液力減速器動態(tài)制動性能預(yù)測分析

袁 哲，馬文星，盧秀泉，胡 晶，楊珊珊

(1.吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，長春130022;2.北京旋極信息技術(shù)股份有限公司，北京100083)

液力減速器現(xiàn)已成為車輛傳動系統(tǒng)中非常重要的輔助制動裝置。當(dāng)前的車輛逐步向重載與高速的方向發(fā)展，僅依靠輪轂?zāi)Σ疗@種傳統(tǒng)的制動方式已達(dá)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(jié)構(gòu)、可靠的性能等優(yōu)勢已廣泛應(yīng)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(shè)計指標(biāo)，在產(chǎn)品設(shè)計階段必須全面預(yù)測并評價其制動性能［1－3］。

早期在工程實際中主要應(yīng)用一維束流理論結(jié)合經(jīng)驗對液力減速器進(jìn)行初步設(shè)計，樣機(jī)的制動性能必須依賴臺架試驗進(jìn)行預(yù)測［4－5］。隨著計算機(jī)和計算流體力學(xué)的發(fā)展，CFD數(shù)值模擬成為液力減速器設(shè)計環(huán)節(jié)中的有效手段。從目前查閱的文獻(xiàn)來看，主要是通過CFD數(shù)值模擬液力減速器內(nèi)部流場對其流道結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化并對其全充液狀態(tài)下的制動特性進(jìn)行預(yù)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(tài)，并且在緊急制動工況下，工作腔內(nèi)的工作液體需要在很短的時間內(nèi)充滿，滿足緊急制動要求，如何準(zhǔn)確預(yù)測其動態(tài)制動性能是產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)鍵問題。本文采用CFD數(shù)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(shè)和簡化，并對其動態(tài)制動性能進(jìn)行分析和預(yù)測。

1 液力減速器結(jié)構(gòu)與工作原理

液力減速器由定子、轉(zhuǎn)子以及快速充放油機(jī)構(gòu)等組成。定子和轉(zhuǎn)子組成了液力減速器的主體結(jié)構(gòu)(見圖1)。定子與轉(zhuǎn)子共同組成工作腔，液力減速器的動輪由傳動系統(tǒng)帶動旋轉(zhuǎn)，定子固定在箱體上。液力減速器工作時，當(dāng)轉(zhuǎn)子輸入轉(zhuǎn)速一定時，通過充放油機(jī)構(gòu)控制充油量的多少控制其制動力矩。充放油機(jī)構(gòu)向工作腔中快速充油，油液在轉(zhuǎn)子葉片帶動下在工作腔中循環(huán)沖擊，在油液和轉(zhuǎn)子相互作用下，油液向轉(zhuǎn)子施加反作用力，從而產(chǎn)生制動力矩。油液的動能最終全部轉(zhuǎn)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(dāng)時車速的同時，在有效范圍內(nèi)自動調(diào)節(jié)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(dāng)駕駛員撥動減速器分檔開關(guān)時，液力減速器的電子控制系統(tǒng)發(fā)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(jìn)入儲油箱，箱中的工作油在壓力的作用下經(jīng)過進(jìn)油口進(jìn)入液力減速器的工作腔中。根據(jù)實際工況，如果駕駛員增加檔位，電磁比例閥壓縮氣體所產(chǎn)生的壓力也隨之增大，從而導(dǎo)致油箱中進(jìn)入工作腔內(nèi)的油量增加。而當(dāng)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(nèi)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(nèi)為復(fù)雜的氣液兩相流動。目前研究兩相流動特性仍從連續(xù)介質(zhì)模型出發(fā)，將其中每相都看作由連續(xù)質(zhì)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(zhì)量守恒和能量守恒等基本定律。在利用CFD數(shù)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(yīng)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(jù)液力減速器內(nèi)部氣液兩相流動的特征和計算的穩(wěn)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(xù)方程可以表示為:

