基于敏感參數(shù)分析的變矩器葉片參數(shù)研究

劉宗其　李志遠(yuǎn)　劉海林

1.合肥工業(yè)大學(xué),合肥,230009　　2.安徽叉車集團(tuán)公司,合肥,230000

基于敏感參數(shù)分析的變矩器葉片參數(shù)研究

劉宗其1,2李志遠(yuǎn)1劉海林2

1.合肥工業(yè)大學(xué),合肥,2300092.安徽叉車集團(tuán)公司,合肥,230000

運(yùn)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù),研究了葉片進(jìn)出口角、液流偏離角和損失系數(shù)等液力變矩器敏感參數(shù),綜合考慮這些敏感參數(shù)對(duì)最高效率、啟動(dòng)變矩比系數(shù)和力矩系數(shù)的影響，得到了它們之間的影響趨勢，確定了影響因素的特定范圍。改變泵輪的入口角度后，通過相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證了效率變化的趨勢。

液力變矩器；葉片；敏感參數(shù)；DOE技術(shù)

0　引言

液力變矩器的性能主要由葉柵系統(tǒng)參數(shù),尤其是工作輪葉片的進(jìn)出口角確定。早期的研究給出了變矩器能頭、流量和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的一維束流理論求解方法，通過這些方法可以確定變矩器的幾何參數(shù)和性能參數(shù)[1-2],但這些幾何參數(shù)對(duì)性能影響的敏感程度各有不同,若不優(yōu)選出其中敏感性大的參數(shù)，則設(shè)計(jì)過程的計(jì)算非常復(fù)雜,導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與使用性能偏差較大(啟動(dòng)工況下的偏差可達(dá)到10%～15%[3])。本項(xiàng)目通過對(duì)相關(guān)性能參數(shù)敏感性的研究，選出影響較大的一組或幾組參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，建立了正確的數(shù)學(xué)模型。

1　初始系數(shù)的數(shù)值分析

本文以YJH265變矩器為研究對(duì)象進(jìn)行研究。該款變矩器的設(shè)計(jì)參數(shù)和性能參數(shù)如下:循圓直徑為265 mm,泵輪、渦輪和導(dǎo)輪的中間流線入口角(出口角)分別為62.33°(73.65°)、128.93°(37.4°)、35.47°(142.68°)。渦輪與泵輪的轉(zhuǎn)速比i、變矩比系數(shù)K、變矩器效率η、力矩系數(shù)RM等原始特性數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　YJH265變矩器的原始特性

液力變矩器性能計(jì)算涉及很多經(jīng)驗(yàn)參數(shù),我們把對(duì)變矩器性能影響較大的液流偏離角、損失系數(shù)以及葉片的進(jìn)出口角作為引起性能變化的自變量[4],用Ω表示液流偏離角，δ表示沖擊損失系數(shù)，f表示摩擦損失系數(shù)，下標(biāo)b、d、t 分別表示泵輪、導(dǎo)輪、渦輪，下標(biāo)1、2 表示入口和出口,參數(shù)Ωb1、Ωb2、Ωd1、Ωd2、Ωt1、Ωt2的取值范圍為-10°～10°,基準(zhǔn)值為0;fb、fd、ft的取值范圍為-0.05～0.2,基準(zhǔn)值為0.07;δb、δd、δt的取值范圍為0.42～1.2，基準(zhǔn)值為1.1;通過編制的MATLAB計(jì)算程序和一維束流理論對(duì)模型(YJH265)進(jìn)行參數(shù)敏感性研究。為獲得高置信度結(jié)果，共取1000個(gè)樣本點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算,獲得各變量對(duì)變矩器性能參數(shù)的影響，如表2所示。

各主要敏感性參數(shù)(液流偏離角Ω、沖擊損失系數(shù)δ、摩擦損失系數(shù)f)對(duì)應(yīng)的各主要影響參數(shù)主效應(yīng)如圖1所示。由圖1a可知,最高效率隨導(dǎo)輪入口液流偏離角的升高而降低(呈負(fù)的二次曲線關(guān)系)，隨渦輪出口液流偏離角的上升而升高(呈較強(qiáng)的線性關(guān)系)；由圖1b可知，啟動(dòng)變矩比系數(shù)隨導(dǎo)輪的入口液流偏離角的變化呈負(fù)的二次曲線關(guān)系，隨渦輪和導(dǎo)輪的摩擦損失系數(shù)升高而單調(diào)下降；由圖1c可知，泵輪力矩系數(shù)隨泵輪出口液流偏離角的上升而單調(diào)下降，隨導(dǎo)輪出口液流偏離角的上升而單調(diào)上升。

