液力緩速器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真實(shí)驗(yàn)分析

李 強(qiáng)，陶澤源，3，孫保群，燕 浩，張 羽

(1.合肥工業(yè)大學(xué)化工機(jī)械研究所，安徽合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué)汽車工程技術(shù)研究院，安徽合肥 230009；3.合肥國(guó)軒高科動(dòng)力能源有限公司產(chǎn)品工程院，安徽合肥 230000)

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，各行各業(yè)對(duì)物流的要求越來(lái)越高，貨物流通的快慢直接影響著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。目前我國(guó)貨物運(yùn)輸主要依靠重型商用車，并且對(duì)商用車行駛的高效和安全性提出越來(lái)越高的要求[1-3]。在這種趨勢(shì)下，重型商用公路汽車僅僅依靠傳統(tǒng)的機(jī)械摩擦很難滿足車輛在行駛過(guò)程中的制動(dòng)要求，尤其車輛在通過(guò)具有一定坡度和需要轉(zhuǎn)大彎的路段，傳統(tǒng)車輛必須依靠行車制動(dòng)保持一定的車速與車距[4]；僅僅依靠傳統(tǒng)的機(jī)械摩擦使車輛保持一定的速度，需要頻繁的使用制動(dòng)系統(tǒng)，業(yè)內(nèi)眾所周知，傳統(tǒng)的行車制動(dòng)系統(tǒng)都有生命周期，過(guò)于頻繁的使用，散熱時(shí)間短，制動(dòng)鼓和制動(dòng)蹄易發(fā)生熱衰退現(xiàn)象，致使制動(dòng)系統(tǒng)失效[5]，并且熱量聚集過(guò)多，極易引發(fā)燒車，從而發(fā)生重大交通事故。因此長(zhǎng)途運(yùn)輸車輛有必要增加輔助制動(dòng)系統(tǒng)[6]。

一般而言，輔助制動(dòng)系統(tǒng)有發(fā)動(dòng)機(jī)排氣制動(dòng)、電渦流緩速器、磁流變液緩速器和液力緩速器等[7]，相比較而言，液力緩速由于制動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊和使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[8-9]。通過(guò)使用輔助制動(dòng)系統(tǒng)，車輛在行駛過(guò)程中少用甚至不用傳統(tǒng)的行車制動(dòng)系統(tǒng)，減少制動(dòng)系統(tǒng)中制動(dòng)鼓和制動(dòng)蹄的磨損，提高行車制動(dòng)系統(tǒng)的使用壽命[10-11]。

國(guó)內(nèi)對(duì)于車輛液力緩速器的研究相較于國(guó)外晚，本世紀(jì)初才有液力緩速器相關(guān)的研究。2008年，深圳某公司研制出了第一臺(tái)液力緩速器[12]。雖有成果，但遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)需求。隨著液力緩速器國(guó)產(chǎn)化的需求愈高，我國(guó)在液力緩速器方面的研究也取得了很大的進(jìn)步。現(xiàn)有液力緩速器都是基于液力傳動(dòng)機(jī)械工作原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)葉片成型要求較高，生產(chǎn)成本大；通過(guò)前期大量研究，液力緩速器還可以基于流體輸送機(jī)械工作原理，提出一種新結(jié)構(gòu)液力緩速器，并對(duì)這種結(jié)構(gòu)的緩速器進(jìn)行了仿真分析和臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了此方案的可行性。通過(guò)分析新結(jié)構(gòu)緩速器轉(zhuǎn)子和定子采用不同葉型和不同的軸向徑向夾角對(duì)制動(dòng)力矩的影響，確定了此方案下的最優(yōu)設(shè)計(jì)。

