一种农用车辆液力缓速器外壳的散热性能数值模拟
2010-09-05何剑飞李长友杨素平曹玉华
何剑飞 李长友 杨素平 曹玉华
(华南农业大学 工程学院,广州 510642)
一种农用车辆液力缓速器外壳的散热性能数值模拟
何剑飞 李长友 杨素平 曹玉华
(华南农业大学 工程学院,广州 510642)
本文以一种农用车辆液力缓速器的外壳作为研究对象,利用有限元技术对其散热性能作了数值模拟,掌握了其基本散热的规律,提出了散热筋板在液力缓速器壳体设计时应该根据温度云图来分布加入并根据其散热规律对其结构的改进提出了设计的依据。
液力缓速器;有限元;散热;数值模拟
0 引 言
农用车辆液力缓速器工作介质泄漏,制动力矩波动,是国产农用车辆液力缓速器不能产业化应用的关键技术问题。由于液力缓速器的工作腔内功热转换、热质传递的过程复杂,工作过程中不仅存在工作介质外露,同时还存在不同于一般情况的内漏。出现外漏不仅造成工作介质严重损耗,污染机器和环境,同时显著影响其制动效果,危及汽车行驶安全,出现内漏必然引起缓速器容积效率急剧下降,液体工作压力降低,严重时会造成缓速器工作失效。制动力矩波动则会导致在车辆刹车时制动产生顿挫感,不平稳的制动对车辆的行驶安全有着极大的威胁。而影响泄漏及制动力矩波动的关键因素之一是缓速器整机工作温度的稳定性。因此,弄清液力缓速器内流场热力分布及壳体散热的规律、说明功热转换传递机理,能为有效的改进整机的设计提供设计的依据是开发国产液力缓速器的当务之急。
本文阐述了利用有限元分析技术,对一款试验样机的外壳进行了数值模拟,掌握了该款样机外壳散热的基本性能,并模拟其散热时温度场分布的基本规律,从而对样机的壳体散热性能进行结构改进提出设计的依据。
1 液力缓速器能量转换过程概述
缓速器参与制动时所产生的热量,除了通过工作液流出腔体通过换热器带走外,部分热
量通过传热从壳体向外散出,因此良好散热结构的壳体能够使到整机迅速地降温,保证工作液的稳定的物性,从而有效的确保工作时缓速器性能的稳定以及良好的密封性能。公交车刹车的时间间隔频率按平均八分钟来计算,那么也就是说在这段时间内温度必须降到正常值,在制动的时候温度迅速升高,必须在这个时候把热量迅速带走才能保证良好的辅助的制动性能。
缓速器在制动的时候能量交换的方式:工作液在腔体内产生的阻力距最终转化为热量的形式,大部分热量通过换热器散发到空气中,另外热量传到壳体管道,还有使到工作液的温度升高,并保存在油箱里面。
Qt=Qh+Qg+Qy+Qk
Qt— 缓速器制动时产生的总热量;
Qh— 换热器所带走的热量;
Qy— 油箱的油所吸收的热量;
Qg— 管道所吸收的热量;
Qk— 缓速器外壳所吸收的热量。
2 液力缓速器壳体散热数值模拟
2.1 液力缓速器传热分析理论
液力缓速器热分析遵循热力学第一定律,即能量守恒定律,对于一个封闭的系统(没有质量的流入或流出)
Q−W=∆U+∆KE+∆PE
式中:Q—热量;
W—作功;
∆U—系统内能;∆KE— 系统动能;∆PE— 系统势能。
对液力缓速器传热问题: ∆KE= ∆PE=0;通常不考虑做功:W=0,则Q=∆U;对于稳态热分析:Q=∆U=0;即流入的热量等于流出的热量。
对于稳态热分析:,即流入流出的热传递速率q等于系统内能的变化。如果系统的净流滤为0,即流入体统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量:q流入+q生成-q流出=0,则系统热稳态。
在稳态热分析中,任一节点的温度不随时间变化。稳态热分析的能量平衡方程为(以矩阵形式表示):
式中:[K] —传导矩阵,包含热系数、对流系数及辐射和形状系数;
{T}—节点温度向量;
{Q}—节点热流率向量,包括热生成。瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程,在这个过程中系统的温度、热流率、热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化。根据能量守恒原理,瞬态热平衡可以表达为(以矩阵形式表示):
式中:[K] — 传导矩阵,包含热系数、对流系数及辐射和形状系数;
[C] —比热矩阵,考虑系统内能的增加;
{T}—节点温度向量;
{T’}—温度对时间的导数;
{Q}—节点热流率向量,包括热生成。
2.2 液力缓速器散热有限元分析
根据本项目在深圳公交车上的试验统计,在市区行走的时候,平均每天制动的次数大概在5000---7000次左右,装在车上的缓速器参与辅助制动的频率基本跟这个数值一样。由于工作频率还是比较高,缓速器的壳体温度不断地产生周期性的变化,其表现过程为,正常行驶时温度与环境温度相同,制动时,壳体温度会因为受到制动时所产生的热,从腔体内部通过热传递的形式而发生变化。制动解除后,壳体温度在理论状态下应该与环境温度相等。
