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制动系统的性能是影响汽车行驶安全的重要因素之一。液力缓速器以其制动扭矩大、制动平稳、散热性能好等特点而受到各国的普遍关注。在国外作为汽车制动系统的关键部件,得到了广泛的应用;而在我国,一直以来由于对液力缓速器的研究仅局限在介绍新技术、结构原理、操作方法、维护技巧上,对液力缓速器制动机理的数值计算不够深入,尤其在仿真度较高的全流道式数值计算和多因素关联作用机理等关键技术方面缺乏深入的研究,目前还没有开发出能够大面积推广应用的自主产品,国内的客车和重载运输车采用的液力缓速器主要依赖进口。随着我国商用客车和重载汽车产品数量的猛增以及交通运输业的持续发展,必然对性能优良的液力缓速器形成巨大的市场需求。为迎合市场发展对液力缓速器的技术需求,促使自主品牌产品的形成、完善及大面积推广使用,本文在梳理和分析当前国内液力缓速器关键技术研究现存的盲点、难点、薄弱点的基础上,以液力缓速器全流道式数值计算与多因素关联作用机理为研究核心,主要开展了以下几方面的研究工作:
1.液力缓速器全流道式CFD流场数值计算。在对液力缓速器内流场特性进行相关流体力学假设的基础上,参考国外成熟技术产品VR120的相关尺寸建立全流道式计算模型,运用CFD数值计算技术,得出转矩一转速特性预测曲线。
2.全流道式数值结果的试验检验。通过VR120型机台架试验验证全流道式CFD数值计算结果的准确性,同时进行了样机的试验,实测优化前样机的工作性能。
3.多因素作用机理的研究。以设定核心工作组件定转子叶轮的结构参数为前提,采用全流道式CFD数值计算,对比在不同结构参数下的制动扭矩:①通过工作腔腔形的对比计算,得出工作腔循环腔形为正圆时制动扭矩为最大;②通过循环正圆直径对比计算,得出制动扭矩随着循环圆的增大而快速递增;③通过叶片倾角的对比计算,得出叶片在45倾角时制动扭矩最大;④通过不同进油口布局尺寸对背压效果影响的对比计算中,得出较好的布局尺寸,对减小气压损失有一定的理论参考意义。
4.样机结构优化。在优化前样机试验的基础上,利用CFD数值计算结果对当前样机产生的问题进行了分析,在一定的设计条件约束下对当前样机进行背压式结构优化设计,并对优化后样机的性能进行了预测。
5.样机精密数控制造。在制动工艺路线的基础上,运用三轴加工中心结合CAM技术对样机模型进行较高精度的CNC涡轮斜槽数控加工,缩短产品研发时间,减小产品开发成本。
6.优化后样机台架试验。对优化后的样机进行台架试验,将试验结果与CFD预测值和优化前样机进行对比验证,结论表明,优化后的样机制动扭矩有较大的提升,工作系统损压失压现象得到解决,与CFD预测值有较好的吻合度。
本文的创新点在于:
1.构建与实际流场吻合度较高的全流道CFD计算模型。现有的液力缓速器数值计算模型都是在对流场作均布假设基础上进行单流道式数值计算,存在着流道过于简化的问题,而这与实际过程有着较大的差异,在本文中,采用具有创新性的全流道式CFD计算方法对液力缓速器内流场进行精确度较高的数值模拟,解决了以往用单叶片式对称计算不精确的问题,计算出的后处理结果与试验检验结果吻合度较高。
2.提出液力缓速器的考察性能指标,通过CFD计算对影响液力缓速器性能指标的关键几何参数进行对比分析,在此基础上绘制出影响因子曲线,得出因子影响趋势。
3.基于数值计算的结果,对当前样机存在的问题进行分析,并在一定的限制条件下进行结构优化设计,通过试验验证问题分析方向的正确性,现问题已解决,将理论转化为实践,为企业带来经济效益。
4.通过CNC数控编程和外加分度头,将三轴加工中心改装成复杂的五轴加工中心,并成功加工出具有斜槽结构的液力缓速器定转子涡轮,节约了开发成本,同时更缩短了开发周期。