車用液力變矩器混合流道CFD仿真方法

劉樹成　邢慶坤　李為薇　張　靜

1.中國北方車輛研究所車輛傳動重點實驗室，北京，1000722.武漢大學(xué)，武漢，430072

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車用液力變矩器混合流道CFD仿真方法

劉樹成1邢慶坤1李為薇2張靜1

1.中國北方車輛研究所車輛傳動重點實驗室，北京，1000722.武漢大學(xué)，武漢，430072

針對車用液力變矩器復(fù)雜動態(tài)過程中工作相位隨時發(fā)生轉(zhuǎn)換，不能及時判斷相應(yīng)流場結(jié)構(gòu)的改變，難以對瞬時流場特性進行準確仿真的問題，基于傳統(tǒng)變矩器CFD流道模型和導(dǎo)輪空轉(zhuǎn)無葉片模型，建立了液力變矩器混合流道CFD仿真模型。該仿真模型可以自動識別變矩器變矩、偶合和功率反傳等工作相位及其相位轉(zhuǎn)換過程，并根據(jù)導(dǎo)輪是否空轉(zhuǎn)自動選擇相應(yīng)流道模型。對某變矩器進行了一系列穩(wěn)態(tài)通用特性和動態(tài)特性的仿真與試驗研究，對比結(jié)果表明，液力變矩器混合流道CFD仿真方法對變矩器穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性仿真精度較高，有效解決了變矩器復(fù)雜動態(tài)過程難以快速實時仿真的問題，具有一定的工程實際意義。

流體力學(xué)；液力變矩器；CFD；混合流道

0　引言

液力變矩器是車輛液力傳動系統(tǒng)的重要組成部分，其工作過程一般分為三個階段[1]：速比小于偶合工況轉(zhuǎn)換點，為變矩工況；速比大于偶合工況轉(zhuǎn)換點但小于1，為偶合工況；速比大于1，為功率反傳工況。變矩器工況的轉(zhuǎn)換稱為換相，是變矩器內(nèi)部常見的過渡工況。目前，液力變矩器內(nèi)流場CFD數(shù)值仿真方法在研究其穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性研究中應(yīng)用廣泛[2]。但在復(fù)雜動態(tài)過程中，變矩器內(nèi)部相位轉(zhuǎn)換頻繁，難以及時做出判斷，因而不能快速根據(jù)流場結(jié)構(gòu)的改變，對瞬時流場特性進行準確仿真。

由于在變矩工況，變矩器各工作輪轉(zhuǎn)速均為已知，所以進行內(nèi)流場CFD仿真較為方便，而對于偶合工況和功率反傳工況，導(dǎo)輪處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，且轉(zhuǎn)速未知，進行內(nèi)流場CFD仿真較為困難。對于導(dǎo)輪空轉(zhuǎn)工況，文獻[3-4]采用零轉(zhuǎn)矩試算法(簡稱試算法)進行仿真，即設(shè)定初值-計算-修改初值-計算……多次反復(fù)直到導(dǎo)輪轉(zhuǎn)矩接近于零，但流體網(wǎng)格數(shù)目較多或者瞬態(tài)求解時，每次試算耗時很長，多次反復(fù)試算工作冗繁；文獻[5]在分析了導(dǎo)輪軸面和流面導(dǎo)流作用的基礎(chǔ)上，基于導(dǎo)輪空轉(zhuǎn)時流面導(dǎo)流作用近似為零，提出了導(dǎo)輪無葉片仿真方法，有效解決了導(dǎo)輪空轉(zhuǎn)工況的快速仿真問題。

本文針對變矩器復(fù)雜動態(tài)過程的多工況轉(zhuǎn)換問題，將傳統(tǒng)變矩器流道模型和導(dǎo)輪無葉片模型有機結(jié)合，并根據(jù)仿真和實驗數(shù)據(jù)制定模型選擇方法，建立變矩器混合流道模型進行多工況動態(tài)過程仿真，并進行試驗驗證。

1　基本原理

(1)

(2)

2　偶合工況轉(zhuǎn)換點

由于變矩器的通用特性，變矩器導(dǎo)輪開始空轉(zhuǎn)的速比(偶合工況轉(zhuǎn)換點)io隨泵輪轉(zhuǎn)速的變化而產(chǎn)生變化，因此需要首先得到io隨泵輪轉(zhuǎn)速nB變化的規(guī)律。

導(dǎo)輪無葉片和有葉片時的兩種流道模型如圖1所示。本文首先用常規(guī)流道模型，即導(dǎo)輪有葉片流道模型(圖1b)進行仿真，以變矩器變矩比K開始變?yōu)?、導(dǎo)輪扭矩接近于0時的速比作為導(dǎo)輪開始空轉(zhuǎn)的速比點，并與從液力變矩器試驗數(shù)據(jù)中確定的偶合器工況轉(zhuǎn)換點進行對比驗證，如圖2所示。