為第k相體積分?jǐn)?shù)。

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(guān)鍵因素是流道的幾何參數(shù)，主要由循環(huán)圓形狀、循環(huán)圓直徑、葉片數(shù)目、葉片傾角以及進(jìn)、出油口位置等組成。本文以循環(huán)圓直徑為300mm的液力減速器為基型，在循環(huán)圓直徑不變的前提下以提高制動力矩系數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，基于CFD技術(shù)對原樣機(jī)的流道結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)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(shù)為36個，定輪葉片數(shù)為34個，葉片型式為直葉片，葉片前傾角均為40°，進(jìn)、出油口均設(shè)在定輪上，10個進(jìn)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(qū)域使用T/Grid混合網(wǎng)格進(jìn)行體劃分網(wǎng)格，得到的全流道網(wǎng)格模型如圖4所示，網(wǎng)格單元總數(shù)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(tài)流場進(jìn)行三維數(shù)值模擬時，定子和轉(zhuǎn)子交互面采用滑動網(wǎng)格技術(shù)解決流體計算中兩個不同區(qū)域的相互交互作用。計算中選擇分離式求解器，采用標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)格式做空間離散處理。邊界條件采用壓力進(jìn)口，出流邊界條件。

圖4 全流道網(wǎng)格模型Fig.4 M esh model of full port

2.3 動態(tài)制動性能CFD仿真方法

液力減速器的動態(tài)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(nèi)充液率由0%增加到100%的時間內(nèi)制動力矩的變化情況。應(yīng)用CFD數(shù)值模擬方法對液力減速器的動態(tài)制動性能進(jìn)行預(yù)測時，首先計算當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一定，制動力矩隨著充液率增加時的變化情況，再確定達(dá)到每個目標(biāo)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(guān)系。

在考慮CFD數(shù)值模擬計算量的同時為了保證預(yù)測動態(tài)制動性能結(jié)果的準(zhǔn)確性，在充液率在0% ～100%的區(qū)間內(nèi)，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(zhuǎn)速工況下的制動力矩CFD計算結(jié)果。依據(jù)液力減速器工作時快速充放油機(jī)構(gòu)的工作原理，每個目標(biāo)充液率對應(yīng)一個穩(wěn)定的進(jìn)油口壓力，而出油口壓力在達(dá)到目標(biāo)充液率前發(fā)生動態(tài)變化。通過大量的CFD計算表明，當(dāng)進(jìn)油口油壓設(shè)置為定值，出油口油壓在小范圍內(nèi)變化時，對CFD計算的制動力矩結(jié)果影響不大。本文的液力減速器的進(jìn)油口油壓范圍為0.12～0.32 MPa。本文對每個計算工況點，設(shè)置的進(jìn)油口壓力與充液率按照線性關(guān)系一一對應(yīng)。

3 特性計算結(jié)果及分析

3.1 充油時間

液力減速器進(jìn)油口的充油量由壓力調(diào)節(jié)閥控制。假設(shè)在充油過程中，液力減速器的進(jìn)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(nèi)液體的增加量等于進(jìn)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(nèi)，液力減速器工作腔內(nèi)的充液量

式(3)中的工作腔容積V為28×10－4m3，進(jìn)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(jìn)、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(yīng)的進(jìn)口速度。由此得到進(jìn)口速度與充液率關(guān)系曲線(見圖5)。經(jīng)過數(shù)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(guān)系曲線如圖6所示。

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

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

使用Matlab軟件進(jìn)行二次擬合后，得到的曲線函數(shù)為:

將擬合得到的結(jié)果代入式(3)中進(jìn)行計算。從0時刻開始，經(jīng)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(jìn)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(guān)系曲線如圖7所示。

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

3.2 排油時間

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

同理，應(yīng)用Matlab軟件對其進(jìn)行求解，可得到排油所需時間為0.22 s。

以上采用數(shù)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(jìn)、出油口的設(shè)計和改進(jìn)具有非常重要的意義。

3.3 性能分析

通過對液力減速器內(nèi)流場數(shù)值模擬計算出在轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/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(guān)系(見圖8)。

圖8 制動力矩與充液率關(guān)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(diào)遞增的規(guī)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(tài)制動曲線。由圖9可知，在動態(tài)制動過程中制動力矩單調(diào)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(tài)制動過程在1.9 s內(nèi)結(jié)束。

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

4 結(jié)束語

本文采用CFD數(shù)值模擬的方法，提出優(yōu)化后的液力減速器流道模型，通過對快速充放油機(jī)構(gòu)工作原理的分析，在一定的假設(shè)和簡化的基礎(chǔ)上，對優(yōu)化后的液力減速器模型的動態(tài)制動性能進(jìn)行預(yù)測。本文提出的動態(tài)制動性能預(yù)測方法可以全面預(yù)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(tài)制動性能曲線還需與試驗結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的對比。本文的工作為液力減速器在產(chǎn)品設(shè)計階段全面評價液力減速器的制動性能提供了方法。

［1］時軍，過學(xué)迅.車用液力減速制動器的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.車輛與動力技術(shù)，2001(4):52－57.

