液力缓速器作为一种车用辅助制动装置，在工作时通过输出力矩，可以实现长时间的平稳制动，使车辆制动过程更加安全可靠，在特种车辆和重型车辆中得到了广泛的应用[1]．充液率是液力缓速器轮腔内油液充液量与总容量之比，调节充液率可以改变缓速器的输出转矩，进而影响其制动能力．理想情况下的液力缓速器应在满充液率情况下工作，而实际中液力减速器始终工作在气液两相部分充液状态[2]．目前，液力缓速器部分充液工况的研究主要通过数值模拟的方法，设定轮腔中的流体体积，结合对应试验数据，研究充液率对制动转矩的影响[3]．孔令兴等[4]利用流体体积函数(VOF)模型模拟轮腔部分充液时的气-液两相流动，结合试验数据建立了循环流量、充液率与制动转矩间的关系．荆崇波等[5]通过试验发现连接在泵站和缓速器之间的节流阀开度影响缓速器充液率，节流阀半开时充液率大于全开时的充液率．Fan等[6]利用计算流体力学(CFD)计算得到了缓速器流场内压力和速度的分布特征，绘制了制动力矩与充液率的关系曲线．穆洪斌等[7]利用净流量的变化，通过积分计算推算出了缓速器充液率．上述建模方法和试验预测了缓速器充液率，找到了充液率的影响因素，得到了缓速器充液率和制动转矩的关系．另一方面，液力缓速器是液压-液力系统的一部分，对缓速器的研究须考虑整体系统的影响．Ronghao等[8]在缓速器轮腔仿真模型中加入循环流道，考虑流道对油液流动状态的影响．孔令兴等[9]建立了全流道仿真模型，研究了制动转矩、反馈压力随充液率的变化规律．马文星等[10]建立了系统仿真模型，研究了控制阀对液力缓速器充液率的影响．严军等[11]建立了液力缓速器液压控制系统联合仿真模型，对缓速器制动过程进行模拟．穆洪斌等[7]建立了液压-液力集成仿真模型，探究了系统控制压力、动轮转速对缓速器制动特性的影响．郑伟等[12]对自动变速器液力缓速器系统进行了试验研究，发现了充油压力与制动转矩间的联系．重型车辆的自动变速箱(auto transmission，AT)液力缓速器与变矩器共享工作油液及冷却系统，变矩器涡轮与缓速器动轮固联，液力缓速制动系统的输出转矩由涡轮与泵轮生成的转矩组成．当车辆制动时，变矩器反传工况能够提供制动力[13]；同时，变矩器的不同工况影响缓速器充液率，改变系统输出端的制动转矩．目前对变矩器解锁工况下AT液力缓速器的研究较少，解锁工况下变矩器对缓速器充液率的影响规律尚不明确，利用传统方法难以获取缓速器的制动特性．本研究针对变矩器解锁工况下缓速器充液特性进行研究，结合CFD数值模拟方法与试验数据分析，考虑液压-液力系统中的压力流量特性，建立液力缓速器充液率预测模型，得到了变矩器解锁工况下缓速器制动转矩的变化规律．1 前置型AT液力缓速器工作特点1.1　工作原理液力缓速器作为一种辅助制动装置，依靠动轮旋转并搅动轮腔内的油液产生制动转矩，将车辆的动能转化为油液内能起到制动作用．本研究的前置型AT液力缓速器与液力变矩器共同集成于自动变速器中，布置于变速机构前，其结构如图1所示．当车辆使用辅助制动器时，前置型液力缓速器在变速机构的作用下，动轮可以保持较高转速，从而输出较大的制动转矩[14]．10.13245/j.hust.241204.F001图1液力缓速器布置方式液力缓速器产生的制动转矩通过变速机构传到自动变速器输出端，其计算公式为nr=iono;MR=λρognr2D5,(1)式中：nr为液力缓速器动轮转速；no为输出端转速；io为液力缓速器到自动变速器输出端的传动比；MR为液力缓速器动轮产生的制动转矩；λ为液力缓速器制动系数；ρo为油液密度；g为重力加速度；D为液力缓速器有效直径．由式(1)可知：当变速机构传动比一定时，由液力缓速器产生的制动转矩随动轮转速及轮腔充液率的增大而增大．在自动变速器中，液力缓速器的动轮与液力变矩器的涡轮固联，动轮与涡轮具有相同的转速．当车辆进行辅助制动时，液力缓速器与液力变矩器同时工作．若变矩器处于闭锁工况，则泵轮、涡轮与动轮具有相同转速．若车辆制动时变矩器处于解锁工况，则变矩器涡轮转速大于泵轮转速，变矩器处于反传工况．