本文是机械设计及其理论专业工程硕士论文，主要研究工程车辆液力传动的热平衡仿真。

第一章 引言

1.1 课题的研究背景及意义

液力传动是目前被工程车辆广泛使用的一种传动形式。相对于原有的机械式传动系统而言，其在发动机与动力换挡变速箱之间增设了液力变矩器。因此，液力传动系统不但具有输出扭矩大，载荷适应性强等优点，而且能够实现自动变速增扭、防振隔振的作用，更能满足现代工程机械的需要。与此同时，液力传动系统也面临着效率较低的缺点，这一方面源自于传动系统内部各传动部件的摩擦功率损失，另一方面则主要是由于液力变矩器内部存在着较大的液力损失、容积损失等[1]。实践表明，液力机械传动系统的工作性能在很大程度上与系统内部各元件的发热量有关。如果热量得不到及时的散失，系统内部的传动部件和机油温度便会迅速升高，而传动系统内的各部件都存在一最佳的工作温度范围，液力变矩器内传动油的工作温度大多不允许超过 130℃。当系统温度超过这一区间时，就会导致机油变质，冷却润滑能力下降，密封件失效漏油等现象。因此，对工程车辆的液力变矩器进行热平衡分析是很有必要的。工程车辆液力传动系统内部的油温是一个动态变化的过程，车辆在不同负荷的工况下工作时，传动系统内部的产热量也会发生较大的变化，热量的最终转化是一个复杂的、多因素相互作用的动态耦合过程。目前对变矩器内部油温变化进行动态监测尚存在一定的技术难度，而车辆在实际工作时，大部分时间处于一种稳定运行的阶段。如装载机在正常运行时，主要分为高速行驶工况、铲土工况及推土工况。在以上每一种特定的载荷工况下工作时，系统内各相关部件的发热量往往是一定的，在底盘油冷系统的冷却下，传动油温最终会达到一种动态的热平衡状态，而热平衡状态下的油温基本上是恒定的。因此，在液力传动在不同工况下工作时，对热平衡状态时其内部的油温及流动状态进行分析与研究有一定的现实意义。

1.2 液力变矩器简介

1.2.1 液力变矩器的结构组成及其工作原理

液力变矩器是液力传动系统内的核心部件，它是以液体作为工作介质的叶片式流体传动机械。其内部结构主要由泵轮、涡轮和导轮组成，工作原理如图 1.2 所示[2]。离心泵叶轮 2 在柴油机 1 的驱动下，带动工作液体在连接管路 3 内流动，将发动机输入的机械能转化为工作液体流动的动能，使其动量矩增加，随后工作液体流经导轮 8后直接冲击涡轮叶片 9，由于涡轮输出轴与工作机 11 相连，故此时工作液体的动能又转化为机械能输出，使其动量矩减小。经一个周期的循环流动后，工作液体最终又流入到水槽中，液力变矩器正是借助于液体的往复循环作用，实现了能量的传递。其可使工作机的输出转矩与不同工况下受到的外载荷相适应，而与动力源的输出转矩不等。实际使用中的液力变矩器的结构与图 1.2 并不完全一致，而是取消了进出水管、水槽和涡壳等机构，这样不但使结构得到了简化，而且传动效率也得到了很大的提高。液力变矩器目前已被大量的应用于工程机械、建筑机械、汽车等车辆的传动系统中。液力变矩器能够使工程车辆平稳的起步，变矩和变速，很大程度上改善了车辆的牵引特性。美国自 20 世纪 70 年代起，每年在轿车上液力变矩器的装备率达 90%以上，而在市区公共汽车上液力变矩器的装备率几乎达到了 100%[3]。相关资料表明，世界各国生产的载重量介于(30-80)t 的重型汽车中有 95%以上都采用了液力传动。当前世界上经济比较发达的国家均有自己的液力传动工业，同时也涌现出一批世界上知名的液力元件生产厂家，如德国的(VOIYTH)公司,弗兰德(FLENDER)公司，日本的日立公司，美国的福克(FALK)公司，我国引进的许多先进的机械设备大部分都装备了这些公司生产的液力传动元件。液力传动在国内的应用始于上世纪 50 年代，在相关工厂与科研部门的共同配合下，先后为大功率的“卫星”号内燃机车与“红旗牌”轿车配套研制了液力变矩器，70 年代液力变矩器又被应用于重型矿用汽车上。80 年代天津工程机械研究所开发了“YJ 单涡轮型液力变矩器”及“YJSW315 双涡轮系列液力变矩器”。目前国内大型工程机械使用的主要是这两大系列。其产品的主要性能已达到国外同类产品的先进水平。其后，北京理工大学先后研制开发了 Ch300、Ch400、Ch700 等系列的液力变矩器，这类产品主要应用于军用车辆，突破了大功率、高转速、高能容液力变矩器的设计与制造的关键技术[4]。同国外相比，尽管我国应用于工程车辆的液力变矩器有了一定的技术基础，但其应用范围相对较窄，数量较少。在中型载货汽车和公共汽车等车辆上应用也较少。但这也给液力变矩技术的发展和应用提供了更为广阔的平台。