表2　YJH265初始系數(shù)對(duì)各性能的影響　%

(a)最高效率主效應(yīng)圖

(b)變矩比系數(shù)主效應(yīng)圖

(c)力矩系數(shù)主效應(yīng)圖圖1　初始系數(shù)的主效應(yīng)圖

目前的一維束流理論對(duì)主要敏感性參數(shù)的研究較少。根據(jù)目前相關(guān)的變矩器設(shè)計(jì)文獻(xiàn)[4-5],變矩器的初始系數(shù)的取值范圍比較寬，如摩擦損失系數(shù)在0.050～0.218 之間,沖擊損失系數(shù)在0.42～1.20之間,而液流偏離角的確定相對(duì)復(fù)雜,其隨著工況的不同而變化，一般的取值范圍為-10°～10°[6]。這樣，產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)，相關(guān)的敏感性參數(shù)都需大量的試驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算分析，消耗了許多的時(shí)間、人力、物力和財(cái)力。本文經(jīng)過敏感性分析、優(yōu)化，將摩擦損失系數(shù)取值范圍確定在0.15～0.18,沖擊損失系數(shù)取值范圍確定在0.73～0.82,液流偏離角取值范圍取在-2°～2.3°,以提高預(yù)測變矩器性能的精度。

2　工作輪葉片進(jìn)出口角敏感性分析

葉片形狀對(duì)變矩器的性能有著決定性的影響,其角度參數(shù)需要進(jìn)行多次計(jì)算、修正、實(shí)驗(yàn)來確定[7],因此有必要利用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法分析葉片入口角、出口角對(duì)液力變矩器性能的影響[8],為調(diào)整參數(shù)優(yōu)化性能提供依據(jù)。

表3　YJH265葉片角對(duì)各性能的影響　%

為體現(xiàn)各角度對(duì)變矩器性能參數(shù)的具體影響,作出主效應(yīng)圖(圖2～圖4),圖中,橫坐標(biāo)區(qū)間-1～1為量綱一參數(shù),是將βb1、βb2、βt1、βt2、βd1、βd2各參數(shù)的取值范圍(47.33°～77.33°)、(58.65°～88.65°)、(113.93°～143.93°)、(22.4°～52.4°)、(20.47°～50.47°) 、(127.68°～157.68°)量綱一化后坐標(biāo)。

(a)最高效率主效應(yīng)圖

(b)變矩比系數(shù)主效應(yīng)圖

(c)力矩系數(shù)主效應(yīng)圖圖2　泵輪葉片入口角、出口角的主效應(yīng)圖

由圖2可知,泵輪葉片入口角對(duì)最高效率影響較大，隨著泵輪入口角的增大，最高效率單調(diào)上升；泵輪葉片出口角對(duì)啟動(dòng)變矩比系數(shù)、泵輪力矩系數(shù)影響較大，啟動(dòng)變矩比系數(shù)隨泵輪出口角度的上升而單調(diào)上升,泵輪力矩系數(shù)隨泵輪出口角的上升而單調(diào)下降。

由圖3可知,渦輪出口角度對(duì)最高效率有較大的影響,且隨著渦輪出口角的上升，最高效率也單調(diào)上升；渦輪入口角對(duì)液力變矩器三項(xiàng)性能指標(biāo)均有較大影響，其與最高效率、泵輪力矩系數(shù)和啟動(dòng)變矩比系數(shù)的關(guān)系均為負(fù)二次相關(guān)。

(a)最高效率主效應(yīng)圖

(b)變矩比系數(shù)主效應(yīng)圖

(c)力矩系數(shù)主效應(yīng)圖圖3　渦輪葉片入口角、出口角的主效應(yīng)圖

由圖4可知,導(dǎo)輪入口角對(duì)最高效率、啟動(dòng)變矩比系數(shù)的影響較大，隨著導(dǎo)輪入口角的增加，最高效率單調(diào)下降， 啟動(dòng)變矩比系數(shù)呈負(fù)二次相關(guān)；導(dǎo)輪出口角對(duì)泵輪力矩系數(shù)影響較大，隨著導(dǎo)輪出口角的增大,泵輪力矩系數(shù)單調(diào)上升。

(a)最高效率主效應(yīng)圖

(b)變矩比系數(shù)主效應(yīng)圖

綜上所述,對(duì)YJH265型液力變矩器而言,要提高效率,可適當(dāng)減小其導(dǎo)輪入口角,增大泵輪入口角和渦輪出口角;要提高變矩器的變矩比系數(shù)，可增大泵輪出口角；渦輪和導(dǎo)輪入口角、出口角對(duì)變矩比系數(shù)的影響也較大，呈負(fù)二次相關(guān);要改善液力變矩器能容特性，可適當(dāng)減小泵輪出口角、增大導(dǎo)輪出口角，渦輪角度的調(diào)節(jié)對(duì)變矩器的能容影響不大[9-10]。