(a)導(dǎo)輪無葉片(b)導(dǎo)輪有葉片圖1　兩種液力變矩器流場仿真模型[5]

圖2　導(dǎo)輪開始空轉(zhuǎn)的偶合器工況轉(zhuǎn)換點與泵輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系

圖2中給出了泵輪轉(zhuǎn)速范圍為500～3000 r/min內(nèi)仿真得到的偶合工況轉(zhuǎn)換點，還給出了泵輪轉(zhuǎn)速范圍為1000～2100 r/min內(nèi)由試驗數(shù)據(jù)確定的偶合器工況轉(zhuǎn)換點，從圖中可見，隨著泵輪轉(zhuǎn)速的增大，偶合器工況轉(zhuǎn)換點io有所增加，雖然試驗數(shù)據(jù)有限且由于試驗中受溫度變化、油液黏度變化、測量誤差等因素影響使偶合器工況轉(zhuǎn)換點io產(chǎn)生一定波動，但仿真曲線仍能與之基本吻合，因此可以認為仿真模型計算得到的曲線函數(shù)就是所要求的io=io(nB)，其線性擬合公式為

(3)

3　混合流道CFD仿真模型

在研究變矩器動態(tài)特性時，在導(dǎo)輪開始空轉(zhuǎn)前后，用單一傳統(tǒng)流道模型難以有效仿真變矩器全部運轉(zhuǎn)特性。因此，基于式(3)確定的偶合工況轉(zhuǎn)換規(guī)律，將圖1所示傳統(tǒng)變矩器流道模型和導(dǎo)輪無葉片模型有機結(jié)合，建立車用液力變矩器混合流道CFD模型，模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。其運行過程：在用CFD模型進行變矩器內(nèi)流場動態(tài)特性仿真時，在每一個時間步內(nèi)，按式(3)和瞬時nB確定出偶合工況轉(zhuǎn)換點io，按照io進行模型劃分，在i≤io時采用常規(guī)流道模型，即導(dǎo)輪有葉片流道模型(圖1b)，在i>io時采用導(dǎo)輪無葉片流道模型(圖1a)，并用CFD仿真模型計算得到液力扭矩與負載扭矩、機械損失扭矩和圓盤摩擦扭矩一起計算下一時間步開始時的泵輪和渦輪角加速度和轉(zhuǎn)速，直到設(shè)定的全部時間步走完為止。

圖3　液力變矩器混合流道模型動態(tài)特性仿真模型架構(gòu)

基于Isight集成軟件平臺將上述混合流道的模型架構(gòu)集成為變矩器混合流道集成仿真平臺(圖4)，該平臺可以根據(jù)設(shè)定的動態(tài)工況進行變矩器動態(tài)特性實時仿真。

圖4　基于Isight的變矩器混合流道集成仿真平臺

4　仿真實例與試驗驗證

以某三元件綜合式液力變矩器為研究對象，其有效直徑400 mm，采用的工作油密度為860 kg/m3，動力黏度為0.0125 Pa·s。在泵輪恒定轉(zhuǎn)速(2000 r/min)下，渦輪初始載荷為0，對渦輪輸出軸按照設(shè)定的程序依次進行平穩(wěn)加載，平穩(wěn)卸載，急劇加載、急劇卸載工況下的性能仿真和試驗。

參照液力變矩器性能試驗標準GB/T 7680-2005，設(shè)計圖5所示的變矩器性能試驗臺，依次進行變矩器通用穩(wěn)態(tài)特性試驗和設(shè)定的動態(tài)特性試驗。在通用穩(wěn)態(tài)特性試驗中，設(shè)定一系列泵輪轉(zhuǎn)速1000, 1200，…，2100 r/min，在每組恒定的泵輪轉(zhuǎn)速下，渦輪轉(zhuǎn)速按照速比i分別為0，0.1,0.2，…，1設(shè)定，依次測量變矩器輸入輸出的轉(zhuǎn)速和扭矩，并整理出變矩器原始特性。在動態(tài)特性試驗中，在恒定的泵輪轉(zhuǎn)速2000 r/min下，渦輪轉(zhuǎn)速從速比0.96開始，按照斜坡時間依次為30 s、10 s進行減速到0，或者從速比0開始，按照斜坡時間依次為30 s、10 s進行加速到速比0.96，采樣頻率80 Hz，記錄該動態(tài)過程中輸入輸出的轉(zhuǎn)速和扭矩，并整理出動態(tài)原始特性。

(a)試驗臺布局圖

(b)性能試驗臺架圖5　液力變矩器動態(tài)性能試驗臺

利用圖4所示的液力變矩器混合流道集成仿真平臺進行相同過程下的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)性能仿真。

