工程機(jī)械用液力變矩器葉片數(shù)對(duì)其原始特性的影響

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(chē)輛自動(dòng)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(guò)大時(shí)極易發(fā)生疲勞斷裂，引發(fā)一系列嚴(yán)重后果［2］。通過(guò)增加葉片數(shù)可分散應(yīng)力，但葉片數(shù)過(guò)多會(huì)增大液流摩擦面，使有效過(guò)流斷面變小。因此，研究葉片數(shù)對(duì)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(kāi)孔的方法來(lái)抑制邊界層分離，并對(duì)導(dǎo)輪葉片不同的開(kāi)口角度進(jìn)行分析，證明此方法能大幅提高泵輪的轉(zhuǎn)矩。德國(guó)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(chǎng)之間具有一定關(guān)系。北京理工大學(xué)的魏巍開(kāi)發(fā)了一套三維優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并得到了一組新的葉片參數(shù)，通過(guò)建立液力變矩器模型并進(jìn)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(lèi)似魚(yú)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(jì)大學(xué)的王安麟基于葉片厚度的曲線方程進(jìn)行模擬分析，結(jié)果顯示葉片厚度會(huì)影響液力變矩器的流場(chǎng)分布［6］。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者雖然研究了葉片參數(shù)對(duì)液力變矩器性能的影響，但對(duì)葉片數(shù)的選取考慮較少。因此，本文通過(guò)液力變矩器的三維流場(chǎng)計(jì)算分析不同工作輪葉片數(shù)對(duì)變矩器原始特性的影響，并選取4種葉片數(shù)組合方案對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 液力變矩器的三維流場(chǎng)計(jì)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(guò)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(dòng)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(dòng)效率η。

由式(3)可知，傳動(dòng)效率是變矩系數(shù)和轉(zhuǎn)速比的乘積，表征能量從發(fā)動(dòng)機(jī)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(guò)三維流場(chǎng)計(jì)算得出各個(gè)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(chǎng)計(jì)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(gè)工作輪轉(zhuǎn)速不同，故其內(nèi)流場(chǎng)實(shí)質(zhì)上是非定常的、三維的、不可壓縮的黏性流體流動(dòng)［11-12］。為了準(zhǔn)確地描述其內(nèi)流場(chǎng)流動(dòng)情況，采用三維流動(dòng)理論對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

本文借助Imageware軟件對(duì)變矩器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行三維黏性流動(dòng)計(jì)算，數(shù)值模擬流場(chǎng)的流程為:建立三維模型、網(wǎng)格劃分、選擇計(jì)算方法和物理模型、設(shè)置進(jìn)出口邊界條件、選取材料屬性、處理計(jì)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(hào)液力變矩器為研究對(duì)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(dòng)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(jìn)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(guò)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x掃描后得到泵輪流道的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在Imageware中對(duì)泵輪流道的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合后得到其點(diǎn)云模型，如圖2所示。

將流道的點(diǎn)云模型導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件中，通過(guò)對(duì)曲面進(jìn)行裁剪、縫合、實(shí)體化等一系列操作，得到流道的三維模型，如圖3所示。運(yùn)用ANSYS對(duì)流道模型進(jìn)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(diǎn)云模型

圖3 流道三維模型

1.2.2 計(jì)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(duì)湍流模型、耦合算法和離散格式進(jìn)行設(shè)置。

由于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型能夠較準(zhǔn)確地反映液力變矩器內(nèi)的流場(chǎng)，并且可對(duì)常數(shù)值進(jìn)行調(diào)節(jié)，減少了對(duì)應(yīng)的法向應(yīng)變項(xiàng)上所產(chǎn)生的誤差。因此，本文分析計(jì)算時(shí)湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

圖4 流道網(wǎng)格模型

在Imageware中，PSIO算法對(duì)每個(gè)迭代過(guò)程添加了網(wǎng)格畸變修正和動(dòng)量修正，一定程度上降低了壓力場(chǎng)與動(dòng)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(zhǔn)確地達(dá)到理想效果。

1.2.3 流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算

在流場(chǎng)的計(jì)算過(guò)程中，為了準(zhǔn)確地進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值計(jì)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(jìn)口處壓力已知，而速度和流量未知，故將進(jìn)口面的邊界條件設(shè)為壓力進(jìn)口邊界條件;每個(gè)工作輪流道的4個(gè)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(lèi)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(gè)工況下的初始條件，確定收斂準(zhǔn)則為殘差值減小到三階量級(jí)以下;然后進(jìn)行三維流場(chǎng)計(jì)算，得到各個(gè)工況下的數(shù)值解。

