黃俊剛孫偉張勝賓

（1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510650；2.深圳市特爾佳科技股份有限公司，深圳 518110）

液力緩速器制動(dòng)力矩的仿真計(jì)算與實(shí)證研究＊

黃俊剛1孫偉2張勝賓1

（1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510650；2.深圳市特爾佳科技股份有限公司，深圳 518110）

為解決現(xiàn)有液力緩速器制動(dòng)力矩仿真計(jì)算方案流場(chǎng)結(jié)構(gòu)過(guò)度簡(jiǎn)化的問(wèn)題，以VR120液力緩速器為研究對(duì)象，采用全流道計(jì)算方法開(kāi)展了不同轉(zhuǎn)速條件下的制動(dòng)力矩計(jì)算。采用扣除機(jī)械摩擦阻力矩的臺(tái)架試驗(yàn)方法實(shí)測(cè)了VR120不同轉(zhuǎn)速條件下的制動(dòng)力矩并與全流道式仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，相對(duì)誤差在9.7%以內(nèi)，證明了全流道制動(dòng)力矩仿真計(jì)算方法的可靠性。

1 前言

液力緩速器利用葉輪渦流損耗效應(yīng)將車(chē)輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為工作介質(zhì)的熱能，從而使汽車(chē)制動(dòng)減速，制動(dòng)力矩是其核心技術(shù)指標(biāo)。目前已有大量文獻(xiàn)運(yùn)用仿真計(jì)算方法對(duì)該制動(dòng)力矩進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[1]～文獻(xiàn)[3]對(duì)液力緩速器開(kāi)展了內(nèi)流場(chǎng)仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高；文獻(xiàn)[4]～文獻(xiàn)[7]對(duì)液力緩速器開(kāi)展瞬態(tài)仿真研究，得到液力緩速器制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)力矩變化曲線及瞬時(shí)流態(tài)特性；文獻(xiàn)[8]～文獻(xiàn)[16]使用仿真計(jì)算方法對(duì)液力緩速器開(kāi)展結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化分析，給出了葉片傾角、循環(huán)圓形狀及尺寸與制動(dòng)力矩之間的關(guān)系。研究人員利用仿真計(jì)算方法對(duì)液力緩速器制動(dòng)力矩的仿真計(jì)算開(kāi)展了有益的探索，取得了一定的進(jìn)展，然而，由于存在流場(chǎng)結(jié)構(gòu)過(guò)度簡(jiǎn)化的問(wèn)題，制動(dòng)力矩仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果偏差較大。

為此，本文以VR120液力緩速器為研究對(duì)象，采用全流道計(jì)算方法給出了16種轉(zhuǎn)速條件下的制動(dòng)力矩計(jì)算結(jié)果，利用扣除機(jī)械摩擦阻力矩的臺(tái)架試驗(yàn)方法對(duì)VR120進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)速條件下制動(dòng)力矩的實(shí)測(cè)，并將試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，形成一套液力緩速器制動(dòng)力矩仿真計(jì)算與驗(yàn)證方法。

2 制動(dòng)力矩的全流道式仿真計(jì)算

2.1 前處理

液力緩速器制動(dòng)過(guò)程的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在制動(dòng)工況下，轉(zhuǎn)輪13在中心軸14的帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)用戶給出緩速制動(dòng)指令后，控制閥組3將氣源管道1內(nèi)的壓縮空氣充入儲(chǔ)油箱上部，工作油液6在壓縮空氣的驅(qū)動(dòng)下沿殼體進(jìn)油槽7（a）與定輪進(jìn)油槽10（a）進(jìn)入定輪10與轉(zhuǎn)輪13對(duì)置構(gòu)成的工作腔。在高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)輪13帶動(dòng)下，工作油液在工作腔內(nèi)做渦流損耗運(yùn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)輪13上體現(xiàn)為反向的制動(dòng)力矩，進(jìn)而對(duì)車(chē)輛產(chǎn)生減速作用。液力緩速器是一種泵類裝置，渦流損耗運(yùn)動(dòng)后的高壓高溫油液經(jīng)定輪出油槽10（b）與殼體出油槽7（b）進(jìn)入翅片式換熱器油道8（a）進(jìn)行冷卻壓降，冷卻壓降后的工作油液則循環(huán)進(jìn)入定、轉(zhuǎn)輪工作腔，直至緩速制動(dòng)指令解除。在液力緩速器的流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，翅片式換熱器油道的壓降作用將影響到內(nèi)流場(chǎng)出口壓力邊界條件的設(shè)置，進(jìn)而影響到計(jì)算結(jié)果的可靠性，因此，翅片式換熱器油道的壓降作用不容忽視。

