畢業(yè)設(shè)計（論文）-汽車液力緩速器設(shè)計與分析

頁共31頁1.緒論重型汽車運輸一直是我國貨物運輸行業(yè)的主要運輸方式之。近年來，我國交通公路事業(yè)發(fā)展迅速，道路質(zhì)量得到極大改善，汽車技術(shù)也在不斷進步，所以車輛的平均行駛速度也在不斷提高。但是重型汽車載重量大，慣性大，制動距離長。尤其是我國山區(qū)和丘陵等坡路路面較多，道路狀況極為復(fù)雜，因此需要頻繁或者長時間持續(xù)制動，這就對重型車的制動系統(tǒng)提出了極為嚴格的要求。當(dāng)前由于行車制動器失靈而導(dǎo)致的交通事故越來越頻繁，傳統(tǒng)制動方式的局限性和缺陷也越來越明顯。對載重量較大的商用汽車而言，雖然制動防抱死系統(tǒng)(ABS)、電子制動力分配系統(tǒng)(EBD)、剎車輔助系統(tǒng)(EBA)等技術(shù)的應(yīng)用大大提高了制動系統(tǒng)的穩(wěn)定性和川一靠性，但是制動器摩擦片過快磨損和制動器熱衰退現(xiàn)象依然是困擾汽車制動安全的兩大瓶頸，前者導(dǎo)致使用成本增加，并存在制動安全隱患，而后者則嚴重降低了汽車制動效能。因此，非常有必要在重型車上安裝輔助制動裝置，以提高重型車的制動安全性。1.1汽車液力輔助制動系統(tǒng)概述目前應(yīng)用于汽車的輔助制動系統(tǒng)種類很多，比如:液壓輔助制動、液力輔助制動、電渦流輔助制動、發(fā)動機排氣制動、永磁式緩速制動、自勵式緩速制動、空氣阻力緩速制動、牽引電機緩速制動等。本文主要介紹汽車上最常用液力輔助制動。液力輔助制動是重型載貨車以及中大型客車采用非常廣泛的種輔助制動方式，而液力輔助制動的主要實現(xiàn)方式就是液力緩速器緩速制動。液力緩速器的主體結(jié)構(gòu)是對相對放置的葉輪，分別叫做轉(zhuǎn)子和定子，轉(zhuǎn)子通常和變速器輸出軸相連而自由轉(zhuǎn)動，定子通常與緩速器殼體相連而固定不動。液力緩速器是種耗能元件，通過轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)帶動工作腔內(nèi)的油液運動，油液沖擊到固定不動的定子后，其動能轉(zhuǎn)換為熱能，這部分熱能通過緩速器的熱循環(huán)系統(tǒng)耗散到大氣中，從而產(chǎn)生制動作用。1.2液力緩速器概述1.2.1液力緩速器結(jié)構(gòu)組成與工作原理液力緩速器工作時將汽車行駛的動能轉(zhuǎn)化為熱能，之后通過熱循環(huán)系統(tǒng)將熱能耗散到大氣中，從而實現(xiàn)輔助制動功能。其結(jié)構(gòu)原理簡圖如圖1.3所示。1—驅(qū)動軸；2—動輪；3—減速器殼體；4—進油口5—出油口；6—定輪；7—閥片；8—軸承圖1.3液力緩速器結(jié)構(gòu)簡圖液力緩速器主要由工作腔、散熱系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)以及電控單元等部分組成。液力緩速器工作腔的主體結(jié)構(gòu)由對相對放置的定子和轉(zhuǎn)子組成，轉(zhuǎn)子和變速器輸出軸相連，定子與緩速器殼體相連。當(dāng)液力緩速器工作時，轉(zhuǎn)子與汽車變速器輸出軸同速轉(zhuǎn)動，定子與緩速器殼體相連而固定不動。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動帶動工作腔內(nèi)的油液旋轉(zhuǎn)沖擊定子葉輪，定子對油液產(chǎn)生個反作用力矩，該力矩作用到轉(zhuǎn)子上，從而使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降低，即變速器輸出軸轉(zhuǎn)速降低，亦即車速降低，實現(xiàn)緩速制動作用。液力緩速器散熱系統(tǒng)的主要構(gòu)成部件是個熱交換器，由于液力緩速器在使用過程中將汽車的動能轉(zhuǎn)換為熱能，所以其在工作時會產(chǎn)生大量熱量。如果熱量聚集于緩速器工作腔內(nèi)不能及時散發(fā)掉，則會導(dǎo)致油溫過高，轉(zhuǎn)子和定子產(chǎn)生熱變形等不良后果，所以液力緩速器的散熱系統(tǒng)好壞對于緩速器的性能和使用有著直接的影響。液力緩速器工作腔內(nèi)的油液通過出油口排出，經(jīng)過熱交換器散熱以后，通過進油口重新進入緩速器工作腔進行循環(huán)。液力緩速器的熱交換器與發(fā)動機冷卻系統(tǒng)共用發(fā)動機的冷卻水進行冷卻，但是由于液力緩速器和發(fā)動機一般不是同時工作的，所以兩者共用一套冷卻系不會增加發(fā)動機的熱負荷。液力緩速器的進氣系統(tǒng)的主要作用是向緩速器油槽內(nèi)提供定的氣壓，給油液進入緩速器工作腔提供動力。進氣系統(tǒng)主要由氣源、壓力閥、油槽、控制器等組成。當(dāng)緩速器工作時，根據(jù)駕駛員提供的緩速器檔位信號，控制器控制壓力閥給緩速器油槽提供一定壓力，該壓力將油槽中的油液壓入緩速器工作腔，從而產(chǎn)生緩速作用。液力緩速器電控單元的作用是根據(jù)各種輸入信號判定緩速器的工作檔位，從而向進氣系統(tǒng)壓力閥提供電信號，控制進氣壓力的大小，調(diào)節(jié)進入緩速器工作腔內(nèi)的液壓油的多少。1.2.2液力緩速器優(yōu)缺點液力緩速器是應(yīng)用最為普遍的汽車輔助制動方式之一，其優(yōu)點如下：1)能夠提供更大的制動力矩根據(jù)液力緩速器的工作特點，其能提供的輔助制動力矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的平方成正比，同時還和其循環(huán)圓直徑的五次方成正比。