农用运输车用液力缓速器的设计与仿真分析

赖建生，李长友，马兴灶，方壮东

(1.华南农业大学 工程学院，广州 510642；2.广东科学技术职业学院，广东 珠海 519090)



农用运输车用液力缓速器的设计与仿真分析

赖建生1,2，李长友1，马兴灶1，方壮东1

(1.华南农业大学 工程学院，广州 510642；2.广东科学技术职业学院，广东 珠海 519090)

为解决农用运输车长时间制动造成的热衰退问题，参考THB40液力缓速器，基于相似理论设计了一款液力缓速器。计算确定了其设计制动力矩值和定转子叶轮参数，运用Pro/E构建了其三维结构，并在CFX14.5平台上以SST-kω湍流模型进行仿真计算。结果表明：制动力矩符合设计要求，流场的特征与THB40流场特征高度一致，为设计适合农用车用液力缓速器提供了借鉴。

农用运输车；液力缓速器；相似理论；制动力矩；仿真计算

0 引言

农用运输车也称低速载货汽车(GB7258-2004)，是以柴油机为动力，最高设计车速小于等于70km/h、最大设计总质量小于等于4 500kg、长小于等于6m、宽小于等于2m、高小于等于2.5m、具有4个车轮的货车，是目前农村主要的货物运输工具之一。据2014年全国国民经济和社会发展统计公报，三轮汽车和低速货车保有量为972万辆，其中52%左右为低速货车。由于我国农村道路多以丘陵山地坡陡弯多的地形为主，大多路况较差，而车辆又常超载，因此农用车必须具备足够的持续制动能力，以确保行车时的制动安全。如果仅使用主制动器持续制动， 主制动器热衰退严重， 影响行车安全[1]。历年农机事故数据表明:因制动不良造成的农机事故约占农机事故总数的50%[2]，给国家、集体和家庭都带来了巨大的损失，如2006年4月29贵州黔西南州兴义市农用车侧翻致13死12伤的特大交通事故[3]。因此，研究农用运输车的制动装置尤其是非接触式的辅助制动装置具有重要的现实意义。

目前，对农用运输车制动的研究主要集中在接触式主制动系统故障检测与维修[4-8]、性能分析[9-11]、优化设计与仿真计等方面[12-14]；而对农用运输车辅助制动系统的研究鲜有报道，仅有将传统的气压式或液压式的制动系统改装为电磁式制动系统的研究[15]。为此，本文以THB40液力缓速器为原型机，以总质量4t、额定载货量2t的农用运输车为对象，基于相似理论设计一款农用运输车用液力缓速器，计算后确定其设计制动力矩值和定转子叶轮参数，并对其行仿真计算，确定其制动力矩与流场特征，为农用运输车用液力缓速器的研究提供借鉴。

1 设计原理与计算

1.1 研究对象

农用运输车的速度最高为70km/h,因车的形式多种，大多数装配的发动机都是小于60kW的。本文以装配60kW的某款农用运输车为应用研究对象，其参数如表 1所示。

表1 某农用运输车参数

车辆下行在坡度为i(坡角为θ)的道路上，车质量为m(kg)，考虑到液力缓速器制动过程中发动机无驱动力输出，忽略发动机泵气损失，推导液力缓速器对车辆的制动减速度为[16]

(1)

其中，T为缓速器制动力矩；λ为后桥主减速比；r为轮胎半径；CD为风阻系数；A为迎风面积(m2)；u为行驶速度为(m/s)；f为滚动阻力系数。 当恒速下坡时，α 为0，此时液力缓速器的制动力矩T为

(2)

农村道路多为一般四级公路，坡度平原微丘区为5%，山岭重丘区为9%。以坡度9%、车速20km/h恒速下坡为例，将表 1的相关参数带入求得T为139.31N·m，此时车轮转速约为373r/min。

根据计算结果，对比了目前的辅助制动装置后，选用制动扭矩大、热衰退小、制动性能稳定、体积相对较小的液力缓速器。由于THB40液力缓速器是笔者研究团队与深圳市特尔佳科技股份有限公司合作研发的重载车用并联后置式(安装在变速器后端)液力缓速器，额定制动力矩4 000N·m，总体设计尺寸为610mm×343mm×578mm, 是已经过测试的合格样机，因此作为研究的原型机,如图 1所示，具体参数如表 2所示。

1.控制阀 2.温度传感器 3.换热器 4.进水口 5.油尺 6.本体部分 7.进气口图1 THB40液力缓速器样机Fig.1 The Prototype of THB40 Hydraulic Retarder表2 THB40技术参数Table 2 The Technical Parameters of THB40