1 新型液力緩速器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

液力緩速裝置屬于水力機(jī)械類。水力機(jī)械指以液體為工作介質(zhì)的流體機(jī)械。流體機(jī)械的工作過(guò)程，是將水能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換或不同能量的水之間能量傳遞的過(guò)程。水力機(jī)械包括液力傳動(dòng)機(jī)械和液力輸送機(jī)械。目前所有的液力緩速裝置都是基于液力傳動(dòng)機(jī)械中的液力耦合器的工作原理和基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是目前液力緩速裝置內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)零部件制造工藝的要求高，加工比較復(fù)雜，最終導(dǎo)致產(chǎn)品的生產(chǎn)成本高，影響產(chǎn)品的商業(yè)應(yīng)用。目前通過(guò)對(duì)液力輸送機(jī)械原理及工作特性的研究，得出通過(guò)改進(jìn)液力輸送機(jī)械產(chǎn)品也能滿足車輛對(duì)緩速制動(dòng)力矩的要求。目前市面上大量使用的液力輸送機(jī)械產(chǎn)品主要有離心泵、旋渦泵、軸流泵、自吸泵和磁力泵等。旋渦泵相對(duì)而言結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作效率低，比較符合液力緩速裝置的工作需求，初步確定以旋渦泵為基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合要求的液力緩速裝置。通過(guò)理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法說(shuō)明方案的可行性；并且通過(guò)對(duì)液力緩速器的研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的液力緩速器在緩速器不參與工作時(shí)，其轉(zhuǎn)子依然隨著車輛的傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)這樣的工作狀態(tài)功率消耗達(dá)3～5 kW[13-15]；這對(duì)車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性提出了挑戰(zhàn)。基于此，在原定緩速器的結(jié)構(gòu)上增加接合器，使車輛不需要緩速器工作時(shí)，斷開(kāi)車輛傳動(dòng)軸與緩速器傳動(dòng)軸之間的連接，降低緩速器在不參加工作時(shí)的能量消耗，新結(jié)構(gòu)緩速裝置如圖1所示。

圖1 新型液力緩速器裝配工程圖

通過(guò)現(xiàn)有公路運(yùn)輸車輛長(zhǎng)下坡時(shí)對(duì)輔助制動(dòng)力矩的需求以及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)輔助制動(dòng)系統(tǒng)的要求，理論計(jì)算確定了新型緩速制動(dòng)器對(duì)于不同目標(biāo)車輛緩速器的尺寸大小，這里僅討論要求最高的重型運(yùn)輸卡車，其他類型的車輛可以根據(jù)本研究的研究方法——相似理論計(jì)算方法，相似理論扭矩計(jì)算：

(1)

式中，λ—— 緩速器制動(dòng)力矩系數(shù)

nh—— 緩速器轉(zhuǎn)速

D—— 循環(huán)圓直徑[16]

對(duì)新型液力緩速裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)某叽绶趴s；通常情況下，為提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，所以我們的研究往往是基于企業(yè)的目標(biāo)車輛行駛狀態(tài)，對(duì)目標(biāo)車輛進(jìn)行受力分析得到目標(biāo)車輛所需要的緩速制動(dòng)力矩。對(duì)于目標(biāo)車輛的受力分析已有研究，這里不作贅述。根據(jù)目標(biāo)車輛設(shè)計(jì)液力緩速器轉(zhuǎn)子與定子循環(huán)圓尺寸規(guī)格時(shí)，通過(guò)一維束流設(shè)計(jì)理論進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算時(shí)一般只考慮緩速器在100%充液的情況，循環(huán)圓中的液流如圖2所示。

圖2 一維束流理論中循環(huán)圓液流示意圖

圖中液力緩速器循環(huán)圓的大徑為R，小徑為r，2個(gè)外切圓直徑為b1和b2，圓心位置如圖2所示的RR1和RR2，流道寬度為b1和b2。根據(jù)幾何約束和過(guò)流斷面流量相等的原則可以得出以下方程組。

(2)

再根據(jù)流動(dòng)能量平衡關(guān)系寫(xiě)出能頭表達(dá)式，可計(jì)算出軸面速度vm。

(3)

上式中ωR為轉(zhuǎn)子角速度，rad/s；ξmc為液力緩速器內(nèi)部工作液體摩擦損失系數(shù)，根據(jù)工作液體的性質(zhì)一般為普通管道摩擦阻力系數(shù)3.0～3.7倍之間，其值與雷諾數(shù)Re、管道的直徑d和管道粗糙度k有關(guān)；ξcj為沖擊損失系數(shù)，沖角為正時(shí)一般取1.2～1.6。

根據(jù)已求得的數(shù)值通過(guò)下列方程組可求得到液力緩速器制動(dòng)力矩T：

(4)

式中,F—— 過(guò)流斷面面積

ρ—— 工作流體密度

Q—— 循環(huán)流量

因沖擊損失系數(shù)和摩擦損失系數(shù)只是范圍數(shù)值，所以只能根據(jù)計(jì)算范圍初步確定循環(huán)圓的大小，初步確定新型液力緩速器尺寸如表1所示。