大型汽車的緩速器循環(huán)圓直徑可以選擇大一些，所以緩速器提供的制動力矩也相應(yīng)較大，緩速效果也更明顯。同時，現(xiàn)代重型汽車的動力性不斷增強，行駛車速不斷提高，因此液力緩速器產(chǎn)生的制動力矩也就相對越大，輔助制動效果更為明顯。2)適用于長時間持續(xù)制動液力緩速器利用液壓油的反沖作用來使得汽車變速器輸入軸轉(zhuǎn)速減慢，在輔助制動過程中液壓油產(chǎn)生的熱量經(jīng)由散熱器循環(huán)帶走，因此其不存在長時間制動時的熱衰退現(xiàn)象，很適合長時間的持續(xù)制動。3)可提高汽車制動的舒適性裝備液力緩速器的汽車在制動時可以大大減少采用行車制動器的次數(shù)，因此可以_節(jié)省駕駛員的體力，并且能夠使駕駛員更加集中注意力。同時，液力緩速器輔助制動減少了汽車制動沖擊和噪聲。此外，液力緩速器能夠提供平穩(wěn)的制動力矩，從而也大大提高了車輛在制動減速過程中的乘坐舒適性。4)能減少行車制動器摩擦片更換頻率并提高汽車環(huán)保性能裝備液力緩速器的汽車在制動時可以大大減少行車制動器的使用，這就使得制動器摩擦片使用壽命大大延長，從而減少了汽車的使用和維護成本。雖然一次性投入成本高一些，但是在后期使用中會逐漸顯現(xiàn)出其性價比優(yōu)勢。由于液力緩速器為非接觸式制動，且減少了行車制動器的使用頻率，所以其使用可以明顯減少行車制動器制動時產(chǎn)生的粉塵，減少了摩擦片粉塵對環(huán)境的污染。與此同時，液力緩速器也存在著一些缺點，主要有如下幾個方面:1)車速較低時的制動能力較差由于液力緩速器的制動力矩和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的平方成正比，故其也與車速的平方成正比，所以當(dāng)車速下降時，液力緩速器的制動力矩下降會以二次方的速度減小。因此，在低速制動時，液力緩速器的制動性能很差，一般當(dāng)汽車車速降低到某較低值時，液力緩速器便會退出工作，此時結(jié)合使用行車制動器使汽車停止。2)存在一定的泵氣損失當(dāng)液力緩速器工作腔內(nèi)沒有工作油液時，其不能產(chǎn)生輔助制動力矩。由于液力緩速器轉(zhuǎn)子和汽車變速器輸出軸相連，所以汽車行駛過程中轉(zhuǎn)子始終處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，這使得工作腔內(nèi)的空氣產(chǎn)生循環(huán)流動，從而造成能量損失，該能量損失稱之為泵氣損失，其大約占汽車傳遞功率的40%左右。泵氣損失會損耗發(fā)動機能量，使汽車油耗增加。有些液力緩速器設(shè)有專門減少泵氣損失的結(jié)構(gòu)，在液力緩速器不工作時，該結(jié)構(gòu)能減少工作腔中空氣的循環(huán)流動。3)因加裝液力緩速器而使整車成本增加目前車用液力緩速器相當(dāng)大部分都是依賴于進口，價格較為昂貴，雖然在后期使用中能收回附加成本，但是一時消費者觀念還難以跟上，所以現(xiàn)階段我國液力緩速器在車上的應(yīng)用還是相對較少。1.2.3液力緩速器分類液力緩速器按照其功能可以分為兩類，一種是牽引制動型，另一種是單一制動型。每一大類還可以繼續(xù)細分，具體分類如圖1.5所示。單一制動型的液力緩速器只是在汽車需要輔助制動時起到提供輔助制動力矩的作用，而牽引制動型液力緩速器除了能起到緩速作用外，還可以在汽車牽引工況起到傳遞動力的作用。圖1.5液力緩速器的分類1.3液力緩速器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外對液力緩速器研究工作開展較旱，技術(shù)應(yīng)用也較為成熟。許多國家都有相關(guān)的法律法規(guī)，比如，前西德規(guī)定九噸以上的貨車和五噸以上的客車都必須裝備輔助制動裝置，這就大大促進了液力緩速器的發(fā)展和應(yīng)用。在北美、歐洲、日本等發(fā)達國家，液力緩速器的裝車率己經(jīng)很高，軌道列車、重型卡車、中大型客車以及工程車輛上已有很多應(yīng)用。目前國外最知名的研究和生產(chǎn)液力緩速器的企業(yè)主要有德國的福伊特(VOITH)公司，采埃孚(ZF)公司，美國的艾利遜(ALLISON)公司，瑞典的斯堪尼亞(SCANIA)公司等。德國福伊特公司早在1961年就生產(chǎn)了第一臺用于火車上的液力緩速器，目前該公司己經(jīng)開發(fā)了利用水作為介質(zhì)的液力緩速器，該類型的液力緩速器和發(fā)動機冷卻系統(tǒng)共用一種介質(zhì)，大大簡化了緩速器的結(jié)構(gòu)。德國采埃孚公司生產(chǎn)的液力緩速器為整體式液力緩速器，其和變速器共用一套液壓油路和散熱系統(tǒng)，這就大大簡化了整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，減小了整車質(zhì)量。而美國艾利遜公司生產(chǎn)的液力緩速器已經(jīng)有50多年的歷史，其產(chǎn)品系列齊全，可靠性好，并廣泛應(yīng)用于商用汽車以及軍用車輛?？傮w而言，這幾家公司對液力緩速器研究起步早，技術(shù)成熟，產(chǎn)品全面，可靠性高，占據(jù)了全球液力緩速器市場相當(dāng)大部分的份額。國內(nèi)對液力緩速器研究起步較晚，研發(fā)能力差、產(chǎn)品種類單一、應(yīng)用范圍窄，總體研究水平和國外仍然有著較大的差距。