基于機(jī)電液耦合器的液壓冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

朱學(xué)彪，宋文韜，郭子卿

（武漢科技大學(xué)機(jī)械自動化學(xué)院，湖北 武漢 430081）

汽車領(lǐng)域?qū)用妫簤合到y(tǒng)得到了較好的應(yīng)用，存在自身獨(dú)有的特點(diǎn)，具體優(yōu)勢為：首先，可以產(chǎn)生強(qiáng)烈的驅(qū)動力，在控制上相對簡單，能夠達(dá)成遠(yuǎn)程精準(zhǔn)調(diào)控的效果。其次，可以在相當(dāng)寬泛的區(qū)間里達(dá)成無級調(diào)速。再次，可以高效避免過載，保障設(shè)施作業(yè)時(shí)的可靠性。最后，在部件方面存在著重量輕的特點(diǎn)，并且外形尺寸小，展開安裝作業(yè)時(shí)位置能夠?qū)崿F(xiàn)自由布置。在機(jī)電液耦合器層面，其液壓能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對其他兩種能量進(jìn)行轉(zhuǎn)化，最終成為液壓能，由此給冷卻系統(tǒng)支持足夠的驅(qū)動力。將液壓油當(dāng)成對應(yīng)的冷卻介質(zhì)，流經(jīng)耦合器冷卻油道，表現(xiàn)出冷卻效率高且速度高的特點(diǎn)，避免了別的冷卻介質(zhì)的干擾。在液壓能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)方面，實(shí)現(xiàn)液壓和冷卻回路的高效連接，能夠防止液壓回路出現(xiàn)冗余的情況，整個液壓系統(tǒng)更加簡潔有效，達(dá)成對應(yīng)的功能。

1 機(jī)電液耦合器液壓冷卻系統(tǒng)介紹

以該系統(tǒng)功能而言，關(guān)鍵所在為驅(qū)動裝置，由主機(jī)電液耦合器構(gòu)成，從而達(dá)成相應(yīng)的冷卻液循環(huán)，并展開電磁閥調(diào)節(jié)，以促成對應(yīng)工況的回路匹配，在該系統(tǒng)層面主要的功能表現(xiàn)為快速熱機(jī)、輔助車輛啟動、制動等。在額定轉(zhuǎn)速方面，對應(yīng)的數(shù)據(jù)為1400r/min，而在額定功率方面則是為18kW。圖1為機(jī)電液耦合器冷卻系統(tǒng)液壓原理圖。

圖1 機(jī)電液耦合器冷卻系統(tǒng)液壓原理圖

2 冷卻系統(tǒng)仿真模型建立

2.1 模型建立的前提條件

為促使運(yùn)算速度得以提升，展開系統(tǒng)的簡化作業(yè)，構(gòu)建冷卻系統(tǒng)模型時(shí)應(yīng)該滿足下列情況。

（1）在環(huán)境溫度方面，應(yīng)該處于25℃狀態(tài)下，且能夠保持自然無風(fēng)。

（2）對應(yīng)的換熱經(jīng)過表現(xiàn)為兩個方面：一是機(jī)電液耦合器產(chǎn)熱；二是冷卻器散熱。

（3）為促使仿真適用性得以提升，未展開內(nèi)部機(jī)構(gòu)建模作業(yè)，借助電機(jī)、變量泵等進(jìn)行代替，由此達(dá)成功能的實(shí)現(xiàn)，這會給熱損耗功率帶來相應(yīng)的補(bǔ)償。

2.2 液壓冷卻系統(tǒng)建模

展開相應(yīng)的建模時(shí)，必須詳細(xì)地閱讀參考元件手冊，研究系統(tǒng)的對應(yīng)參數(shù)，且進(jìn)行積極的聯(lián)系應(yīng)用，積極了解不同元件的參數(shù)以及特性，科學(xué)構(gòu)建模型參數(shù)，由此實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)液壓回路仿真模型的構(gòu)建，具體為圖2。

圖2 AMESim液壓冷卻系統(tǒng)仿真模型

2.3 冷卻系統(tǒng)模型簡介和參數(shù)設(shè)置

展開冷卻系仿真，由此分析不同工況下的運(yùn)行冷卻情況。展開相應(yīng)的仿真作業(yè)時(shí)，應(yīng)該借助雙向變量泵、雙向變量馬達(dá)和發(fā)動機(jī)換熱模型模擬機(jī)電液耦合器不同工況的運(yùn)行情況，為確保數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)有效，仿真時(shí)必須從工況實(shí)際出發(fā)，由此實(shí)現(xiàn)對熱力學(xué)模型熱壓元件的接口順序及參數(shù)值的有效調(diào)整，而借助仿真工作能夠獲得液壓回路里不同的壓力流量數(shù)據(jù)，由此實(shí)現(xiàn)對方案的評估研判。在進(jìn)行換熱計(jì)算時(shí)，主要借助流換熱系數(shù)等展開的，通過AMESim平臺，展開對所構(gòu)建系統(tǒng)的等效模擬，達(dá)成對別的熱交換經(jīng)過高效仿真。為了保障所構(gòu)建系統(tǒng)的安全裕度，在系統(tǒng)損耗方面，對應(yīng)的值是耦合器功率的1/10。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 散熱器和冷卻風(fēng)扇對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)溫度的影響

