（车辆工程专业论文）液力变矩器热平衡研究和冷却系统设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 捅芰 液力变矩器是以液体为介质的液力传动机械装置，对负载变化有良好的自 动适应能力。它能简化车辆的操纵，使车辆起步平稳，加速迅速、柔和，在工 程机械行业得到了广泛应用，不过其热特性对整个工作能力的影响尤为显著。 如果液力传动系统油温过高，产生的热量不能及时散去，传动油就会变质，容 积效率降低，而且整个传动系统的传动特性也可能降低，部分机件甚至会损坏， 密封件也可能会失效漏油。相反，如果传动系统的冷却系统散热能力太强，就 会使系油温过低，无法达到最好的传动性能。因此车辆设计阶段准确估算整个 系统的产热量、需要的故热量，配置合理的相关参数，从而设计最合理有效的 冷却系统对提高系统性能是十分重要的。 本文以传热学为理论基础，对液力变矩器工作过程中的能量损失产热进行 了分析，得出液力变矩器的产热计算公式。在这个过程中，运用m a t l a b 软件建 立数学模型，计算不同工况下发动机与液力变矩器共同工作的输入特性，本质 就是发动机净转矩特性曲线与液力变矩器泵轮转矩特性曲线的一系列交点。得 到不同工况下液力变矩器泵轮的转矩和转速，即可得到对应输入功率，再根据 产热计算公式计算不同工况下液力变矩器的发热量，最后由热平衡方程得出需 要的冷却系统散热量。文章中以某d 4 0 0 液力变矩器为例，输入发动机与液力 变矩器相关参数，计算出了该液力变矩器的发热量，分析各典型工况( 不同转 速比) ：起动工况，转速比为0 时；高效区，效率在0 7 5 0 8 ；最高效率工况； 空载工况，转速比为最大时；偶合工况等的具体情况，最终选取了一特定工况 下的发热量作为设计冷却系统的基础。 在冷却系统的设计过程中，分析了传统方案的不足以及目前对传统冷却系 统的改进，设计了某d 4 0 0 液力变矩器冷却系统方案。然后由计算得出的散热 器的散热量，通过所需冷却空气的循环量、风扇消耗功率、散热器面积和电机 功率等热参数的计算，对冷却系统主要部件进行选型，完成整体设计。 关键词：液力变矩器，热平衡计算，冷却系统 a b s t r a c t t o r q u ec o n v e r t e ri sal o a dc h a n g em e c h a n i c a ld e v i c eb yh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o n i th a sg o o da u t o m a t i ca d a p t a b i l i t y i tc a ns i m p l i f yt h ev e h i c l e sc o n t r o l ，a c c e l e r a t e d r a p i d l ys t a r t e ds m o o t h l y i th a saw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n si ne n g i n e e r i n gm a c h i n e r y i n d u s t r y , b u ti t sa b i l i t yi si n f l u e n c e dd e e p l yb yt h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c s i ft h e h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o no i lt e m p e r a t u r ei st o oh i g h ，t h eh e a tc a l ln o tb ed i s p e r s e di n t i m e ，t h et r a n s m i s s i o no i lw i l lt u r nb a d ，h a sl o w e rv o l u m e t r i ce f f i c i e n c y , t h es y s t e m w i l lo c c u re a r l yf a i l u r eo fs e a ll e a k a g e ，r e d u c et h et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n d c o m p o n e n t so fe a r l yd a m a g ee t c c o n v e r s e l y , i ft h eh e a tc a p a c i t yo f c o o l i n gs y s t e m i st o os t r o n g ，m a k et h eo i lt e m p e r a t u r et o ol o w , t h et o r q u ec o n v e r t e ra l s oc a n n o tg e t t h eb e s th y d r a u l i ct