但是隨著國家法律法規(guī)的完善，以及國家、企業(yè)、科研院所等對液力緩速器的重視，我國液力緩速器的研發(fā)水平也在大幅提高。華中科技大學(xué)曾經(jīng)進行過液力緩速器的樣機試制工作，其通過液力計算法制作了樣機，并進行了相關(guān)的性能試驗。北京理工大學(xué)對牽引制動型液力變矩器進行了相關(guān)研究，吉林大學(xué)液力傳動研究所對重型車用智能電控液力緩速器關(guān)鍵零部件開發(fā)和控制系統(tǒng)開發(fā)進行了深入研究，并取得了可喜的成果。目前國內(nèi)生產(chǎn)和研究液力緩速器的企業(yè)還比較少，大部分企業(yè)還處在模仿和試制階段，而且規(guī)模較小。其中深圳特爾佳集團在09年的第七屆北京國際客車及零部件展覽會上推出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的液力緩速器，這款液力緩速器外形尺寸小、重量輕，熱穩(wěn)定性好，耗電少。這款緩速器總體技術(shù)水平較高，填補了國內(nèi)緩速器市場多項空白。但總體來說，我國液力緩速器產(chǎn)品種類少，且應(yīng)用少，技術(shù)上也不成熟。相比來說我國在液力緩速器的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用上都大大落后于國外。1.4本文研究意義和研究內(nèi)容汽車的制動安全性一直是人們所關(guān)注和關(guān)心的話題，尤其對于重型汽車來說，其自身載重量大，慣性大，對制動系統(tǒng)要求更高。這些車輛只有行車制動器往往是不夠的，還需要配備輔助制動裝置來提高制動性能。而液力緩速器因其重量小，制動力矩大，適合長時間持續(xù)制動等優(yōu)點得到了廣泛應(yīng)用。本文的主要研究內(nèi)容如下所示:1)介紹較為常用液力輔助制動。分析液力緩速器的結(jié)構(gòu)組成和工作原理及行業(yè)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。2)分析與液力緩速器相關(guān)的基礎(chǔ)理論，主要包括液力理論和制動理論。在液力理論部分，分析在液力計算時常用的一維束流理論，并詳細推導(dǎo)利用液力計算法求解液力緩速器制動力矩的過程，介紹相似設(shè)計理論，且對不同充液率時的液力緩速器制動力知情況進行分析。3)以液力緩速器設(shè)計方法為基礎(chǔ)，對液力緩速器參數(shù)進行相似設(shè)計并利用液力計算法建立起液力緩速器緩速制動仿真模型。

2.液力緩速器參數(shù)設(shè)計2.1液力緩速器設(shè)計方法通常液力緩速器的設(shè)計方法有相似設(shè)計法、理論設(shè)計法、統(tǒng)計經(jīng)驗法和反求設(shè)計法等。其中統(tǒng)計經(jīng)驗法是指根據(jù)大量己有液力緩速器原型的統(tǒng)計參數(shù)來自行設(shè)計符合使用性能的液力緩速器，該方法可以借鑒成熟產(chǎn)品的經(jīng)驗和參數(shù)，能在一定程度上縮短開發(fā)周期。反求設(shè)計法是指利用逆向技術(shù)來對某款液力緩速器進行逆向設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上進行修改，從而達到節(jié)省時間和節(jié)約費用的目的。理論設(shè)計法是在設(shè)計要求的約束下，利用液力理論來對液力緩速器進行全新設(shè)計，使之能夠擁有較好的性能。要設(shè)計的液力緩速器主要參數(shù)有循環(huán)圓形狀，循環(huán)圓內(nèi)外徑尺寸，葉片形狀、數(shù)目、傾角、楔角等。以上這些是液力緩速器的參數(shù)設(shè)計，在設(shè)計好相關(guān)性能參數(shù)后，還需要開發(fā)液力緩速器的控制系統(tǒng)，設(shè)計零部件結(jié)構(gòu)等。在此基礎(chǔ)上制造出樣機后，需要對樣機進行反復(fù)試驗，通過試驗來驗證其性能能否滿足設(shè)計要求。一般情況下，第一次設(shè)計所得到的樣機很難有優(yōu)異的性能，需要在前一輪設(shè)計和試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上進行修改，然后再進行試驗。不斷反復(fù)這個過程，直到所制造的樣機擁有良好的性能。因此，采用理論計算法進行液力緩速器的設(shè)計時，需要耗費大量人力和物力，并且需要個很長的周期才能完成。相似設(shè)計方法是在較為成熟的液力緩速器產(chǎn)品的基礎(chǔ)上根據(jù)相似理論來進行液力緩速器的設(shè)計。根據(jù)緩速器要求的制動力矩的不同，利用相似原理計算出液力緩速器的循環(huán)圓直徑，并對樣機進行放大或者縮小。2.2液力緩速器參數(shù)設(shè)計根據(jù)第二章所述的相似原理，對成熟的液力緩速器樣機進行放大或者縮小相似設(shè)計。本文將針對法士特FH400B型液力緩速器和一汽解放駿威J5K卡車，設(shè)計符合本車使用的液力緩速器的主要參數(shù)。相似設(shè)計方法的主要設(shè)計步驟如下所示:1)進行液力緩速器的選型。參考國內(nèi)外較為成熟的液力緩速器產(chǎn)品，選擇適合的原樣機。2)根據(jù)設(shè)計要求，計算新設(shè)計液力緩速器的循環(huán)圓直徑。