参数名称单位参数值额定制动力矩N·m4000

续表2

1.2 设计原理

液力缓速器是液力元件，当两液力缓速器几何相似、运动相似和动力相似时可用相似理论，基于原型机研究样机的特性[17]。几何相似是指两液力缓速器的循环圆形状和流道相似，且相应的循环圆形状、循环圆直径、叶片出入口半径等尺寸成比例，相对应的定转子叶轮的倾角角度相等；运动相似是指两液力缓速器中的介质流动状态相似，相应点的速度方向相同大小成比例，即各相应点上介质质点的速度三角形相似；动力相似是指两液力缓速器叶轮内介质流各相应点上作用同样性质的力，作用力的大小成比例且方向相同。

1.3 设计计算

根据第四相似定律：对于几何相似的液力元件，在等倾角工况下，其制动力矩与几何尺寸和转速之间的关系为[18]。

Te=λmρgn2D5

(3)

其中，Te为制动力矩(N·m)；λm为制动力矩系数；ρ为介质密度(kg/m3)；g为重力加速度，取g=9.8N/m2；n为转子叶轮转速(r/min)；D为循环圆有效直径(m)。液力缓速器油液介质都选用壳牌SM 5W-40润滑油，15℃时的密度为851kg/m3。

设THB40液力缓速器的循环圆有效直径为Dd1=0.062m、循环圆大径为Db1=0.242m、循环圆内径为Di1=0.18m，循环圆外径为De1=0.304m，农用运输车用液力缓速器的循环圆有效直径为Dd2、循环圆大径为Db2、循环圆内径为Di2、循环圆外径为De2。THB40液力缓速器在500r/min、满充液(近似)和介质温度95℃工况时的制动力矩为2170.0N·m[19]。假定油液介质密度不随温度变化，取851kg/m3，将相关的数据代入式(3)，算出λm=1.1361。根据式(2)计算的农用运输车用液力缓速器制动力矩139.31N·m及对应的转速373r/min、油液介质密度(取851kg/m3)及λm值，由式(3)得

(4)

由相似理论可知：农用运输车用液力缓速器和THB40液力缓速器的循环圆大径、循环圆内径和循环圆外径与循环圆有效直径都是成比例的，即

(5)

将THB40的相应参数值和式(4)结果代入后求得：Db2=0.141m，Di2=0.105m，De2=0.177m。同样可以确定农用运输用液力缓速器的定转子的叶片数分别为20和25，进出油口数量与倾角与THB40相同，相关参数如表 3所示。

表3 农用运输车用液力缓速器技术参数

基于THB40液力缓速器定转子叶轮的三维结构图和表3，使用Pro/E构建农用车用液力缓速器定转子叶轮的三维图，如图2所示。

图2 农用运输车用液力缓速器定转子三维图Fig.2 The 3-Dimentional Drawing of Hydraulic Retarder’s

Blades for Farm Transport

考虑到农用运输车变速器三轴式的结构，为了安装方便，将花键与转子叶轮设计为一体式结构。

2 仿真计算与分析

2.1 仿真计算

CFD计算基于ANSYS14.5平台[20]，以定转子工作腔为研究对象，进行相应的简化，抽取全流道计算流域，如图 3所示。同时，设置为液相连续介质模型，用SST-kω双方程湍流模型[21-23]和Heat Transfer Total Energy热量传输求解模型进行数值求解[24-25]。

图 3 农用运输车用液力缓速器全流道仿真计算模型Fig.3 The Whole Passage Computational Model of Hydraulic

Retarder for Farm Transport

充液率设为100%，定转子交界面设置为流体-流体交界面，耦合方式为GGI。SST-kω双方程湍流模型的相关参数设置如下[26]：σk1=0.85，σω1=0.5，β1=0.075，γ1=0.553，σk2=1.0，σω2=0.856，β2=0.082 8，γ2=0.440，β*=0.09，κ=0.41，α1=0.31。介质温度95℃不变，油液介质粘度、定压比热容和热导率查表后分别设为0.013 06Pa·s、1 885J/kg·K、0.127W/m·K，密度按851kg/m3进行设置。液力缓速器特征长度l取其循环圆湿周直径，即l=0.018m,故湍流的强度尺度L=0.002 126m。由湍粘度计算式(6)可以算出湍粘度μt[27]，则

ω=κ0.5/(Cmu0.25*L)

(6)