r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h e r e f o r e ，a c c u r a t ee s t i m a t i o nh e a t c a p a c i t yo ft h es y s t e ma n dc o n f i g u r er e a s o n a b l ep a r a m e t e r si nt h ed e s i g np h a s ec a l l i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f t h ec a r i nt h i sp a p e r , t h et h e o r e t i c a lb a s i so fh e a tt r a n s f e r , h y d r a u l i ct o r q u ec o n v e r t e r w o r ko ne n e r g yl o s si nt h ep r o c e s so fh e a tp r o d u c t i o nw e r ea n a l y z e d ，o b t a i n e d t o r q u ec o n v e n e rh e a tp r o d u c t i o nf o r m u l a i nt h i sp r o c e s s ，u s i n gm a t l a bs o f t w a r et o b u i l dm a t h e m a t i c a lm o d e l st oc a l c u l a t et h ee n g i n ew i t ht h et o r q u ec o n v e r t e ri n p u t c h a r a c t e r i s t i c su n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n s ，i ne s s e n c e , i st h en e te n g i n et o r q u e c h a r a c t e r i s t i cc u r v ea n dh y d r a u l i ct o r q u ec o n v e r t e rp u m p t o r q u ec h a r a c t e r i s t i cc u r v e r o u n das e r i e so fi n t e r s e c t i o n 。o b t a i n e d p u m pw h e e lt o r q u ea n ds p e e d ，y o uc a n u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n st o r q u ec o n v e r t e r g e tt h ec o r r e s p o n d i n gi n p u tp o w e r , a n db y h e a tc a l c u l a t i o nf o r m u l au n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n so fh e a tt o r q u ec o n v e r t e r , o b t a i n e d t h eh e a tb a l a n c ee q u a t i o nt h en e e df o rh e a td i s s i p a t i o nc o o l i n gs y s t e mf i n a l l y t h i s a r t i c l eu s et h ed 4 0 0t o r q u ec o n v e r t e rf o re x a m p l e ，i n p u tt h ep a r a m e t e r so fe n g i n e a n dt o r q u ec o n v e n e rt oc a l c u l a t et h eh e a to ft o r q u ec o n v e r t e r , a n a l y s i so ft h e t y p i c a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ( d i f f e r e n ts p e e dr a t i o ) ：s t a r t i n gc o n d i t i o n ，s p e e dr a t i oi s o ；t h eh i 曲e f f i c i e n c y , e f f i c i e n c yi nt h e0 7 5t o0 8 ；t h em o s te f f i c i e n tc 彻d i t i o n ： n o 。