根據(jù)液力緩速器制動力矩計算公式，求得新樣機的循環(huán)圓內(nèi)外徑尺寸；3)根據(jù)原樣機循環(huán)圓直徑和新設(shè)計緩速器循環(huán)圓直徑，求出相似設(shè)計的比例常數(shù);4)根據(jù)該比例常數(shù)和相似設(shè)計方法相關(guān)公式，求出工作輪過流部分的尺寸和參數(shù)。按照上述步驟，本文采用的原樣機是德國法士特公司生產(chǎn)的FH400B型液力緩速器。該型液力緩速器具有尺寸小、重量輕、緩速力矩大等優(yōu)點，是款很成熟且性能優(yōu)異的液力緩速器產(chǎn)品，故選用它作為原樣機，對其進行相似設(shè)計，其結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示。圖2.1FH400B液力緩速器結(jié)構(gòu)圖在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速約為n=1200r/min的時候，該液力緩速器產(chǎn)生其最大制動力矩N·m，其轉(zhuǎn)子最高轉(zhuǎn)速為2800r/min。液力緩速器質(zhì)量為102kg，采用的液壓油為CF-4發(fā)動機用潤滑油，油液密度為p=860kg/，油液運動黏度為v=12/s，工作腔容積為9L。其轉(zhuǎn)子和定子的相關(guān)參數(shù)如表2.1所示。表2.1法士特FH400B型液力緩速器轉(zhuǎn)子和定子相關(guān)參數(shù)零件名稱循環(huán)圓外徑（毫米）葉片數(shù)葉片厚度（毫米）葉片前傾角度（度）進油口個數(shù)出油口個數(shù)循環(huán)圓內(nèi)徑（毫米）轉(zhuǎn)子296362.84000168定子29334340106168該液力緩速器在充液率為100%時的輔助制動力知特性曲線如圖2.2所示:圖3.2FH400B型液力緩速器輔助制動力矩特性曲線根據(jù)第二章所述理論，該液力緩速器的最大力矩制動系數(shù)為:(2.1)由于新樣機是按照FH400B型液力緩速器相似設(shè)計而來，所以其最大制動力矩系數(shù)與原樣機相同，也為踢。本文所選取的整車車型為中國第一汽車集團公司生產(chǎn)的一汽解放駿威J5K卡車，其變速器各檔位速比如下表所示:表2.2解放CA6T123變速器個檔位速比檔位123456R速比6.5153.9162.3451.4281.0000.8136.060該變速器的最大輸入扭矩約為，故變速器所能承受的最大扭矩為。液力緩速器產(chǎn)生輔助制動作用時，由于其轉(zhuǎn)子軸和變速器輸出軸相連，所以變速器要承受因液力緩速器輔助制動而產(chǎn)生的緩速力矩?？紤]到如果采用發(fā)動機制動和液力緩速器聯(lián)合制動時的發(fā)動機制動扭矩，從變速器輸出軸到輸入軸的速比以及變速器的扭矩安全系數(shù)，所以與本車相匹配的液力緩速器的最大制動扭矩應(yīng)該小于變速器的最大承受扭矩。根據(jù)發(fā)動機制動扭矩的大小、變速器輸出軸到輸入軸的速比和變速器扭矩余量，可以得知，所設(shè)計液力緩速器的最大緩速力矩約為，且該扭矩也是在緩速器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為的時候獲得的。對液力緩速器進行相似設(shè)計，所設(shè)計新緩速器樣機的循環(huán)圓直徑為:mm(2.2)原樣機的循環(huán)圓內(nèi)徑為mm,所以其循環(huán)圓內(nèi)外徑的比值為:(2.3)對于相似設(shè)計的液力緩速器而言，循環(huán)圓內(nèi)外徑比值與原樣機相同，所以新設(shè)計液力緩速器的循環(huán)圓內(nèi)徑為:mm(2.4)在相似設(shè)計時，葉片的傾角和楔角等參數(shù)均與原樣機相同，而其它幾何尺寸參數(shù)可以通過原樣機的尺寸和相似比例常數(shù)來確定。根據(jù)相似原理，本相似設(shè)計的比例常數(shù)為:(2.5)2.3液力緩速器輔助制動仿真模型根據(jù)第二章的理論分析，用液力計算法求解液力緩速器的緩速制動力矩時，需要計算其葉輪及液流流道的相關(guān)幾何參數(shù)。1)幾何參數(shù)假設(shè)油液在緩速器工作輪流道內(nèi)軸而流速為勻速流分布，可以得知：(2.6)其中:為葉輪入口處的流道寬度(m);為計十輪出口處的流道寬度(m);R為葉輪循環(huán)圓外半徑(m);r為葉輪循環(huán)圓內(nèi)半徑(m);為葉輪入口處的中央軸面流線半徑(m);為計十輪出口處的中央軸面流線半徑(m)。2)液流的軸面分速度油液通過轉(zhuǎn)子時的理論能頭為:(2.7)其中:為轉(zhuǎn)子角速度(rad/s);為液流的軸而分速度(m/s);為葉輪出口處的液流夾角，其與葉片傾角的關(guān)系為。液流沿程阻力損失為:(2.8)其中，沿程阻力損失系數(shù)一般可以取0.22-0.34。液流沖擊阻力損失為:(2.9)其中:為沿程沖擊阻力系數(shù)，一般可以取0.8-1.4;為葉輪入口處的液流夾角，其與葉片傾角的關(guān)系為。根據(jù)能量平衡原理有:(2.10)將式2.6-2.9代入式2.10即可求得液流的軸而分速度。3)循環(huán)流量Q循環(huán)流量計算公式為:(2.11)其中為葉輪過流斷面的面積，。4)輔助制動力矩根據(jù)第二章的分析，液力緩速器的輔助制動力矩為:(2.12)其中,為液流出口處的絕對速度，為液流入口處的絕對速度，。利用matlab/simulink軟件，根據(jù)以上分析可以建立液力緩速器輔助制動力矩的仿真模型。圖3.2液力緩速器輔助制動仿真模型該模塊可以利用液力計算法計算出液力緩速器產(chǎn)生的輔助制動力矩，該模塊的輸入?yún)?shù)主要有循環(huán)圓內(nèi)外徑尺寸、葉片傾角、沿程阻力系數(shù)、沖擊阻力系數(shù)、充液率和轉(zhuǎn)子角速度等。改變液力緩速器的充液率就可以得到其在不同充液率時的制動力矩。2.4本章小結(jié)本章主要介紹了液力緩速器常用的幾種設(shè)計方法、建立了matlab/simulink仿真模型，并結(jié)合一汽解放駿威J5K卡車，進行了液力緩速器相關(guān)主要參數(shù)的設(shè)計。

