， ， ， 樹成， ， 博深

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院， 北京 100081； 2.北京理工大學(xué) 車輛傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081)

引言

液力變矩器利用流體作為工作介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與流體動(dòng)能的相互轉(zhuǎn)化，達(dá)到柔性傳輸動(dòng)力的目的。其具有無(wú)級(jí)變速變矩、自動(dòng)適應(yīng)性、隔離振動(dòng)沖擊等優(yōu)良特性。在1905年被發(fā)明以來(lái)，經(jīng)過(guò)百余年的發(fā)展，液力變矩器被廣泛應(yīng)用于船舶、機(jī)車、工程機(jī)械、風(fēng)機(jī)以及各類軍用和民用車輛上。

傳統(tǒng)的液力變矩器設(shè)計(jì)是基于歐拉勢(shì)流理論的一維束流設(shè)計(jì)方法，其概念清晰，易于編程，計(jì)算用時(shí)短，經(jīng)過(guò)修正后與試驗(yàn)結(jié)果比較接近，并且對(duì)計(jì)算能力要求不高，具有工程實(shí)用性。但由于液力變矩器內(nèi)部流動(dòng)為復(fù)雜的三維黏性流動(dòng)，用一維束流理論進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算存在計(jì)算精度低、依賴于設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)及需要大量樣機(jī)試制等缺點(diǎn)。

隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)及計(jì)算能力的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)能夠?qū)σ毫ψ兙仄鲀?nèi)部三維黏性旋渦流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值仿真，獲取其內(nèi)部流動(dòng)速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)，進(jìn)而進(jìn)行液力宏觀特性的提取，擺脫了一維束流理論的簡(jiǎn)化及經(jīng)驗(yàn)限制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液力變矩器性能的高精度預(yù)測(cè)。同時(shí)，隨著微型壓力傳感器、激光多普勒測(cè)速(LDV)及粒子成像(PIV)等技術(shù)的成熟，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)液力變矩器內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量，開展液力變矩器內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理研究，進(jìn)一步提高液力變矩器設(shè)計(jì)精度。

國(guó)外液力變矩器設(shè)計(jì)發(fā)展較早，特別是美國(guó)、德國(guó)、日本、韓國(guó)等汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，已經(jīng)建立起一套完整的液力變矩器三維流動(dòng)設(shè)計(jì)體系[1]，通過(guò)對(duì)液力變矩器內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理的數(shù)值及試驗(yàn)研究，開發(fā)了液力變矩器系列化型譜。國(guó)內(nèi)液力變矩器起步較晚，目前仍處于從一維束流理論向三維流動(dòng)設(shè)計(jì)的過(guò)渡階段。北京理工大學(xué)、吉林大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等高校在液力變矩器流場(chǎng)分析及測(cè)試、流場(chǎng)數(shù)值仿真、葉片設(shè)計(jì)及制造工藝優(yōu)化等方面開展了大量研究，正逐漸形成葉柵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析自動(dòng)化集成的現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法。本文構(gòu)建了液力變矩器現(xiàn)代設(shè)計(jì)流程，建立了車用液力變矩器與發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)匹配方法及評(píng)價(jià)體系、集成一維束理論與三維流場(chǎng)分析的特性預(yù)測(cè)和葉柵系統(tǒng)優(yōu)化方法及模型、葉輪流固耦合強(qiáng)度分析方法及LDA葉輪內(nèi)部流場(chǎng)測(cè)試方法，為進(jìn)行車用高功率密度液力變矩器研制奠定了理論基礎(chǔ)。