l o a dc o n d i t i o n s ，w h e nt h em a x i m u ms p e e dr a t i o ；c o u p l i n gc o n d i t i o n sa n do t h e r s p e c i f i cc i r c u m s t a n c e s ，t h ef i n a ls e l e c t i o no fas p e c i f i cw o r k i n gc o n d i t i o n sh e a ta s t h eb a s i sf o rd e s i g no fc o o l i n gs y s t e m i i 武汉理工大学硕士学位论文 i nt h ec o o l i n gs y s t e md e s i g n i n g p r o c e s s ，t h et r a d i t i o n a lp r o g r a ma n dt h ec u r r e n t l a c ko fi m p r o v e m e n to nt h et r a d i t i o n a lc o o l i n gs y s t e mw e r ea n a l y z e d t h e nd e s i g n e d t h ec o o l i n gs y s t e ms o l u t i o n so fd 4 0 0t o r q u ec o n v e r t e r t h r o u g hc a l c u l a t i n gt h eh e a t c a p a c i t yr a d i a t o r , c o o l i n ga i rc i r c u l a t i o nt h r o u g ht h er e q u i r e da m o u n to ff a np o w e r c o n s u m p t i o n ，h e a ts i n ka r e aa n de l e c t r i c a lp o w e ra n do t h e rt h e r m a lp a r a m e t e r s ， s e l e c t e dt h em a i nc o m p o n e n t so ft h ec o o l i n gs y s t e ms e l e c t i o na n dc o m p l e t e dt h e o v e r a l ld e s i g nf i n a l l y k e yw o r d s ：t o r q u ec o n v e r t e r , h e a tb a l a n c ec a l c u l a t i o n ，c o o l i n gs y s t e m i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特n d i i 以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签名：塑x 查日期：盘! ! ：蔓= 金p 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：美友 导师签名：i 楚日期：基宴 里：璧：扫 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 液力变矩器是以液体为工作介质的非刚性扭矩变换器，由泵轮，涡轮和导 轮组成。泵轮和发动机的输出飞轮相连，将输入的机械能转换为流体的液能， 涡轮则和变速机构输入轴连接，将流体的液能转换为机械能，导轮的作用在于 使液力变矩器的输出扭矩与输入扭矩不相等，在输出转速不变时，输出扭矩大 于输入扭矩。整个循环工作过程，实现力矩和能量的传递。 液力变矩器与传统离合器最大的不同是传统离合器一般靠摩擦片的摩擦力 实现动力传递，而液力变矩器则是靠液体传动，是一种柔性的动力传递。液力 变矩器可以随发动机施加的载荷变化来实现自动无级变速，柔性的动力传递也 能够有效地减小整个系统的扭震与动负荷，使车辆具有比较好的起动性能、加 速性能和对载荷的适应性能。因此车辆装备液力变矩器，其发动机与传动系统 的使用寿命比使用传统离合器的明显增长，同时能够获得较好的低速性能和对 复杂路面的通过能力，液力变矩器的自动性也使得驾驶员的操作更加简单，减 少疲劳驾驶，提高行驶安全，柔性的传递过程也会大大提高乘员的舒适感【3 1 。 当前我国汽车工业已经进入了飞速发展的时期，科技不断进步，人民的生 活水平不断提高，轿车已经不再只是上流人士的专属座驾，更多普通家庭都拥 有了自己的第一辆轿车，不过随之带来的交通拥挤、驾驶环境恶劣、非职业驾 驶员增多等问题，使得人们对简化汽车操作，提高行驶安全的要求不断提高。 因此目前在我国自动变速器在各种车辆上的应用已经越来越广泛。 通过对车辆液力传动装置更多的使用，人们发现整个系统的发热对其工作 性能有着很大的影响。车辆在使用过程中，液力传动系统中的油温会不断升高， 如果冷却系统不能及时散热，传动油就会变质，容积效率降低，而且整个传动 系统的传动特性也可能降低，部分机件甚至会损坏，密封件也可能会失效漏油。 反之，如果传动系统的冷却系统散热能力太强，就会使系油温过低，无法达到 最好的传动性能。