如果散熱器不再進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)作業(yè)，系統(tǒng)溫度則呈現(xiàn)持續(xù)提升的態(tài)勢，這是因?yàn)槔鋮s液方面的因素所致，其在經(jīng)過冷卻油道時(shí)，冷卻液會與耦合器展開換熱，耦合器熱量會被低溫冷卻液所吸收，然而這時(shí)候散熱器呈現(xiàn)關(guān)閉裝填，致使液壓油熱量無法在第一時(shí)間進(jìn)行耗散，因此發(fā)生持續(xù)溫升的情況。仿真開始環(huán)節(jié)，由于低壓蓄能器中存在一定的常溫油，因此，在冷卻油道入口處，對應(yīng)的油溫未實(shí)現(xiàn)急速提升；而在冷卻油道出口處，對應(yīng)的溫度亦會由此出現(xiàn)小幅度的溫升，接著則是變緩；當(dāng)?shù)蛪盒钅芷髦械某赜团趴?，這種狀況下會使得冷卻油道入口溫度隨之增加，而在出口溫度上亦會提升，應(yīng)為管道和空氣存在著一定的對流，這會使得一些熱量借由管道進(jìn)行散發(fā)，由此相對于冷卻油道出口冷卻油的溫度情況，低壓蓄能器回油溫度表現(xiàn)得更低。

3.2 流量對冷卻系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)溫度的影響

以機(jī)電液耦合器來看，發(fā)生斜盤傾角的狀況，亦或存在主回路溢流閥開啟壓力改變的情況，便會造成主油路受到影響，相應(yīng)的壓力亦會由此發(fā)生變化，在對液耦合器冷卻油道內(nèi)液壓油的流速帶來影響的同時(shí)，亦會對液壓油速度產(chǎn)生作用，這也就意味著會對熱交換效率造成相應(yīng)的影響；而在主油路層面，亦會存在著壓力以及流量的改變，這對系統(tǒng)需求功率會產(chǎn)生對應(yīng)的影響，造成系統(tǒng)出現(xiàn)無謂的能量損耗，由此使得耦合器效率發(fā)生相應(yīng)的減弱。

3.3 系統(tǒng)特性模擬及穩(wěn)態(tài)溫度分析

（1）啟動工況。車輛啟動時(shí)，以機(jī)電液耦合器來看，其會處在馬達(dá)工況，在高壓蓄能器方面，主要發(fā)揮輔助動力源的功能，由此通過液壓能的作用，實(shí)現(xiàn)對液耦合器的有效驅(qū)動。如果節(jié)流閥開度發(fā)生變化的話，那么高壓蓄能器便會由此被影響，主要表現(xiàn)在排出流量等方面，這樣在車輛啟動的時(shí)候，能夠達(dá)成對扭矩的調(diào)節(jié)。通過此次仿真可以發(fā)現(xiàn)，工況啟動狀態(tài)下，不存在電功率損耗。該環(huán)節(jié)，在冷卻系統(tǒng)方面，并未運(yùn)轉(zhuǎn)，處于正常行駛工況狀態(tài)，高壓蓄能器則是表現(xiàn)為斷開狀態(tài)。

（2）行駛工況。處于正常行駛下，機(jī)電液耦合器會表現(xiàn)為電機(jī)、泵聯(lián)合工況。該環(huán)節(jié)，電能出現(xiàn)變化，主要表現(xiàn)為液壓能。此時(shí)的系統(tǒng)，則是會存在電功率損耗的情況，并且會升高?；赜蜏囟壬?，假如比設(shè)定值更大，那么換向閥會隨之導(dǎo)通，促使冷卻系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)。能夠發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)負(fù)載提升的話，熱平衡溫度亦會隨之增加。因?yàn)檐囕v行駛時(shí)，相應(yīng)的負(fù)載會出現(xiàn)提升，這會造成功率需求的加大。

（3）高速工況。在汽車高速行駛狀態(tài)下，相應(yīng)的需求功率會比平時(shí)表現(xiàn)的更高，此時(shí)使機(jī)電液耦合器處于電動機(jī)狀態(tài)得最佳效率區(qū)間，剩余部分的需求功率通過高壓蓄能器提供，高壓蓄能器作為輔助動力源向系統(tǒng)主油路供油，增加回路流量，提高耦合器轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)液壓能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)變，以此來補(bǔ)充電功率的缺口。高壓蓄能器的使用一方面使得液壓能得到合理利用，另一方面，也提高了耦合器電動機(jī)工況下的效率。

4 結(jié)語

本文通過AMESim仿真平臺的有效使用，構(gòu)建出機(jī)電液耦合器液壓冷卻系統(tǒng)仿真模型，由此探析系統(tǒng)散熱的相關(guān)情況。而以實(shí)際效果可以發(fā)現(xiàn)，冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速、冷卻液的流量、負(fù)載的大小以及行駛狀態(tài)的不同對系統(tǒng)溫度的作用相當(dāng)顯著，本文據(jù)此給出了相關(guān)的參數(shù)選取建議。