高速液力偶合器试验平台设计及其教学应用

陈铁军, 左志钢, 刘树红, 骆 毅, 莫 莉

(清华大学 热能工程系， 北京 100084)

高速液力偶合器试验平台设计及其教学应用

陈铁军, 左志钢, 刘树红, 骆 毅, 莫 莉

(清华大学 热能工程系， 北京 100084)

针对目前国内对应用于商用汽车的高转速、小尺寸的液力偶合器的研究较为缺乏,设计、搭建了高速液力偶合器试验平台，该试验平台具有结构紧凑、测量范围广、易于装配等特点，对高速液力偶合器的研究与技术开发起到了关键的作用。同时,结合教学要求，将该试验平台应用于液力传动课程的实验，取得良好的教学效果。

液力偶合器试验平台; 高转速; 教学应用

液力偶合器是一种高效、节能的传动技术,其柔性传动的特点使其可以协调多动力机同步驱动,减轻并隔离由于工况变化而引起的冲击载荷,因此广泛应用于各种工程机械以及车辆的传动系统中。目前国内由于应用领域的水平限制[1],尚无针对商用汽车的高转速、小尺寸的液力偶合器的文献报道。常规的液力偶合器试验台目前主要用于测试低转速、大尺寸的输入、输出扭矩及转速,以及输出外特性曲线。例如,何延东[2]于大连液力偶合器厂完成的液力偶合器出厂试验,标定了待测液力偶合器在不同充液率下的运行工况,得到了实际运行的外特性曲线,有效圆直径≥300 mm,测试转速≤1 500 r/min；姚子生[3]对于输入转速为600 r/mi的液力偶合器进行了试验,得出了特性曲线,其试验的偶合器有效圆直径为356 mm,测得输入功率大约为22 kW。国外以德国福伊特(VOITH)公司技术最为先进[4-5],并提供小尺寸、高转速工况的系列产品,但因涉及技术机密,无技术可参考。

1 涡轮复合系统原理图

内燃机是目前我国应用最多的动力机械,我国燃机消耗的石油占全国石油消耗量的一半以上[6-7]。在节能减排、减少雾霾成为当今社会发展主题时,内燃机的节能减排技术的研发和应用得到了国内外广泛的关注。内燃机尾气中含大量的余热、余压能,该部分能量的品质高,具有再利用价值[8]。目前该余能回收被认为是具有最好的节能减排潜力的技术之一[9]。其工作原理如图1所示,在汽车的涡轮复合系统中,内燃机排气散失的余热、余压能通过动力涡轮转换成机械能,经液力偶合器传递给发动机曲轴,从而达到能量回收的目的。其中液力偶合器起着承前启后的关键作用,可以有效减少冲击载荷、实现负载自适应调节、柔性协调多动力输入,其输入转速≥7 000 r/min,传递功率≥40 kW。因放空间有限、整体结构紧凑,导致偶合器的工作腔有效直径≤200 mm。

图1 涡轮复合系统原理图

2 试验平台设计及应用

2.1 基本参数确定

液力偶合器的传递功率PB与转速np、工作腔有效圆直径D的关系如下：

(1)

式中:PB为泵轮功率,kW；λp为泵轮扭矩系数,s2/m；ρ为工作液体的密度,kg/m3；np为泵轮输入转速,r/min；D为工作腔有效直径,mm。

对于高转速、小尺寸液力偶合器,在大功率、高转速工况运行时易产生较大的振动以及不稳定[10-11],对试验台的稳定性、转动部件动平衡、多轴同心度等的测量、控制系统要求高,研制成本高,因此需采用降速试验。如采用常规试验台(见表1),无法满足小尺寸要求；若满足小尺寸、低速运行要求，则功率较小,会降低测量扭矩精度,同时低速工况无法真实反应高速工况偶合器内部流动特性。因此根据数值计算分析[12],高速液力偶合器试验台基本参数如表1所示。