因此车辆设计阶段准确估算整个系统的发热量、需要的散热 量，配置合理的相关参数，从而设计最合理有效的冷却系统对提高系统性能是 武汉理工大学硕士学位论文 十分重要的。 渡力变矩器作为液压传动系统中十分重要的元件之，如何控制其实际工 作中的温度，使其能发挥出虽好的性能，从而提高燃料的利用率，在能源问题 如此突出的今天，显得尤为重要。近几年许多汽车工业发达的国家如美国、日 本、韩国等就从节省国家能源的角度考虑，投入了大量财力、物力、人力支持 汽车公司对液力变矩器进行深入研究，以提高汽车燃油的经济性。其中日本早 在上个世纪9 0 年代初期，就呼吁全球要重视节约能源，保护地球环境，针对汽 车工业领域，主要就是提高车辆各部件的效率从而提高燃油经济性，这当中着 重强调了提高液力变矩器的效率。而我国的液力变矩器制造行业起步晚，自主 研发的能力比较薄弱，而对于分析渡力变矩器热特性以提高效率方面更是需要 很大的提高，所以对液力变矩嚣进行热平衡研究是非常有必要f 4 1 。 1 2 液力变矩器的结构与工作原理 液力变矩器是一种复杂的透平机械，一般主要由泵轮、涡轮和导轮三揶分 组成，图1 i 为液力变矩器的横截面示意图。液力变矩器泵轮的叶片和变矩器 壳相连，变矩器壳通过螺栓固定到发动机的输出端，所以泵轮叶片的转速与发 动机转速相同。发动机工作时，泵轮将机械能转化为液能是液力变矩器的主 动元件。涡轮装在泵轮对面般通过花键与变速器的输入轴相连，泵轮引导 液体冲击涡轮叶片，液能又转化为机械能传递给变速箱，因此泵轮是液力变矩 器的输出元件。导轮的卣径大约是泵轮或涡轮直径的一半，位于涡轮出口和泵 轮进口之间，用来改变液体流动的方向，因此导轮是变矩器中的反作用元件。 盘 起动一 古圈 麟囊 测 武汉理工大学硕士学位论文 液力变矩器的内部充满着传动油，液体流动方向如图l - 2 。发动机启动后， 曲轴带动泵轮旋转，液力变矩器的泵是一种离心泵，泵轮叶片间的传动油在旋 转产生的离心力作用下沿着叶片从内缘向外缘甩出，这部分传动油既具有随泵 轮一起转动的圆周向分速度，又有冲向涡轮的轴向分速度。传动油以较高的速 度冲击涡轮叶片，推动涡轮与泵轮同方向转动。传动油再从涡轮流出，其速度 可以看做传动油相对于涡轮叶片表面流出的分速度和随涡轮一起转动的分速度 的合成。当涡轮转速比较小时，从涡轮流出的传动油是向后的，传动油冲击导 轮叶片的前面。但是单向离台器的存在使导轮单向锁止。所以导轮不动，只是 改变传动油方向将其导向泵轮，推动泵轮叶片，促进泵轮旋转，从而使作用于 涡轮的转矩增大，这段时问为液力变矩器的变矩工况。随着涡轮的转速增加到 某一值时，从涡轮流出的传动油开始冲击导轮叶片的背面时，而单向离合器允 许导轮与泵轮一同旋转，导轮开始转动，此时液力变矩器到达临界点。当涡轮 转速进一步提高时，传动油冲击导轮叶片的背面，导轮沿泵轮转动方向旋转， 传动油比较顺利地回流到泵轮涡轮出口的传动油正好与导轮叶片出口的方向 一致时，液力变矩器不产生增扭作用，这时为液力变矩器的偶合工况。总的来 说液力变矩器整个工作过程主要是传动油与叶轮之间的相互作用，其中的各种 变化与能量传递是个比较复杂的过程【5 】。 图1 - 2 液力变矩器液流方向 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 液力变矩器的发热与散热 液力变矩器承受发动机输入的载荷并将动力传递至变速箱，利用液体作为 工作介质，车辆行驶工程中载荷不断变化，从而引起工作介质传动油的温度急 剧变化( 7 0 1 4 0 ) ，产生热量，因此设计有效合理的冷却系统来散热以保证 液力变矩器的工作效率，对车辆性能是非常重要的。 1 3 1 液力传动油发热的原因 液力变矩器是由几个非刚性联结的叶轮组成，主要是靠传动油与叶轮叶片 相互作用来传递力矩。一般情况下，泵轮与发动机相连，将机械能传递给传动 油，转换为流体的液能，然后高速液体推动涡轮旋转，涡轮则与变速箱相连， 它再将液能转化为机械能输出。 整个过程不断实现能量的转换，由于传动油本身存在粘性，所以在传动的 过程中为了克服各种阻力必然要损耗一部分能量，通常这部分损失指的是传动 油的流动损失，主要包括摩擦阻力损失和局部阻力损失：摩擦阻力损失是指液 力变矩器内部的机械摩擦损失和克服传动油粘性阻力的损失；局部阻力损失是 流体质点与质点以及与局部装置之间发生碰撞、产生漩涡，使流体的流动受到 阻碍，为了克服这些阻碍而损失的能量。除了流动损失，传动油在内部循环传 递动力的过程中还伴随着机械损失，主要包括了轴的轴承和密封损失以及圆盘 摩擦损失等；以及容积损失，由各叶轮出口的压力差引起。所有这些能量损失 通常都转变为热量，使传动油的温度升高【6 】。 1 3 2 液力传动油油温变化的原因 车辆在行驶过程中工况复杂而且变化频繁，通常液力变矩器的发热量也会 随之改变，在车辆频繁启动、制动和超载时液力变矩器的发热量都会大一些， 这个时候如果冷却系统不能随之增大敖热量，液力变矩器传动油的温度就会迅 速升高，相比正常工况下温度的变化很大，严重影响液力变矩器传动的效率。 经验表明，频繁发动制动的车辆上，液力传动系统中的传动油的温度可达9 0 1 1 5 ；而保持高速匀速的车辆上，传动油的温度只有8 0 8 8 。 