武琳琳，惠記莊，2，張澤宇，雷景媛，鄭恒玉

0 引言

液力變矩器是車輛自動變速系統(tǒng)中的重要元件，起到傳遞力矩、轉(zhuǎn)變速度、使系統(tǒng)結(jié)合穩(wěn)定的作用［1］，在工作中葉片受力集中、載荷過大時極易發(fā)生疲勞斷裂，引發(fā)一系列嚴重后果［2］。通過增加葉片數(shù)可分散應(yīng)力，但葉片數(shù)過多會增大液流摩擦面，使有效過流斷面變小。因此，研究葉片數(shù)對液力變矩器性能的影響是十分必要的。

Sehyun等提出可用導(dǎo)輪葉片開孔的方法來抑制邊界層分離，并對導(dǎo)輪葉片不同的開口角度進行分析，證明此方法能大幅提高泵輪的轉(zhuǎn)矩。德國的H Schul等人分析了泵輪和渦輪的不同轉(zhuǎn)速，證明渦輪和泵輪流場之間具有一定關(guān)系。北京理工大學(xué)的魏巍開發(fā)了一套三維優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)，并得到了一組新的葉片參數(shù)，通過建立液力變矩器模型并進行優(yōu)化分析，使得液力變矩器的工作特性得以改善［3-4］。吉林大學(xué)的劉春寶提出葉片環(huán)量分布類似魚體結(jié)構(gòu)，并分析了起初葉片的數(shù)值，提高了液力變矩器的效率［5］。同濟大學(xué)的王安麟基于葉片厚度的曲線方程進行模擬分析，結(jié)果顯示葉片厚度會影響液力變矩器的流場分布［6］。

國內(nèi)外學(xué)者雖然研究了葉片參數(shù)對液力變矩器性能的影響，但對葉片數(shù)的選取考慮較少。因此，本文通過液力變矩器的三維流場計算分析不同工作輪葉片數(shù)對變矩器原始特性的影響，并選取4種葉片數(shù)組合方案對計算結(jié)果進行驗證。

1 液力變矩器的三維流場計算

1.1 原始特性分析

液力變矩器各種性能的變化規(guī)律可通過原始特性參數(shù)反映［7-8］。原始特性參數(shù)包括轉(zhuǎn)速比、變矩系數(shù)、傳動效率和容量系數(shù)等。

(1)轉(zhuǎn)速比 i。

式中:nT為渦輪轉(zhuǎn)速;nB為泵輪轉(zhuǎn)速。

由式(1)可知:轉(zhuǎn)速比i表示輸出轉(zhuǎn)速降低的倍數(shù)。

(2)變矩系數(shù)K。

式中:MT為渦輪轉(zhuǎn)矩;MB為泵輪轉(zhuǎn)矩;MD為導(dǎo)輪轉(zhuǎn)矩。

由式(2)可知:變矩系數(shù)K反映輸出轉(zhuǎn)矩增大的倍數(shù)。

(3)傳動效率η。

由式(3)可知，傳動效率是變矩系數(shù)和轉(zhuǎn)速比的乘積，表征能量從發(fā)動機傳輸?shù)奖幂喸賯鬟f到渦輪的效率。

(4)容量系數(shù)C。容量系數(shù)表示液力變矩器吸收外載荷的情況［9-10］。

通過三維流場計算得出各個工作輪流道的轉(zhuǎn)矩，從而得到液力變矩器具體的原始特性參數(shù)值。

1.2 三維流場計算

液力變矩器葉片為三維立體結(jié)構(gòu)，其流道內(nèi)曲率變化復(fù)雜，3個工作輪轉(zhuǎn)速不同，故其內(nèi)流場實質(zhì)上是非定常的、三維的、不可壓縮的黏性流體流動［11-12］。為了準確地描述其內(nèi)流場流動情況，采用三維流動理論對其進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

本文借助Imageware軟件對變矩器內(nèi)部流場進行三維黏性流動計算，數(shù)值模擬流場的流程為:建立三維模型、網(wǎng)格劃分、選擇計算方法和物理模型、設(shè)置進出口邊界條件、選取材料屬性、處理計算結(jié)果［13-14］。

1.2.1 液力變矩器流道模型的建立

以某型號液力變矩器為研究對象，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 液力變矩器參數(shù)