以液力緩速器流場(chǎng)總?cè)肟凇⒖偝隹跒槌槿≡催M(jìn)行流道抽取，得到全流道模型如圖2a所示，由定輪子流域、轉(zhuǎn)輪子流域、翅片式換熱器油道子流域組成。油液在定、轉(zhuǎn)輪子流域中做渦流損耗增壓運(yùn)動(dòng)，溫度升高；油液在翅片式換熱器油道子流域中得到冷卻，同時(shí)產(chǎn)生壓降。為在流道模型上將控制方程離散，必須對(duì)流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格的劃分是指在適應(yīng)流道邊界表面的條件下，將其體積劃分為許多個(gè)互不重疊的子區(qū)域單元。網(wǎng)格生成的質(zhì)量對(duì)于計(jì)算的精度、時(shí)間、收斂性都有極為密切的關(guān)系，因此，網(wǎng)格技術(shù)在整個(gè)仿真計(jì)算過(guò)程中起關(guān)鍵作用[17～18]?？紤]到液力緩速器空轉(zhuǎn)流道結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，加上各子流道為非共同體的因素，采用三棱柱/四面體與多體混合網(wǎng)格技術(shù)對(duì)流道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2b所示。網(wǎng)格畸變度均小于0.80，網(wǎng)格質(zhì)量的級(jí)別為好，滿足仿真計(jì)算要求。

2.2 制動(dòng)力矩仿真計(jì)算的控制方程

油液在轉(zhuǎn)輪帶動(dòng)下做渦流損耗運(yùn)動(dòng)，加上工作腔內(nèi)部的葉片繞流的影響，構(gòu)成了復(fù)雜的不可壓縮黏性三維湍流流動(dòng)而產(chǎn)生制動(dòng)力矩。因此，適用于產(chǎn)生該制動(dòng)力矩的流場(chǎng)區(qū)域控制方程為Navier-Stokes方程。

Navier-Stokes方程基于流體質(zhì)量守恒方程提出，描述了黏性流體的動(dòng)量守恒：

式中，Δ為拉普拉斯算子；ρ為流體密度；P為壓力；u、v、w分別為流體在t時(shí)刻，在點(diǎn)（x,y,z）處的速度分量；X、Y、Z分別為外力在流體微元上的直角坐標(biāo)分量；μ為流體的粘性系數(shù)；θ為流體的速度散度，對(duì)于不可壓縮流體，θ=0。

Navier-Stokes方程比較準(zhǔn)確地描述了實(shí)際流動(dòng)，可壓縮黏性流體的流動(dòng)分析均可歸結(jié)為對(duì)此方程的研究。由于其形式復(fù)雜，實(shí)際上只有極少量情況可以求出精確解，故產(chǎn)生了利用該控制方程進(jìn)行數(shù)值求解的方法[19～20]。

2.3 邊界條件的設(shè)定

為充分驗(yàn)證全流道仿真計(jì)算的可靠性，在全工況范圍內(nèi)均布設(shè)定了16種轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速邊界條件，其余邊界條件均為單值定量，如表1所示。

2.4 制動(dòng)力矩的仿真計(jì)算與后處理結(jié)果

適用于不可壓縮流體的求解算法有SIMPLE、SIMPLEC、PISO 3種，相對(duì)于SIMPLE、SIMPLEC算法，PISO對(duì)于復(fù)雜網(wǎng)格給出的計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確[21～23]，考慮到液力緩速器定、轉(zhuǎn)輪之間全流道式網(wǎng)格的計(jì)算量大且復(fù)雜，在仿真計(jì)算過(guò)程中采用PISO算法。運(yùn)行計(jì)算程序，分別對(duì)VR120在不同轉(zhuǎn)速工況下的流場(chǎng)進(jìn)行迭代求解，并分別對(duì)殘差與制動(dòng)扭矩值進(jìn)行收斂監(jiān)控，900 r/min典型工況下的計(jì)算收斂監(jiān)控如圖3所示。

表1 邊界條件的設(shè)定

使用Function Calculator-Torque數(shù)據(jù)后處理功能，得到如表2所示的結(jié)果。

表2 VR120液力緩速器內(nèi)流場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果

3 制動(dòng)力矩的臺(tái)架測(cè)試

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

圖4所示為制動(dòng)力矩的測(cè)試臺(tái)架，其組件參數(shù)見(jiàn)表3，試驗(yàn)樣機(jī)為福伊特VR120液力緩速器，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)與前述仿真計(jì)算模型相同。

表3 測(cè)試臺(tái)架參數(shù)

3.2 試驗(yàn)方案

采用傳遞法進(jìn)行制動(dòng)力矩的測(cè)量，傳遞方程為：

式中，Tt為臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)總阻力矩；Tp為樣機(jī)制動(dòng)力矩；Tmf為臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)機(jī)械摩擦阻力矩。

根據(jù)式（2）與前述液力緩速器制動(dòng)力矩的產(chǎn)生原理，設(shè)計(jì)了扣除機(jī)械摩擦阻力矩的臺(tái)架測(cè)試方案。試驗(yàn)樣機(jī)裝于試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行空載測(cè)試，所得測(cè)試結(jié)果為系統(tǒng)機(jī)械摩擦阻力矩，然后對(duì)樣機(jī)進(jìn)行加載制動(dòng)測(cè)試，所測(cè)結(jié)果為系統(tǒng)總阻力矩。系統(tǒng)總阻力矩與系統(tǒng)機(jī)械摩擦阻力矩的差值即為樣機(jī)制動(dòng)力矩試驗(yàn)值。