表1 液力緩速器結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 工作原理

新結(jié)構(gòu)液力緩速器基于目標(biāo)車輛對(duì)緩速制動(dòng)的需求正向設(shè)計(jì)一種新型液力緩速裝置。主要以流體輸送機(jī)械中的旋渦泵為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)添加定子葉片設(shè)計(jì)而成，主要包括輸入軸、轉(zhuǎn)子傳動(dòng)軸、接合器、轉(zhuǎn)子、定子、補(bǔ)液泵等部件組成，如圖1所示輸入軸與車輛變速器末端時(shí)連接固定在車輛變速器殼體上，當(dāng)不需要緩速器工作時(shí)接合器斷開(kāi)連接，需要緩速器工作時(shí)接合器連接輸入軸與緩速器轉(zhuǎn)子傳動(dòng)軸，使液力緩速器工作，同時(shí)轉(zhuǎn)子傳動(dòng)軸前端的補(bǔ)液泵使液體具有一定流動(dòng)方向與流動(dòng)速度，防止緩速器在工作的過(guò)程中出現(xiàn)液體回流，影響制動(dòng)效果；由于轉(zhuǎn)子帶動(dòng)液體高速流動(dòng)，在離心力的作用下流動(dòng)液體不斷沖擊定子葉片，每沖擊一次，液體的流動(dòng)速度和流動(dòng)方向都會(huì)發(fā)生一次突變，液體流出定子葉片流進(jìn)轉(zhuǎn)子葉片都會(huì)被加速一次，每次流速變化和流動(dòng)方向突變都會(huì)將轉(zhuǎn)子的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成液體的熱能和機(jī)械能，消耗轉(zhuǎn)子的機(jī)械能對(duì)車輛而言形成緩速制動(dòng)的效果，工作流體通過(guò)排液口聯(lián)通外置的散熱冷卻裝置流入冷卻箱，冷卻后的液體繼續(xù)參與緩速器的工作，液體在新型緩速器中流動(dòng)示意如圖3所示。

圖3 液體流動(dòng)示意圖

2 新型液力緩速器的建模與仿真分析

2.1 模型的建立與仿真參數(shù)的設(shè)定

模型的三維建模是用UG NX軟件，首先在UG NX軟件中建立轉(zhuǎn)子葉片、定子葉片、補(bǔ)液泵等工作部件的三維模型，將三維模型導(dǎo)入裝配環(huán)境下進(jìn)行裝配，再?gòu)难b配好的液力緩速器腔體中分離出流體模型；或者在UG NX軟件建模環(huán)境下對(duì)單個(gè)部件的腔體進(jìn)行分離，得到單個(gè)部件的流體模型，然后再在裝配環(huán)境下對(duì)單個(gè)部件的流體模型進(jìn)行裝配，得到整體的內(nèi)流道模型，如圖4所示。

圖4 液力緩速器內(nèi)流場(chǎng)三維剖切模型

將裝配好的液力緩速器內(nèi)流場(chǎng)三維模型導(dǎo)入ANSYS ICEM軟件對(duì)液力緩速器水體三維模型進(jìn)行網(wǎng)格生成，并對(duì)葉片轉(zhuǎn)角局部加密，整體內(nèi)流道網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖5 液力緩速器內(nèi)流道網(wǎng)格

由于需要分析的對(duì)象結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，為了保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，需確保所有的網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到規(guī)定要求以上，網(wǎng)格質(zhì)量直接影響著計(jì)算速度和計(jì)算的精度。有一點(diǎn)需要注意，在三維建模時(shí)一些小尺寸的結(jié)構(gòu)，能去除盡量去掉，不能去除的要在畫(huà)網(wǎng)格時(shí)對(duì)尺寸較小的結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)化。如果選擇的是四面體網(wǎng)格，對(duì)緩速裝置內(nèi)流道每個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格進(jìn)行質(zhì)量檢查時(shí)，為了計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，要求所有的網(wǎng)格質(zhì)量都必須在0.3以上，所有單個(gè)網(wǎng)格最小角度都必須在18°以上。本研究對(duì)于網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證已有詳細(xì)的研究，在非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到0.3以上，并且每個(gè)四面體網(wǎng)格角度在18°以上，液力緩速器所產(chǎn)生的制動(dòng)力矩隨網(wǎng)格數(shù)變化微乎其微，也就是說(shuō)在上述條件下計(jì)算液力緩速器制動(dòng)力矩的大小對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量不敏感。網(wǎng)格質(zhì)量檢查結(jié)果如圖6所示，滿足導(dǎo)入CFX求解器進(jìn)行數(shù)值模擬的網(wǎng)格質(zhì)量要求。