在计算自动变速器输出端制动转矩过程中，须考虑液力缓速器产生的制动转矩及液力变矩器涡轮产生的制动转矩，其计算公式为MO=io(MT+MR)η，(2)式中：MO为输出端制动转矩；MT为液力变矩器涡轮产生的制动转矩；η为变速机构机械传动效率．在自动变速器中，为使液压系统结构更紧凑，液力缓速器与液力变矩器共享工作油液与冷却系统，如图2所示．当车辆正常行驶时，流出液力变矩器的油液进入换热器，再通过变矩器调压阀回10.13245/j.hust.241204.F002图2液压系统原理图到油箱．当液力缓速器工作时，液力缓速器开关阀切换到开启状态，从换热器流出的部分油液通过开关阀进入到液力缓速器中．从液力缓速器流出的油液通过开关阀后，与从液力变矩器流出的油液一起汇入换热器中，形成油液的循环．进入液力缓速器的油液受变矩器反传工况压力流量特性影响，在缓速系统中循环的油液流量受动轮泵吸效应的影响．1.2　AT缓速器闭、解锁工况试验在变矩器解锁工况下，液压-液力系统内部流动复杂且涉及元件众多，液力缓速器的边界条件难以确定，须考虑整体系统进行建模与分析工作．为探究液力变矩器闭、解锁工况对液力缓速器充液特性的影响，分析液压-液力系统的压力流量特性，搭建了AT缓速器闭、解锁工况试验台架，进行不同泵轮与动轮转速组合的稳态制动试验，试验系统主要包括驱动电机、加载电机、转速/转矩传感器及自动变速器．驱动电机与自动变速器输入端连接，驱动液力变矩器泵轮旋转．加载电机与自动变速器输出端连接，通过变速机构驱动液力缓速器动轮及液力变矩器涡轮旋转．通过试验获取输入端与输出端的制动转矩，其中输入端制动转矩为变矩器泵轮转矩，输出端为缓速器动轮与变矩器涡轮共同产生的制动转矩．在缓速器出口处布置压力、流量传感器，监测系统的压力流量特性．变矩器闭、解锁工况下输出端的制动转矩对比见表1(ΔMO为相对差值)，在相同动轮转速下制动转矩最多相差35%．选取解锁工况下泵轮转速800 r/min的试验数据，与闭锁工况的数据进行对比．变矩器解锁后，缓速器出口压力与系统流量均减小．随着动轮转速增加，变矩器反传工况下的传动比增加，闭、解锁工况的缓速器制动转矩差距增大．在动轮转速不变的条件下，液力缓速器的制动转矩与充液率成正比关系，制动转矩的变化体现充液率的变化．观察试验数据，随着变矩器传动比增大，解锁工况下缓速器的充液率降低．10.13245/j.hust.241204.T001表1闭、解锁工况输出端制动转矩对比nr/(r∙min-1)MO/(N∙m)解锁工况泵轮800 r/min解锁工况泵轮1 000 r/min解锁工况泵轮1 200 r/minMO/(N∙m)ΔMO/%MO/(N∙m)ΔMO/%MO/(N∙m)ΔMO/%1 6001 403916351 36031 568121 7001 5181 052311 46531 754161 8001 6841 186301 426151 63831 9001 8371 312291 504181 6968上述现象说明：进入缓速器的油液受流出变矩器油液的影响，变矩器的压力流量特性影响缓速器的充液特性，最终改变缓速器的制动特性．解锁状态下变矩器对缓速器的影响不可忽略，须结合液压-液力系统分析反传工况下缓速器的制动特性．1.3　解锁工况缓速器制动特性分析变矩器反传工况下的传动比ic为涡轮转速nT与泵轮转速nB之比，即ic=nT/nB．(3)当液力变矩器处于解锁工况时，导轮旋转并在油液工作循环中起到导流作用．基于液力变矩器解锁工况试验，获取泵轮转矩MB与涡轮转矩MT，如图3所示．随着反传工况传动比ic增大，泵轮转矩MB与涡轮转矩MT也增大，二者呈线性关系．液力变矩器反传工况下变距比接近1，可近似认为涡轮产生的制动转矩与泵轮产生的制动转矩相等[15]．10.13245/j.hust.241204.F003图3变矩器反传工况制动转矩结合液力变矩器反传特性，根据试验获取的输入与输出端制动转矩，可计算出解锁工况下缓速器产生的制动转矩(见表2)．