1 3 3 目前常用的散热系统 目前，车辆上散热系统的冷却风扇通常是聚合物轴流式风扇，由发动机通 4 武汉理工大学硕士学位论文 过机械式方式( 皮带、齿轮等) 以固定的传动比直接驱动，这种散热系统往往 存在着以下不足：首先是风扇又发动机驱动，而风扇自身损耗能量大，在发动 机附件中损耗最大；再者固定的传动比使得风扇的转速与发动机转速相同，散 热器并不能根据实际工况的改变而增大或减小散热量 7 】。 1 4 目前国内外液力传动系统的热平衡研究状况 随着液力传动技术的不断进步和对系统散热要求的逐步提高，国外对液力 传动系统热平衡的研究越来越重视。许多发达国家如美国、德国、英国和俄罗 斯等的汽车部件研发公司，均安排专人研究传动系统的热特性，也开展了很多 热平衡试验。 美国公司对于液力传动系统热平衡的计算主要采用间接估计法，其基本依 据是研究人员认为液力传动系统的发热特性可以由车辆牵引力速度曲线确定。 一般认为车辆在车轮打滑点连续工作时发热量最大，要求在这种工况下冷却系 统能够满足使用要求，这个打滑点是在车辆车轮对地面的摩擦系数最大时出现， 经常假设此时牵引力大约等于驱动桥上车重的7 5 。确定打滑点后，可由发动 机输出功率、主动轮输出功率和车辆速度曲线计算此时的发热量。比如，阿里 逊t x 2 0 0 型传动装置，车辆总重量为7 7 1 lk g ，则f = o 7 5 7 7 1 1 = 57 8 3k g ，该 值对应于第l 档变矩器工作工况下，车速为7 7 2 3k m h 。在该点的排热率为：q = r 输入马力主动轮马力，即q ，= 3 2 4 2 1 8 = 1 0 6k w 。有的传动系统还以3 2 。爬坡为 典型热计算工况，所用方法和原理同上。 德国公司通常都不进行详细的理论计算，而以实验测试值为主。不过他们 提出了一个新概念：传动系统安全温度系数。例如：在1 0 0 时对传动系统加 热直到损坏，如果是到1 6 0 时损坏，则安全温度系数为1 6 0 1 0 0 = 1 6 。一般传 动系统的设计是希望此系数达到1 8 。另外在冷却系统的设计方面，德国一些公 司认为，当变矩器长期处在f - 0 7 的工况下工作时，传动装置的温升情况应该 平衡，如不能平衡，则要修改冷却系统 8 】。 俄罗斯公司对液力传动系统热平衡的理论研究比较深入。从理论上讲，求 解整个传动系统的热平衡方程，就是求解在箱体壁附近的温度梯度及其沿整个 热交换表面下的变化情况，并通过积分获得总的系统放热量，目前还没有一个 通用的数学模型来直接计算整个传动系统的热特性。因此，研究人员在实际计 算液力传动系统发热量时，采用了一种比较合理的简化方法，即所有机件( 如 5 武汉理工大学硕士学位论文 齿轮，行星排、闭锁离合器，制动器，液力变矩器和液力偶合器，轴承等) 发 热量直接相加得到总的发热量。具体的液力传动系统热平衡方程式： q = q 嘲+ g + 绒+ q 口，式中，q 为单位时问从机构中发出的摩擦热量；q 嘲 为机构和机油吸收的热量：g 为箱体表面散发的热量；q 胁为与机构接触散发 的热量；q 。为通过散热器散出的热量 9 】。以最大发热量的工况来设计冷却系统。 综合上述来说，除了试验测试外，目前国外进行车辆传动系统热平衡研究 的方法主要有两大类：一类是以美国为代表的间接估算法，另一类是以俄罗斯 为代表的简化计算方法。 另外，近几年来随着c f d 技术的进一步发展并走向工业应用阶段，全三维 粘性流动分析技术趋于成熟，使得精确求解流体机械内的复杂流动成为可能， 它能比较正确地计算模拟流体的真实流动，比较正确地预测其中流场的涡旋、 脱流、分离、尾迹和损失等流动现象和流体机械的性能。在国外，液力变矩器 的设计和各种研究( 包括热平衡研究) 中已经普遍使用了c f d 技术。 而我国对热平衡的研究一般只针对发动机，对液压传动系统的热平衡分析 和冷却系统的研究经验很少，通常是采用由经验或比较给出的方法。其中浙江 大学动力机械与车辆工程程研究所以某装载机柴油发动机为例，分析了散热器 的相对位置对冷却系统冷却能力的影响，并且通过分开排列散热器，重新调整 结构参数等方法来提高这个冷却系统的散热能力【1 0 】。另外在吉林大学关于装 载机热平衡系统的研究一文中，也只是对装载机工作装置和转向装置的液压系 统进行了热平衡分析与计算，没有考虑液力变矩器部分1 1l 】。 1 5 课题研究的目标及内容 我国的液力变矩器制造行业起步晚，当前还比较落后，自行开发研制液力 变矩器的能力比较薄弱，而控制液力变矩器实际工作中的温度方面更是需要很 大的提高，所以本课题对液力变矩器热特性的研究是非常必要的。主要目标及 内容： 以传热学为理论基础，分析液力变矩器的能量损失、发热原因以及发热量 的计算方法，再通过热平衡原理分析散热器散热量的取值方法，在m a t l a b 软件 环境下建立发动机与液力变矩器共同工作输入特性的数学计算模型，并结合实 例进行不同工况下液力变矩器发热量的计算，从而得出需要的冷却系统散热量， 进而计算风扇功率和散热器热力学参数等并进行选型分析，设计出最为合理的 6 武汉理工大学硕士学位论文 散热系统。 1 6 本章小结 本章介绍了液力变矩器的作用、结构、工作原理及热特性，分析了进行液 力变矩器热平衡研究和冷却系统设计的重要性，并介绍了目前国内外相关研究 的情况，最后指出了本文的研究目标、内容及意义。