圖6 內(nèi)流道整體網(wǎng)格質(zhì)量分布

液力緩速器仿真參數(shù)的設(shè)定是在ICEM CFD模塊中劃分網(wǎng)格合格以后，在同一坐標(biāo)系下導(dǎo)入ANSYS CFX-Pre前處理軟件；本研究中選用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液乙二醇作為工作介質(zhì)，基本參數(shù)設(shè)置為100 ℃時(shí)的乙二醇，密度為1110 kg/m3，動(dòng)力黏度為0.0157 Pa/s[17]；因?yàn)樵诒狙芯織l件下工作液體不發(fā)生汽化，工作介質(zhì)的流體力學(xué)性質(zhì)受溫度的影響小，所以溫度不作為此次研究的對(duì)象；然后再進(jìn)行域的設(shè)置，這里就不一一詳述；定常計(jì)算湍流模型選取k-ωSST模型，壁面采用無(wú)滑移邊界條件，近壁區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理，k-ωSST湍流模型通過(guò)復(fù)合函數(shù)將k-ε與k-ω模型結(jié)合起來(lái)，一般處理近壁面低雷諾數(shù)的問(wèn)題時(shí)用k-ω模型，對(duì)于非近壁區(qū)高雷諾數(shù)區(qū)域則用k-ε模型，其具體的控制方程如下：

(5)

且vt=μt/ρ

上式中F2為混合函數(shù)，用來(lái)約束壁面層的限制數(shù)；S為應(yīng)變數(shù)的定值估算值。

混合函數(shù)的表達(dá)式如下式所示：

(6)

其中：

(7)

式中，y—— 到最近壁面的距離

ν—— 運(yùn)動(dòng)黏度

進(jìn)出口條件設(shè)置為絕對(duì)壓力，由于出液口直接與大氣連接，設(shè)置為1個(gè)大氣壓，即0.1 MPa，進(jìn)口條件選取總壓0.2 MPa；計(jì)算收斂的判斷依據(jù)為內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬最大殘差值不大于1e-4，最大殘差值達(dá)到此數(shù)值即為收斂，因?yàn)槠涑烁叨仁諗?，結(jié)果準(zhǔn)確可靠，適用于絕大多數(shù)工程實(shí)踐，且最大殘差值設(shè)置合理，不至于太小收斂緩慢；然后進(jìn)行域交界面的設(shè)置，這里需要注意旋轉(zhuǎn)域和靜止域連接與靜止域和靜止域連接的區(qū)別，不能一概而論；進(jìn)行求解控制設(shè)置時(shí)，一般設(shè)置最長(zhǎng)步長(zhǎng)為1000步，時(shí)間步長(zhǎng)控制選擇物理時(shí)間步長(zhǎng)，時(shí)間步長(zhǎng)由設(shè)置的轉(zhuǎn)速確定，一般為60n/2π(n為緩速器的轉(zhuǎn)速)；到此緩速器仿真參數(shù)設(shè)置完成，最后輸出進(jìn)行求解。

2.2 仿真數(shù)據(jù)比較

不同葉片數(shù)據(jù)下仿真數(shù)據(jù)的比較，根據(jù)需要確定好緩速器尺寸后，通過(guò)三維建模軟件對(duì)緩速器進(jìn)行三維裝配圖建模，通過(guò)CFD抽取全流道三維模型并對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行修正，再對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。新型液力緩速裝置設(shè)計(jì)方法采用彎葉片與徑向呈不同傾角的設(shè)計(jì)思路。數(shù)值模擬計(jì)算對(duì)比的葉型主要有以下5種:葉型1—徑向無(wú)傾角彎葉片(轉(zhuǎn)子與定子葉片彎曲方向相反)；葉型2—徑向傾斜30°彎葉片(轉(zhuǎn)子與定子葉片彎曲方向相反，傾斜方向相反) ；葉型3—徑向傾斜45°彎葉片( 轉(zhuǎn)子與定子葉片彎曲方向相反，傾斜方向相反)；葉型4—徑向傾斜60°彎葉片(轉(zhuǎn)子與定子葉片彎曲方向相反，傾斜方向相反)；葉型 5—徑向傾斜90°彎葉片(轉(zhuǎn)子與定子葉片彎曲方向相反，傾斜方向相反) 。各種葉面軸向形式如圖7、圖8所示。

圖7 5種典型葉型軸面結(jié)構(gòu)

