高速液力偶合器試驗平臺設計及其教學應用

陳鐵軍, 左志鋼, 劉樹紅, 駱 毅, 莫 莉

(清華大學 熱能工程系， 北京 100084)

高速液力偶合器試驗平臺設計及其教學應用

陳鐵軍, 左志鋼, 劉樹紅, 駱 毅, 莫 莉

(清華大學 熱能工程系， 北京 100084)

針對目前國內對應用于商用汽車的高轉速、小尺寸的液力偶合器的研究較為缺乏,設計、搭建了高速液力偶合器試驗平臺，該試驗平臺具有結構緊湊、測量范圍廣、易于裝配等特點，對高速液力偶合器的研究與技術開發起到了關鍵的作用。同時,結合教學要求，將該試驗平臺應用于液力傳動課程的實驗，取得良好的教學效果。

液力偶合器試驗平臺; 高轉速; 教學應用

液力偶合器是一種高效、節能的傳動技術,其柔性傳動的特點使其可以協調多動力機同步驅動,減輕并隔離由于工況變化而引起的沖擊載荷,因此廣泛應用于各種工程機械以及車輛的傳動系統中。目前國內由于應用領域的水平限制[1],尚無針對商用汽車的高轉速、小尺寸的液力偶合器的文獻報道。常規的液力偶合器試驗臺目前主要用于測試低轉速、大尺寸的輸入、輸出扭矩及轉速,以及輸出外特性曲線。例如,何延東[2]于大連液力偶合器廠完成的液力偶合器出廠試驗,標定了待測液力偶合器在不同充液率下的運行工況,得到了實際運行的外特性曲線,有效圓直徑≥300 mm,測試轉速≤1 500 r/min；姚子生[3]對于輸入轉速為600 r/mi的液力偶合器進行了試驗,得出了特性曲線,其試驗的偶合器有效圓直徑為356 mm,測得輸入功率大約為22 kW。國外以德國福伊特(VOITH)公司技術最為先進[4-5],并提供小尺寸、高轉速工況的系列產品,但因涉及技術機密,無技術可參考。

1 渦輪復合系統原理圖

內燃機是目前我國應用最多的動力機械,我國燃機消耗的石油占全國石油消耗量的一半以上[6-7]。在節能減排、減少霧霾成為當今社會發展主題時,內燃機的節能減排技術的研發和應用得到了國內外廣泛的關注。內燃機尾氣中含大量的余熱、余壓能,該部分能量的品質高,具有再利用價值[8]。目前該余能回收被認為是具有最好的節能減排潛力的技術之一[9]。其工作原理如圖1所示,在汽車的渦輪復合系統中,內燃機排氣散失的余熱、余壓能通過動力渦輪轉換成機械能,經液力偶合器傳遞給發動機曲軸,從而達到能量回收的目的。其中液力偶合器起著承前啟后的關鍵作用,可以有效減少沖擊載荷、實現負載自適應調節、柔性協調多動力輸入,其輸入轉速≥7 000 r/min,傳遞功率≥40 kW。因放空間有限、整體結構緊湊,導致偶合器的工作腔有效直徑≤200 mm。

圖1 渦輪復合系統原理圖

2 試驗平臺設計及應用

2.1 基本參數確定

液力偶合器的傳遞功率PB與轉速np、工作腔有效圓直徑D的關系如下：

(1)

式中:PB為泵輪功率,kW；λp為泵輪扭矩系數,s2/m；ρ為工作液體的密度,kg/m3；np為泵輪輸入轉速,r/min；D為工作腔有效直徑,mm。

對于高轉速、小尺寸液力偶合器,在大功率、高轉速工況運行時易產生較大的振動以及不穩定[10-11],對試驗臺的穩定性、轉動部件動平衡、多軸同心度等的測量、控制系統要求高,研制成本高,因此需采用降速試驗。如采用常規試驗臺(見表1),無法滿足小尺寸要求；若滿足小尺寸、低速運行要求，則功率較小,會降低測量扭矩精度,同時低速工況無法真實反應高速工況偶合器內部流動特性。因此根據數值計算分析[12],高速液力偶合器試驗臺基本參數如表1所示。