該液力變矩器其余參數(shù)為:液力傳動油密度ρ=876.6 kg·m原3，泵輪轉(zhuǎn)速 nB=1 700 r·min原1，容量系數(shù) C=0.62，進口流量 Qi=4.32 L·min原1。

利用硅橡膠法提取泵輪流道模型，如圖1所示。經(jīng)過三坐標測量儀掃描后得到泵輪流道的點云數(shù)據(jù)，在Imageware中對泵輪流道的點云數(shù)據(jù)進行曲面擬合后得到其點云模型，如圖2所示。

將流道的點云模型導(dǎo)入UG軟件中，通過對曲面進行裁剪、縫合、實體化等一系列操作，得到流道的三維模型，如圖3所示。運用ANSYS對流道模型進行網(wǎng)格劃分，得到流道網(wǎng)格模型，如圖4所示。

圖1 泵輪流道的硅橡膠模型

圖2 泵輪流道的點云模型

圖3 流道三維模型

1.2.2 計算模型和算法的獲取

將流道網(wǎng)格模型導(dǎo)入Imageware軟件中，并對湍流模型、耦合算法和離散格式進行設(shè)置。

由于標準k-ε模型能夠較準確地反映液力變矩器內(nèi)的流場，并且可對常數(shù)值進行調(diào)節(jié)，減少了對應(yīng)的法向應(yīng)變項上所產(chǎn)生的誤差。因此，本文分析計算時湍流模型選用標準k-ε模型。

圖4 流道網(wǎng)格模型

在Imageware中，PSIO算法對每個迭代過程添加了網(wǎng)格畸變修正和動量修正，一定程度上降低了壓力場與動量方程的偏差，減少了獲得最終解所需要的迭代次數(shù)，使求得收斂解的速度大大加快［15］。因此，本文采用PISO算法以確?？焖俚玫绞諗拷?。另外，本文選取一階迎風(fēng)格式為離散格式，以便快速準確地達到理想效果。

1.2.3 流場的數(shù)值計算

在流場的計算過程中，為了準確地進行流場數(shù)值計算并得到惟一的解，必須在Imageware確定邊界條件和初始條件。

本文工作輪進口處壓力已知，而速度和流量未知，故將進口面的邊界條件設(shè)為壓力進口邊界條件;每個工作輪流道的4個組成面都屬于剛性壁面，故將內(nèi)外環(huán)面、壓力面和吸力面的邊界條件選為WALL壁面條件;上邊界條件類型確定之后，采用數(shù)據(jù)傳遞方式設(shè)置混合面模型。

上述條件設(shè)定完成后，給定各個工況下的初始條件，確定收斂準則為殘差值減小到三階量級以下;然后進行三維流場計算，得到各個工況下的數(shù)值解。

2 工作輪葉片數(shù)對液力變矩器原始特性的影響

在高速比工況下(i=0.71)通過三維流場計算得到各工作輪的轉(zhuǎn)矩，進而繪制變矩器的原始特性曲線，分析葉片數(shù)對變矩器性能的影響情況。保持2個工作輪的葉片數(shù)不變，根據(jù)剩余一個工作輪不同葉片數(shù)對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，得到變矩器的性能參數(shù)擬合曲線。

2.1 泵輪葉片數(shù)對原始特性的影響

保持渦輪和導(dǎo)輪的葉片數(shù)分別為28和17不變，當泵輪葉片數(shù)分別為19、21、23時，變矩器的原始特性參數(shù)擬合曲線如圖5所示。

圖5 泵輪葉片數(shù)對變矩器原始特性的影響

由圖5可知:當泵輪葉片數(shù)為21時變矩器效率最高，葉片數(shù)為19時次之，葉片數(shù)為23時效率最低;葉片數(shù)分別為21、19、23時對應(yīng)的變矩比依次減小;容量系數(shù)則隨著葉片數(shù)的增加而逐漸增大，但差異不大。

2.2 渦輪葉片數(shù)對原始特性的影響

保持泵輪和導(dǎo)輪的葉片數(shù)分別為21和17不變，當渦輪葉片數(shù)分別為25、28、31時，變矩器的性能參數(shù)擬合曲線如圖6所示。

圖6 渦輪葉片數(shù)對變矩器性能的影響

由圖6可知:當渦輪葉片數(shù)為28時變矩器效率最高，葉片數(shù)為25時次之，葉片數(shù)為31時效率最低;葉片數(shù)分別為28、25、31時對應(yīng)的變矩比依次減小;容量系數(shù)則隨著葉片數(shù)增加逐漸增大，但差異不大。