圖8 5種典型葉型三維軸面結(jié)構(gòu)

各種葉片類型在2000 r/min時(shí)制動(dòng)性能對(duì)比如圖9所示。

圖9 各角度制動(dòng)性能對(duì)比

對(duì)比上圖可知，葉片不同徑向傾角制動(dòng)性能不同，整體仿真數(shù)據(jù)顯示，無(wú)傾角彎葉片<30°彎葉片<45°彎葉片>60°彎葉片>90°彎葉片，可以看出彎葉片在徑向傾角45°±5°時(shí)制動(dòng)效果最好?；诖朔抡婺M了40°彎葉片和50°彎葉片，依然是45°彎葉片制動(dòng)效果最佳。由此可以得出結(jié)論：基于數(shù)值模擬結(jié)果可以看出45°±5°時(shí)徑向傾角彎葉片制動(dòng)效果優(yōu)于其他徑向傾角的彎葉片。

新結(jié)構(gòu)液力緩速器數(shù)值模擬采用瞬態(tài)計(jì)算方法，為了得到同一狀態(tài)下不同葉片徑向傾角的緩速器內(nèi)流場(chǎng)的區(qū)別，統(tǒng)一采用轉(zhuǎn)子近壁區(qū)轉(zhuǎn)速為2000 r/min計(jì)算收斂時(shí)緩速器的內(nèi)流場(chǎng)特征進(jìn)行分析；基于研究?jī)?nèi)容，選取緩速器轉(zhuǎn)子內(nèi)流體的速度云圖、壓力云圖、湍動(dòng)能云圖進(jìn)行理論分析，分析結(jié)果如表2所示。

表2 不同葉片角度分析云圖比較

如表2所示，是緩速器在不同葉片徑向傾角下得出的轉(zhuǎn)子中間30 mm處速度云圖，可以看出，隨著緩速器轉(zhuǎn)子葉片徑向傾度的增加，葉片內(nèi)部流體流速也在逐步增加，轉(zhuǎn)子葉片在45°±5°時(shí)流體流速最大，然后隨著葉片徑向傾角的增大流體流速逐步減小。因此，可以得出結(jié)論：相同條件下，緩速器轉(zhuǎn)子葉片徑向傾角在45°附近流體流速最大，內(nèi)部流體熱交換最快。

分析緩速器相同位置壓力云圖可以得出，隨著轉(zhuǎn)子葉片徑向傾角的增大，葉片背部形成的負(fù)壓越來(lái)越大，流體分析軟件獲取制動(dòng)力矩?cái)?shù)據(jù)一般是求解器對(duì)單位轉(zhuǎn)子葉片表面壓力與面積的乘積，再對(duì)整個(gè)葉片表面進(jìn)行積分求解，得出最終結(jié)果。所以，對(duì)于相同位置葉片，可以通過(guò)葉片正面與背面壓力特性來(lái)進(jìn)行制動(dòng)力矩的分析。從圖中信息可以看出，隨著葉片徑向角度的增加，葉片背部形成的負(fù)壓越大，葉片正面壓力有增大的趨勢(shì)，但不明顯，不好判斷；但可以間接從出口處管壁壓力大小判斷，在45°±5°出口處管壁壓力最大。由此可以得出結(jié)論：在45°±5°時(shí)，緩速器內(nèi)部流體對(duì)出口管壁壓力最大，轉(zhuǎn)子恒速運(yùn)動(dòng)單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的湍動(dòng)能越大。

表2中湍動(dòng)能分析更能直觀得出結(jié)論：隨著緩速器轉(zhuǎn)子葉片徑向傾度的增加，葉片內(nèi)部流體湍動(dòng)能也在逐步增加，轉(zhuǎn)子葉片在45°±5°時(shí)流體湍動(dòng)能最大，然后隨著葉片徑向傾角的增大流體湍動(dòng)能在逐步減小。

綜合以上3種云圖分析，可以確定緩速器不同徑向傾角內(nèi)部流場(chǎng)特性，綜合比較在葉片徑向傾角為45°±5°時(shí)，緩速器制動(dòng)性能最好。

3 樣機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

新型液力緩速裝置采用葉型3的技術(shù)方案進(jìn)行樣機(jī)實(shí)物加工和臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，徑向傾斜45°彎葉片，轉(zhuǎn)子與定子葉片彎曲方向相反，傾斜方向相反。液力緩速裝置臺(tái)架實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖10所示，主要由以下幾個(gè)模塊組成：動(dòng)力系統(tǒng)(Motor-電機(jī))、傳動(dòng)系統(tǒng)(Coupling-聯(lián)軸器)、測(cè)量系統(tǒng)(Torque meter-扭矩儀)、變速系統(tǒng)(Transmission-變速器)、液力緩速裝置(Hydrodynamic retarder)等。

