擾流柱對車用液力緩速器空損抑制效應(yīng)分析

魏 巍，穆洪斌，閆清東

(1.車輛傳動國家重點實驗室(北京理工大學(xué))，100081北京;2.北京理工大學(xué)機械與車輛學(xué)院，100081北京)

液力緩速器是重型載貨車輛機械主制動器有效的輔助制動裝置.液力緩速制動時，充油機構(gòu)向工作腔內(nèi)充入油液，油液在緩速器動輪的牽引作用下做循環(huán)流動，通過沖擊定輪葉片，將車輛動能轉(zhuǎn)化為油液內(nèi)能，由此降低車輛行車速度，達到減速制動的目的［1-2］，其主要結(jié)構(gòu)與工作原理如圖1所示.當(dāng)液力緩速器處于非制動工況，即空轉(zhuǎn)狀態(tài)時，緩速器工作腔內(nèi)存有的空氣也會產(chǎn)生制動力矩，從而產(chǎn)生空轉(zhuǎn)功率損失(簡稱空損)，并且液力緩速器的制動力矩與其轉(zhuǎn)速平方成正比，即動輪轉(zhuǎn)速越高，所產(chǎn)生的制動效果越明顯［3］.該制動作用降低了車輛正常行駛的功率利用率，因此應(yīng)盡量抑制這種效應(yīng).目前，國內(nèi)學(xué)者對液力緩速器空轉(zhuǎn)損失的分析與抑制開展了研究.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的黃俊剛［4］運用 CFD技術(shù)對緩速器空轉(zhuǎn)損耗進行全流道仿真計算，并驗證了計算方法的可靠性.武漢理工大學(xué)的過學(xué)迅［5］與北方車輛研究所的吳超［6］設(shè)計了閥片機構(gòu)以降低緩速器空轉(zhuǎn)功率損失，并利用試驗結(jié)果對空損降低效果進行了驗證.

本文針對某型車用液力緩速器，利用結(jié)構(gòu)與原理較為簡單的擾流柱作為空損抑制裝置.基于三維流場仿真技術(shù)，對緩速器空轉(zhuǎn)工況下的空損開展數(shù)值計算.通過對比安裝擾流柱與未安裝擾流柱兩種情況下的空轉(zhuǎn)損失與流場分布，開展擾流柱對液力緩速器空損抑制效應(yīng)的分析研究.

1 幾何模型

某車用液力緩速器動輪與定輪結(jié)構(gòu)如圖1所示，其葉柵主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1(a)所示.擾流柱安裝在定輪靠近外環(huán)(定輪入口)處，其分布狀態(tài)如圖1(b)所示.可見，定輪上共分布有15個擾流柱，其中13個擾流柱間隔2個葉片分布，其余2個間隔3個葉片分布.

圖1 某液力緩速器結(jié)構(gòu)與工作原理

擾流柱機構(gòu)主要由擋片與腔體兩部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示.擋片頂端為圓臺結(jié)構(gòu)，其頂部直徑d為13 mm.圓臺頂面靠近定輪入口迎向來流方向，即近似與相鄰葉片工作面垂直，其中心軸線分布于相鄰兩葉片中間，以避免擋片與葉片干涉.擾流柱內(nèi)部腔體中裝有彈簧，擋片可在外力作用下克服彈簧力做自由伸縮運動，最大行程s為18.5 mm.由胡克定律可獲取其受力平衡方程為

式中:F0為彈簧預(yù)緊力，N;k為彈簧剛度，N/mm;x為擾流柱擋片位移(最大位移為s)，mm;A為擋片頂部面積，mm2;p為擋片頂部所受壓強，Pa.擾流柱擋片直接推動彈簧做直線運動，相比于文獻［4-5］介紹的閥片機構(gòu)，擾流柱的可靠性更高;另外，由圖2可見，擾流柱的安裝與拆卸均在輪腔外進行，無須將動輪與定輪拆解開，更換過程比較方便.