表1 高速与常规试验平台测试参数比较

2.2 试验台的设计

根据测试的需要,液力偶合器试验台包括以下几个部分:驱动装置、加载装置、测量装置、控制系统、台架、连接零部件等,如图2所示。

驱动装置选用易于控制且精度较高的5.5 kW的四级的变频调速交流电机,最高转速可达3 000 r/min。

图2 高速液力耦合器试验平台

加载装置选用电涡流测功机,电涡流测功机相比于其他种类的加载装置而言具有动态反应速度快和易实现瞬态加载控制的优点,且结构简单、惯性小,因此符合试验的要求。

控制系统包括变频调速控制和起停控制系统,试验台的操作系统集中在控制台上,控制台设置在试验台附近,以便操作者能清楚观察试验过程。测控系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分主要由工控机、I/O 板卡、PLC 控制器、扭矩转速传感器、显示仪表等组成,其中转速扭矩传感器采用非接触式的磁电式转矩转速,精度是0.5%,量程为20 N·m。软件部分能够实时采集流量、压力、温度、转矩、转速等数据,并具备自动记录存储功能,可对采集数据进行数据处理、曲线拟合和报告打印等。

液力偶合器试验平台为了满足未来不同规格偶合器的试验需求,台架采用规格为2 500 mm×1 000 mm的定制T型槽铸铁平台,尾部采用带直线道轨移动结构。联接装置采用挠性金属元件联轴器。

2.3 试验平台误差分析

由于试验平台本身存在着非统计评定的不确定度(B类不确定度),将对试验结果的准确度造成一定的影响,因此对试验台的B类不确定度进行分析。

B类不确定度由式(2)计算:

(2)

式中:UB1为测量不确定度；UB2为为仪器不确定度。

对力矩测量,试验台的力矩测量仪最小分度d为0.01N·m,因此UB1为d/2=0.005 N·m。由于力矩测量的精度等级为0.5级,量程为20N·m,且仪器的不确定度概率分布为均匀分布。由式(3)计算得：

(3)

则力矩测量时的B类不确定度0.06 N·m。

对转速测量,试验台的转速测量仪最小分度d为1r/min,因此UB1取为d/2=0.5r/min。转速的测量精度为0.5级,量程为5 000r/min,且不确定度概率分布为均匀分布。由式(4)得：

(4)

则转速测量时的B类不确定度14.5r/min。

转速比i为

(5)

式中:nt为涡轮输入转速,r/min；np为泵轮输入转速,r/min。

令U(i)为转速比测量时的误差,则由式(5)和误差传递公式可得式：

(6)

对于每一个测量工况均用式(6)对U(i)进行计算,间接测量的转速比的相对误差界约为1%。

令λMP为泵轮力矩系数，U(λMP)为泵轮力矩系数测量时的误差,则由式(7)得误差传递公式(8)：

(7)

(8)

式中:Mp为泵轮扭矩,N·m。

对于每一个测量工况均用式(8)对U(λMP)进行计算。间接测得的泵轮力矩系数的相对误差界约为3%。

2.4 试验平台应用实例

试验平台的应用实例对象为针对973课题“高效、节能、低碳内燃机余热能梯级利用基础研究”而研发的高速液力偶合器样机,其有效圆直径为150 mm,输入转速为3 000 r/min,充液率为0.8。得到特性曲线如图3所示，图中MT为输出扭矩，η为功率。

图3 试验测得的外特性曲线

试验测得的外特性曲线的变化规律符合对样机输出性能的预估。同时在额定工况点(转速比0.96)附近,试验所测扭矩及功率与数值模拟符合较好[12]。这表明该试验台可以进行高转速、小尺寸类型的液力偶合器外特性试验,并且测量结果可靠、精度高。

3 试验平台教学转换

高速液力偶合器试验平台是科研用试验台向教学实验台转换的成功案例。液力传动课程是一门综合流体力学、机械设计等多学科知识的综合型课程,是流体机械及工程重要专业课程之一。清华大学液力传动课程其特色在于课程秉承科研、教学一体化的教学理念,课程紧密联系实际。高速液力偶合器实验台在搭建过程中与该课程教学紧密结合,贯彻《清华大学关于全面深化教育教学改革的若干意见》,多层次、高质量、全方位服务了教学工作,如图4所示。

图4 试验台转化用于实验教学综合培养体系

在第一课堂,高速液力偶合器具有测量范围广,结构紧凑,使用灵活,易于操作特点,转速及测量范围可根据实验要求进行调节,可使学生清晰、快速掌握液力偶合器的性能实验方法。结合教学要求,设计专用卡具实现快速拆装,保证安全余量,将科研额定工况转速3 000 r/min降至教学实验转速800～1 200 r/min,保证测量误差精度,将科研试验台成功应用于液力传动课程的教学实验环节,新开设综合设计型教学实验——高速偶合器试验性能研究,并为汽车液力传动系统结构分析实验教学更新了实验设备。通过实验教学环节,加深学生对于较为抽象的液力传动相关知识的理解。

