液力緩速器制動力矩的仿真計算與實證研究＊

黃俊剛孫偉張勝賓

（1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)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(shù)學(xué)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(xiàn)有液力緩速器制動力矩仿真計算方案流場結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)速條件下的制動力矩計算。采用扣除機(jī)械摩擦阻力矩的臺架試驗方法實測了VR120不同轉(zhuǎn)速條件下的制動力矩并與全流道式仿真計算結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明，相對誤差在9.7%以內(nèi)，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(yīng)將車輛的動能轉(zhuǎn)化為工作介質(zhì)的熱能，從而使汽車制動減速，制動力矩是其核心技術(shù)指標(biāo)。目前已有大量文獻(xiàn)運用仿真計算方法對該制動力矩進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[1]～文獻(xiàn)[3]對液力緩速器開展了內(nèi)流場仿真計算，計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合度較高；文獻(xiàn)[4]～文獻(xiàn)[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(xiàn)[8]～文獻(xiàn)[16]使用仿真計算方法對液力緩速器開展結(jié)構(gòu)參數(shù)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(guān)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(jìn)展，然而，由于存在流場結(jié)構(gòu)過度簡化的問題，制動力矩仿真計算結(jié)果與試驗結(jié)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(zhuǎn)速條件下的制動力矩計算結(jié)果，利用扣除機(jī)械摩擦阻力矩的臺架試驗方法對VR120進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)速條件下制動力矩的實測，并將試驗結(jié)果與計算結(jié)果進(jìn)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(jié)構(gòu)如圖1所示。在制動工況下，轉(zhuǎn)輪13在中心軸14的帶動下高速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)用戶給出緩速制動指令后，控制閥組3將氣源管道1內(nèi)的壓縮空氣充入儲油箱上部，工作油液6在壓縮空氣的驅(qū)動下沿殼體進(jìn)油槽7（a）與定輪進(jìn)油槽10（a）進(jìn)入定輪10與轉(zhuǎn)輪13對置構(gòu)成的工作腔。在高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)輪13帶動下，工作油液在工作腔內(nèi)做渦流損耗運動，在轉(zhuǎn)輪13上體現(xiàn)為反向的制動力矩，進(jìn)而對車輛產(chǎn)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(jīng)定輪出油槽10（b）與殼體出油槽7（b）進(jìn)入翅片式換熱器油道8（a）進(jìn)行冷卻壓降，冷卻壓降后的工作油液則循環(huán)進(jìn)入定、轉(zhuǎn)輪工作腔，直至緩速制動指令解除。在液力緩速器的流場數(shù)值計算過程中，翅片式換熱器油道的壓降作用將影響到內(nèi)流場出口壓力邊界條件的設(shè)置，進(jìn)而影響到計算結(jié)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?cè)肟?、總出口為抽取源進(jìn)行流道抽取，得到全流道模型如圖2a所示，由定輪子流域、轉(zhuǎn)輪子流域、翅片式換熱器油道子流域組成。油液在定、轉(zhuǎn)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(chǎn)生壓降。為在流道模型上將控制方程離散，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)格生成的質(zhì)量對于計算的精度、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[17～18]?？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，如圖2b所示。網(wǎng)格畸變度均小于0.80，網(wǎng)格質(zhì)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(zhuǎn)輪帶動下做渦流損耗運動，加上工作腔內(nèi)部的葉片繞流的影響，構(gòu)成了復(fù)雜的不可壓縮黏性三維湍流流動而產(chǎn)生制動力矩。因此，適用于產(chǎn)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(zhì)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(biāo)分量；μ為流體的粘性系數(shù)；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(zhǔn)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(jié)為對此方程的研究。由于其形式復(fù)雜，實際上只有極少量情況可以求出精確解，故產(chǎn)生了利用該控制方程進(jìn)行數(shù)值求解的方法[19～20]。