當(dāng)液力緩速器處于空轉(zhuǎn)工況時，空氣對擾流柱擋片沖擊壓力較小，不能使其克服彈簧力而進入擾流柱腔體內(nèi)，如圖2(a)所示.伸出的擋片可以起到阻礙空氣循環(huán)流動的作用，此時擾流柱處于起效狀態(tài);而當(dāng)緩速器處于充油工況時，循環(huán)流動的油液會沖擊擾流柱擋片，使其克服彈簧力而被壓入擾流柱腔體內(nèi)，如圖2(b)所示，此時擾流柱不會對制動油液的循環(huán)流動產(chǎn)生影響，處于未起效狀態(tài).綜上，擾流柱正常工作時應(yīng)滿足以下條件:

式中:fm為使擋片移動時所需克服的摩擦力，N;py為未起效最小油壓，即充液工況下油液壓力最小為py時，擾流柱擋片就應(yīng)完全被壓入腔體內(nèi)，Pa;pk為起效最大空壓，即空轉(zhuǎn)工況下空氣壓力最大為pk時，擾流柱擋片仍然可以完全伸出腔體，Pa.其中，py與pk的取值可依據(jù)使用要求設(shè)定.

圖2 不同工況下擾流柱結(jié)構(gòu)圖

擾流柱擋片在不與葉柵結(jié)構(gòu)干涉的前提下，擋片頂部迎風(fēng)面積越大，越靠近定輪入口處，其空損抑制效果越好.由于擾流柱工作時，擋片結(jié)構(gòu)可能繞軸線轉(zhuǎn)動，因此擋片頂部結(jié)構(gòu)最大尺寸應(yīng)小于兩側(cè)葉片間法向距離，另外考慮到擾流柱從定輪外部安裝，則擋片結(jié)構(gòu)的最大尺寸不應(yīng)大于安裝孔螺紋通徑，而安裝孔螺紋通徑亦受到定輪葉柵結(jié)構(gòu)限制，也不能過大，因此最優(yōu)的擋片頂部形狀宜為圓形，以避免干涉，并方便擋片的加工與安裝.

通過前文分析可知，定輪上安裝的擾流柱并不完全均布，若要準(zhǔn)確分析擾流柱對空損抑制效應(yīng)的影響，宜采用全流道仿真研究，但這勢必會增加計算規(guī)模與計算成本，并且復(fù)雜的幾何模型會影響網(wǎng)格劃分質(zhì)量，計算精度亦難以保證.由表1可知，緩速器定輪葉片為34個，假設(shè)擾流柱在定輪上間隔兩個葉片均布，則擾流柱數(shù)目應(yīng)為17個，而由圖1可見，擾流柱總數(shù)為15個，其中大部分?jǐn)_流柱為間隔2個葉片布置.本文為提高計算效率，假設(shè)擾流柱在定輪上間隔2個葉片均勻分布(簡稱間隔均布)，則安裝擾流柱的周期流道(如圖3(a));另外為衡量擾流柱對空損的抑制效果，取未安裝擾流柱的周期流道(如圖3(b))進行對比研究.

表1 葉柵結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 周期流道結(jié)構(gòu)圖

在網(wǎng)格劃分環(huán)節(jié)中，對于安裝擾流柱的定輪流道，采用幾何適應(yīng)性強的四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格［7］，而對于流道結(jié)構(gòu)相對簡單的動輪則采用更利于計算的六面體O型結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并對動、定輪之間的流動交互面區(qū)域與擾流柱區(qū)域進行局部網(wǎng)格加密處理［8］，整套網(wǎng)格總數(shù)約為 380 000，如圖4(a);而對于未安裝擾流柱的流道模型，由于其動輪與定輪流道結(jié)構(gòu)較為簡單，因此統(tǒng)一采用六面體O型結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，整套網(wǎng)格總數(shù)約為67 000，如圖4(b)所示，以上兩套網(wǎng)格質(zhì)量均高于0.45.

圖4 周期流道網(wǎng)格模型

2 數(shù)值計算方法

液力緩速器空損數(shù)值求解方法與全充油工況下的緩速器制動性能計算方法相似，空氣在緩速器動輪的帶動下做渦旋運動，加之工作腔內(nèi)部葉片繞流的影響，構(gòu)成了復(fù)雜的三維湍流流場.不同之處在于空氣流動過程中產(chǎn)生的壓力梯度會引起其密度的顯著變化，即空氣的壓縮效應(yīng)不可忽略.