3.液力緩速器流體特性分析3.1液力緩速器流體特性分析的理論基礎(chǔ)3.1.1束流理論工作油液在液力偶合器工作腔內(nèi)的流動是非常復(fù)雜的，是一種三維粘性不可壓湍流運動。在離心力的旋轉(zhuǎn)作用和流道的約束下，油液在做沿葉輪流道的相對運動的同時，也做隨著葉輪旋轉(zhuǎn)的牽連運動，所以油液的絕對運動為相對運動和牽連運動的矢量和，其總體表現(xiàn)形式為一種封閉的空間螺旋運動。另外，液力緩速器一般沒有內(nèi)循環(huán)流道，所以工作液的流動就更加復(fù)雜。就當(dāng)前的流體力學(xué)和液力理論研究水平來看，對三維流動的研究還不是很成熟，應(yīng)用也比較少。在計算中，通常采用較為成熟的束流理論(一維流場理論)來進行計算和分析，在束流理論計算的基礎(chǔ)上再進行修正，其計算結(jié)果和精度也基本能滿足要求。束流理論一般要做如下假設(shè):1)葉輪中的總液流是由無限多一維流束組成的，而且它們關(guān)于流動軸又是對稱的。2）假設(shè)葉輪計葉片數(shù)目無窮多，而且葉片厚度為無限薄。3)在同一過流斷面上的各個質(zhì)點的軸面速度相等。因此所有的計算都可以按照平均流線來進行。4)假設(shè)每個工作葉輪入口處的液流狀況取決于前一個工作輪出口的液流狀況。5)假設(shè)每個工作葉輪入口處的液流狀況的變化不影響工作葉輪出口的液流狀況。以上五個假設(shè)條件就構(gòu)成了束流理論的前提和基礎(chǔ)，根據(jù)這幾個假設(shè)條件，可以把液力偶合器內(nèi)復(fù)雜的三維流動簡化成相對簡單的一維流動。原來工作液在工作腔內(nèi)復(fù)雜的流動被簡化成理想液體的無限多完全相同流束的一維流動。一維束流理論計算量小，易于學(xué)習(xí)，而且設(shè)計周期短，并且能較好的反應(yīng)樣機特性，特別適合在工程實際中應(yīng)用。但在實際應(yīng)用時，需要在一維束流理論的基礎(chǔ)上對其計算結(jié)果進行修正，進而可以得到令人滿意的結(jié)果。計算時，取工作腔內(nèi)的油液為研究對象，用動量矩定理來分析和計算工作輪進出口處的速度三角形，并分析工作輪所受力矩大小。為了符號統(tǒng)一，容易辨別，在本章下文中與定子相關(guān)的參數(shù)用下標S表示，與轉(zhuǎn)子相關(guān)的參數(shù)用下標R表示。液力緩速器的葉片一般有徑向直葉片和傾斜葉片兩種，徑向直葉片結(jié)構(gòu)如圖3.1所示，傾斜葉片結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。采用徑向直葉片的緩速器葉片有如下特點:葉輪的進出口都成徑向放射形狀，如果用回轉(zhuǎn)曲面來切割工作輪的話，那么它的平面展開圖上葉片與截面的相交線和外環(huán)與截面的相交線互相垂直。采用傾斜葉片的緩速器葉片則有如下特點:葉輪的進出口都成徑向放射形狀，但是其每個葉片所在的平面和進出口處的軸面有一個夾角，即葉片傾角。如果用回轉(zhuǎn)曲面來切割工作輪的話，那么它的平面展開圖上葉片與截面的相交線和外環(huán)與截面的相交線之間有個夾角。如果工作輪的旋轉(zhuǎn)方向和葉片的傾斜方向相同，那么就稱之為葉片前傾;相反，如果工作輪的旋轉(zhuǎn)方向和葉片的傾斜方向相反，那么就稱之為葉片后傾。液力緩速器一般都采用具有前傾葉片的葉輪，因為在相同尺寸的情況下，前傾葉片的葉輪能提供更大的制動力矩。上述論述的進一步分析如下:圖3.1徑向直葉片圖3.2前傾葉片1）徑向直葉片力矩特性分析圖3.3轉(zhuǎn)子軸面圖和正向剖視圖采用徑向直葉片的轉(zhuǎn)子的軸面圖和正向剖視圖如圖3.3所示。下面分析在穩(wěn)定工況時，液力緩速器徑向直葉片的運動情況以及其所受力矩情況。首先對液力緩速器進行如下假設(shè):緩速器內(nèi)部充滿工作油液，且轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速為。轉(zhuǎn)子進出口半徑，和處產(chǎn)生的牽連速度分別為，和，工作油液相對于葉片的相對運動速度分別為，和。另外，根據(jù)速度三角形原理，相對速度和牽連速度合成的絕對速度為,牽連速度和絕對速度為、之間的夾角為。以單個葉片為研究對象，油液在出口處的速度分別為絕對速度，牽連速度和相對速度心。轉(zhuǎn)子入口處的絕對速度則取決于定子出口處的絕對速度，并且轉(zhuǎn)子入口處的絕對速度，可以由轉(zhuǎn)子相對速度，和牽連度求得。根據(jù)動量矩原理可知，作用在轉(zhuǎn)子葉片上的制動力矩為:(3.1)根據(jù)速度三角形可以將上式變形為:(3.2)其中:Q為單位時間內(nèi)流過緩速器定子的油液體積流量();P為緩速器內(nèi)工作油液的密度()。對定子來說，其軸面圖和正向剖視圖如圖3.4所示。