1.電機(jī) 2.聯(lián)軸器 3.轉(zhuǎn)矩傳感器 4.傳感器支架5.變速器支架 6.變速器 7.液力緩速裝置8.接合器手柄 9.底板圖10 臺(tái)架實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖

液力緩速器實(shí)物如圖11所示。

1) 異步電機(jī)

采用三相異步變頻調(diào)速電機(jī)暫代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，此電機(jī)額定功率200 kW，額定轉(zhuǎn)速范圍為0～3000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩為860 N·m，型號(hào)為YVF-2-315L2-4，電機(jī)實(shí)物圖和銘牌如圖12所示。

圖11 新型結(jié)構(gòu)液力緩速裝置樣機(jī)

圖12 緩電機(jī)實(shí)物和銘牌圖

2) 轉(zhuǎn)速和力矩傳感器

液力緩速裝置轉(zhuǎn)速和力矩傳感器型號(hào)為JN338，力矩測(cè)量范圍為3000 N·m，傳感器轉(zhuǎn)速量程為2500 r/min。傳感器和數(shù)據(jù)采集儀實(shí)物如圖13所示。

圖13 緩轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和顯示器

3) 變速器總成

液力緩速裝置試驗(yàn)用變速器連接在電機(jī)輸出端，結(jié)構(gòu)主要包括改變傳動(dòng)速比用的輪系以及讓緩速裝置參與工作的接合器；增加輪系的目的是為了模擬汽車行駛環(huán)境，起到減速增扭或增速減扭的作用，變速器總成實(shí)物如圖14所示。

實(shí)驗(yàn)采用了與數(shù)值模擬相同的緩速器轉(zhuǎn)速遞增方式，緩速器轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min開(kāi)始以500 r/min的幅度上升到1000 r/min，再?gòu)?000 r/min以200 r/min的幅度遞增到2500 r/min，再以500 r/min的幅度上升到3000 r/min，但由于電機(jī)轉(zhuǎn)速限制，實(shí)驗(yàn)?zāi)壳爸荒苓M(jìn)行到轉(zhuǎn)速3000 r/min左右，圖15為實(shí)驗(yàn)臺(tái)架。

圖14 變速器總成

圖15 液力緩速器實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

緩速器制動(dòng)力矩?cái)?shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖16所示。

圖16 緩速器制動(dòng)力矩?cái)?shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

對(duì)比仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，液力緩速裝置試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真模擬計(jì)算數(shù)據(jù)隨轉(zhuǎn)速增加制動(dòng)力矩的增加趨勢(shì)一致，轉(zhuǎn)速與制動(dòng)力矩?cái)?shù)據(jù)誤差都在5%以內(nèi)，這對(duì)于內(nèi)流道復(fù)雜的流體模擬仿真計(jì)算而言，可以驗(yàn)證仿真數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，仿真數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確反映不同條件下液力緩速裝置制動(dòng)力矩的變化；為了進(jìn)一步說(shuō)明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足相似理論計(jì)算方法，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行驗(yàn)證性分析，得到如圖17所示結(jié)果。

由圖可知緩速器制動(dòng)力矩隨轉(zhuǎn)速增長(zhǎng)而增加，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都分布在二次曲線附近，可以說(shuō)明制動(dòng)力矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速近似成二次方的關(guān)系，且數(shù)據(jù)分析函數(shù)近似為：y=0.02634x+0.002628x2，由此足以表明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足相似理論計(jì)算方法。

圖17 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4 結(jié)論

(1) 理論分析新結(jié)構(gòu)的液力緩速器轉(zhuǎn)子和定子葉片徑向傾角45°±5°時(shí)制動(dòng)效果最好；

(2) 仿真與試驗(yàn)結(jié)果表明新型液力緩速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效性，滿足車輛對(duì)緩速制動(dòng)力矩的需求；

(3) 緩速器制動(dòng)力矩隨轉(zhuǎn)速增長(zhǎng)而增加，轉(zhuǎn)速與制動(dòng)力近似成二次方關(guān)系，滿足相似理論計(jì)算方法，即制動(dòng)力矩與緩速器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的平方成正比的數(shù)值關(guān)系。