其中，μt为湍粘度；κ为湍动能，取κ=0.41；ω为比耗散率；Cmu为湍流模型计算系数，取Cmu=0.09；ρ为油液介质的密度，取ρ=851kg/m3。

将以上的相关参数代入, 从350r/min开始CFD计算，然后每整百转速(即300+100N，N=1,2,3，…)计算一次，直到1 000r/min。残差设定当所有变量的残差值都小于10-3(即监控纵坐标中的1.0e-03)，且增加的求解目标制动转矩监测值无限趋于某一值时就认为计算收敛。计算完成后，运用CFD-Post提取制动制动转矩等数据。

2.2 计算结果分析

限于篇幅，选择600r/min及900r/min两种工况下的相关压力场云图进行分析，如图 4所示。

图 4 农用运输车用液力缓速器定轮流体交换面 压力场云图及压力切分区域图Fig.4 The Total Pressure Contour and ISO-Clip of

Hydraulic Retarder for Farm Transport

由图4可以看出：液力缓速器工作过程中，由于转子叶轮的转动，在循环圆的中心区域位置形成低于控制气压压力的负压区域；工作介质在压缩空气的作用下通过进油流道压入定、转轮工作腔内，并由于负压形成平衡性循环，直至停止制动控制气压降为0bar。这是液力缓速器能持续制动的关键因素，也是液力缓速器将进油口布置在负压区域的原因。因为此种设计降低了循环进油阻力，节省压缩空气，这与THB40的内流场分析结果是高度一致的[28]。由图4(a)可以看出：600r/min时交界面总压最大值为1.473e+06Pa，出现在流域边缘的外侧，最小值为-3.122e+05Pa，出现在流域靠近出油口位置。由图4(b)可以看出：900r/min时交界面总压最大值为4.861e+06Pa，出现在流域边缘的外侧，最小值为-9.980e+05Pa，出现在流域靠近出油口位置。这也说明，在满充液和介质温度为95℃工况下缓速器内流场的压力是随转速的升高而增大的，转速越高，压力越大，制动力矩也越大。

制动力矩随转速的变化曲线如图 5所示。

图 5 制动转矩-转速关系曲线(100%充液率，介质温度95℃)Fig. 5 The relation curves between brake torque and filling ratio

with 100% filling ratio and 95℃ medium temperature

将转速与制动转矩进行曲线拟合，结果表明：二次多项式函数关系具有非常好的拟合优度，拟合方程和判定系数如图5所示(P<0.01)。由图5可以看出：液力缓速器制动转矩与转速在满充液时呈二次多项式函数关系，制动转矩值随转速升高增大，与转速的平方成正比，这与用相似理论计算的结果是一致的。在375r/min时，制动力矩值为139.79 N·m ，大于农用运输车以20km/h下9%的坡度时的制动力矩139.31N·m，符合设计要求。

3 结论

1)基于相似理论，以现有成熟的THB40样机为原型机设计的农用运输车用液力缓速器的CFD仿真计算表明：内流场压力云图与ISO-clip云图与原型机云图几何相似，压力都是随转速升高增大，转速越高，压力越大。

2)CFD仿真计算显示农用运输车用液力缓速器的制动力矩与转速呈极显著二次多项式函数关系，即制动转矩值与转速值平方成正比，计算结果与相似理论计算结果一致。

3)基于相似理论，以现有成熟的样机为原型机研究农用运输车用液力缓速器是可以尝试采用的方法。CFD仿真计算表明：其制动力矩值符合农用运输车恒速制动的力矩要求。

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Design and Simulation Analysis of Hydraulic Retarder for Farm Transporter

Lai Jiansheng1,2, Li Changyou1, Ma Xingzao1, Fang Zhuangdong1

(1.College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China; 2. Guangdong Institute of Science and Technology, Zhuhai 519085, China )

In order to solve heat fade problems of farm transporter, this paper design a hydraulic retarder for farm transport vehicle by using similarity theory based on THB40 hydraulic retarder. The target value of design braking torque and the parameters of stator and rotor are confirmed after calculated, three-dimensional structure was constructed by using Pro/E, and the model was simulated on the CFX14.5 platform. The results show that the braking torque is in accordance with the design requirements, the characteristics of flow field are both the same as the THB40. The research results provide a reference for the design of hydraulic retarder of agricultural vehicle.

farm transporter; hydraulic retarder; similarity theory; braking torque; simulation calculation

2016-05-13

高等学校博士学科点专项科研基金项目(20114404110021)

赖建生(1981-)，男，广东河源人，博士研究生，(E-mail)jianshenglai@126.com。

李长友(1958-)，男，陕西蒲城人，教授，博士生导师，博士，(E-mail)lichyx@scau.edu.cn。

S229；U463.53

A

1003-188X(2017)06-0255-05