在第二课堂,通过实验平台建设,搭建学生课外创新平台,强化学生全面素质培养。从方案设计伊始即积极吸引本科生、研究生参加实验台建设,完成开设SRT(大学生研究训练计划)项目“液力偶合器与动力涡轮一体化的设计”,学生通过开放式的学习和研究,增强了学习兴趣,锻炼了动手能力,开拓了创新意识。先后有13人次获清华大学学生实验室贡献奖2等2项、3等奖1项。

在第三课堂,在实验平台建设过程中,通过与相关生产厂家的广泛、深入合作,统筹建成了“大连营城液力偶合器厂”课程生产实践基地,新开实践课程——液力偶合器制造技术拓展。通过“强调特色”的课程生产基地, “以小见大”的课程实践理念,让学生感受真实世界,在实践中增强分析和解决实际问题能力。通过三个课堂的协同培养,学生感到学有所用,由被动学生到主动学习,锻炼解决实际工程问题的能力,课程选课人数由以往5人左右达到目前30人的最大课容量。

4 结论

本文设计、搭建高转速小型液力偶合器实验平台不同于常规同类型试验台,根据输入转速高、传递功率小,试验要求,对试验台参数选择、设备选型、软件开发、成本控制进行了综合优化设计,并深入探讨了实验系统误差,保证了试验精度。通过滑动导轨等的设计方案拓展了装置功能与测量范围,极大得提高了实验平台的适应性。为高速液力偶合器这种新型液力传动部件的开展基础性、前瞻性研究提供了良好的实验基础。

高速液力偶合器试验平台具有测量范围广、结构紧凑、使用灵活、易于操作特点,结合教学要求,本文将科研试验台成功应用于液力传动课程的教学实验环节。

References)

[1] 马文星, 何延东, 刘春宝. 液力传动研究现状分析与展望[J]. 农业机械学报, 2008(7): 51- 55.

[2] 何延东. 基于CFD的大功率调速型液力偶合器设计[D]. 长春:吉林大学,2009.

[3] 姚子生. 液力偶合器部分充液两相流动数值模拟与分析[D]. 长春:吉林大学,2008.

[4] 胡志强, 李颖欣. 先进传动节能 福伊特引领世界:访德国福伊特驱动技术有限公司[J]. 通用机械,2006(11):27-28.

[5] 焦玉瑞. VOITH 液力耦合器在石油和天然气工业中的应用[J]. 油气储运, 1997,16(6):56-58.

[6] 中国内燃机工业协会.中国内燃机行业2008年发展情况及2009年运行预测[J]. 现代零部件,2009(5):59-61.

[7] International Energy Agency. World Energy Outlook 2012[R].ISBN 978-92-64-18084-0,International Energy Agency, 2012.

[8] Randolph Toom. Waste Heat Regeneration systems for internal combustion engines[R]. Engine Expo, 2007.

[9] Argonne National Laboratory.FreedomCAR and Vehicle Technologies Heavy Vehicle Program FY 2006 Benefits Analysis: Methodology and Results - Final Report[R].Argonne National Laboratory, 2005.

[10] 刘应诚,杨乃乔. 液力偶合器实用手册[M].北京:化学工业出版社,2008:426.

[11] 匡襄. 液力传动[M]. 北京: 机械工业出版社, 1982.

[12] 骆翼. 高速小型液力偶合器内部流场数值模拟及性能预测[D].北京:清华大学,2014.

Design of high-speed hydraulic coupler test platform and its teaching application

Chen Tiejun, Zuo Zhigang, Liu Shuhong, Luo Yi, Mo Li

(Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Aiming at the lack of research on the small-sized and high-speed hydraulic coupler applied to commercial vehicles, the test platform for the high-speed hydraulic coupler is designed and constructed. The platform has the characteristics of compact construction，wide measuring range，easy assembly, etc., playing a key role in the research and development of the high-speed hydraulic coupler. At the same time, combined with the teaching requirements, the test platform is applied to the experiment of Hydraulic Transmission course, which achieves the good teaching effect.

hydraulic coupler test platform; high rotation speed; teaching application

10.16791/j.cnki.sjg.2017.02.023

2016-08-18

国家重点基础研究发展计划项目(2011CB707204)

陈铁军(1981—) 男,辽宁朝阳，硕士，工程师，从事流体机械实验研究与教学.

E-mail：ctj@mail.tsinghua.edu.cn

TH137.3

A

1002-4956(2017)2-0084-04