本文忽略了工作過程中工作介質(zhì)的溫度變化以及溫差造成的能量耗散，且不考慮流體與葉輪間的流固耦合作用引起的流道變形.流動的流體會受到質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程的約束［9-11］，對于可壓縮的空氣，其質(zhì)量守恒微分方程如下:

動量守恒方程即Navier-Stokes方程可表示為

式(1)、(2)為質(zhì)量守恒方程與動量守恒方程的張量表示形式.其中，下標(biāo)i，j為張量表示中的輪換指標(biāo)，取值范圍為 1，2，3，u為流速，ρ為密度，p為壓強，μ為動力黏度，Si為動量方程的廣義源項.

為有效獲取流場中細(xì)微渦流、邊界層現(xiàn)象以及更為精確的計算結(jié)果，流道內(nèi)壁與葉片表面的近壁處速度場計算采用速度無滑移邊界條件，使用全隱式多網(wǎng)格耦合算法對計算模型進行黏性流動計算.湍流模型采用結(jié)合了自動壁面函數(shù)的切應(yīng)力輸運SST模型，SST模型綜合了k-ω和k-ε湍流模型在近壁模擬與外部區(qū)域計算的優(yōu)點，并在湍流黏度的計算中考慮到湍流剪切應(yīng)力的輸運，能對各種來流進行準(zhǔn)確的預(yù)測，還能在各種壓力梯度下精確地模擬分離現(xiàn)象，對流場中細(xì)微渦流的捕捉更為有效［12-14］.

3 仿真結(jié)果分析

3.1 周期模型精度驗證

1)未安裝擾流柱計算模型

當(dāng)液力緩速器充入油液時，擾流柱擋片被壓入擾流柱腔體內(nèi)，即擾流柱未起效，此時周期流道模型可近似等效于未安裝擾流柱模型，如圖4(b)所示.全充液工況下，對未安裝擾流柱網(wǎng)格模型進行仿真計算，并根據(jù)已有的試驗數(shù)據(jù)［15］，對其精度進行驗證.得到的仿真與試驗對比結(jié)果，見圖5.

可見，全充油工況下仿真數(shù)據(jù)與試驗制動力矩吻合較好，兩者的最大誤差在3.5%以內(nèi)，對于液力緩速器復(fù)雜流場而言，誤差在可接受范圍內(nèi)，驗證了未安裝擾流柱周期模型與該數(shù)值計算方法的準(zhǔn)確性與可靠性.

2)安裝擾流柱計算模型

對于安裝擾流柱周期模型，由于其對原始模型作了一定假設(shè)，因此亦有必要對其計算精度開展研究.對安裝擾流柱全流道模型進行網(wǎng)格劃分，其網(wǎng)格劃分方法與周期模型一致，得到一套數(shù)量約為4 000 000，質(zhì)量在0.35以上的混合網(wǎng)格模型.

在空轉(zhuǎn)工況下，對安裝擾流柱全流道模型與周期模型進行數(shù)值求解.采用配有2顆Intel(R)Xeon(R)4核CPU的工作站進行計算，其安裝內(nèi)存為8 G.周期模型單次計算耗時約為10 min，相同工況下的全流道模型耗時約170 min.獲取制動力矩對比圖，如圖6所示.

全流道內(nèi)共設(shè)有15個擾流柱，而周期模型計算中實際考慮到的擾流柱數(shù)量為17個，略高于全流道模型，因此理論上周期模型的空損抑制效果更優(yōu).由圖6可見，安裝擾流柱全流道模型的計算結(jié)果整體高于周期模型，這與上文分析相符.在分析轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，周期流道制動力矩較全流道平均誤差約為8.1%.考慮到兩模型所采用的擾流柱數(shù)目較為接近，仿真結(jié)果相對誤差較低，加之周期流道模型的計算時間僅為全流道的1/17，因此在盡量降低計算成本并保證較高計算精度的前提下，使用周期流道模型代替全流道模型進行空損性能研究是合理的.

3.2 空損對比

在周期模型精度驗證的基礎(chǔ)上，分別對安裝擾流柱與未安裝擾流柱周期模型進行空損計算:

式中:P為空損，kW;T為空轉(zhuǎn)工況下制動力矩，N·m;n為動輪轉(zhuǎn)速，r/min.

對比安裝擾流柱與未安裝擾流柱兩組空損，得到空損隨轉(zhuǎn)速變化的對比曲線，見圖7.