SHIJun，Guo Xue－xun.The actuality and trend of development on hydraulic retarder using in vehicle［J］. Vehicle and Power Technology，2001(4):52－57.

［2］楊凱華，鄭慕僑，閻清東，等.車輛傳動中液力減速器的技術(shù)發(fā)展［J］.工程機(jī)械，2001(6):32－36.

YANG Kai－h(huán)ua，ZHENG Mu－qiao，YAN Qing－dong，et al.Technical development of hydraulic retarder in vehicle drive line［J］.Construction Machinery and Equipment，2001(6):32－36.

［3］金毅，項昌樂，馬躍.車用液力減速技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展趨勢分析［J］.機(jī)床與液壓，2007，35(10):186－188.

JIN Yi，XIANG Chang－le，MA Yue.Development and prospect of hydraulic retarder［J］.Machine Tool and Hydraulics，2007，35(10):186－188.

［4］魯毅飛，顏和順，項昌樂，等.車用液力減速器制動性能的計算方法［J］.汽車工程，2003，25(2):182－185.

LU Yi－fei，YAN He－shun，XIANG Chang－le，et al.The calculationmethod for braking performance of vehicular hydraulic retarder［J］.Automotive Engineering，2003，25(2):182－185.

［5］王峰，閻清東，喬建剛.液力減速器制動性能的計算方法［J］.起重運輸機(jī)械，2006(5):24－27.

WANG Feng，YAN Qing－dong，QIAO Jian－gang.Calculation method of braking performance of hydraulic retarder［J］.Hoisting and Conveying Machinery，2006 (5):24－27.

［6］王峰，閆清東，馬越，等.基于CFD技術(shù)的液力減速器性能預(yù)測研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2007，19(6): 1390－1396.

WANG Feng，YAN Qing－dong，MA Yue，et al.Prediction and analysis on hydraulic retarder performance based on CFD technology［J］.Journal of System Simulation，2007，19(6):1390－1396.

［7］何仁，嚴(yán)軍，魯明.不同流道軸面形狀的液力緩速器內(nèi)流場的模擬［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2009，21(24): 7743－7746.

HE Ren，YAN Jun，LU Ming.Simulation of inner flow field of hydraulic retarder of different channel section shape［J］.Journal of System Simulation，2009，21(24): 7743－7746.

［8］嚴(yán)軍，何仁.液力緩速器葉片變角度的緩速性能分析［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2009，40(4):206－209.

YAN Jun，HE Ren.Performance analysis for hydrodynamic retarder with different vanes［J］.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2009，40(4):206－209.

［9］魏巍，李慧淵，鄒波，等.液力減速器制動性能及其兩相流分析方法研究［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報，2010，30 (11):1281－1285.

WEIWei，LIHui－yuan，ZOU Bo，et al.Study on braking performance and analysis of two－phase flow in vehicular hydraulic retarder［J］.Transactions of Beijing Institute of Technology，2010，30(11):1281－1285.

［10］李雪松.基于非穩(wěn)態(tài)流場分析的車用液力緩速器參數(shù)優(yōu)化方法研究［D］.長春:吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，2009.

LI Xue－song.Research on the parameter optimization method of automotive hydraulic retarder based on unsteady flow field analysis［D］.Changchun:College of Automotive Engineering，Jilin University，2010.

［11］楊珊珊.汽車液力減速器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與動態(tài)特性預(yù)測［D］.長春:吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，2011.

YANG Shan－shan.Structural parameter optimization and dynamic characteristics prediction of automotive hydrodynamic retarders［D］.Changchun:College of Mechanical Science and Engineering，Jilin University，2011.