表1 高速與常規試驗平臺測試參數比較

2.2 試驗臺的設計

根據測試的需要,液力偶合器試驗臺包括以下幾個部分:驅動裝置、加載裝置、測量裝置、控制系統、臺架、連接零部件等,如圖2所示。

驅動裝置選用易于控制且精度較高的5.5 kW的四級的變頻調速交流電機,最高轉速可達3 000 r/min。

圖2 高速液力耦合器試驗平臺

加載裝置選用電渦流測功機,電渦流測功機相比于其他種類的加載裝置而言具有動態反應速度快和易實現瞬態加載控制的優點,且結構簡單、慣性小,因此符合試驗的要求。

控制系統包括變頻調速控制和起?？刂葡到y,試驗臺的操作系統集中在控制臺上,控制臺設置在試驗臺附近,以便操作者能清楚觀察試驗過程。測控系統由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分主要由工控機、I/O 板卡、PLC 控制器、扭矩轉速傳感器、顯示儀表等組成,其中轉速扭矩傳感器采用非接觸式的磁電式轉矩轉速,精度是0.5%,量程為20 N·m。軟件部分能夠實時采集流量、壓力、溫度、轉矩、轉速等數據,并具備自動記錄存儲功能,可對采集數據進行數據處理、曲線擬合和報告打印等。

液力偶合器試驗平臺為了滿足未來不同規格偶合器的試驗需求,臺架采用規格為2 500 mm×1 000 mm的定制T型槽鑄鐵平臺,尾部采用帶直線道軌移動結構。聯接裝置采用撓性金屬元件聯軸器。

2.3 試驗平臺誤差分析

由于試驗平臺本身存在著非統計評定的不確定度(B類不確定度),將對試驗結果的準確度造成一定的影響,因此對試驗臺的B類不確定度進行分析。

B類不確定度由式(2)計算:

(2)

式中:UB1為測量不確定度；UB2為為儀器不確定度。

對力矩測量,試驗臺的力矩測量儀最小分度d為0.01N·m,因此UB1為d/2=0.005 N·m。由于力矩測量的精度等級為0.5級,量程為20N·m,且儀器的不確定度概率分布為均勻分布。由式(3)計算得：

(3)

則力矩測量時的B類不確定度0.06 N·m。

對轉速測量,試驗臺的轉速測量儀最小分度d為1r/min,因此UB1取為d/2=0.5r/min。轉速的測量精度為0.5級,量程為5 000r/min,且不確定度概率分布為均勻分布。由式(4)得：

(4)

則轉速測量時的B類不確定度14.5r/min。

轉速比i為

(5)

式中:nt為渦輪輸入轉速,r/min；np為泵輪輸入轉速,r/min。

令U(i)為轉速比測量時的誤差,則由式(5)和誤差傳遞公式可得式：

(6)

對于每一個測量工況均用式(6)對U(i)進行計算,間接測量的轉速比的相對誤差界約為1%。

令λMP為泵輪力矩系數，U(λMP)為泵輪力矩系數測量時的誤差,則由式(7)得誤差傳遞公式(8)：

(7)

(8)

式中:Mp為泵輪扭矩,N·m。

對于每一個測量工況均用式(8)對U(λMP)進行計算。間接測得的泵輪力矩系數的相對誤差界約為3%。

2.4 試驗平臺應用實例

試驗平臺的應用實例對象為針對973課題“高效、節能、低碳內燃機余熱能梯級利用基礎研究”而研發的高速液力偶合器樣機,其有效圓直徑為150 mm,輸入轉速為3 000 r/min,充液率為0.8。得到特性曲線如圖3所示，圖中MT為輸出扭矩，η為功率。

圖3 試驗測得的外特性曲線

試驗測得的外特性曲線的變化規律符合對樣機輸出性能的預估。同時在額定工況點(轉速比0.96)附近,試驗所測扭矩及功率與數值模擬符合較好[12]。這表明該試驗臺可以進行高轉速、小尺寸類型的液力偶合器外特性試驗,并且測量結果可靠、精度高。

