液力減速器動態制動性能預測分析

袁 哲，馬文星，盧秀泉，胡 晶，楊珊珊

(1.吉林大學機械科學與工程學院，長春130022;2.北京旋極信息技術股份有限公司，北京100083)

液力減速器現已成為車輛傳動系統中非常重要的輔助制動裝置。當前的車輛逐步向重載與高速的方向發展，僅依靠輪轂摩擦片這種傳統的制動方式已達不到人們對車輛安全性和舒適性等方面的需求。液力減速器以其簡單的結構、可靠的性能等優勢已廣泛應用于國外車輛。液力減速器作為一種限速和輔助制動裝置，制動能力是其最重要的設計指標，在產品設計階段必須全面預測并評價其制動性能［1－3］。

早期在工程實際中主要應用一維束流理論結合經驗對液力減速器進行初步設計，樣機的制動性能必須依賴臺架試驗進行預測［4－5］。隨著計算機和計算流體力學的發展，CFD數值模擬成為液力減速器設計環節中的有效手段。從目前查閱的文獻來看，主要是通過CFD數值模擬液力減速器內部流場對其流道結構參數進行優化并對其全充液狀態下的制動特性進行預測［6－9］。而液力減速器實際上始終工作在氣液兩相部分充液狀態，并且在緊急制動工況下，工作腔內的工作液體需要在很短的時間內充滿，滿足緊急制動要求，如何準確預測其動態制動性能是產品設計的關鍵問題。本文采用CFD數值模擬分析方法，對液力減速器充排油過程提出必要的假設和簡化，并對其動態制動性能進行分析和預測。

1 液力減速器結構與工作原理

液力減速器由定子、轉子以及快速充放油機構等組成。定子和轉子組成了液力減速器的主體結構(見圖1)。定子與轉子共同組成工作腔，液力減速器的動輪由傳動系統帶動旋轉，定子固定在箱體上。液力減速器工作時，當轉子輸入轉速一定時，通過充放油機構控制充油量的多少控制其制動力矩。充放油機構向工作腔中快速充油，油液在轉子葉片帶動下在工作腔中循環沖擊，在油液和轉子相互作用下，油液向轉子施加反作用力，從而產生制動力矩。油液的動能最終全部轉化為熱能，通過散熱器將熱量帶走。

圖2為液力減速器工作過程簡圖。液力減速器有0～5總共6個檔位。檔位為0時，減速器不起作用;檔位為1時，減速器在記憶當時車速的同時，在有效范圍內自動調節減速器力矩，使行車速度保持恒定;檔位位于2～5時，減速器工作腔的充液率分別為25%、50%、75%和100%，減速能力依次增加。當駕駛員撥動減速器分檔開關時，液力減速器的電子控制系統發出信號，接收到指令后電磁比例閥隨之啟動，致使壓縮空氣進入儲油箱，箱中的工作油在壓力的作用下經過進油口進入液力減速器的工作腔中。根據實際工況，如果駕駛員增加檔位，電磁比例閥壓縮氣體所產生的壓力也隨之增大，從而導致油箱中進入工作腔內的油量增加。而當減速器排油時，接到控制單元的信號后，通過壓力控制閥使油箱內的氣體壓力降低，油液由減速器工作腔回流到油箱，減速制動作用失效［10］。

圖2 液力減速器工作過程Fig.2 W orking process of hydrodynam ic retarder

2 控制方程與CFD計算模型

2.1 控制方程

液力減速器工作時，工作腔內為復雜的氣液兩相流動。目前研究兩相流動特性仍從連續介質模型出發，將其中每相都看作由連續質點所組成，兩相間的分界面被看作間斷面。兩相流中的每一相都滿足動量守恒、質量守恒和能量守恒等基本定律。在利用CFD數值計算求解兩相流時主要有兩種方法:歐拉－歐拉方法和歐拉－拉格朗日方法。歐拉－歐拉方法在工程上應用的比較廣泛，CFD中主要提供歐拉模型(Eulerian Model)、VOF (Volume of Fluid)模型以及混合模型(Mixture Model)。根據液力減速器內部氣液兩相流動的特征和計算的穩定性，本文采用歐拉－歐拉多相流模型中的混合模型［11］。

混合模型的連續方程可以表示為:

為第k相體積分數。

可將所有相中每項的動量方程求和得到混合模型的動量方程，可表示為

2.2 液力減速器流道計算模型

影響液力減速器性能的關鍵因素是流道的幾何參數，主要由循環圓形狀、循環圓直徑、葉片數目、葉片傾角以及進、出油口位置等組成。本文以循環圓直徑為300mm的液力減速器為基型，在循環圓直徑不變的前提下以提高制動力矩系數為優化目標，基于CFD技術對原樣機的流道結構參數進行優化，優化后的全流道幾何模型如圖3所示。其腔型為類長圓型，動輪葉片數為36個，定輪葉片數為34個，葉片型式為直葉片，葉片前傾角均為40°，進、出油口均設在定輪上，10個進油口均勻分布于定子葉片上，出油口為6個，開在定子流道最外緣處。選取整個流道空間作為計算模型，對整個計算區域使用T/Grid混合網格進行體劃分網格，得到的全流道網格模型如圖4所示，網格單元總數為395 691個。