圖3.4定子軸面圖和正向剖視圖同理，作用在定子葉片上的制動力矩為:(3.3)根據(jù)速度三角形可以將上式變形為:(3.4)由以上分析，作用在定子和轉(zhuǎn)子上的制動力矩之和為:(3.5)當(dāng)油液在工作腔中沒有葉片的流道中流動時，其所受到的作用力主要有垂直于葉片的正壓力和平行于葉片的切向摩擦力。由于假設(shè)工作油液為理想液體，因此可以忽略工作油液的摩擦力，而且垂直于葉片的壓力對其軸線的力矩大小為零，故工作油液在該流道內(nèi)的動量矩保持不變，所以得到:(3.6)其中:C為一常量。由式3.6可知，油液牽連速度和葉片油液進出口處半徑之積為常量。將式3.6帶入式3.5，可以得到:(3.7)由上式可以看出，在緩速器工作腔內(nèi)，工作油液作用在工作輪的力矩代數(shù)和為零。對于采用傾斜葉片的液力緩速器來說，上式也同樣成立。2）前傾葉片力矩特性分析圖3.5轉(zhuǎn)子出入口處的速度三角形采用前傾葉片的轉(zhuǎn)子出入口處的速度三角形如圖3.5所示。根據(jù)如圖3.5的速度三角形和動量矩定理，可以計算出工作油液作用在轉(zhuǎn)子上的作用力矩為:(3.8)其中，為緩速器工作液在轉(zhuǎn)子入口處的絕對速度在和軸向垂直的圓周分速度;為緩速器工作液在轉(zhuǎn)子出口處的絕對速度在和軸面垂直的圓周分速度。根據(jù)速度三角形有:(3.9)(3.10)其中，為緩速器轉(zhuǎn)子中工作液在入口處絕對速度在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸中心線剖面上的軸面分速度;為緩速器轉(zhuǎn)子中工作液在出口處絕對速度在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸中心線剖面上的軸面分速度;為緩速器轉(zhuǎn)子入口的葉片傾斜角;為緩速器轉(zhuǎn)子出口的葉片傾斜角。3)內(nèi)循環(huán)流量分析緩速器的內(nèi)循環(huán)流量Q是影響液力緩速器輔助制動力矩大小的重要因素之一，也是決定緩速器性能的重要因素。分析液力緩速器的內(nèi)循環(huán)流量，需要有如下的假設(shè)條件:假設(shè)定子是可以自由旋轉(zhuǎn)的，而且其轉(zhuǎn)速在0和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間變化。在此定義液力緩速器的速比i為定子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之比，即:(3.11)液力緩速器循環(huán)圓中某處的內(nèi)循環(huán)流量Q是由該處過流流斷面積F和該處的液流的絕對速度在軸而的分速度決定的，并月這三者之間有如下關(guān)系:(3.12)對于某一款液力緩速器，其液流過流流斷面積F是一定的，因此，從上式可以看出，若分析液力緩速器的內(nèi)循環(huán)流量Q，只要分析液流的絕對速度在軸面的分速度即可，而又隨著緩速器速比i的變化而變化·4)循環(huán)流道內(nèi)的能量守恒能量守恒理論是分析物體或者系統(tǒng)運動的一種重要方法。液力緩速器內(nèi)主要的能量守恒關(guān)系為:轉(zhuǎn)子對工作油液所做的功、工作油液對定子所做的功以及工作油液運動損失的功之和為零。下面分析這幾種能量的計算方法。根據(jù)歐拉方程，轉(zhuǎn)子對油液做功的理論能頭為:(3.13)同理，根據(jù)歐拉方程，工作油液對定子做功的理論能頭為:(3.14)在緩速器循環(huán)流道內(nèi)的工作液的運動損失主要有液力損失、機械損失和容積損失三種。其中，機械損失主要包括轉(zhuǎn)子軸的軸承和密封的損失、轉(zhuǎn)子的摩擦損失、定子的摩擦損失等。這些機械損失都會消耗能量，從而影響傳動效率，但是對于液力緩速器來說，機械損失只占很小的一部分，可以忽略不計。容積損失主要是轉(zhuǎn)子和定子之間的縫隙導(dǎo)致油液泄漏而造成的，這個損失也只占能量損失的小部分，也可以忽略不計。因此，在計算時主要考慮液力損失。由于工作油液自身存在一定的黏性，故其在運動中會不可避免的產(chǎn)生一定的能量損失，這種損失叫做液力損失。該損失是液力緩速器能量損失中最主要的組成部分，因此應(yīng)該重點考慮該損失。液力損失主要包括葉形損失、液流擴散和收縮損失、液流回轉(zhuǎn)損失和液流摩擦損失等。在液力緩速器中，工作液體的流動狀況非常復(fù)雜，各種液力損失之間也是會相互影響的，所以如果用流體力學(xué)中計算出每一項損失，然后再逐項相加的方法會產(chǎn)生較大的誤差。另外，由于轉(zhuǎn)子和定子之間間隔較小，每一個工作輪的狀態(tài)也會影響到另外一個工作輪的工作狀態(tài)，所以如果按照每個工作輪的損失進行相加的方法也會產(chǎn)生較大的誤差。鑒于上述原因，在計算液力緩速器的液力損失的時候引入一種新方法，該方法將緩速器的液力損失綜合起來考慮，而不是進行逐項相加。將緩速器的液力損失分為兩大類，第一類叫做摩擦損失，該損失和工作液的相對運動速度有關(guān)，并且還和內(nèi)循環(huán)流量的平方成正比;另一類叫做沖擊損失，該損失和工作液的沖擊角度有關(guān)，并且也和速度的平方成正比。根據(jù)此方法，轉(zhuǎn)子的沖擊損失為:(3.15)其中，為轉(zhuǎn)子的沖擊度系數(shù)。同理，定子的沖擊損失為:(3.16)其中，為定子的沖擊度系數(shù)·一般情況下，轉(zhuǎn)子和定子的沖擊度系數(shù)可以選擇同一個值，即:(3.17）因此，緩速器中轉(zhuǎn)子和定子總的沖擊損失藝為:(3.18)以上為液力緩速器中總的沖擊損失，總的摩擦損失為:(3.19)其中，為液力緩速器中的摩擦損失系數(shù)。