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章传热学理论基础 传热学是一门研究不同温度的物体，或同一物体的不同部分之间热量传递 规律的学科。有温差就有热量的传递，因此热量传递是一种普遍的自然现象。 传热学不仅在动力工程领域中占有非常重要的地位，而且还广泛地应用在机械 工程、化学工程、金属工程、环境工程及电气工程等领域中，如提高锅炉的蒸 汽产量，防止燃气轮机燃烧室过热，确定换热器的传热面积和控制热加工时零 件的变形等，都是典型的传热问题。在能源问题突出的今天，对传热学的研究 已经显得越来越重要。 2 1 热量传递 根据热量传递的机理，热量传递一般分为热传导、热对流和热辐射 1 2 】。 热传导是指在不涉及物质转移的情况下，热量从物体中温度较高的部位传 递给相邻的温度较低的部位，或从高温物体传递给相接触的低温物体的过程。 热传导是物质的固有本质，无论是气体、液体还是固体，都具有导热的本领。 主要影响因素包括导热系数、温差、几何因素等。 热对流是指流体中温度不同的各部分物质在空间发生宏观相对运动引起的 热量传递现象。工程上广泛遇到的对流换热，它是指流体流过固体壁面且由于 其与壁面间存在温差时的热量传递现象，它与流体的流动机理密不可分，同时， 由于热传导也是物质的固有本质，因而对流换热是流体的宏观热运动( 热对流) 与流体的微观热运动( 热传导) 联合作用的结果。主要影响因素包括流体热物 性( 如导热系数、粘度等) 、流体流态和流速、温差、几何因素等。 热辐射是物体因自身具有温度而辐射出能量的现象。当物质微观粒子( 原 子) 内部的电子受激和振动时，将产生交替变化的电场和磁场，发出电磁波向 空间传播，即为热辐射。从物理本质上讲，热辐射和其他所有各种辐射一样， 都是电磁波，它们之间的内在区别是导致发射电磁波的激励方式不同，而外在 表现是发射的波长( 通常为0 1 1 0 0 微米) 不一样，以及吸收该电磁波之后所 引起的效应不同。热辐射与热传导和热对流的同点在于热辐射的热量可以在没 有中间介质的真空中直接传递。太阳就是以辐射方式向地球传递巨大能量的。 每一物体都具有与其绝对温度的四次方成比例的热辐射能力，也能吸收周围环 武汉理工大学硕士学位论文 境对它的辐射热，辐射和吸收所综合导致的热量转移称为辐射换热，它的能量 传递过程中伴随着能量的转换，即内能转换为辐射能，辐射能再转换为内能。 主要影响因素包括物体表面辐射力、表面状况、表面空间相对位置等。 以上简单介绍了热传导、热对流和热辐射的传递方式，实际上，在热量传 递过程往往是三种方式不同组合或同时发生。 2 2 热传导基本理论 2 2 1 热传导的几个基本概念 ( 1 ) 温度场 温度场是指某一瞬时物体内各点的温度分布状态。 传递速率决定于物体内温度的分布情况。温度是标量， 函数，也是标量场。其一般的表达式为： t = f ( x ，y ，z ，f ) 式中f 温度； x , y , z 三维空间坐标； f 时间。 由热传导方式引起的热 温度场是时间和空间的 ( 2 1 ) 温度场是三维的，一般分为非稳态和稳态两种情况，式2 1 是非稳态情况下 温度场的表达式，也称为非定常温度场，此时物体各点的温度随时间的变化而 改变；如果物体处于稳态工作，温度不随时间变化，则这样温度场称为稳念温 度场也称定常温度场，其表达式为： t = f ( x ，y ，z )( 2 2 ) ( 2 ) 稳态导热和非稳态导热 导热物体内温度场随时间变化的导热过程为非稳态导热过程，反之不随时 间变化为稳态导热过程。其中非稳态导热根据温度场随时间变化规律的特点分 为周期性和非周期性非稳态导热两大类。周期性非稳态导热是指物体的温度随 时问做周期性的变化；非周期性非稳态导热也称瞬态非稳态导热，是指物体的 温度随时间的推移逐渐趋近于恒定状态，通常指物体的加热或冷却过程。 ( 3 ) 温度梯度 在具有连续温度场的物体内，过任意地点温度变化率最大的方向位于等 9 武汉理工大学硕士学位论文 温线的法线方向上，称过这一地点的最大温度变化率为温度梯度。温度梯度表 明了温度在空间上的最大变化率及其方向，是向量，其正向与热流方向恰好相 反。对于连续可导的温度场同样存在连续的温度梯度场。其大小等于该地点的 等温面法线方向温度变化率： g r a d t = 要以 ( 2 3 ) o n 现 式中锄等温面法线方向的温度变化率： ，l 等温面法线方向的单位向量。 温度梯度在三维直角坐标系中表达式如下； g r a d t = 霎z + 宴+ 学后 ( 2 4 ) t 强 o y o z 式中 f ，歹，后三个坐标方向上的单位向量； 8 t a ta t = 一，：一，= 一 出o y 比温度梯度在三个坐标轴上的投影。 2 2 2 热传导的基本方程 热传导方程是一个偏微分方程，它描述一个区域内的温度如何随时问变化。 导热通常只发生在不同的等温面之问，即热量的传递是沿着温度高的等温面的 法线方向，向温度低的等温面传递。我们把单位时间内通过单位等温面积的热 流量称为热流密度，计为q = ( w m 2 ) ，热流密度是矢量，它永远与等温面相垂 直。