3 試驗平臺教學轉換

高速液力偶合器試驗平臺是科研用試驗臺向教學實驗臺轉換的成功案例。液力傳動課程是一門綜合流體力學、機械設計等多學科知識的綜合型課程,是流體機械及工程重要專業課程之一。清華大學液力傳動課程其特色在于課程秉承科研、教學一體化的教學理念,課程緊密聯系實際。高速液力偶合器實驗臺在搭建過程中與該課程教學緊密結合,貫徹《清華大學關于全面深化教育教學改革的若干意見》,多層次、高質量、全方位服務了教學工作,如圖4所示。

圖4 試驗臺轉化用于實驗教學綜合培養體系

在第一課堂,高速液力偶合器具有測量范圍廣,結構緊湊,使用靈活,易于操作特點,轉速及測量范圍可根據實驗要求進行調節,可使學生清晰、快速掌握液力偶合器的性能實驗方法。結合教學要求,設計專用卡具實現快速拆裝,保證安全余量,將科研額定工況轉速3 000 r/min降至教學實驗轉速800～1 200 r/min,保證測量誤差精度,將科研試驗臺成功應用于液力傳動課程的教學實驗環節,新開設綜合設計型教學實驗——高速偶合器試驗性能研究,并為汽車液力傳動系統結構分析實驗教學更新了實驗設備。通過實驗教學環節,加深學生對于較為抽象的液力傳動相關知識的理解。

在第二課堂,通過實驗平臺建設,搭建學生課外創新平臺,強化學生全面素質培養。從方案設計伊始即積極吸引本科生、研究生參加實驗臺建設,完成開設SRT(大學生研究訓練計劃)項目“液力偶合器與動力渦輪一體化的設計”,學生通過開放式的學習和研究,增強了學習興趣,鍛煉了動手能力,開拓了創新意識。先后有13人次獲清華大學學生實驗室貢獻獎2等2項、3等獎1項。

在第三課堂,在實驗平臺建設過程中,通過與相關生產廠家的廣泛、深入合作,統籌建成了“大連營城液力偶合器廠”課程生產實踐基地,新開實踐課程——液力偶合器制造技術拓展。通過“強調特色”的課程生產基地, “以小見大”的課程實踐理念,讓學生感受真實世界,在實踐中增強分析和解決實際問題能力。通過三個課堂的協同培養,學生感到學有所用,由被動學生到主動學習,鍛煉解決實際工程問題的能力,課程選課人數由以往5人左右達到目前30人的最大課容量。

4 結論

本文設計、搭建高轉速小型液力偶合器實驗平臺不同于常規同類型試驗臺,根據輸入轉速高、傳遞功率小,試驗要求,對試驗臺參數選擇、設備選型、軟件開發、成本控制進行了綜合優化設計,并深入探討了實驗系統誤差,保證了試驗精度。通過滑動導軌等的設計方案拓展了裝置功能與測量范圍,極大得提高了實驗平臺的適應性。為高速液力偶合器這種新型液力傳動部件的開展基礎性、前瞻性研究提供了良好的實驗基礎。

高速液力偶合器試驗平臺具有測量范圍廣、結構緊湊、使用靈活、易于操作特點,結合教學要求,本文將科研試驗臺成功應用于液力傳動課程的教學實驗環節。

References)

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Design of high-speed hydraulic coupler test platform and its teaching application

Chen Tiejun, Zuo Zhigang, Liu Shuhong, Luo Yi, Mo Li

(Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Aiming at the lack of research on the small-sized and high-speed hydraulic coupler applied to commercial vehicles, the test platform for the high-speed hydraulic coupler is designed and constructed. The platform has the characteristics of compact construction，wide measuring range，easy assembly, etc., playing a key role in the research and development of the high-speed hydraulic coupler. At the same time, combined with the teaching requirements, the test platform is applied to the experiment of Hydraulic Transmission course, which achieves the good teaching effect.

hydraulic coupler test platform; high rotation speed; teaching application

10.16791/j.cnki.sjg.2017.02.023

2016-08-18

國家重點基礎研究發展計劃項目(2011CB707204)

陳鐵軍(1981—) 男,遼寧朝陽，碩士，工程師，從事流體機械實驗研究與教學.

E-mail：ctj@mail.tsinghua.edu.cn

TH137.3

A

1002-4956(2017)2-0084-04