根据液力缓速器工作原理，若充液率保持不变，则制动转矩与动轮转速呈二次方关系．观察试验数据发现液力缓速器制动转矩与动轮转速呈非线性变化，随着动轮转速增加，制动转矩总体呈下降趋势．上述现象说明轮腔中的充液率非恒定值，充液率随动轮转速的增加而下降，在制动转矩的预测中不可忽略充液率的影响．液力缓速器的制动转矩受充液率与动轮转速影响，动轮转速可根据车速及变速器传动比获得，确定轮腔充液率是制动转矩预测的关键．10.13245/j.hust.241204.T002表2不同解锁工况下缓速器制动转矩试验数据nr/(r∙min-1)nB/(r∙min-1)8001 0001 2001 6006371 0831 3731 7005571 1101 4661 8004969611 3371 9004748891 2792 0004808501 0912 1004728191 0162 200408738953N∙m2 系统仿真模型2.1　液力缓速器数值计算模型AT液力缓速器充液率受变矩器解锁工况影响，变化规律复杂，难以预测，须先对缓速器充液特性进行建模与分析．本研究中液力缓速器基本结构主要包含动轮、定轮和壳体凹槽等，其中入、出口流道在定轮壳体中．当液力缓速器处于工作状态时，内部具有复杂的两相流动现象，且定轮与凹槽几何形状复杂，分布不规则，故采用三维全流道模型进行仿真分析，探究不同工况下液力缓速器的充液特性及制动转矩．提取液力缓速器关键流道进行网格划分，针对不规则的复杂曲面进行几何清理工作，对模型中的自由边界进行压缩处理．将整体流道分为入口流道、出口流道、动轮流域、定轮流域及凹槽流域5个部分，如图4所示．10.13245/j.hust.241204.F004图4流域及网格划分对提取的流域进行体网格划分，为在保证网格质量的同时使网格划分更灵活，可将四面体网格转化为多面体网格[16]．进行网格无关性分析，随着网格数量的增多，仿真得到的制动转矩总体呈下降趋势，且各转矩之间的误差呈减小趋势(见表3)．最终设定网格基础尺寸为5 mm，根据y+取1的原则划分边界层，设定边界层总厚度为0.019 mm，边界层划分为10层，增长率为1.3，最终模型的网格数量为4.059 222×106个．10.13245/j.hust.241204.T003表3网格无关性分析网格数量/105制动转矩/(N∙m)相对误差/%2.273 8083.223.863 6850.999.163 6481.0016.563 6410.2231.803 6340.19数值模拟选择k-ω SST湍流模型，结合VOF模型对轮腔内的气液两相流进行模拟．假设仿真过程中无油液泄漏，且工作油液为不可压缩黏性流体，设定油液密度为860 kg/m3，黏度为0.086 kg/(m∙s)．仿真过程中忽略叶栅因油液冲击产生的形变，不考虑温度对制动转矩产生的较小影响[17]．根据闭锁试验获取的缓速器出口压力设置边界条件，通过仿真计算不同转速下的制动转矩，与试验数据对比见表4(Me为试验转矩，Ms为仿真转矩)．仿真与试验数据相符合，证明仿真数据真实可信．当变矩器闭锁时，缓速器的充液率相对稳定，均保持在65%左右．对比变矩器闭、解锁工况下缓速器的充液率变化，闭锁工况充液率稳定在恒定值附近，而解锁工况充液率变化幅度较大，说明轮腔充液率受变矩器反传工况影响．10.13245/j.hust.241204.T004表4闭锁工况仿真与试验数据对比nr/(r∙min-1)Me/(N∙m)Ms/(N∙m)q/%pout/MPa800434356630.181 000631565640.251 200854820640.311 4001 0941 112640.371 6001 4031 463670.41由闭锁工况仿真结果可知，通过缓速器出口压力pout可获取轮腔中的充液率q，计算出动轮产生的制动转矩MR．根据仿真模型，获取不同动轮转速nr及出口压力pout下轮腔充液率q的变化，如图5所示．由仿真分析可知轮腔充液率随出口压力的增加而增加，随动轮转速的增加而减少．