根據(jù)液力緩速器內(nèi)的能量守恒關(guān)系有:(3.20)對采用徑向直葉片的液力緩速器來說，有以下關(guān)系式成立:(3.21)將公式3.13至3.21代入到能量守恒方程3.20中，代入時應(yīng)注意各能量的正負。令速比i=0，即定子轉(zhuǎn)速為零，便可以得出以下關(guān)于液流的絕對速度在軸面的分速度的一元二次方程:(3.22)從而可以計算出的值為:(3.23)把式3.23帶入到前面所述的緩速器制動力矩計算公式3.8中，則可以計算出采用徑向直葉片的液力緩速器的制動力矩:(3.24)同理，對于采用傾斜葉片的液力緩速器來說，其關(guān)于液流的絕對速度在軸面的分速度一元二次方程為:(3.25)從上式中可以求出，然后將代入求解采用傾斜葉片的液力緩速器的制動力矩公式，便可以用液力計算方法求出緩速器的制動力矩值的大小。3.1.2相似設(shè)計理論相似設(shè)計方法是液力元件設(shè)計的一種重要方法，它的主要理論依據(jù)是相似原理。通常用相似設(shè)計法來對液力元件進行放大或者縮小設(shè)計、系列化設(shè)計以及通過模型試驗來確定實物的性能等。采用相似設(shè)計方法可以大大減少設(shè)計工作量，縮短設(shè)計周期，同時還可.以得到性能良好的樣機。對于具有優(yōu)良性能的液力偶合器來說，對其進行相似設(shè)計以后，若原液力偶合器泵輪轉(zhuǎn)速不小于新設(shè)計偶合器泵輪轉(zhuǎn)速的40%,那么該設(shè)計就會有著相當(dāng)高的精確度，其誤差范圍通常在2%-3%之間。相似原理亦即力學(xué)相似原則，它主要包括邊界條件相似(幾何相似)、起始條件和流動圖形相似(運動相似)及動力相似三方而內(nèi)容。幾何相似要求所設(shè)計的液力元件和原模型的液力元件過流部分相似，亦即流道和循環(huán)圓的形狀相似、對應(yīng)尺寸成比例，另外相對應(yīng)的葉輪的進出口的葉片傾角要相等。運動相似則要求流場當(dāng)中各點液流的速度三角形相似，即各點速度比例為常量，且方向相同。動力相似要求工作腔內(nèi)各點的作用力性質(zhì)相同，且這些力構(gòu)成的力多邊形相似，即力的作用方向相同，大小成比例。在這三個相似條件中，幾何相似是基礎(chǔ)，沒有幾何相似就沒有運動相似，沒有運動相似就沒有動力相似。但是一般情況下，完全符合相似原理的流場是不存在的。因為要想使流場中各點作用力的大小成比例、方向相同是不可能的，因此只能在實際運用中忽略掉次要的力，著重考慮主要的作用力。符合這種相似條件的相似叫做部分力學(xué)相似。在液力元件的流場當(dāng)中，通常慣性力和黏性力是主要考慮的作用力，而液體的重力、表面張力等則可以忽略不計。雷諾數(shù)Re是液力元件流場中慣性力和黏性力的比值，所以可以用雷諾數(shù)Re來作為判斷兩液力元件是否動力相似的依據(jù)。如果兩流場中的雷諾數(shù)數(shù)值相等，即兩流場的流動液體的慣性力和黏性力比例相同，就可以認為這兩個流場符合動力相似的條件。雷諾數(shù)Re的公式為:(3.26)其中，n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;D為葉輪循環(huán)圓直徑:v為流體的運動薪度。根據(jù)相似原理可以推算出兩個相似液力元件的幾何尺寸以及運動速度的關(guān)系。用下標M表示原模型的相關(guān)參數(shù)，用下標S表示相似設(shè)計后得到模型的相關(guān)參數(shù)，用下標B代表泵輪，下標T代表渦輪，下標D代表導(dǎo)輪。則有如下公式成立:(3.27)(3.28)其中，和均為常量。根據(jù)相似原理可以推導(dǎo)出兩個相似的液力元件在流量、能量、功率、轉(zhuǎn)矩等方面的相似定律，即第一相似定律、第二相似定律和第三相似定律。下面分別闡述這三個相似定律。1)第一相似定律第一相似定律是指符合幾何相似條件的液力元件，在傾角相等的情況下流量Q、工作輪有效直徑D和泵輪轉(zhuǎn)速n三者之間的關(guān)系。根據(jù)前述分析，液力元件的循環(huán)流量Q的計算公式為:(3.29)其中為與垂直的流道寬度。根據(jù)相似原理，并假設(shè)排擠系數(shù),則有：(3.30)根據(jù)上式可以看出，兩個符合相似原理的液力元件，它們的內(nèi)循環(huán)流量之比和循環(huán)圓直徑比值的三次方、泵輪轉(zhuǎn)速之比成比例。2)第二相似定律第二相似定律是指符合幾何相似條件的液力元件，在傾角相等的情況下能頭和循環(huán)圓直徑、泵輪轉(zhuǎn)速三者之間的關(guān)系。根據(jù)歐拉方程:(3.31)由上式可得，原模型和新樣機的能頭比值為:(3.32)由上式可以看出能頭之比為任一速度的平方的比值，所以有:(3.33)根據(jù)上式可以看出，兩個符合相似原理的液力元件，它們的能頭之比和循環(huán)圓直徑之比的平方、泵輪轉(zhuǎn)速之比的平方成正比。3)第三才剛以定律第三相似定律是指符合幾何相似條件的液力元件，在傾角相等的情況下功率和循環(huán)圓直徑、泵輪轉(zhuǎn)速三者之間的關(guān)系。在液力元件中，由工作油液傳遞的功率為:(3.34)根據(jù)相似原理、第一相似定律和第二相似定律有:(3.35)根據(jù)上式可以看出，兩個符合相似原理的液力元件，它們的功率之比和循環(huán)圓直徑之比的五次方、泵輪轉(zhuǎn)速之比的三次方、工作液密度之比成正比。液力緩速器和液力偶合器的相似性。