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车用液力缓速器设计理论和控制方法的研究

严军  
【摘要】: 本文以制动力矩系数最大、启效时间短及恒转矩工作范围大作为液力缓速器设计的目标,着重做了以下工作: 在分析和阐述液力缓速器工作特性的基础上,运用CFD技术,建立了液力缓速器单流道模型。为部分充液工况的流场的初始化奠定了基础。 调整液力缓速器的结构参数,达到最大制动力矩系数的目的;得出叶片数为36,前倾角度为55°,循环圆形状为长圆形时制动力矩系数最大。 以最大制动力矩系数的结构参数建模,全充液工况下,在考虑叶片强度的前提下,根据液力缓速器斜直叶片的结构特点,运用坐标变换、曲面拟合等方法,得到了叶片表面的压力随局部坐标变化的分布函数,根据拟合的压力分布函数,编制APDL加载程序,将叶片表面分布载荷施加到所建立的有限元模型中,从而实现了对压力载荷作用下的液力缓速器叶片强度精确分析。确定额定制动力矩及额定转速,当转速大于额定转速应设计为恒转矩工作范围,以免工作轮叶片过载。 在部分充液工况下,采用Mixture多相流模型对部分充液工况下的气-液两相流动进行了数值模拟,得出充液率的变化影响流场的压降。通过数值模拟与试验对比,分析了出入口压差、充液率与制动力矩之间的变化规律,并结合全充液工况的计算结果,建立了基于流场分析的液力缓速器制动力矩控制模型。 采用电磁比例阀的气压控制系统,能够满足车用液力缓速器快速响应的控制要求,并对其控制原理和工作过程作了简介。 对装有液力缓速器的车辆制动过程进行动力学分析,建立了整车联合制动的数学模型,该数学模型包含的子模型有:汽车制动过程的动力学模型、主制动装置的制动力模型,液力缓速器的制动力模型。利用MATLAB/SIMULINK模块化建模软件,编写S函数模拟真实的恒速下坡制动特性。为有效预测装有液力缓速器车辆的整车制动性能提供可行方法。 本文的创新点在于: (1)将液力缓速器动静交界面定义为内部边界,有效解决了液流出入口在同一平面内的问题,建立了液力缓速器流场计算的稳态模型,引入损失分析的方法,使得流场分析更为深入。 (2)液力缓速器空转时数值模拟的结果与试验值迥异的根本原因是:循环腔内还存在着部分油液而不是以空气为介质的单相流,再加上传动链中的机械摩擦损失。 (3)当缓速器的有效直径和动轮转速相同时,影响缓速能力的主要因素是在流场中是否形成涡旋,形成的涡旋强度越大,缓速能力就越强。以定轮的质量平均螺旋度作为衡量制动能力的量化指标,为液力缓速器的设计提供一种新方法。 (4)对液力缓速器工作叶轮进行有限元分析,计算中不仅考虑了液力缓速器工作时的离心载荷,还引入了三维流场计算时所得的叶片工作时的流动载荷,利用坐标变换、曲面拟合以及基于单元的分布载荷加载方法,实现了流固耦合中数据交换,确定额定制动力矩M_N及对应的转速n_N,在超过n_N转速后,制定恒转矩工作的制动原则,以免工作轮过载。 (5)利用Mixture多相流模型,对液力缓速器部分充液工况下的气液两相流场进行了数值模拟,得到充液率与流场压降的函数关系,建立了全工况下液力缓速器制动力矩控制模型。


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