1 液力變矩器現(xiàn)代設(shè)計(jì)流程

傳統(tǒng)液力變矩器設(shè)計(jì)流程框圖如圖1。傳統(tǒng)液力變矩器設(shè)計(jì)首先根據(jù)市場(chǎng)需求及發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)匹配要求，確定液力變矩器結(jié)構(gòu)尺寸及性能指標(biāo)；然后利用一維束流理論，結(jié)合設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行特性預(yù)測(cè)、角度優(yōu)化，形成初步的葉柵系統(tǒng)；隨后進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)及加工制造，其工藝設(shè)計(jì)主要采用不斷的試模-修正方式進(jìn)行；最后對(duì)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步修正一維束流理論中的摩擦損失系數(shù)、沖擊損失系數(shù)等經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，以提高束流理論的設(shè)計(jì)精度。這一過(guò)程需要進(jìn)行多輪樣機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)才能達(dá)到一定精度，故傳統(tǒng)液力變矩器設(shè)計(jì)方法由于束流理論精度低、較大的依賴于設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)而導(dǎo)致其設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、研制成本高，且一次設(shè)計(jì)成功率較低。

圖1 傳統(tǒng)液力變矩器設(shè)計(jì)流程

液力變矩器現(xiàn)代設(shè)計(jì)流程框圖如圖2所示。首先由市場(chǎng)需求及液力變矩器與發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)匹配進(jìn)行液力變矩器結(jié)構(gòu)尺寸和設(shè)計(jì)指標(biāo)的優(yōu)化；隨后進(jìn)行基于三維流場(chǎng)仿真的葉柵優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合參數(shù)化葉片設(shè)計(jì)、三維流場(chǎng)計(jì)算及多目標(biāo)全局優(yōu)化算法，在設(shè)計(jì)空間對(duì)液力變矩器葉柵系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)利用三維流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)進(jìn)一步修正三維流場(chǎng)仿真模型以提高其計(jì)算精度；完成葉柵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，利用流固耦合分析進(jìn)行葉片、葉輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片厚度、葉輪結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化及輕量化設(shè)計(jì)；然后利用工藝仿真軟件對(duì)液力變矩器制造工藝進(jìn)行評(píng)估及優(yōu)化，對(duì)鑄造型液力變矩器來(lái)說(shuō)，主要進(jìn)行葉片形狀評(píng)估及拔模工藝評(píng)估，對(duì)沖壓型液力變矩器來(lái)說(shuō)，主要進(jìn)行沖壓工藝優(yōu)化及葉片回彈修正；隨后進(jìn)行樣機(jī)制造，并進(jìn)行葉輪測(cè)繪，以檢驗(yàn)制造質(zhì)量；最后進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)。

圖2 液力變矩器現(xiàn)代設(shè)計(jì)流程

液力變矩器現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法采用三維流場(chǎng)仿真技術(shù)作為其特性預(yù)測(cè)核心，其設(shè)計(jì)精度有較大提高，不需要進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的修正，同時(shí)采用工藝仿真及評(píng)估，實(shí)現(xiàn)液力變矩器制造工藝優(yōu)化，縮短了研制周期，降低了研制成本。

1.1 液力變矩器與發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)匹配

發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器匹配的好壞直接影響到動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配性能，對(duì)整車牽引特性、經(jīng)濟(jì)性以及發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變矩器各自性能的發(fā)揮都有較大影響。傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器匹配主要是基于穩(wěn)態(tài)工況下得到的發(fā)動(dòng)機(jī)凈外特性與液力變矩器原始特性進(jìn)行的，然而在車輛實(shí)際使用過(guò)程中，大多數(shù)時(shí)間內(nèi)處于動(dòng)態(tài)工況。以城市工況汽車為例，動(dòng)態(tài)工況占50%～90%[2]，眾多理論分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)均表明車輛的動(dòng)態(tài)特性與穩(wěn)態(tài)特性存在較大差別，不僅如此，即使車輛運(yùn)行在穩(wěn)態(tài)工況，柴油機(jī)也不一定工作在外特性上，可見(jiàn)傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)匹配的結(jié)果不能完全反映車輛的使用情況，不能很好的發(fā)揮液力變矩器性能。

液力變矩器與發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)匹配是指動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)在負(fù)載、駕駛員油門操作均變化的情況下進(jìn)行匹配，涉及到發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)模型、液力變矩器動(dòng)態(tài)模型及發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器動(dòng)態(tài)匹配評(píng)價(jià)與優(yōu)化三部分。動(dòng)態(tài)匹配能夠更好的反映各種不同工況下車輛的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程，有效提高動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性[3]。