現(xiàn)將CFD仿真結(jié)果與相應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)進行對比驗證。其中穩(wěn)態(tài)通用特性仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)的對比如圖6所示，部分動態(tài)特性CFD仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)對比結(jié)果如圖7所示，圖中nB、nT分別為泵輪和渦輪轉(zhuǎn)速；TB、TT分別為泵輪和渦輪扭矩；i、K、η分別為無因次的速比、變矩比和效率；下標中，sim表示仿真結(jié)果，test表示試驗結(jié)果。

(a)變矩器效率

(b)變矩器變矩比圖6　液力變矩器通用特性仿真與試驗對比

從圖6中可見，仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)絕大多數(shù)吻合良好，僅在速比接近于1的狹窄過渡工況仿真相對誤差較大。其中效率預(yù)測的最大相對誤差為11.9%，變矩比預(yù)測的最大相對誤差為12.7%，且在較常用的牽引工況，仿真預(yù)測的效率和變矩比相對誤差均小于10%，可見變矩器特性混合流道仿真模型對穩(wěn)態(tài)通用特性的預(yù)測精度較高。

由圖7所示的加減速動態(tài)特性對比結(jié)果可見，本文所建立的混合流道仿真模型能夠很好地預(yù)測液力變矩器在動態(tài)過程中的性能。取相應(yīng)時間點的仿真值與試驗值比較，工作輪轉(zhuǎn)速預(yù)測的最大相對誤差為13.6%，液力扭矩預(yù)測的最大相對誤差為11.1%，可見模型對動態(tài)特性預(yù)測的精度較高。

從上述動態(tài)性能仿真與試驗數(shù)據(jù)中，各自提取變矩器的原始特性曲線，對比結(jié)果如圖8所示，圖中仿真模型預(yù)測的變矩器動態(tài)原始特性與試驗吻合良好，這表明本文所建立的變矩器混合流道仿真平臺具有較好的可信度。

(a)轉(zhuǎn)速

(b)扭矩

(c)速比、變矩比和效率圖7　設(shè)定動態(tài)工況的仿真與試驗時間歷程對比

圖8　變矩器動態(tài)原始特性仿真與試驗結(jié)果

5　結(jié)束語

液力變矩器混合流道模型適用于變矩器和導(dǎo)輪空轉(zhuǎn)兩種工況仿真時，可按照相位切換原則，靈活選用具體的工況模型，即可簡化變矩器動態(tài)過程的CFD仿真過程，提高運行效率。

無論是液力變矩器穩(wěn)態(tài)特性還是動態(tài)特性，用液力變矩器混合流道模型的仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)均能吻合良好。這證明了本文所建立的液力變矩器混合流道仿真模型具有較好的性能預(yù)測精度，有效解決了復(fù)雜動態(tài)過程中變矩器內(nèi)流場結(jié)構(gòu)改變時的性能仿真問題。

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(編輯郭偉)

A Mixed Flow Channel CFD Simulation Method for Vehicle Torque Converter

Liu Shucheng1Xing Qingkun1Li Weiwei2Zhang Jing1

1.Science and Technology on Vehicle Transmission Laboratory， China North Vehicle Research Institute，Beijing,100072 2.Wuhan University,Wuhan,430072

In a complex dynamic process of hydrodynamic converter for vehicle, the work phase shift might occur at any time. Without identifying the changes of flow field in time, it could become difficult to simulate the transient flow performance. Based on traditional converter CFD channel model and bladeless channel model, a new hybrid-flow-channel CFD simulation model of hydrodynamic torque converter was established. This model might automatically identify the work phase and phase transition of torque changing, coupling and power reverse transfer. According to whether the stator wheel was idling or not, it automatically selected the appropriate model channel. A series of simulations and experimental studies of steady state and dynamic characteristics of a torque converter were conducted to validate the credibility of hybrid-flow-channal simulation model. The results show that the CFD simulation method of hybrid channels of the hydrodynamic torque converter is of high accuracy for the steady and dynamic simulation of the converter.

fluid mechanics; hydrodynamic torque converter; computational fluid dynamics(CFD);mixed flow channel

2015-06-01

產(chǎn)品創(chuàng)新國防基礎(chǔ)研究項目(VTDP-3101)

TH137.332DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.07.023

劉樹成，男，1986年生。中國北方車輛研究所車輛傳動重點實驗室工程師、博士。主要研究方向為車輛傳動系統(tǒng)理論與技術(shù)。邢慶坤，男，1983年生。中國北方車輛研究所傳動技術(shù)部工程師。李為薇，女，1994年生。武漢大學(xué)動力與機械學(xué)院本科生。張靜，女，1988年生。中國北方車輛研究所傳動技術(shù)部工程師。