過程的理論與實驗研究：[學位論文].廣州：華南農業(yè)大學，2009.

4 陸中華.重型汽車電控液力緩速器整車制動性能仿真與分析：[學位論文].長春：吉林大學，2006.

5 李雪松，程秀生，苗麗穎，等.液力緩速器內流場三維瞬態(tài)數值模擬及特性預測.汽車技術，2009（10）：34～39.

6 陸中華，程秀生.重型車液力緩速器制動性能仿真研究.汽車技術，2009（3）：22～24.

7 武福，楊喜娟，裴明高，等.基于神經網絡的車輛液力緩速器制動力矩特性研究.汽車技術，2015（10）：32～34.

8 李濤.車用電控液力緩速器現代設計方法研究：[學位論文].長春：吉林大學，2007.

9 黃俊剛，李長友，沈文浩.液力緩速器制動扭矩的關鍵影響因素分析.機床與液壓，2010，38（15）：77～80.

10 李雪松.基于非穩(wěn)態(tài)流場分析的車用液力緩速器參數優(yōu)化方法研究：[學位論文].長春：吉林大學，2010.

11 蓋洪超.液力緩速器參數設計及整車緩速制動性能仿真研究：[學位論文].長春：吉林大學，2011.

12 尹利云.基于內流場仿真計算的液力緩速器結構參數優(yōu)化研究：[學位論文].長春：吉林大學，2012.

13 嚴軍，何仁.液力緩速器變角度的緩速性能分析.農業(yè)機械學報，2009，40（4）：206～210.

14 何仁，嚴軍，魯明.葉片不同傾斜方式對液力緩速器緩速性能的影響分析.機械科學與技術，2009，28（8）：1056～1059.

15 嚴軍，何仁，魯明.液力緩速器變葉片數的三維仿真計算.江蘇大學學報（自然科學版），2009，30（1）：27～31.

16 嚴軍.車用液力緩速器設計理論和控制方法研究：[學位論文].鎮(zhèn)江：江蘇大學，2009.

17 王瑞金，張凱，王剛.FLUENT技術基礎與應用實例.北京：清華大學出版社，2007.

18 Fluent Inc.FLUENT User’s Guide.USA：Fluent Inc，2003.

19 王福軍.計算流體動力學分析.北京：清華大學出版社，2004.

20 李鵬飛.精通CFD工程仿真與案例實戰(zhàn).北京：人民郵電出版社，2011.

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22 黃俊剛，李長友.液力緩速器空轉損耗的全流道仿真計算與試驗.農業(yè)工程學報，2013，29（24）：56～62.

23 馬淼，李春光，景何仿.確定SIMPLE算法中壓力松弛因子的自適應方法.甘肅科學學報，2011，23（4）：102～105.

（責任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2017年1月6日。

Simulation and Experimental Validation of Braking Torque of Hydrodynamic Retarder

Huang Jungang1,Sun Wei2,Zhang Shengbin1
（1.Guangdong Communication Polytechnic,Guangzhou 510650;2.Shenzhen Terca Technology Co.,Ltd.,Shenzhen 518110）

In the braking torque calculation of existing hydraulic retarder,the flow field structure is excessively simplified.To solve this problem,VR120 hydraulic retarder was taken as the research object,braking torque was calculated under different rotational speeds with the whole-flow-passage calculation method.Test of braking torque under different rotational speeds were conducted with the combined bench test method which can deduct mechanical friction resistance moment in working condition for VR120.Through comparative analysis of test results with whole-flow-passage simulated ones,the relative error rate is within 9.7%,verifying the reliability of the whole-flow-passage simulation method.

Hydrodynamic retarder,Braking torque,Simulation,Bench test

液力緩速器 制動力矩 仿真計算 臺架試驗

U463.53

A

1000-3703（2017）07-0033-04

廣東省優(yōu)秀青年教師培養(yǎng)基金項目（YQ2013197）；深圳市特爾佳科技股份有限公司液力緩速器關鍵技術難題研究橫向科技項目（KYH18101）。