2.3 導(dǎo)輪葉片數(shù)對原始特性的影響

保持泵輪和渦輪葉片數(shù)分別為21和28不變，當導(dǎo)輪葉片數(shù)分別為15、17、19時，變矩器的性能參數(shù)擬合曲線如圖7所示。

圖7 導(dǎo)輪葉片數(shù)對變矩器性能的影響

由圖7可知:當導(dǎo)輪葉片數(shù)為17時變矩器效率最高，葉片數(shù)為19時次之，葉片數(shù)為15時效率最低;葉片數(shù)為19時變矩比最大，但隨著轉(zhuǎn)速比的增加呈下降趨勢，在轉(zhuǎn)速比接近0.4時變矩比低于葉片數(shù)為17時的變矩比，葉片數(shù)為15時變矩比最小;容量系數(shù)隨著葉片數(shù)的增加而小幅度增大。

綜合液力變矩器各工作輪不同葉片數(shù)對其原始特性的影響可知:3個工作輪葉片數(shù)變化對變矩器性能的影響相似，葉片數(shù)過多或者過少都會降低其效率;當葉片數(shù)較少時，隨著工作輪葉片數(shù)的增加，效率和變矩比都逐漸提高，但葉片數(shù)過多時二者反而不斷下降;葉片數(shù)變化對容量系數(shù)的影響較小，隨著葉片數(shù)的增加容量系數(shù)不斷升高。

3 葉片數(shù)組合與臺架試驗研究

3.1 組合方案及臺架試驗

由以上分析可知，葉片數(shù)的變化會影響變矩器的原始特性，本節(jié)選擇幾種葉片數(shù)組合方案(表2)，利用臺架試驗對其分析結(jié)果進行驗證。

表2 不同葉片數(shù)組合方案

由于任一工作輪葉片數(shù)改變，液力變矩器都會有所不同，本文的試驗結(jié)果僅與原始工作輪參數(shù)(方案1)進行對比。液力變矩器試驗臺如圖8所示，臺架試驗原理如圖9所示。

圖8 液力變矩器試驗臺

圖9 臺架試驗原理

保持外界環(huán)境恒定，改變驅(qū)動電機和加載電機的轉(zhuǎn)速，利用轉(zhuǎn)速傳感器、扭矩傳感器對該液力變矩器進行10組試驗，結(jié)果如表3所示。

擬合表3的試驗結(jié)果得到變矩器試驗特性曲線。將計算結(jié)果仿真特性曲線與試驗特性曲線進行對比，如圖10所示。

由圖10可知，試驗與計算的數(shù)據(jù)較為接近，表明本文基于三維流場的計算結(jié)果是準確的，通過三維流場計算液力變矩器性能的方法是可行的。試驗與仿真結(jié)果的平均誤差約為3.1%，最大誤差約為4.2%，這是由于建模時對流道進行了簡化，忽略了實際過程中熱能、噪聲能的損失以及結(jié)構(gòu)變形和液體的非定常流動。

表3 變矩器試驗結(jié)果

圖10 液力變矩器的仿真與試驗結(jié)果對比

3.2 不同方案對原始特性的影響對比

通過三維流場數(shù)值模擬，得到不同方案的變矩器原始特性變化規(guī)律，如圖11所示。

由圖11可知，效率最高的方案1在剛啟動時的變矩比最小，而啟動時的變矩系數(shù)關(guān)乎著啟動的動力性能，變矩比增大會導(dǎo)致效率下降，反之亦然。容量系數(shù)跟仿真結(jié)果相比稍有下降，其選擇主要考慮與發(fā)動機的匹配關(guān)系。變矩比一定時，效率增加會降低容量系數(shù)，而在保證與發(fā)動機匹配的基礎(chǔ)上可對其進行小范圍的下調(diào)。所選4種方案的變矩器效率均達到了80%左右，其中方案1的效率最高，約為86%，方案3的效率次之，其余2種方案的效率則相對較低。

圖11 4種方案的變矩器性能對比

4 結(jié)語

(1)對液力變矩器的原始特性進行了簡要闡述，借助三坐標測量儀得到3個工作輪的流道和整體點云數(shù)據(jù)，通過Imageware的后處理和UG軟件的曲面造型得到了工作輪流道的三維模型。給定各個工況下的初始條件并進行三維流場數(shù)值計算，得到各個工況下的數(shù)值解。