第二章 传动油冷却系统的换热理论基础

传动油冷却系统是工程车辆液力传动系统的主要散热源，也是保证各传动元件正常工作的必备环节，特别是对于传递功率大，工作环境恶劣的工程车辆而言，传动油冷却系统是必不可少的。为了便于对液力变矩器的热平衡状态进行定性的分析，我们有必要对传热学的相关知识及传动油冷却系统的换热理论进行深入的理解。

2.1 传热学的基本概念及传热方式简介

根据热量传递机理的不同，热量的传递一般分为热传导、热对流、热辐射三种方式[13]。热传导是指不同温度的物质，彼此之间无相对的宏观运动。仅仅由于直接接触，相互之间所进行的热量传递现象。 从微观角度上讲，固体内部的分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动是引起热传导的主要原因；在气体中，导热是气体分子作不规则的热运动时相互碰撞的结果。高温区气体分子的平均动能大于低温区气体分子的平均动能，具有不同能量的分子之间相互碰撞就使热量由高温区传到了低温区[13]；在非金属的晶体内，通过分子、原子在其平衡位置附近振动所形成的弹性波实现了热量传递；而在金属固体中，主要是凭借自由电子的迁移来实现。液体的导热机理与非金属晶体类似，即主要是依靠液体晶格结构的振动来传递热量。

第三章 液力传动系统的热分析与参数化界面设计........13

3.1 液力传动系统的功率损失与热源分析 ........13

3.2 液力传动系统的散热分析 ........26

3.2.1 油冷器的散热........26

3.2.2 壳体裸露表面的散热 ....28

3.3 液力传动系统热平衡分析 ....29

3.3.1 液力传动系统的热平衡状态......29

3.3.2 建立热平衡油温计算的数学模型.......30

3.4 基于 Matlab 的热平衡分析的参数化界面设计.....31

3.5 不同工况下计算结果的对比分析 ......37

3.6 本章小结 ......38

第四章 计算流体动力学基础....41

4.1 计算流体动力学概述及其特点 .....41

4.2 应用计算流体动力学的基本步骤 ......42

4.3 计算流体动力学的控制方程 ....43

4.4 湍流运动的数学模型 ......4

54.5 本章小结 .......47

第五章 液力变矩器三维模型的建立与仿真分析.......49

5.1 Fluent 软件简介 ......49

5.2 液力变矩器三维几何模型的建立 ......49

5.3 应用 Gambit 对模型进行网格划分 ....52

5.4 仿真分析中的基本假设 .......54

5.5 Fluent 求解器及运行环境的选择 ........54

5.6 定义材料及边界条件的设置 ....55

5.7 计算模型的确定 ....56

5.8 设置求解控制参数 .....57

5.9 仿真结果分析 ........57

5.10 液力变矩器原始特性的对比分析 ....69

5.11 本章小结 ....69

结论

液力变矩器作为工程车辆的主要传动部件，其传动效率的高低及热平衡特性一直是影响整机性能的重要因素。本文以 SD 型高驱动推土机所使用的液力变矩器为研究对象，主要从以下三方面对其进行了深入的研究：

(1)从整体上对热平衡状态下，液力传动系统的主要发热量与散热量进行了分项分析与简化计算。

(2)在简化了的底盘油路系统的基础上，运用仿真迭代法计算了各传动部件热平衡状态下的出口油温，并通过 Matlab 图形用户界面设计了方便快捷的计算界面。输入相应的变量值，该界面可分别计算出发动机特性、变矩器的特性、共同工作特性，液力传动系统的发热量、热平衡状态的出口油温。

(3)为了进一步了解热平衡状态时液力变矩器内部流体的运动情况及油温分布状况，本文以计算流体动力学理论(CFD)为基础，运用 Proe 软件建立了液力变矩器的三维全流道模型，并导入到 Fluent 软件中进行了仿真分析。结果表明变矩器叶片与流体间的摩擦阻力及叶片结构本身的设计缺陷，造成了流道中出现了脱流、逆流等现象，从而影响了变矩器的传动效率。

(4)将仿真得到的液力变矩器整体的原始特性与试验值进行了对比，表明了仿真分析的可靠性，并提出了两条优化改善变矩器效率的具体措施。

参考文献

[1]李有义.液力传动[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2004,16-19.

[2]马文星.液力传动理论与设计[M].北京:化学工业出版社,2004,1-3.

[3]刘仕平.液力变矩器数学模型、新型设计方法及内部流场研究[D].太原:太原理工大学.2010.

[4]张锡杰.液力变矩器三维流场数值分析及性能预测研究[D].上海:上海交通大学.2009.

[5]朱经昌.液力变矩器的设计与计算[M].国防工业出版社,1991,2-6.

[6]李元吉,闫清东.新型牵引——制动型液力变矩器制动特性计算方法的研究[J].工程机械,2004,35(12):44-47.

[7]Department of United States Army Material Command.Translated by ZHANG Hui-lin,LIRen-ye.Design Handbook of Vehicle Cooling Systems[M].Beijing:National DefenseIndustrial Press,1984,82-98.

[8]A•Д•Клокев.Thermal Calculations for Transmission Systems of Vehicles(运输车辆传动系的热计算)[M].Beijing:National Defense Industrial Press.1975.

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