则热传导的基本方程式即傅里叶定律： q = - a g r a d t = 一五罢n( 2 5 ) = = 一以_【2 o n 由式2 5 知傅里叶定律的物理意义即任意时刻，各向同性的连续介质中任何 地点的局部热流密度数值上与该点的温度梯度成正比，方向相反，比例系数名称 为导热系数，是物质的一个重要热物性参数，指单位温度梯度下，在垂直于热 流密度的单位面积上所传导的热流量。导热系数表征了物质导热能力的大小。 由此可得单位时间内通过面积为a 的等温面( 此面必须与热流密度矢量相垂直) 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 的热流量： = 一彳名要( 2 6 ) ( 珊 由傅里叶定律和能量守恒定律就可推导出导热的基本微分方程式。以一任 意矩形微元正六面体为例，如图2 1 ，其边长分别为出，咖，出。 图2 1 微元体的导热 任意方向的热流量都可以分解称为x 、y 、z 三坐标方向的分热流，则三坐标 方向上传入微元体的热流量： 传出微元体的热流量： ( 2 7 ) 纰 砒 妫 况一舐乱一砂出一瑟 允 兄 允 以 以 以 = = = j y z e i 武汉理工大学硕士学位论文 肘凼= 一名晏 + 祟出) 撇 咖一名杀( f + 考咖) 砒 ( 2 8 ) 砒= 一名昙( f + 霎龙) 蛐 肛昙出咖比( 2 9 ) 微兀体内能的增量为： d 彳 式中p 物体的密度； c 物体的比热容。 微元体内热源发热率为： q d x d y d z( 2 1 0 ) 根据能量守恒定律，导入微元体的总热量+ 微元体内热源发热率= 导出微元 体的总热量+ 微元体内能的增量。由上式联立整理可得： 妾= 去( 筹+ 矿0 2 t + 筹 + 伊= a v z t + 盖( 2 1 1 ， 瓦= 瓦【 萨+ 矿+ 矿j + 伊嘉 ) 式中v 2 f 温度f 的拉普拉斯运算符5 d 兰，导热物体的导温系数，单位：所2 s 。 对于稳态导热，_ o t ：0 ，式2 1 1 可以简化为： v 2 f + 导：0( 2 1 2 ) 式2 1 1 或2 1 2 即为热传导的基本方程 1 3 。 2 3 本章小结 本章介绍了传热学的基础理论，分析了热量传递的三种方式：热传导、热 对流和热辐射，以及三种传递方式的定义和影响因素，另外还介绍了热传导的 几个基本概念：温度场、稳态导热、非稳态导热和温度梯度等，最后分析了热 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 传导的基本定律，由傅里叶定律和能量守恒定律推导出热传导的基本方程，是 热能计算的理论基础。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章液力变矩器能量损失与热平衡计算 3 1 液力变矩器的能量损失 液力变矩器的产热主要是由能量损失转化而来，液力传动系统传递功率大， 传动效率较低，损失的功率几乎都转化为热量，因此了解液力变矩器的能量损 失对研究其热特性显得尤为重要。这些能量损失主要包括流动损失、机械损失 和容积损失三个部分 1 4 1 。 3 1 1 流动损失 液力变矩器传动油在内部循环流动，因为粘性的存在必然会有流动损失， 一般包括两类：一类为摩擦阻力损失，另一类为局部阻力损失。 ( 1 ) 摩擦阻力损失 传动油在循环流动时，流体与叶片问通道壁以及流体之间都会存在摩擦， 所以沿着流动的路程，流体流动时总会受到摩擦力的阻碍，为了克服这些阻碍 而损失的能量叫做摩擦阻力损失。在工程流体力学中，一般以液流的速度头 v 2 2 9 的百分数来表示摩擦阻力损失的大小。液力变矩器中传动油与各叶轮是 相对运动，所以摩擦阻力损失计算表达式为： 办坍= 五瓦l 石v 2 ( 3 1 ) 式中力各工作轮的沿程阻力系数； 各工作轮流道的长度，该长度也就是叶片骨线在平均流面上 的长度； “一工作轮流道的水力直径； v 工作轮相对速度的平均值。 摩擦损失的大小与很多因素有关，其中主要的有：液流的速度、液体的粘 性和通道壁的粗糙度等，在不同的流动情况下，这些因素的影响是不同的。在 相同的壁面粗糙度和液体粘度情况下，流动情况与液流速度有很大关系。如果 液流速度不大，那么液体的流动基本上是层流。这时有一个很薄的液流层粘附 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 在通道壁上，所以其阻力主要是由各层液体的相互内摩擦造成的，故液体的粘 性力占主要地位，内壁的粗糙度影响很小，这时流动的阻力主要受到液流速度 的影响。如果液流速度很大，则粘附在通道壁上的一层液体会被破坏并且使液 流造成旋涡，液体被搅乱而不能平顺地流动，造成了液体的紊流，显然紊流状 态下的能量损失要比层流状态下大，而且在紊流时的流动阻力不仅与流速有关 而且与通道壁的粗糙度有关。为了能以较小尺寸的液力变矩器传递较大的功率， 一般是使液流的速度加大，所以，在液力变矩器中液流大多处于紊流状态。因 此，摩擦损失对液力变矩器的性能有较大影响。一般认为：摩擦损失与液流的 相对速度有关，并与流量的平方成砒 1 5 1 。 ( 2 ) 局部阻力损失 传动油在循环流动时，流体质点与质点以及与局部装置之间发生碰撞、产 生漩涡，使流体的流动受到阻碍，为了克服这些阻碍而损失的能量叫做局部阻 力损失。局部阻力损失一般包括冲击损失、突然扩大和突然收缩的损失以及扩 散损失。