1) 發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)在油門固定的情況下隨載荷變化的加、減速特性，以及發(fā)動(dòng)機(jī)隨油門變化下的加、減速特性，即發(fā)動(dòng)機(jī)隨負(fù)荷及隨駕駛員影響下的動(dòng)態(tài)特性。發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)模型建立較復(fù)雜，為獲得可靠的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)模型，采用基于有限試驗(yàn)數(shù)據(jù)的組合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性。發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)主要包括油門恒定、載荷變化下的加減速特性試驗(yàn)，載荷恒定、油門變化下的加減速特性試驗(yàn)，油門、載荷變化下的周期性加減速試驗(yàn)及ETC循環(huán)下的動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)。構(gòu)建了基于有限試驗(yàn)數(shù)據(jù)的柴油機(jī)特性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，可以獲取變油門、變負(fù)載等不同加減速動(dòng)態(tài)工況的柴油機(jī)特性。

2) 液力變矩器動(dòng)態(tài)模型

液力變矩器隨著負(fù)載動(dòng)態(tài)變化表現(xiàn)出來(lái)的特性稱為液力變矩器的動(dòng)態(tài)特性。建立了基于CFD內(nèi)流場(chǎng)分析的液力變矩器動(dòng)態(tài)特性仿真模型，基于復(fù)雜性測(cè)度對(duì)CFD仿真模型穩(wěn)健性、可信度進(jìn)行量化分析，確定了合適的CFD計(jì)算邊界條件、湍流模型，提高了液力變矩器動(dòng)態(tài)特性仿真精度[4,5]。提出了基于混合流道模型的導(dǎo)輪空轉(zhuǎn)特性計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了液力變矩器牽引工況、偶合器工況精確特性預(yù)測(cè)[6]。

3) 發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器動(dòng)態(tài)匹配評(píng)價(jià)與優(yōu)化

基于發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器的動(dòng)態(tài)模型，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器動(dòng)態(tài)匹配模型，利用該模型能夠?qū)崿F(xiàn)定油門變負(fù)載、變油門定負(fù)載及變油門變負(fù)載過(guò)程下的動(dòng)態(tài)匹配。定義了功率輸出系數(shù)φN、扭矩輸出系數(shù)φM和燃油消耗率系數(shù)φge作為動(dòng)態(tài)匹配評(píng)價(jià)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器動(dòng)態(tài)匹配的評(píng)價(jià)，各評(píng)價(jià)系數(shù)計(jì)算公式如下：

(1)

式中，NeN為發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率；NTav為渦輪軸在一系列設(shè)定的動(dòng)態(tài)過(guò)程中的平均輸出功率，其計(jì)算方法如下：

(2)

式中，j=1，2，3，…，m，代表m種預(yù)設(shè)的不同動(dòng)態(tài)過(guò)程，T1T2分別為各個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程的起止時(shí)刻，NT(t)為相應(yīng)動(dòng)態(tài)過(guò)程中渦輪軸輸出功率隨時(shí)間t變化的函數(shù)。

(3)

式中，Memax為發(fā)動(dòng)機(jī)外特性最大輸出扭矩；MTav為渦輪軸在一系列設(shè)定的動(dòng)態(tài)過(guò)程中的平均輸出扭矩，其計(jì)算方法如下：

(4)

式中，MT(t)為相應(yīng)動(dòng)態(tài)過(guò)程中渦輪軸輸出扭矩隨時(shí)間t變化的函數(shù)。

(5)

式中，geTav為在一些列設(shè)定的動(dòng)態(tài)過(guò)程中換算到渦輪軸輸出端的平均等效燃油消耗率，其計(jì)算公式為：

(6)