2.3 邊界條件的設(shè)定

為充分驗證全流道仿真計算的可靠性，在全工況范圍內(nèi)均布設(shè)定了16種轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)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(jié)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(fù)雜網(wǎng)格給出的計算結(jié)果更為準(zhǔn)確[21～23]，考慮到液力緩速器定、轉(zhuǎn)輪之間全流道式網(wǎng)格的計算量大且復(fù)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(zhuǎn)速工況下的流場進(jìn)行迭代求解，并分別對殘差與制動扭矩值進(jìn)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(shè)定

使用Function Calculator-Torque數(shù)據(jù)后處理功能，得到如表2所示的結(jié)果。

表2 VR120液力緩速器內(nèi)流場仿真計算結(jié)果

3 制動力矩的臺架測試

3.1 試驗準(zhǔn)備

圖4所示為制動力矩的測試臺架，其組件參數(shù)見表3，試驗樣機(jī)為福伊特VR120液力緩速器，流場結(jié)構(gòu)參數(shù)與前述仿真計算模型相同。

表3 測試臺架參數(shù)

3.2 試驗方案

采用傳遞法進(jìn)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(jī)制動力矩；Tmf為臺架測試系統(tǒng)機(jī)械摩擦阻力矩。

根據(jù)式（2）與前述液力緩速器制動力矩的產(chǎn)生原理，設(shè)計了扣除機(jī)械摩擦阻力矩的臺架測試方案。試驗樣機(jī)裝于試驗臺架進(jìn)行空載測試，所得測試結(jié)果為系統(tǒng)機(jī)械摩擦阻力矩，然后對樣機(jī)進(jìn)行加載制動測試，所測結(jié)果為系統(tǒng)總阻力矩。系統(tǒng)總阻力矩與系統(tǒng)機(jī)械摩擦阻力矩的差值即為樣機(jī)制動力矩試驗值。

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

3.3 測試結(jié)果與誤差分析

按照上述預(yù)定試驗方案，每個轉(zhuǎn)速工況取5次測試的平均值，根據(jù)式（2）得到樣機(jī)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(jié)果與仿真相對誤差如表4所示。由表4可知，在設(shè)定的16個轉(zhuǎn)速點上，制動力矩仿真計算結(jié)果相對誤差不超過9.7%，制動力矩仿真計算結(jié)果與臺架測試結(jié)果隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢一致。

表4 臺架測試結(jié)果與仿真相對誤差

誤差分析：

a.測量設(shè)備產(chǎn)生的誤差。試驗中使用的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器是直接進(jìn)行參數(shù)采集的儀器，無論測量精度多高，終究會有誤差產(chǎn)生。

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

4 結(jié)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(zhuǎn)速條件下的制動力矩計算結(jié)果并利用臺架試驗進(jìn)行了驗證，結(jié)果表明，全流道式仿真計算結(jié)果與試驗值隨轉(zhuǎn)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(jìn)一步開展液力緩速器制動性能優(yōu)化設(shè)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(zhuǎn)子工作腔流場數(shù)值模擬.機(jī)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(xué)位論文].長春：吉林大學(xué)，2006.

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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(xué)位論文].長春：吉林大學(xué)，2006.

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8 李濤.車用電控液力緩速器現(xiàn)代設(shè)計方法研究：[學(xué)位論文].長春：吉林大學(xué)，2007.

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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(shù)優(yōu)化方法研究：[學(xué)位論文].長春：吉林大學(xué)，2010.

11 蓋洪超.液力緩速器參數(shù)設(shè)計及整車緩速制動性能仿真研究：[學(xué)位論文].長春：吉林大學(xué)，2011.

12 尹利云.基于內(nèi)流場仿真計算的液力緩速器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究：[學(xué)位論文].長春：吉林大學(xué)，2012.

13 嚴(yán)軍，何仁.液力緩速器變角度的緩速性能分析.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2009，40（4）：206～210.

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16 嚴(yán)軍.車用液力緩速器設(shè)計理論和控制方法研究：[學(xué)位論文].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2009.

17 王瑞金，張凱，王剛.FLUENT技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實例.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

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（責(zé)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(guān)鍵技術(shù)難題研究橫向科技項目（KYH18101）。