重型车辆液力缓速器空损试验研究

吴 超，徐 鸣，李慧渊，郭刘洋

(中国北方车辆研究所车辆传动重点实验室，北京100072)

液力缓速器在制动工况时的工作介质为油液，工作时，由控制系统控制充油机构向工作腔中充油，油液在动轮的带动下在工作腔中循环冲击定轮叶片，油液的温度迅速升高，此时油液的动能转化为热能，由油液带走，并通过散热器降低油液的温度.在动轮与油液的相互作用中，油液施加反作用力于动轮，产生制动力矩.而当液力缓速器在非制动工况即空转时，由于液力缓速器循环圆内存有空气，同样会像腔室内有油液一样，产生制动力矩，即产生了空转功率损失(简称空损)，这种制动作用降低了车辆的行驶效率，是我们所不希望的，而且液力缓速器的制动力矩与其转速的平方成正比，即动轮转速越高，其产生的制动力矩也就越大，使车辆在正常行驶时，提速较为困难.

本文对重型车辆用液力缓速器的空损进行了CFD仿真和试验研究，并通过设计一种挡片机构，在不影响液力缓速器制动性能的前提下，尽量降低其空损.试验结果表明，挡片机构行之有效，能够将液力缓速器的功率损失控制在一定范围内，使其满足重型车辆的使用要求.

1 液力缓速器的空损CFD仿真分析

液力缓速器充满油液时的制动功率的计算方法同样适于计算空损.当液力缓速器不充油液时，实际的工作介质为空气，其密度不随温度变化，为1.225 kg/m3.设定边界条件:定轮进口压力为1个大气压，定轮、动轮出口压力为1个大气压.将液力缓速器动轮设置为绕z轴正向旋转的区域，其旋转速度分别设置为 500、800、1 000、1 200、1 500、1 800、2 000、2 500 r/min，其余的设置为静止区域.使用K-Epsilon模型中的standard格式，压力修正方程选择SIMPLEC离散形式，动量方程等选择1阶迎风的计算格式.

将所有的边界条件、流体特性、求解动量方程、能量方程及压力修正方程等所需参数设置完毕后，根据压力入口初始化流场涡动能量、涡耗散率(初始化缺省数据均为0)，经过大量计算，最后得出计算结果如表1所示.

表1 液力缓速器CFD分析计算结果

根据功率与扭矩的关系式P=Mn/9549，计算并做出功率随转速的变化曲线，如图1所示.

图1 液力缓速器CFD仿真空损功率曲线

2 液力缓速器的空损试验研究

2.1 试验台的布置

液力缓速器的空损试验台架布置见图2.由于试验台电机转速达不到3 600 r/min，只能做到其允许的最高转速，但可以对试验结果进行当量计算，得到3 600 r/min时的空损功率.

图2 液力缓速器台架试验传动平面布置图

试验中需记录的数据及其符号说明见表2.

表2 试验中采集的信号及其符号

2.2 空损试验

启动试验台架液压系统，使系统润滑油压达到0.2～0.3 MPa，启动试验台架电机，在每个转速点稳定0.5～1.0 min后采集各转速点的试验数据，采集的试验数据包括n、M、p.液力缓速器的空损功率试验结果如图3所示，将试验与仿真结果进行对比，可见二者变化趋势基本一致.

图3 液力缓速器空损功率曲线

液力缓速器的制动功率P与其主轴转速n的三次方和其工作腔有效直径 D的五次方成正比[1]，关系式为

当液力缓速器空转时，ρ为空气的密度，λ为空气损失功率系数.

为了得到最高转速时的空损功率，根据式(1)可知，对于同一个液力缓速器在同一种介质的条件下，不同转速下功率的关系为:P1/P2=(n1/n2)3.据此，可由转速为2 520 r/min时的功率16.7 kW当量得出液力缓速器动轮转速在3 600 r/min时的空损功率为48.71 kW.可见，最高转速时，液力缓速器的空损非常大，无法满足车辆使用要求.为了克服液力缓速器空损大的缺点，设计了降低空损的挡片机构.

2.3 挡片机构的设计

从关系式(1)可见，若能减小有效直径D，其空损将大幅降低.根据这一思想，在液力缓速器的定轮上设计了一种挡片机构，来减小液力缓速器的有效直径，其原理图如图4所示.

图4 挡片机构原理示意图

当车辆处于正常行驶的非制动工况时，挡片开启(即图4中挡片与定轮所在平面平行)，挡住部分流道，相当于循环圆直径变小，起到改变空气环流的作用.而当车辆处于制动工况时，由于油液的冲击力很大，将挡片推开，挡片将与定轮叶片贴合在一起，油液进入定轮流道循环，循环圆直径与未装挡片时相同，制动力矩不受影响.当制动完成后，油液被排空，挡片回到原始位置，继续起到降低空损的作用.

根据以上理论分析，经过计算，最终所设计的挡片如图5所示.

图5 定轮上的挡片机构

2.4 安装挡片机构后的空损试验

在定轮上装上挡片机构以后，对液力缓速器再次进行空损试验.试验采集的数据同上.试验后，绘出的空损功率曲线如图6所示，图中还绘制了安装挡片前的试验曲线.

图6 液力缓速器装挡片后的空损功率曲线

同样，根据图6中动轮转速在3 000 r/min时的空损功率6.77 kW，可当量计算出装上挡片机构后，液力缓速器在最高转速3 600 r/min时的空损功率为11.7 kW.

3 结论

由图6可以看出，在采取了降低空损的措施后，液力缓速器的空损大幅减小，已经满足了车辆的使用要求，在最高转速3 600 r/min时，其空损功率减小的绝对值为37.01 kW，相对幅度为75.98%.同时，试验也验证了挡片机构对于降低空损是行之有效的，它能够将液力缓速器的功率损失控制在一定范围内，满足了重型车辆正常行驶时的功率需求.

[1] 朱经昌，魏宸官，郑慕侨.车辆液力传动[M].北京:国防工业出版社，1982.