根据能量守衡的原则,减速器参与制动的时候,所减少的动能,除了磨擦损失和冲击损失之外,大部分的能量会转化成热能,为了研究方便,假设所减少的动能完全转化为热能,假设壳体初始温度为250°C,壳体材料为45号钢。
分析的时候为了分析的方便,去掉对分析结果影响不大的一些结构,例如壳体的圆角,孔和螺纹部分,以保证分析的时候网格画分的准确性和分析结果的顺利收敛。
本壳体采用的单元体是Thermal mass Solid87。划分结构如图 1。划分后单元体的总数目是 29675,网格节点共55247.无散热筋结构的壳体划分后单元体的总数目是24375,网格节点共49268。
图1 有限元单元图
2.2.1 液力缓速器稳态热分析
对壳体进行稳态热分析,从温度场分布图当中可以看出,当壳体处于稳态的时候,,出现最高温度的地方在安装转子的行腔内靠外径的部位,见图2。原因在于由于转子参与制动的时候所产生的热量,此部位最靠近热源,热量首先通过传递的方式传到此部位,并且不断的补充。轴心位置温度为最高的温度。
从壳体外表面温度场分布图见(图2)可得,外表面稳态散热的情况:基本呈现出由壳体轴心沿径向向外温度依次下降,温度的最低点出现在散热筋上面。表面散热的方式,由于在缓速器参与制动的时候,汽车在行驶的状态,壳体表面与空气热交换的方式主要是对流方式,在一定的行驶速度下,空气对流加快,表面散热的速度比壳体内部快,因此壳体表面的温度比壳体内部的温度低。
图2 稳态温度场云图
2.2.2 液力缓速器瞬态热分析
从温度云图 3,4中可以得出,壳体瞬态散热的规律为在轴心位置为高温区,这与实际情况相吻合,因此应该在不影响性能的前提下加入筋板结构以增大散热的面积,加快此处的散热速度。壳体温度的分布基本是从以壳体的圆心为中点,径向方向从中点向外温度依次递减。壳体轴向温度的分布,从装转子的腔体向外,轴向温度场以此递减。
图3 T=25秒时温度场
选取壳体温度最低点的数据作为分析壳体散热的特征,可以得到图5,从温度的曲线图中可以得出,壳体温度最高点的散热曲线数值模拟图基本呈指数规律,在温度高的时候,壳体散热速度快,在0-250秒这区间内,壳体的温度迅速的下降,随着壳体温度的降低,由于温差的减少,散热的速度随即减慢。
图5 最低温度点散热曲线图
3 结 论
液力缓速器制动性能的稳定性直接影响着商用客车行驶的舒适性和安全性,其中的油液温度、壳体温度是表征其制动性能的综合参数。利用计算机有限元分析法,对液力缓速度器的功热转换特性、壳体的传热特性分析研究的结果表明:
1)为了提高液力缓速器散热的性能,液力缓速器壳体结构中的筋板分布应该为非对称结构,设计时应该在高温区域添加,其筋板结构分布规律应该与温度云图相对应。
2)在靠近轴心位置,由于此位置附件温度为高温区,应该增加散热筋板结构以增大其散热面积,加快散热的速度。
图4 T=171秒时温度场
选取壳体温度最高点的数据作为分析壳体散热的特征,可以得到图6,从温度的曲线图中可以得出,壳体温度最高点的散热曲线数值模拟图基本呈指数规律,在温度高的时候,壳体散热速度快,在0-250秒这区间内,壳体的温度迅速的下降,随着壳体温度的降低,由于温差的减少,散热的速度随即减慢。
图6 最高温度点散热曲线图
[1]埃恩霍克.汽车制动系统[M].北京:机械工业出版社, 1998, 10-35.
[2]陈荫山,余强,马健等. 辅助制动试验研究[J].西安公路交通大学学报, 2000, (2):69-70.
[3]谌彪,张赞牢.静密封条件下 Y形橡胶密封圈有限元分析[J].润滑与密封, 2009, (3):73-75.
[4]范守林.福伊特液力缓速器(上)[J].商用汽车,2004, (8): 75-77.
[5]范守林.福伊特液力缓速器(下)[J].商用汽车,2004, (9): 75-79.
[6]何怀波. 工程设计分析的有限元法进展[J].重庆工学院学报, 2000, 14(4):103-107.
[7]贺吉凡.密封件安装时的注意事项[J].汽车运用,2009, (3): 42-42.
[8]黄迷梅.液压气动密封与泄漏防治[M].北京:机械工业出版社,2003,45-68.
(责任编校:刘志壮)
U463.5
A
1673-2219(2010)08-0012-03
2010-04-19
深圳特尔佳股份有限公司与华南农业大学合作的横向项目。
何剑飞,男,湖南桃江市人,实验师,研究方向:机械CAD/CAM/CAE技术的应用研究和计算机虚拟仿真技术的研究。李长友,男,山西人,教授,科研副院长,博士生导师。