式中，geT(t)為一些列設(shè)定的動(dòng)態(tài)過(guò)程中等效渦輪軸燃油消耗率隨時(shí)間t變化的函數(shù)。

發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器動(dòng)態(tài)匹配動(dòng)力性可用φN和φM來(lái)評(píng)價(jià)，經(jīng)濟(jì)性可以用φge來(lái)評(píng)價(jià)，其中，φN和φM越大說(shuō)明動(dòng)態(tài)匹配動(dòng)力性越好，φge越大說(shuō)明動(dòng)態(tài)匹配經(jīng)濟(jì)性越好。

基于以上動(dòng)態(tài)匹配模型及評(píng)價(jià)體系，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器進(jìn)行了動(dòng)態(tài)匹配分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析了液力變矩器有效直徑、傳動(dòng)系前傳動(dòng)比等參數(shù)對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)性能的影響(圖3)，從而可基于動(dòng)態(tài)匹配確定液力變矩器結(jié)構(gòu)尺寸及特性參數(shù)，使得設(shè)計(jì)出來(lái)的液力變矩器更能滿足實(shí)際使用工況的需要，發(fā)揮液力變矩器的最佳性能。

1.2 液力變矩器葉柵優(yōu)化設(shè)計(jì)

葉柵設(shè)計(jì)是液力變矩器設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，直接影響到液力變矩器性能，液力變矩器現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法利用CFD技術(shù)進(jìn)行特性預(yù)測(cè)，將CFD分析與試驗(yàn)設(shè)計(jì)、智能優(yōu)化算法進(jìn)行有機(jī)集成，形成葉柵優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)液力變矩器設(shè)計(jì)的自動(dòng)化和集成化， 有效提高液力變矩器設(shè)計(jì)效率，縮短研制周期[7]。葉柵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖3 有效直徑和前傳動(dòng)比對(duì)動(dòng)態(tài)匹配特性影響

圖4 液力變矩器葉柵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

整個(gè)流程主要包括基于快速穩(wěn)態(tài)CFD分析的葉柵系統(tǒng)優(yōu)化和基于高精度瞬態(tài)CFD分析的優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證兩個(gè)過(guò)程。

在正向設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)初始值可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)給定，選取性能優(yōu)秀的樣本點(diǎn)作為初始值。也可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)給定較好的設(shè)計(jì)初始值，從而加快設(shè)計(jì)的收斂。

采用快速穩(wěn)態(tài)CFD分析與高精度瞬態(tài)CFD計(jì)算相結(jié)合的方法進(jìn)行葉柵系統(tǒng)的優(yōu)化。快速CFD分析為基于單流道的葉柵系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)計(jì)算，該計(jì)算速度快、適應(yīng)性高并容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，適合快速對(duì)不同形式葉柵系統(tǒng)進(jìn)行性能比較，同時(shí)結(jié)合優(yōu)化算法對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在較短時(shí)間內(nèi)獲得較優(yōu)解?；诳焖貱FD分析的葉柵系統(tǒng)優(yōu)化主要包括葉柵系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計(jì)、單流道幾何建模、網(wǎng)格劃分以及周期性穩(wěn)態(tài)CFD計(jì)算四個(gè)部分組成，為提高設(shè)計(jì)效率，這三個(gè)部分均實(shí)現(xiàn)參數(shù)化及自動(dòng)化，利用優(yōu)化算法進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，對(duì)不同設(shè)計(jì)參數(shù)的葉柵系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估、比較、優(yōu)化，并獲得全局最優(yōu)解。

完成葉柵系統(tǒng)的快速優(yōu)化后，即可利用全流道瞬態(tài)仿真計(jì)算液力變矩器內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)并精確預(yù)測(cè)其性能，如果所選液力變矩器能夠滿足指標(biāo)要求，則輸出設(shè)計(jì)結(jié)果，如果不滿足指標(biāo)要求，則可根據(jù)計(jì)算結(jié)果改變?nèi)~柵參數(shù)，重新進(jìn)行精確特性預(yù)測(cè)，直至性能指標(biāo)滿足要求。

