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(zhǎng)友 楊素平 曹玉華

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)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(zhǎng)友 楊素平 曹玉華

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)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(duì)象，利用有限元技術(shù)對(duì)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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該根據(jù)溫度云圖來分布加入并根據(jù)其散熱規(guī)律對(duì)其結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提出了設(shè)計(jì)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(dòng)力矩波動(dòng)，是國(guó)產(chǎn)農(nóng)用車輛液力緩速器不能產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)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(fù)雜，工作過程中不僅存在工作介質(zhì)外露，同時(shí)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(yán)重?fù)p耗，污染機(jī)器和環(huán)境，同時(shí)顯著影響其制動(dòng)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(yán)重時(shí)會(huì)造成緩速器工作失效。制動(dòng)力矩波動(dòng)則會(huì)導(dǎo)致在車輛剎車時(shí)制動(dòng)產(chǎn)生頓挫感，不平穩(wěn)的制動(dòng)對(duì)車輛的行駛安全有著極大的威脅。而影響泄漏及制動(dòng)力矩波動(dòng)的關(guān)鍵因素之一是緩速器整機(jī)工作溫度的穩(wěn)定性。因此，弄清液力緩速器內(nèi)流場(chǎng)熱力分布及殼體散熱的規(guī)律、說明功熱轉(zhuǎn)換傳遞機(jī)理，能為有效的改進(jìn)整機(jī)的設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)的依據(jù)是開發(fā)國(guó)產(chǎn)液力緩速器的當(dāng)務(wù)之急。

本文闡述了利用有限元分析技術(shù)，對(duì)一款試驗(yàn)樣機(jī)的外殼進(jìn)行了數(shù)值模擬，掌握了該款樣機(jī)外殼散熱的基本性能，并模擬其散熱時(shí)溫度場(chǎng)分布的基本規(guī)律，從而對(duì)樣機(jī)的殼體散熱性能進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)提出設(shè)計(jì)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(dòng)時(shí)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(jié)構(gòu)的殼體能夠使到整機(jī)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(shí)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(shí)間間隔頻率按平均八分鐘來計(jì)算，那么也就是說在這段時(shí)間內(nèi)溫度必須降到正常值，在制動(dòng)的時(shí)候溫度迅速升高，必須在這個(gè)時(shí)候把熱量迅速帶走才能保證良好的輔助的制動(dòng)性能。

緩速器在制動(dòng)的時(shí)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(dòng)時(shí)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(xué)第一定律，即能量守恒定律，對(duì)于一個(gè)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(dòng)能；?PE— 系統(tǒng)勢(shì)能。

對(duì)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(duì)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(duì)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(diǎn)的溫度不隨時(shí)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(dǎo)矩陣，包含熱系數(shù)、對(duì)流系數(shù)及輻射和形狀系數(shù)；

{T}—節(jié)點(diǎn)溫度向量；

{Q}—節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包括熱生成。瞬態(tài)傳熱過程是指一個(gè)系統(tǒng)的加熱或冷卻過程，在這個(gè)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(shí)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(dá)為（以矩陣形式表示）：

式中：[K] — 傳導(dǎo)矩陣，包含熱系數(shù)、對(duì)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(diǎn)溫度向量；

{T’}—溫度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)；

{Q}—節(jié)點(diǎn)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(xiàng)目在深圳公交車上的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，在市區(qū)行走的時(shí)候，平均每天制動(dòng)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(dòng)的頻率基本跟這個(gè)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(shí)溫度與環(huán)境溫度相同，制動(dòng)時(shí)，殼體溫度會(huì)因?yàn)槭艿街苿?dòng)時(shí)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(dòng)解除后，殼體溫度在理論狀態(tài)下應(yīng)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(dòng)的時(shí)候，所減少的動(dòng)能，除了磨擦損失和沖擊損失之外，大部分的能量會(huì)轉(zhuǎn)化成熱能，為了研究方便，假設(shè)所減少的動(dòng)能完全轉(zhuǎn)化為熱能，假設(shè)殼體初始溫度為250°C，殼體材料為45號(hào)鋼。

分析的時(shí)候?yàn)榱朔治龅姆奖?，去掉?duì)分析結(jié)果影響不大的一些結(jié)構(gòu)，例如殼體的圓角，孔和螺紋部分，以保證分析的時(shí)候網(wǎng)格畫分的準(zhǔn)確性和分析結(jié)果的順利收斂。

本殼體采用的單元體是Thermal mass Solid87。劃分結(jié)構(gòu)如圖 1。劃分后單元體的總數(shù)目是 29675，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)共55247.無散熱筋結(jié)構(gòu)的殼體劃分后單元體的總數(shù)目是24375，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)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(duì)殼體進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，從溫度場(chǎng)分布圖當(dāng)中可以看出，當(dāng)殼體處于穩(wěn)態(tài)的時(shí)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(dòng)的時(shí)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(bǔ)充。軸心位置溫度為最高的溫度。

從殼體外表面溫度場(chǎng)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(diǎn)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(dòng)的時(shí)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(duì)流方式，在一定的行駛速度下，空氣對(duì)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(chǎng)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(shí)際情況相吻合，因此應(yīng)該在不影響性能的前提下加入筋板結(jié)構(gòu)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(diǎn)，徑向方向從中點(diǎn)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(chǎng)以此遞減。

圖3 T=25秒時(shí)溫度場(chǎng)

選取殼體溫度最低點(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(diǎn)散熱曲線圖

3 結(jié) 論

液力緩速器制動(dòng)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(dòng)性能的綜合參數(shù)。利用計(jì)算機(jī)有限元分析法，對(duì)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(jié)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(jié)構(gòu)中的筋板分布應(yīng)該為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該在高溫區(qū)域添加，其筋板結(jié)構(gòu)分布規(guī)律應(yīng)該與溫度云圖相對(duì)應(yīng)。

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

圖4 T=171秒時(shí)溫度場(chǎng)

選取殼體溫度最高點(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(diǎn)散熱曲線圖

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（責(zé)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(xué)合作的橫向項(xiàng)目。

何劍飛，男，湖南桃江市人，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：機(jī)械CAD/CAM/CAE技術(shù)的應(yīng)用研究和計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)的研究。李長(zhǎng)友，男，山西人，教授，科研副院長(zhǎng)，博士生導(dǎo)師。