(2)保持2個工作輪葉片數(shù)不變，改變剩余1個工作輪的葉片數(shù)，在高速比工況下分別進行三維流場數(shù)值計算，并得到不同工作輪葉片數(shù)對液力變矩器原始特性的影響:3個工作輪的葉片數(shù)變化對變矩器原始特性的影響相似，葉片數(shù)過多或者過少都會降低其效率;當葉片數(shù)較少時，隨著工作輪葉片數(shù)的增加，效率和變矩比都逐漸升高，但葉片數(shù)過多時二者反而不斷下降;葉片數(shù)變化對容量系數(shù)影響較小，隨著葉片數(shù)的增加容量系數(shù)不斷升高。

(3)根據(jù)工作輪葉片數(shù)的不同組合了4種方案。對方案1所組合的液力變矩器性能進行了臺架試驗，將試驗結(jié)果擬合得到其原始特性曲線，試驗結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)的平均誤差約為3.1%，最大誤差約為4.2%。通過對比4種方案分別擬合得到的原始特性曲線，驗證了本文三維流場的計算結(jié)果是準確的，三維流場計算液力變矩器原始特性的方法是可行的。

(4)本文是在穩(wěn)態(tài)狀況下分析不同葉片數(shù)對變矩器原始特性的影響，而變矩器內(nèi)流場是非穩(wěn)態(tài)的，并且由于變矩器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和葉片結(jié)構(gòu)的扭曲性，一個參數(shù)的變化會影響到葉型的其他參數(shù)，本文未對各種參數(shù)進行綜合考慮，今后需要進一步研究。

參考文獻:

［1］ 許 濤，過學(xué)迅.FLUENT在汽車工業(yè)中的應(yīng)用［J］.北京汽車，2006(5):39-41.

［2］ 惠記莊，曹 杰，鄒亞科，等.鈑金型液力變矩器疲勞壽命模擬仿真與實驗研究［J］.機械設(shè)計，2011，28(6):74-78.

［3］ 魏 巍，閆清東，朱 顏.液力變矩器葉片流固耦合強度分析［J］.兵工學(xué)報，2008，29(10):1158-1162.

［4］ 魏 巍，閆清東.液力變矩器葉柵系統(tǒng)三維優(yōu)化設(shè)計方法研究［J］.氣體傳動與控制，2006，17(4):41-44

［5］ 劉春寶，劉長鎖，馬文星，等.基于魚體結(jié)構(gòu)的仿生型液力變矩器葉片環(huán)量分配規(guī)律［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2016，36(9):887-892，904

［6］ 王安麟，劉偉國，龍廣成.基于液力變矩器流體耦合葉片厚度設(shè)計方法［J］.同濟大學(xué)學(xué)報，2015，43(4):599-604

［7］ 惠記莊.基于三維流場的鈑金型液力變矩器現(xiàn)代設(shè)計方法與實驗研究［D］.西安:長安大學(xué)，2010

［8］ 惠記莊，張廣輝，聶春鵬，等.鈑金型液力變矩器外特性計算方法［J］.交通運輸工程學(xué)報，2015，15(1):74-81.

［9］ WHITFIELD A，WALLACE F J， PATEL A.Performance Prediction of Multi Element Torque Converters［J］.International Journal of Mechanical Sciences，1983，25(2):77-85.

［10］ 許 濤.液力變矩器三維流場仿真計算［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2006.

［11］ 惠記莊，胡 浩，代 然，等.基于MSC的變矩器膨脹變形分析［J］.中國公路學(xué)報，2015，28(5):144-149.

［12］ 麥云飛，劉磊然，郭 瑞.基于Fluent軟件的SCR擺線轉(zhuǎn)子泵控制方程模型及算法探究［J］.通信電源技術(shù)，2015，32(6):95-98.

［13］ 惠記莊，張金龍，雷景媛，等.裝載機閉鎖式液力變矩器的閉鎖控制及仿真分析［J］.筑路機械與施工機械化，2017，34(3):95-102.

［14］ RONALD DFLACK，LEONARD DWHITEHEAD.Velocity Measurements in an Automotive Torque Converter PartⅡ-Average Turbine and Stator Measurements［J］.Tribology Transactions.1999，42:697-706.

［15］ 惠記莊，鄭恒玉，楊永奎，等.基于三維流場數(shù)值解的鈑金型液力變矩器軸向力計算［J］.中國公路學(xué)報，2016，29(4):145-152.