液压缓速器气动功率损失机理与弹簧刚度优化抑制研究

为解决重型商用车液压缓速器非工作状态下气动功率损失问题，研究人员通过建立流道计算模型和三维流场分析方法，提出采用大刚度弹簧快速扩大腔体容积的优化方案。结果表明：当弹簧刚度足够大且间隙为12 mm时，最大功率损失降低65%（3.79 kW vs 7.12 kW），显著提升车辆能效且不影响正常制动性能。

　　

在山区和丘陵地带行驶的重型商用车，常面临紧急制动能力不足的挑战。液压缓速器作为辅助制动装置，虽能通过油液循环实现持续制动，但其非工作状态下高速旋转的转子会搅动腔内空气，产生额外的气动功率损失（Aerodynamic Power Loss）。传统抑制方法如添加阻断机构或扰动气流装置，不仅成本高昂、实施困难，还可能影响正常制动性能。针对这一难题，研究人员开展了一项创新性研究，成果发表在《Engineering Science and Technology, an International Journal》。

研究团队采用多学科交叉方法，结合液压理论、三维流场分析（CFD）和动态性能实验。首先通过液压模型计算工作腔液体填充率（q），建立包含高压气体动力学方程（Eq.3-5）和热交换模型（Eq.6-11）的充油系统模型。随后采用大涡模拟（LES）和动态Smagorinsky-Lilly（DSL）子网格模型，对12 mm至2 mm不同间隙下的流场特性进行数值模拟，网格独立性验证显示1200万网格时扭矩变化率<3%。实验方面，搭建包含双电机驱动系统和CAN总线监测的测试平台，通过间接测量法分离机械摩擦损失与气动损失。

研究结果揭示以下关键发现：

1. 液体填充率分析：通过等效液压模型（图3）和压力平衡方程（Eq.15-18），量化了控制压力（P_control）与油腔填充量（表2）的非线性关系，当油罐高度（h₃）从120 mm升至310 mm时，填充率从1%增至99%。

2. 流场特性：CFD模拟显示，5000 rpm转速下腔体中心形成速度达180 m/s的强涡流（图7），湍流动能（Turbulent Kinetic Energy）在转子-定子交界面最高达108 k/(m²·s²)（图10），而压力分布表明吸力面与压力面压差显著（表5），这是功率损失的主要来源。

3. 间隙效应：间隙从2 mm增至12 mm时，最大流速降低65.3%（125 m/s vs 198 m/s），湍流动能从1600 k/(m²·s²)降至663 k/(m²·s²)（图16），对应功率损失从7.17 kW降至3.82 kW（表7）。

4. 实验验证：动态性能测试（图19）证实，12 mm间隙方案使最大功率损失降低至3.79 kW，误差<20%（除2 mm间隙低速工况外），且机械功率损失（5.32 kW@3600 rpm）显著高于气动损失。

这项研究的意义在于：

1. 技术创新：首次提出通过大刚度弹簧调控腔体容积（Eq.29-31），避免传统方法对制动性能的干扰，结构改动最小化。
2. 工程价值：为液压缓速器设计提供低成本（降低65%功率损失）、高兼容性的优化方案，实测燃油效率提升显著。
3. 方法论贡献：建立的液压-流场耦合模型（图4）和间接测量法，为类似旋转机械的能量损失研究提供范式。

讨论部分指出，当前实验误差主要源于机械功率测量的累积效应（图19d），未来需改进高灵敏度扭矩传感器。该成果不仅适用于商用车，对风力发电机等高速旋转设备的能耗优化也有借鉴价值。研究团队特别强调，弹簧刚度与间隙的定量关系（表6）仍需在更广参数范围内验证，以进一步优化抑制效果。