重型車輛液力緩速器空損試驗研究

吳 超，徐 鳴，李慧淵，郭劉洋

(中國北方車輛研究所車輛傳動重點實驗室，北京100072)

液力緩速器在制動工況時的工作介質為油液，工作時，由控制系統(tǒng)控制充油機構向工作腔中充油，油液在動輪的帶動下在工作腔中循環(huán)沖擊定輪葉片，油液的溫度迅速升高，此時油液的動能轉化為熱能，由油液帶走，并通過散熱器降低油液的溫度.在動輪與油液的相互作用中，油液施加反作用力于動輪，產生制動力矩.而當液力緩速器在非制動工況即空轉時，由于液力緩速器循環(huán)圓內存有空氣，同樣會像腔室內有油液一樣，產生制動力矩，即產生了空轉功率損失(簡稱空損)，這種制動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力矩與其轉速的平方成正比，即動輪轉速越高，其產生的制動力矩也就越大，使車輛在正常行駛時，提速較為困難.

本文對重型車輛用液力緩速器的空損進行了CFD仿真和試驗研究，并通過設計一種擋片機構，在不影響液力緩速器制動性能的前提下，盡量降低其空損.試驗結果表明，擋片機構行之有效，能夠將液力緩速器的功率損失控制在一定范圍內，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的制動功率的計算方法同樣適于計算空損.當液力緩速器不充油液時，實際的工作介質為空氣，其密度不隨溫度變化，為1.225 kg/m3.設定邊界條件:定輪進口壓力為1個大氣壓，定輪、動輪出口壓力為1個大氣壓.將液力緩速器動輪設置為繞z軸正向旋轉的區(qū)域，其旋轉速度分別設置為 500、800、1 000、1 200、1 500、1 800、2 000、2 500 r/min，其余的設置為靜止區(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，動量方程等選擇1階迎風的計算格式.

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

表1 液力緩速器CFD分析計算結果

根據(jù)功率與扭矩的關系式P=Mn/9549，計算并做出功率隨轉速的變化曲線，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研究

2.1 試驗臺的布置

液力緩速器的空損試驗臺架布置見圖2.由于試驗臺電機轉速達不到3 600 r/min，只能做到其允許的最高轉速，但可以對試驗結果進行當量計算，得到3 600 r/min時的空損功率.

圖2 液力緩速器臺架試驗傳動平面布置圖

試驗中需記錄的數(shù)據(jù)及其符號說明見表2.

表2 試驗中采集的信號及其符號

2.2 空損試驗

啟動試驗臺架液壓系統(tǒng)，使系統(tǒng)潤滑油壓達到0.2～0.3 MPa，啟動試驗臺架電機，在每個轉速點穩(wěn)定0.5～1.0 min后采集各轉速點的試驗數(shù)據(jù)，采集的試驗數(shù)據(jù)包括n、M、p.液力緩速器的空損功率試驗結果如圖3所示，將試驗與仿真結果進行對比，可見二者變化趨勢基本一致.

圖3 液力緩速器空損功率曲線

液力緩速器的制動功率P與其主軸轉速n的三次方和其工作腔有效直徑 D的五次方成正比[1]，關系式為

當液力緩速器空轉時，ρ為空氣的密度，λ為空氣損失功率系數(shù).

為了得到最高轉速時的空損功率，根據(jù)式(1)可知，對于同一個液力緩速器在同一種介質的條件下，不同轉速下功率的關系為:P1/P2=(n1/n2)3.據(jù)此，可由轉速為2 520 r/min時的功率16.7 kW當量得出液力緩速器動輪轉速在3 600 r/min時的空損功率為48.71 kW.可見，最高轉速時，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，設計了降低空損的擋片機構.

2.3 擋片機構的設計

從關系式(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計了一種擋片機構，來減小液力緩速器的有效直徑，其原理圖如圖4所示.

圖4 擋片機構原理示意圖

當車輛處于正常行駛的非制動工況時，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，相當于循環(huán)圓直徑變小，起到改變空氣環(huán)流的作用.而當車輛處于制動工況時，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，油液進入定輪流道循環(huán)，循環(huán)圓直徑與未裝擋片時相同，制動力矩不受影響.當制動完成后，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，經過計算，最終所設計的擋片如圖5所示.

圖5 定輪上的擋片機構

2.4 安裝擋片機構后的空損試驗

在定輪上裝上擋片機構以后，對液力緩速器再次進行空損試驗.試驗采集的數(shù)據(jù)同上.試驗后，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中動輪轉速在3 000 r/min時的空損功率6.77 kW，可當量計算出裝上擋片機構后，液力緩速器在最高轉速3 600 r/min時的空損功率為11.7 kW.

3 結論

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，已經滿足了車輛的使用要求，在最高轉速3 600 r/min時，其空損功率減小的絕對值為37.01 kW，相對幅度為75.98%.同時，試驗也驗證了擋片機構對于降低空損是行之有效的，它能夠將液力緩速器的功率損失控制在一定范圍內，滿足了重型車輛正常行駛時的功率需求.

[1] 朱經昌，魏宸官，鄭慕僑.車輛液力傳動[M].北京:國防工業(yè)出版社，1982.