圖3 全流道計算模型Fig.3 Com putationalmodel of full port

對液力減速器氣－液兩相流瞬態流場進行三維數值模擬時，定子和轉子交互面采用滑動網格技術解決流體計算中兩個不同區域的相互交互作用。計算中選擇分離式求解器，采用標準k－ε湍流模型;選擇Mixture模型作為多相流模型;速度－壓力耦合算法選用PISO算法;采用精度較高的二階迎風格式做空間離散處理。邊界條件采用壓力進口，出流邊界條件。

圖4 全流道網格模型Fig.4 M esh model of full port

2.3 動態制動性能CFD仿真方法

液力減速器的動態制動性能評價的是車輛在緊急制動過程中的制動能力，即在一定的行駛工況下液力減速器工作腔內充液率由0%增加到100%的時間內制動力矩的變化情況。應用CFD數值模擬方法對液力減速器的動態制動性能進行預測時，首先計算當轉子轉速一定，制動力矩隨著充液率增加時的變化情況，再確定達到每個目標充液率所需的時間，從而建立在充液過程中制動力矩隨充液時間的變化關系。

在考慮CFD數值模擬計算量的同時為了保證預測動態制動性能結果的準確性，在充液率在0% ～100%的區間內，每間隔10%為一個CFD的計算工況點，從而獲得不同充液率、不同轉速工況下的制動力矩CFD計算結果。依據液力減速器工作時快速充放油機構的工作原理，每個目標充液率對應一個穩定的進油口壓力，而出油口壓力在達到目標充液率前發生動態變化。通過大量的CFD計算表明，當進油口油壓設置為定值，出油口油壓在小范圍內變化時，對CFD計算的制動力矩結果影響不大。本文的液力減速器的進油口油壓范圍為0.12～0.32 MPa。本文對每個計算工況點，設置的進油口壓力與充液率按照線性關系一一對應。

3 特性計算結果及分析

3.1 充油時間

液力減速器進油口的充油量由壓力調節閥控制。假設在充油過程中，液力減速器的進口速度和出口速度僅為工作油的速度，不考慮氣體速度和出口速度的延遲影響。因此在充液過程中單位時間工作腔內液體的增加量等于進油口的流量減去出油口的流量。從開始充油算起，到任意時刻內，液力減速器工作腔內的充液量

式(3)中的工作腔容積V為28×10－4m3，進油口總面積A1為6×10－4m2，出油口總面積A2為3.12×10－4m2，f(t)為t時刻減速器的充液率，v1、v2為進、出油口速度。在CFD計算初始化時，由不同的壓力值可得到相對應的進口速度。由此得到進口速度與充液率關系曲線(見圖5)。經過數值計算，可得到不同充液率下的出口速度，由此得到的出口速度與充液率關系曲線如圖6所示。

圖5 入口速度與充液率關系曲線Fig.5 Relation curve between inlet velocity and filling rate

圖6 出口速度與充液率關系曲線Fig.6 Relation curve between outlet velocity and filling rate

使用Matlab軟件進行二次擬合后，得到的曲線函數為:

將擬合得到的結果代入式(3)中進行計算。從0時刻開始，經過t秒后，可以得到t時刻的充液率;同理，可以求解出下一個t秒的充液率。以此種方法進行迭代，可以得到不同時刻的充液率，由此得到的充液率與充液時間關系曲線如圖7所示。

圖7 充液率與充液時間關系曲線Fig.7 Relation curve between filling rate and filling tim e

3.2 排油時間

根據充油時間計算方法和參數，對轉速為1500轉/min，充液率為100%工況下的排油時間進行了計算。出油口處速度選用式(5)所得到的擬合結果，則液力減速器工作腔內剩余油量的表達式為

同理，應用Matlab軟件對其進行求解，可得到排油所需時間為0.22 s。

以上采用數值計算方法給出了液力減速器充、排油所需時間，對減速器進、出油口的設計和改進具有非常重要的意義。

3.3 性能分析

通過對液力減速器內流場數值模擬計算出在轉速為1500轉/min，不同充液率下的制動力矩，從而得出制動力矩隨充液率的變化關系(見圖8)。

圖8 制動力矩與充液率關系曲線Fig.8 Relation curve between brakingmoment and filling rate

總體來看，隨著充液率的增加，制動力矩滿足單調遞增的規律，充液率低時制動力矩較小，制動能力較差。隨著充液率的升高，制動力矩變化梯度逐漸增大。圖9為在緊急制動工況下，液力減速器充液率由0%增加到100%整個過程的動態制動曲線。由圖9可知，在動態制動過程中制動力矩單調增加，在制動初期和末期的力矩變化梯度與制動中期相比較大，整個動態制動過程在1.9 s內結束。

圖9 制動力矩與時間關系曲線Fig.9 Relation curve between brakingmoment and braking tim e

4 結束語

本文采用CFD數值模擬的方法，提出優化后的液力減速器流道模型，通過對快速充放油機構工作原理的分析，在一定的假設和簡化的基礎上，對優化后的液力減速器模型的動態制動性能進行預測。本文提出的動態制動性能預測方法可以全面預測液力減速器在緊急制動工況下充液率由0%增加到100%整個過程中的制動性能及啟效時間，與此同時給出了排油所需時間。但給出的動態制動性能曲線還需與試驗結果進行進一步的對比。本文的工作為液力減速器在產品設計階段全面評價液力減速器的制動性能提供了方法。

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