圖5 充油工況下制動力矩對比圖

圖6 空轉(zhuǎn)工況下制動力矩對比圖

圖7 空損對比圖

可以看出，安裝擾流柱與未安裝擾流柱周期流道的空損差別明顯.在動輪轉(zhuǎn)速為3 400 r/min時，未安裝擾流柱流道產(chǎn)生的空損達到16.5 kW，而加裝擾流柱流道的空損只有不到8.4 kW.可見，擾流柱對于抑制空損效應(yīng)的作用明顯.

3.3 流線分布對比

動輪轉(zhuǎn)速為3 400 r/min時，安裝擾流柱與未安裝擾流柱周期流道的空氣循環(huán)流線分布見圖8.

圖8 定輪流道流線分布圖

對于未安裝擾流柱模型，空氣的循環(huán)流動較為規(guī)則，從循環(huán)圓外環(huán)到中心產(chǎn)生了較大的速度梯度，并在循環(huán)圓中心產(chǎn)生強烈的渦旋.由于動輪高速轉(zhuǎn)動，動輪葉片攪動空氣，使空氣得到加速，因此在動輪出口與定輪入口處出現(xiàn)空氣流動高速區(qū)，如圖8(a)A、B處;而對于安裝擾流柱模型，擾流柱擋片會阻礙定輪入口處的空氣循環(huán)流動，如圖8(b)C處，導(dǎo)致空氣整體流速較低，高流速區(qū)僅存在于圖8(b)A處，且分布范圍較小.由于空氣的循環(huán)流動受到擾流柱擾動影響，流線分布較為雜亂，渦旋現(xiàn)象并不如未安裝擾流柱時強烈.

由此可見，起效工況下的擾流柱擋片可以減小空氣循環(huán)流動面積，即減小工作腔循環(huán)圓的有效直徑，起到阻礙空氣循環(huán)流動，降低空氣流速與減弱渦旋強度的作用.

3.4 壓力分布對比

當(dāng)動輪轉(zhuǎn)速為3 400 r/min時，未安裝與安裝擾流柱模型定輪葉片a、b壓力面(如圖3所示)與擾流柱擋片頂部軸面壓力分布圖，見圖9、10.

由于受到動輪流出的高速空氣沖擊，兩模型的定輪葉片壓力面根部與上端均出現(xiàn)高壓區(qū).從圖10(c)可見，由于擾流柱擋片處于定輪入口，空氣流速較高，其軸面上亦出現(xiàn)高壓區(qū).在未安裝擾流柱模型中，定輪葉片a、b壓力面的壓強分布較為相近，都呈現(xiàn)帶狀分布，且高壓區(qū)范圍較安裝擾流柱模型更大，從而對旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生更大的制動力矩;而對于安裝擾流柱模型，由于假設(shè)擾流柱在定輪上間隔均布，葉片a壓力面沒有受到擾流柱影響，其壓力分布亦呈現(xiàn)帶狀，但葉片b的壓力面受擾流柱的擾流作用，其等壓線分布不如葉片a規(guī)則，高壓區(qū)范圍也更小.

圖9 未安裝擾流柱定輪葉片壓力分布

圖10 安裝擾流柱定輪葉片與擋片壓力分布

由此可見，相比于未安裝擾流柱模型，加裝擾流柱模型的葉片壓力面整體壓強較低，且高壓區(qū)的分布范圍較小，進一步證明了擾流柱能降低空氣流速，減小空氣對葉片的沖擊，從而抑制空損效應(yīng)帶來的功率損失.

4 結(jié)論

1)根據(jù)于擾流柱在定輪上的布置形式，建立安裝擾流柱的間隔均布式周期模型與相應(yīng)的未安裝擾流柱周期模型，并對兩模型精度進行驗證，表明周期模型可以較為精確地計算出充油工況與空轉(zhuǎn)工況下的緩速器制動力矩，且計算成本低.

2)液力緩速器安裝擾流柱后，其空損值會大幅減小.在動輪轉(zhuǎn)速3 400 r/min時，空損減小幅度可達48.4%.

3)擾流柱擋片能阻礙空氣的循環(huán)流動，有效降低空氣流速，減弱渦旋強度，降低空氣對葉片的沖擊，減小空損效應(yīng)帶來的功率損失，有效提升了車輛的功率利用率.

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