10.13245/j.hust.241204.F005图5液力缓速器充液特性2.2　液压-液力系统建模液力缓速器轮腔充液率可由动轮转速与出口压力获得，但出口压力受变矩器解锁工况影响难以确定．为准确估计缓速器的充液率，搭建由变矩器与缓速器构成的液压-液力系统模型，探究系统的压力流量特性，获取不同解锁工况下缓速器的出口压力．根据液压系统原理图，主要考虑开关阀、液力变矩器、液力缓速器及散热器等元件间的压力流量特性．液力缓速器开关阀节流孔的压力流量特性可表示为Q=CdAr(2/ρ)Δp，(4)式中：Q为节流孔流量；Cd为流量系数；Ar为等效过流面积；Δp为入、出口压差．式(4)中流量系数Cd的取值与流数ζ相关，ζ=(Dh/ν)(2/ρ)Δp，(5)式中：Dh为水力直径；ν为黏度．在压力流量特性分析中，利用等效液压元件替换复杂的液力系统．根据液力变矩器解锁工况的压力流量特性，在系统仿真模型中使用可变节流孔元件进行等效替换．图6显示了不同传动比下，通过压力流量试验数据计算出的液力变矩器等效过流面积，用最小二乘法对试验数据点拟合，建立传动比ic与等效过流面积Ar的关系式，应用于液压-液力联合仿真模型中．10.13245/j.hust.241204.F006图6液力变矩器等效过流面积根据试验监测到的散热器数据，可利用液压系统中的散热器元件进行建模．根据试验现象，发现在液力缓速器工作前后，系统稳定后的流量有较大差异．这是由于液力缓速器工作过程中，动轮高速旋转搅动油液产生了泵吸现象，从而提高了整个系统的流量．在系统模型中可使用泵元件模拟泵吸效应，使系统模型与试验数据相一致．利用响应面拟合公式分析泵流量与泵轮转速、动轮转速间的关系，模拟液力缓速器在液压系统中的泵吸效应．响应面选取二元二次回归方程，其构造方程可表示为y(x)=a0+∑i=1Nbixi+∑ij(ij)Ncijxiyi+∑i=1Ndixi2+ε，(6)式中：a，b，c，d，ε为拟合后的系数；y为泵流量；x1和x2分别为泵轮转速和动轮转速．本研究搭建液压-液力系统联合仿真模型，利用液压元件分析系统压力流量特性，结合计算流体力学仿真结果，根据液力变矩器出口压力及动轮转速计算液力缓速器轮腔充液率及制动转矩，如图7所示．10.13245/j.hust.241204.F007图7系统仿真模型3 仿真结果分析及试验验证3.1　系统压力流量特性分析液力缓速器工作过程中，动轮搅动轮腔中的油液产生泵吸现象，提高液压系统的工作流量．结合试验数据对比液力缓速器开启前后液压系统的流量差，发现系统流量在液力缓速器工作时有明显增加(见表5)．在系统仿真模型中，利用泵元件模拟液力缓速器的泵吸效应，获取不同条件下系统流量Qs与动轮转速nr的关系，如图8所示．对比仿真与试10.13245/j.hust.241204.T005表5缓速器开闭状态下的系统流量nr/(r∙min-1)nB=800 r/minnB=1 000 r/minnB=1 200 r/min开启关闭开启关闭开启关闭1 6001521217425180421 7001541018423191421 800151818222198391 900152719324204402 000152618921203392 100151619323207402 20013651962020937L/min10.13245/j.hust.241204.F008图8解锁工况流量仿真结果验获得的散热器流量数据，发现仿真数据与试验数据相符合．提取系统仿真模型中的液力缓速器出口压力，与试验数据进行对比，发现仿真得到的出口压力与试验数据相符合(见表6)．随着泵轮转速的增加，液力缓速器出口压力增加．通过建立液压-液力联合仿真模型的方法，可复现试验工况中的压力流量特性，仿真得到的压力流量数据与试验结果的相对误差在10%以内．