這種設(shè)計(jì)方法并沒(méi)有直接建立葉柵系統(tǒng)幾何形狀與其性能之間的數(shù)學(xué)模型，而是將CFD計(jì)算當(dāng)作一個(gè)黑箱，利用優(yōu)化算法去改變?nèi)~柵系統(tǒng)幾何并利用CFD計(jì)算進(jìn)行性能評(píng)估，這樣通過(guò)大量CFD計(jì)算進(jìn)行液力變矩器虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化。這種設(shè)計(jì)方法精度高，不依賴于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，不需要大量樣機(jī)修正即可獲得較好的結(jié)果，但是這種方法對(duì)計(jì)算能力要求較高，計(jì)算耗時(shí)。不過(guò)相對(duì)于需要制造大量樣機(jī)并進(jìn)行試驗(yàn)修正的傳統(tǒng)束流設(shè)計(jì)方法來(lái)說(shuō)，這種設(shè)計(jì)方法仍然有效的縮短了研制周期，節(jié)約了研制成本。利用基于CFD的葉柵集成優(yōu)化系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)葉片數(shù)、循環(huán)圓形狀、葉片安裝角等參數(shù)的分析及優(yōu)化[8-10]，這是利用束流理論無(wú)法有效解決的。

1.3 液力變矩器內(nèi)部流場(chǎng)測(cè)試

作為液力變矩器現(xiàn)代設(shè)計(jì)的核心，三維流場(chǎng)分析的精度直接影響到其設(shè)計(jì)精度，開展液力變矩器內(nèi)部流場(chǎng)測(cè)試研究，可以獲取其內(nèi)部流場(chǎng)信息，驗(yàn)證CFD計(jì)算模型，同時(shí)能夠?yàn)镃FD計(jì)算模型提供精確的邊界條件，提高仿真精度，從而有效提高液力變矩器設(shè)計(jì)精度。同時(shí)，對(duì)液力變矩器內(nèi)部流場(chǎng)的測(cè)試可以加深對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)特性、損失機(jī)理的理解，為液力變矩器優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

液力變矩器內(nèi)部流場(chǎng)測(cè)試主要包括壓力場(chǎng)測(cè)試及速度場(chǎng)測(cè)試兩部分，一般采用微型五孔探針壓力傳感器進(jìn)行液力變矩器內(nèi)部壓力場(chǎng)的測(cè)試[11]，利用激光多普勒(LDV)技術(shù)[12]及粒子成像測(cè)速(PIV)技術(shù)[13]進(jìn)行液力變矩器內(nèi)部速度場(chǎng)的測(cè)試。

LDV具有非接觸、無(wú)擾動(dòng)、響應(yīng)快、空間分辨率高及可獲得動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于流動(dòng)狀態(tài)的測(cè)量中。北京理工大學(xué)開展了LDV液力變矩器流場(chǎng)測(cè)速技術(shù)研究，對(duì)全透明光學(xué)葉輪[14]、開窗式葉輪[15](圖5)進(jìn)行速度場(chǎng)測(cè)試。全透明葉輪能夠獲得較大流道區(qū)域速度場(chǎng)數(shù)據(jù)，而開窗式液力變矩器能夠模擬高轉(zhuǎn)速下液力變矩器的實(shí)際運(yùn)行工況。利用LDV設(shè)備對(duì)液力變矩器泵輪內(nèi)部流動(dòng)速度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，將測(cè)試結(jié)果與CFD仿真進(jìn)行對(duì)比如圖6所示。

圖5 LDV測(cè)速被試件

由圖6可知，由于旋轉(zhuǎn)工作介質(zhì)受到哥氏力的作用，存在較明顯的射流-尾跡現(xiàn)象，在靠近葉片工作面(壓力面)處流體速度高，而靠近葉片背面(吸力面)處流體速度低，且出現(xiàn)流體速度為負(fù)值，即出現(xiàn)回流現(xiàn)象。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的對(duì)比可知，CFD仿真能夠較好的模擬出泵輪流道內(nèi)流體的速度分布，從而驗(yàn)證了液力變矩器CFD仿真的準(zhǔn)確性。同時(shí)，利用測(cè)試數(shù)據(jù)作為邊界條件直接施加到CFD計(jì)算模型中，可以較大的提高特性預(yù)測(cè)模型的精度。