其中冲击损失占主要部分，它是指传动油在叶轮进口与叶片骨线进口 方向不一致，这样就会引起旋涡以及脱流区，使流道收缩而引起的附加摩擦损 失，可由下式计算： 2 h 。= 织等 ( 3 2 ) 己g 式中以c 冲击损失能头； 纯冲击损失系数； q 冲击损失速度。 3 1 2 机械损失 传动油在内部循环传递动力的过程中一般都伴随着机械损失，主要包括了 轴的轴承和密封损失以及圆盘摩擦损失等，对于轴承和密封的损失，通过提高 配合精度、选取适当地的润滑油和密封材料，可以控制到很低 1 6 】。但圆盘摩 擦损失即泵轮、涡轮的外表面与传动油的摩擦损失就占比较大比例。这种损失 可按下式计算： m y p = 如肚5 国2( 3 3 ) 式中锄圆盘摩擦系数，它与流体相对流动状态、圆盘和壳体的相 武汉理工大学硕士学位论文 对粗糙度，圆盘和壳体的相对间隙等因素有关； p 工作液体的密度； r 工作液体的运动粘性系数； 国圆盘与壳体的相对角速度。 3 1 3 容积损失 液力变矩器变矩器工作肘，泵轮出口的传动油绝大部分会进入涡轮，再由 涡轮流进导轮，然后又回到泵轮，起到传递动力的作用。为了保证各工作轮相 互不接触，相互之间没有机械摩擦，泵轮的进口与导轮的出口以及涡轮的出口 和导轮的进口的内环间都设计了比较小的环行间隙。不过，这种环行间隙的两 端压力是不相等的，在压力差的作用下，一小部分传动油就会通过这些间隙由 高压腔流向低压腔。泵轮出口的压力高于自身进口的压力也高于涡轮出口的压 力，因此就会有部分传动油由泵轮出口经环行间隙再流回泵轮出口，绕着泵轮 的内环流动，有这股液流的存在，直接导致了泵轮的功率损失即为容积损失。 3 2 液力变矩器的产热 液力变矩器的产热主要是由液力损失转化而来的，因此其产热量q r 由变矩 器的效率和变矩器泵轮轴的输入功率确定。 g = ( 1 一r r ) 木( 3 4 ) 式中刁r 液力变矩器效率； 口泵轮轴输入功率。 3 3 液力变矩器的热平衡方程 液力变矩器功率损失确定的产热量，需要考虑到部件壳体表面散热、散热 器散热以及装配部件材料吸收热量的整个量平衡来确定。热平衡方程可表达为： 绋= q + q + 吼( 3 5 ) 式中 壳体表面散热量，绋= k f ( 一f 。) ，式中：k 壳体的 散热系数；，壳体散热表面的面积；“部件中的 油温；f 。周围空气介质的温度； 蚴散热器散热量； 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 蛳部件接触导热量。 由于本文研究对象液力变矩器体积不大，相对散热器的散热量，壳体表面 散热量和部件接触导热量要小很多，出于简化方程计算，并保证散热器完全满 足使用要求，后续计算将q 矿g ，再由q 矽确定冷却系统具体参数。 3 4 液力变矩器的产热计算 由式3 4 可以看出，要得到不同工况下液力变矩器的发热量关键在于输入功 率的计算，所以分析发动机与液力变矩器共同工作的输入特性，找到共同工作 点是整个计算的重点。 3 4 1 发动机和液力变矩器的共同工作输入特性 发动机与液力变矩器共同工作的输入特性是指液力变矩器处于不同转速比 i 的情况下与发动机共同工作的转矩和转速的变化特性。发动机与液力变矩器泵 轮直接连接，液力变矩器施加于发动机的负荷性能可以由泵轮的转矩变化特性 来体现，因此发动机与液力变矩器的共同工作其本质可以确定为指发动机净转 矩特性曲线与液力变矩器泵轮转矩特性曲线的一系列交点。 发动机净转矩特性函数可由下式表示： m 口= f ( n 。) ( 3 6 ) 式中m r 发动机转矩； 发动机转速。 液力变矩器泵轮转矩特性曲线可由下式表示： m 占= a s p g n s z d 5 ( 3 7 ) 式中肘口液力变矩器泵轮转矩； 液力变矩器泵轮扭矩系数； p 液力变矩器工作油的密度； g 重力加速度； 珂虐液力变矩器泵轮转速； d 液力变矩器有效工作直径。 其中在液力变矩器原始特性曲线的以= 厂( f ) 曲线上，每对应个转速比f 都可 以得到对应的五疗，所以在特定的工况( f 确定时) ，泵轮传递的扭矩与其转速二 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 次方成正比，是一条抛物线形状，称此抛物线为负荷抛物线。不同工况时，负 荷抛物线位置不同，对于一个液力变矩器，可得一组泵轮负荷抛物线。 要求两特性曲线的交点即为解方程m ，= m 牙。求解时，解一个方程会得到 两个根，取转速小的根保留。每对应一个转速比f ( f = i ，f ：，f 。) ，可以得到一 条液力变矩器泵轮转矩特性抛物线，其与发动机净转矩特性曲线会得到的交点 即为发动机与液力变矩器的共同工作点。整个计算过程可以通过在m a t l a b 软件 下建立数学模型来完成。 3 4 2 在m a t l a b 软件环境下的数学模型 ( 1 ) 发动机与液力变矩器匹配计算程序流程如图3 1 ： 图3 - 1 匹配计算流程 ( 2 ) 数学模型核心算法： m 。为一条抛物线，m 丑为一组抛物线，两者均为连续函数，设 a m = m 。一m 口，即发动机与液力变矩器的转矩差，由连续函数的零点定理， 武汉理工大学硕士学位论文 可以找到两个点a 、b ，使得嘶。a m b = 0 ) ) ； t r q _ _ d i f f e r e n c e m