首先，對于幾何相似，液力偶合器和液力緩速器的主體結(jié)構(gòu)都是一對工作葉輪，即泵輪和渦輪，其結(jié)構(gòu)大體相同。泵輪與動力輸入端相連，提供動力。兩者的區(qū)別在于:對液力偶合器來說，渦輪的作用是動力輸出，而對液力緩速器來說，渦輪(定子)的作用是消耗工作液體的動能，使得泵輪(轉(zhuǎn)子)轉(zhuǎn)速降低，從而起到輔助制動的效果。其次，對于運動相似，液力偶合器和液力緩速器的運動情況大體相同，都是泵輪作為主動結(jié)構(gòu)，泵輪旋轉(zhuǎn)的同時，帶動工作油液旋轉(zhuǎn)，將動力傳遞到渦輪上。最后，對于動力相似，液力偶合器和液力緩速器都是將主動輪泵輪的能量通過工作油液傳遞到渦輪。只不過液力偶合器是把動力繼續(xù)傳遞到后面連接的變速器，而液力緩速器則把動力轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉，為車輛提供輔助制動力矩。根據(jù)上面的分析，液力偶合器和液力緩速器符合幾何相似、運動相似和動力相似這三個條件，所以它符合相似原理，在進行液力緩速器的設(shè)計和計算時可以采用相似原理，這樣就大大簡化了液力緩速器的設(shè)計周期，節(jié)約了研發(fā)成本。3.2不同充液率對液力緩速器制動力矩的影響前面的分析都是針對液力緩速器工作腔內(nèi)充滿油液時的制動力矩，當(dāng)液力緩速器部分充液時，其產(chǎn)生的輔助制動力矩將小于全充液時的制動力知矩。定義液力緩速器的充液率q為：(3.36)其中，為緩速器工作腔內(nèi)工作液的實際體積(L);為緩速器工作腔的體積((L)。當(dāng)液力偶合器渦輪與泵輪轉(zhuǎn)速比i不同時，其在不同充液率時產(chǎn)生力矩大小如圖3.6所示。圖3.6液力偶合器在不同充液率時產(chǎn)生的力矩當(dāng)速比為1時，液.力偶合器泵輪和渦輪轉(zhuǎn)速相同，此時不能傳遞動力。當(dāng)速比，即渦輪轉(zhuǎn)速為零時，即為液力緩速器在不同充液率時的制動力矩，根據(jù)上圖可以得出如下結(jié)論:(3.37)其中，為部分充液時液.力緩速器的制動力矩;為全充液時液力緩速器的制動.力矩。從上式可以看出，當(dāng)液力緩速器部分充液時，其產(chǎn)生的制動力矩為充液率和全充液時產(chǎn)生的制動力矩之積。當(dāng)液力緩速器充液率為0時，則其產(chǎn)生的輔助制動力矩為O，即不能起到輔助制動作用。3.3液力緩速器起效時間當(dāng)汽車遇到需要制動的情況，駕駛員操縱輔助制動裝置時，液力緩速器并不是立刻就能產(chǎn)生輔助制動力知的。由于工作油液進入緩速器工作腔還需要一定時間，所以產(chǎn)生輔助制動力矩還存在著一定的時間遲滯，這段時間叫做液力緩速器的起效時間，也叫做充油時間。顯然起效時間越短，制動效果越好。液力緩速器起效時間對汽車制動性能的影響如蒸3.7所示。圖3.7起效時間對汽車制動性能的影響從上圖可以看出在初始制動車速相同的條件下，起效時間為0.4s時，在4s的時間內(nèi)汽車速度減小到約為39km/h，而當(dāng)起效時間為2s時，在4s內(nèi)汽車速度僅僅減小到約為42.3km/h。因此，起效時間的長短對液力緩速器的制動性能也有著較大的影響，起效時間越短，液力緩速器的制動效果越好。對于液力緩速器來說，其起效時間和充液量有如下關(guān)系式成立：(3.38)其中，為液力緩速器的充液量(L);為油液在進油口處的速度(m/s);為油液在出油口處的速度(m/s};為進油口面積()；為出油口面積()。通過求解上式，可以計算出該液力緩速器的起效時間t。在實際充油時，充油初期充油速度較快，隨著緩速器工作腔內(nèi)油液的增多，充油速度逐漸減緩，直到充液率達到燕標充液率，充油階段結(jié)束。當(dāng)前，性能優(yōu)異的液力緩速器的起效時間一般可達0.4—1.8秒，這要求液力緩速器的瞬間充油能力大約在600L/min-1000L/min。顯然，一般的油泵或者空氣壓縮機難以實現(xiàn)如此快速的充油速度。一般可以通過采用合理的進出油口、使用壓力油箱、改善閥體結(jié)構(gòu)等技術(shù)措施來實現(xiàn)。3.4本章小結(jié)本章主要進行了汽車液力緩速器的流體特性分析。在汽車液力緩速器的流體特性分析部分，首先介紹了在液力計算中最常采用的束流理論，然后重點分析了采用液力計算法求解液力緩速器輔助制動力知的具體過程和方法，并月闡述了液力元件設(shè)計時常用的相似理論和相似設(shè)計方法，最后分析液力緩速器在不同充液率時的制動力矩和起效時間。本章的研究為后續(xù)章節(jié)液力緩速器的參數(shù)設(shè)計以及整車制動性能仿真奠定了基礎(chǔ)。

結(jié)論本文主要對液力緩速器的參數(shù)設(shè)計與分析，主要包括以下內(nèi)容:1)介紹較為常用液力輔助制動。分析液力緩速器的結(jié)構(gòu)組成和工作原理及行業(yè)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。2)分析與液力緩速器相關(guān)的基礎(chǔ)理論，主要包括液力理論和制動理論。在液力理論部分，分析在液力計算時常用的一維束流理論，并詳細推導(dǎo)利用液力計算法求解液力緩速器制動力矩的過程，介紹相似設(shè)計理論，且對不同充液率時的液力緩速器制動力知情況進行分析。以液力緩速器設(shè)計方法為基礎(chǔ)，對液力緩速器參數(shù)進行相似設(shè)計并利用液力計算法建立起液力緩速器緩速制動仿真模型。論文的研究，對液力緩速器參數(shù)優(yōu)化及車輛液力緩速器開發(fā)具有一定的理論