(c)泵輪力矩系數(shù)主效應(yīng)圖圖4　泵YJH265導(dǎo)輪葉片入口角、出口角對(duì)性能主效應(yīng)圖

3　應(yīng)用實(shí)例

3.1試驗(yàn)原理介紹

變矩器試驗(yàn)時(shí),驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器帶動(dòng)變矩器的泵輪轉(zhuǎn)動(dòng)，渦輪由花鍵與負(fù)載電機(jī)相連，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)速，扭矩傳感器可以測量出不同速比下的泵輪扭矩和渦輪扭矩，由此計(jì)算出變矩器的變矩比系數(shù)K,變矩器的效率由試驗(yàn)控制臺(tái)直接讀出，同時(shí)由上面數(shù)據(jù)和相關(guān)公式可以計(jì)算原始特性值RM。試驗(yàn)臺(tái)架的布置如圖5所示。

圖5　液力變矩器試驗(yàn)臺(tái)原理圖

3.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

由上述對(duì)葉片進(jìn)口角、出口角的敏感性分析可知,泵輪葉片入口角對(duì)最高效率影響較大，隨泵輪入口角上升，效率單調(diào)上升，如圖2所示；隨著渦輪出口角的上升，效率單調(diào)上升，如圖3所示；導(dǎo)輪進(jìn)、出口角的改變對(duì)效率影響不及泵輪和渦輪明顯,如圖4所示。因此，我們選取對(duì)效率影響較大的泵輪葉片入口角進(jìn)行試驗(yàn)，表4所示為泵輪入口角分別為61.15°、63.23°時(shí)變矩器的原始特性試驗(yàn)數(shù)據(jù),原泵輪的入口角為62.33°(其原始特性見表1)。

表4　泵輪入口角為61.15°和63.23°時(shí)的原始特性

由表1、表4給出的三組數(shù)據(jù),可作出泵輪入口角變化的原始特性曲線,如圖6～圖8所示。

圖6　不同泵輪入口角的變矩器速比-變矩器效率圖

圖7　不同泵輪入口角的變矩器速比-力矩系數(shù)圖

由圖6可以看出,最高效率隨泵輪入口角的增大有單調(diào)上升的趨勢,但變矩器原始特性中的力矩系數(shù)(圖7)和變矩比系數(shù)(圖8)有所下降,因此在設(shè)計(jì)變矩器時(shí),應(yīng)在滿足使用要求的情況下增大泵輪入口角,以提高效率。

圖8　不同泵輪入口角的變矩器速比-變矩比系數(shù)圖

4　結(jié)論

(1)通過對(duì)摩擦損失系數(shù)、沖擊損失系數(shù)、液流偏離角的分析，找出了它們對(duì)變矩器主要性能的影響趨勢，并確定了這些影響因數(shù)特定范圍。

(2)運(yùn)用DOE分析技術(shù)，得到了工作輪進(jìn)出口角對(duì)變矩器主要性能的趨勢圖，同時(shí)，通過試驗(yàn)的方法，利用改變泵輪的入口角度，驗(yàn)證了效率的變化趨勢， 獲得了滿意的效果。

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(編輯張洋)

Study on Torque Converter Blades Parameters by Sensitive Parameter Analysis

Liu Zongqi1,2Li Zhiyuan1Liu Hailin2

1.Hefei University of Technology,Hefei,230009 2.Anhui Forklift Truck Group Company,Hefei,230000

In automobile and engineering vehicle transmission system,the blade design of hydraulic torque converter was of always difficulty.By the use of DOE technology,the blade import and export angle,deviation angle and loss coefficient were studied as the sensitive parameters of hydraulic torque converter.Their influences on the peak efficiency,starting torque ratio and torque coefficient were synthetically considered.Finally,the influence trend among these parameters was obtained,the specific domains of the influencial factors were confirmed.The influence trend was verified by relevant tests,based on the change of the import angle of the pump impeller.It has important guiding significance on converter optimization.

hydraulic torque converter;blade;sensitive parameter;design of experiment(DOE) technology

2013-06-13

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51205101)

TH137.33DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.12.018

劉宗其,男,1963年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院教授級(jí)工程師、博士。獲省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng),發(fā)明專利3項(xiàng)。發(fā)表論文10篇。李志遠(yuǎn),男,1949年生。合肥工業(yè)大學(xué)教授、博士研究生導(dǎo)師。劉海林,男,1976年生。安徽叉車集團(tuán)工程師。