在測(cè)試中，樣機(jī)氣壓加載值為0.5 MPa，扭矩傳感器每隔0.5 s采集一次數(shù)據(jù)，持續(xù)制動(dòng)30 s后，制動(dòng)卸載，每個(gè)轉(zhuǎn)速工況下重復(fù)測(cè)試5次。

3.3 測(cè)試結(jié)果與誤差分析

按照上述預(yù)定試驗(yàn)方案，每個(gè)轉(zhuǎn)速工況取5次測(cè)試的平均值，根據(jù)式（2）得到樣機(jī)制動(dòng)力矩試驗(yàn)值。將制動(dòng)力矩試驗(yàn)值與仿真計(jì)算值的差值與試驗(yàn)值的比值定義為相對(duì)誤差，臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與仿真相對(duì)誤差如表4所示。由表4可知，在設(shè)定的16個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)上，制動(dòng)力矩仿真計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差不超過(guò)9.7%，制動(dòng)力矩仿真計(jì)算結(jié)果與臺(tái)架測(cè)試結(jié)果隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)一致。

表4 臺(tái)架測(cè)試結(jié)果與仿真相對(duì)誤差

誤差分析：

a.測(cè)量設(shè)備產(chǎn)生的誤差。試驗(yàn)中使用的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器是直接進(jìn)行參數(shù)采集的儀器，無(wú)論測(cè)量精度多高，終究會(huì)有誤差產(chǎn)生。

b.仿真計(jì)算條件設(shè)定誤差。在實(shí)際工況條件下，工作油液的溫度是變化的，進(jìn)而引起黏度改變，最終造成仿真計(jì)算結(jié)果與臺(tái)架測(cè)試結(jié)果存在一定偏差。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以VR120液力緩速器為研究對(duì)象，采用全流道仿真計(jì)算方法給出了不同轉(zhuǎn)速條件下的制動(dòng)力矩計(jì)算結(jié)果并利用臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，全流道式仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值隨轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)一致，吻合度較高，證明了全流道制動(dòng)力矩仿真計(jì)算方法的可靠性，為進(jìn)一步開(kāi)展液力緩速器制動(dòng)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了仿真計(jì)算與驗(yàn)證方法。

1 黃俊剛，李長(zhǎng)友，沈文浩，等.液力緩速器定轉(zhuǎn)子工作腔流場(chǎng)數(shù)值模擬.機(jī)床與液壓，2010，38（3）：110～112.

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3 沈文浩.液力緩速器制動(dòng)過(guò)程的理論與實(shí)驗(yàn)研究：[學(xué)位論文].廣州：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009.

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10 李雪松.基于非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)分析的車(chē)用液力緩速器參數(shù)優(yōu)化方法研究：[學(xué)位論文].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2010.

11 蓋洪超.液力緩速器參數(shù)設(shè)計(jì)及整車(chē)緩速制動(dòng)性能仿真研究：[學(xué)位論文].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2011.

12 尹利云.基于內(nèi)流場(chǎng)仿真計(jì)算的液力緩速器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究：[學(xué)位論文].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2012.

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18 Fluent Inc.FLUENT User’s Guide.USA：Fluent Inc，2003.

19 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

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21 陳雨，許志浩，馬國(guó)川.關(guān)于自然通風(fēng)CFD算法幾點(diǎn)探討.制冷與空調(diào)（四川），2011，25（1）：78～81.

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（責(zé)任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2017年1月6日。

Simulation and Experimental Validation of Braking Torque of Hydrodynamic Retarder

Huang Jungang1,Sun Wei2,Zhang Shengbin1
（1.Guangdong Communication Polytechnic,Guangzhou 510650;2.Shenzhen Terca Technology Co.,Ltd.,Shenzhen 518110）

In the braking torque calculation of existing hydraulic retarder,the flow field structure is excessively simplified.To solve this problem,VR120 hydraulic retarder was taken as the research object,braking torque was calculated under different rotational speeds with the whole-flow-passage calculation method.Test of braking torque under different rotational speeds were conducted with the combined bench test method which can deduct mechanical friction resistance moment in working condition for VR120.Through comparative analysis of test results with whole-flow-passage simulated ones,the relative error rate is within 9.7%,verifying the reliability of the whole-flow-passage simulation method.

Hydrodynamic retarder,Braking torque,Simulation,Bench test

液力緩速器 制動(dòng)力矩 仿真計(jì)算 臺(tái)架試驗(yàn)

U463.53

A

1000-3703（2017）07-0033-04

廣東省優(yōu)秀青年教師培養(yǎng)基金項(xiàng)目（YQ2013197）；深圳市特爾佳科技股份有限公司液力緩速器關(guān)鍵技術(shù)難題研究橫向科技項(xiàng)目（KYH18101）。