10.13245/j.hust.241204.T006表6解锁工况下缓速器出口压力与仿真相对误差nr/(r∙min-1)nB=800 r/minnB=1 000 r/minnB=1 200 r/minpout/MPa误差/%pout/MPa误差/%pout/MPa误差/%1 6000.2951.530.3671.130.3911.931 7000.2952.010.3672.780.3911.791 8000.2941.570.3662.060.3892.891 9000.2912.790.3643.250.3862.312 0000.2871.750.3652.350.3821.362 1000.2801.150.3673.160.3800.362 2000.2711.970.3703.280.3770.57在液压-液力系统中，变矩器与缓速器共用流道，各元件均影响系统压力流量特性．变矩器影响缓速器出口压力，缓速器的泵吸效应使系统循环流量增加．通过液压-液力系统的建模与分析，可准确获取不同反传工况下系统流量及缓速器出口压力，为缓速器充液特性研究提供依据．3.2　系统制动特性分析基于试验获得的缓速器出口压力pout，根据所提出的方法预测轮腔充液率q的变化，对解锁工况下缓速器动态充液过程进行仿真，预测结果如图9所示．在动态充液过程中，预测的输出制动转矩MO1与试验测试结果MO2相近，预测结果能够反映动态充液过程的制动转矩变化趋势．在动态充液过程的转矩稳定后，系统达到稳定状态，此时输出制动转矩的误差小于5%，验证了充液特性预测方法的准确性．10.13245/j.hust.241204.F009图9动态充液过程制动转矩预测对液力缓速器稳态充液特性进行分析，将液力缓速器作为研究主体，其出口压力受液力变矩器压差流量特性与动轮泵吸效应的影响．对比不同解锁工况下缓速器充液率的仿真与试验数据见表7，利用液压-液力联合仿真模型预测的充液率误差不超过5%．10.13245/j.hust.241204.T007表7不同工况下充液率仿真与试验数据对比nr/(r∙min-1)nB=800 r/minnB=1 000 r/minnB=1 200 r/min仿真/%试验/%仿真/%试验/%仿真/%试验/%1 6003128504859611 7002522464356571 8002218393546471 9001815323238402 0001414262430312 1001212232125262 200101020182123通过仿真模型获取缓速器的充液特性，发现充液率随动轮转速的增加呈下降趋势，与根据试验数据推测的充液率变化趋势相同．利用系统仿真模型获得的充液率与动轮转速，计算对应工况下液力缓速器的制动转矩，液力变矩器解锁工况下制动转矩的变化见表8，试验数据与仿真结果相符合．10.13245/j.hust.241204.T008表8不同解锁工况下缓速器制动转矩预测nB/(r∙min-1)nr=2 000 r/minnr=2 100 r/minnr=2 200 r/min转矩/(N∙m)误差/%转矩/(N∙m)误差/%转矩/(N∙m)误差/%8005116.414690.704151.671 0009177.908858.058429.791 2001 0444.359734.198975.814 结论a．基于计算流体力学仿真结果与试验数据建立了液力变矩器解锁工况下的液压-液力联合仿真模型，该模型可复现试验工况，并对不同工况下液力缓速器充液率及制动转矩进行预测．b．液力缓速器工作时具有泵吸效应，使系统流量增加；液力变矩器解锁工况影响液力缓速器出口压力，改变液力缓速器轮腔充液率；利用液压-液力联合仿真模型获取系统压力流量特性，预测缓速器出口压力及系统流量，仿真数据与试验结果的相对误差不超过10%．c．通过液力缓速器出口压力与转速对充液率进行预测，预测结果与试验数据误差不超过5%；液力缓速器充液率随出口压力的增加而增加，随动轮转速的增加而减小．综上所述，若忽略变矩器产生的转矩与缓速器充液率的变化，则难以对缓速器制动转矩进行预测．针对集成在自动变速器中的前置型液力缓速器，可通过建立液压-液力联合仿真模型获取系统压力流量特性，对变矩器解锁工况下缓速器轮腔的充液率及制动转矩进行预测．