1.4 雙向流固耦合葉輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)液力變矩器流固耦合分析開展過(guò)大量研究，絕大部分是基于單向流固耦合的結(jié)構(gòu)仿真，即單獨(dú)把液力變矩器流場(chǎng)分析結(jié)果作為載荷施加到結(jié)構(gòu)計(jì)算模型上[16]。液力變矩器在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，流體沖擊葉輪葉片，同時(shí)葉輪葉片還受到離心載荷的作用，導(dǎo)致葉輪葉片產(chǎn)生變形，而葉輪葉片的變形會(huì)改變流道形狀，從而對(duì)流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也產(chǎn)生影響，故只有雙向流固耦合分析才能夠準(zhǔn)確得獲取液力變矩器內(nèi)部流固耦合流動(dòng)狀態(tài)[17]。

圖6 泵輪中間流面速度分布

圖7所示為液力變矩器雙向流固耦合分析流程，其主要包括瞬態(tài)全流道CFD計(jì)算模型及葉輪結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，且在CFD模型和結(jié)構(gòu)模型之間需要設(shè)置耦合面，即流體與固體間存在交互作用的面，CFD模型與結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算同步進(jìn)行，實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，同步達(dá)到收斂。利用雙向流固耦合分析， 實(shí)現(xiàn)了葉輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，預(yù)測(cè)了葉輪葉片變形對(duì)液力變矩器性能的影響，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)葉片厚度優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

圖7 雙向流固耦合分析流程圖

1.5 葉輪制造工藝評(píng)估及優(yōu)化

液力變矩器優(yōu)化完成以后，需要針對(duì)不同的葉輪制造方法進(jìn)行工藝評(píng)估及優(yōu)化，以保證設(shè)計(jì)葉片能夠順利加工，并確保加工質(zhì)量。

1) 基于快速成型的鑄造型葉輪工藝評(píng)估

鑄造型液力變矩器葉輪工藝評(píng)估主要包括葉片形狀評(píng)估及拔模工藝評(píng)估。利用快速成型方法，快速將設(shè)計(jì)葉片及模具進(jìn)行三維成型(圖8)，設(shè)計(jì)人員根據(jù)樣件進(jìn)行葉片厚度、扭曲程度檢查，以及拔模檢查、裝配檢查等，從而可提高鑄造型液力變矩器葉輪的加工工藝性及設(shè)計(jì)制造成功率。

圖8 快速成型葉片及模具實(shí)物

沖壓型液力變矩器葉輪葉柵系統(tǒng)的制造過(guò)程中，由于葉片板材的沖壓會(huì)產(chǎn)生回彈、變薄導(dǎo)致成型葉片與初始設(shè)計(jì)葉片存在誤差，從而影響到液力變矩器性能，同時(shí)不合理的沖壓工藝會(huì)使葉片出現(xiàn)破裂、起皺等缺陷，降低葉片加工質(zhì)量。因此葉片沖壓過(guò)程工藝優(yōu)化及修正技術(shù)是沖焊型液力變矩器葉片制造技術(shù)的關(guān)鍵，直接影響到液力變矩器的制造精度及性能。

利用有限元方法對(duì)沖壓過(guò)程中定位方式、沖壓工藝、葉片回彈等進(jìn)行了分析，通過(guò)對(duì)不同沖壓方案的對(duì)比，優(yōu)化葉片沖壓工藝(圖9)，并進(jìn)行葉片回彈修正，保證了沖壓型葉輪葉片的制造精度及成品率。

利用非接觸式測(cè)繪方法對(duì)制造出來(lái)的葉輪進(jìn)行測(cè)繪，通過(guò)與初始設(shè)計(jì)模型的對(duì)比分析，檢驗(yàn)葉輪制造質(zhì)量，驗(yàn)證葉片回彈修正的準(zhǔn)確性。

2 扁平液力變矩器葉柵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步提高液力變矩器體積功率密度，液力變矩器向著扁平化方向發(fā)展[18]，魏巍等提出了變寬循環(huán)圓設(shè)計(jì)方法，并對(duì)扁平率進(jìn)行參數(shù)敏感性分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，由表1可知，對(duì)某型傳統(tǒng)循環(huán)圓進(jìn)行扁平化設(shè)計(jì)，扁平率為0.21， 通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)表明(圖10)， 在同樣的葉片角度參數(shù)下，減少循環(huán)圓軸向?qū)挾群螅毫ψ兙仄鲃?dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性均會(huì)惡化[19]。利用基于CFD的集成式液力變矩器現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，以起動(dòng)變矩比(K0)，最高效率(ηmax)及起動(dòng)泵輪扭矩系數(shù)(λB0)為優(yōu)化目標(biāo)，建立多目標(biāo)優(yōu)化模型，利用基于存檔的小種群遺傳算法(AMGA)對(duì)扁平液力變矩器葉柵進(jìn)行了優(yōu)化，獲得了系列非劣解(圖11)，圖中黑點(diǎn)為所有搜索的解，綠點(diǎn)為非劣解。

圖9 不同沖壓角下葉片回彈

圖10 優(yōu)化前扁平液力變矩器葉輪

由于扁平化后液力變矩器效率惡化嚴(yán)重，故在所有非劣解中選取效率最高的點(diǎn)，進(jìn)行全流道瞬態(tài)計(jì)算驗(yàn)證、葉片制造工藝分析，設(shè)計(jì)制造出優(yōu)化后扁平循環(huán)圓樣機(jī)(圖12)，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，其結(jié)果如表1所示。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，扁平液力變矩器最高效率有較大提升，從原始的75.7%提高到86.2%，同時(shí)，起動(dòng)泵輪扭矩系數(shù)也有所上升，從原始的4.77×10-6·min2·r-2·m-1升高到5.51×10-6·min2·r-2·m-1，但是其起動(dòng)變矩比有所下降。

圖11 扁平液力變矩器葉柵優(yōu)化結(jié)果

圖12 優(yōu)化后扁平液力變矩器葉輪

K0ηmax/%λB0/10-6·min2·r-2·m-1傳統(tǒng)液力變矩器2．5182．92．90扁平液力變矩器1．8375．74．77優(yōu)化后扁平液力變矩器1．6086．25．51

3 高功率密度系列變矩器設(shè)計(jì)實(shí)例

圖13 系列化液力變矩器變矩比和效率性能

圖14 系列化液力變矩器泵輪扭矩系數(shù)

運(yùn)用所建立的高功率密度液力變矩器設(shè)計(jì)理論和方法，研制成功了力系列高功率密度車用液力變矩器，試驗(yàn)原始特性見(jiàn)圖13及圖14。系列液力變矩器性能如表2，其能容系數(shù)覆蓋2.89～7.8 mm，直徑覆蓋330～450 mm，可以滿足不同功率和轉(zhuǎn)速需求的車輛使用。

表2 系列液力變矩器性能

4 結(jié)論

隨著計(jì)算機(jī)、流場(chǎng)分析、有限元分析、測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，液力變矩器已經(jīng)擺脫依賴經(jīng)驗(yàn)的傳統(tǒng)束流理論設(shè)計(jì)，向基于CFD的集成式液力變矩器現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法過(guò)渡。本文建立了以CFD計(jì)算為核心的液力變矩器現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法，研制成功的系列高功率密度液力變矩器，能容高達(dá)7.8×10-6·min2·r-2·m-1，最高效率88.6%，循環(huán)圓有效直徑420 mm時(shí)可傳遞功率1103 kW，寬徑比最小0.21，結(jié)果也驗(yàn)證了現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法的有效性。

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