2 工作輪葉片數(shù)對(duì)液力變矩器原始特性的影響

在高速比工況下(i=0.71)通過(guò)三維流場(chǎng)計(jì)算得到各工作輪的轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而繪制變矩器的原始特性曲線，分析葉片數(shù)對(duì)變矩器性能的影響情況。保持2個(gè)工作輪的葉片數(shù)不變，根據(jù)剩余一個(gè)工作輪不同葉片數(shù)對(duì)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(duì)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(dāng)泵輪葉片數(shù)分別為19、21、23時(shí)，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(duì)變矩器原始特性的影響

由圖5可知:當(dāng)泵輪葉片數(shù)為21時(shí)變矩器效率最高，葉片數(shù)為19時(shí)次之，葉片數(shù)為23時(shí)效率最低;葉片數(shù)分別為21、19、23時(shí)對(duì)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(duì)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(dāng)渦輪葉片數(shù)分別為25、28、31時(shí)，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(duì)變矩器性能的影響

由圖6可知:當(dāng)渦輪葉片數(shù)為28時(shí)變矩器效率最高，葉片數(shù)為25時(shí)次之，葉片數(shù)為31時(shí)效率最低;葉片數(shù)分別為28、25、31時(shí)對(duì)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(duì)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(dāng)導(dǎo)輪葉片數(shù)分別為15、17、19時(shí)，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(duì)變矩器性能的影響

由圖7可知:當(dāng)導(dǎo)輪葉片數(shù)為17時(shí)變矩器效率最高，葉片數(shù)為19時(shí)次之，葉片數(shù)為15時(shí)效率最低;葉片數(shù)為19時(shí)變矩比最大，但隨著轉(zhuǎn)速比的增加呈下降趨勢(shì)，在轉(zhuǎn)速比接近0.4時(shí)變矩比低于葉片數(shù)為17時(shí)的變矩比，葉片數(shù)為15時(shí)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(duì)其原始特性的影響可知:3個(gè)工作輪葉片數(shù)變化對(duì)變矩器性能的影響相似，葉片數(shù)過(guò)多或者過(guò)少都會(huì)降低其效率;當(dāng)葉片數(shù)較少時(shí)，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(guò)多時(shí)二者反而不斷下降;葉片數(shù)變化對(duì)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(tái)架試驗(yàn)研究

3.1 組合方案及臺(tái)架試驗(yàn)

由以上分析可知，葉片數(shù)的變化會(huì)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(tái)架試驗(yàn)對(duì)其分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)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(huì)有所不同，本文的試驗(yàn)結(jié)果僅與原始工作輪參數(shù)(方案1)進(jìn)行對(duì)比。液力變矩器試驗(yàn)臺(tái)如圖8所示，臺(tái)架試驗(yàn)原理如圖9所示。

圖8 液力變矩器試驗(yàn)臺(tái)

圖9 臺(tái)架試驗(yàn)原理

保持外界環(huán)境恒定，改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)和加載電機(jī)的轉(zhuǎn)速，利用轉(zhuǎn)速傳感器、扭矩傳感器對(duì)該液力變矩器進(jìn)行10組試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

擬合表3的試驗(yàn)結(jié)果得到變矩器試驗(yàn)特性曲線。將計(jì)算結(jié)果仿真特性曲線與試驗(yàn)特性曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖10所示。

由圖10可知，試驗(yàn)與計(jì)算的數(shù)據(jù)較為接近，表明本文基于三維流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果是準(zhǔn)確的，通過(guò)三維流場(chǎng)計(jì)算液力變矩器性能的方法是可行的。試驗(yàn)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(shí)對(duì)流道進(jìn)行了簡(jiǎn)化，忽略了實(shí)際過(guò)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(dòng)。

表3 變矩器試驗(yàn)結(jié)果

圖10 液力變矩器的仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.2 不同方案對(duì)原始特性的影響對(duì)比

通過(guò)三維流場(chǎng)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(dòng)時(shí)的變矩比最小，而啟動(dòng)時(shí)的變矩系數(shù)關(guān)乎著啟動(dòng)的動(dòng)力性能，變矩比增大會(huì)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(dòng)機(jī)的匹配關(guān)系。變矩比一定時(shí)，效率增加會(huì)降低容量系數(shù)，而在保證與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的基礎(chǔ)上可對(duì)其進(jìn)行小范圍的下調(diào)。所選4種方案的變矩器效率均達(dá)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(duì)較低。

圖11 4種方案的變矩器性能對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

(1)對(duì)液力變矩器的原始特性進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述，借助三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x得到3個(gè)工作輪的流道和整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)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(gè)工況下的初始條件并進(jìn)行三維流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算，得到各個(gè)工況下的數(shù)值解。

(2)保持2個(gè)工作輪葉片數(shù)不變，改變剩余1個(gè)工作輪的葉片數(shù)，在高速比工況下分別進(jìn)行三維流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算，并得到不同工作輪葉片數(shù)對(duì)液力變矩器原始特性的影響:3個(gè)工作輪的葉片數(shù)變化對(duì)變矩器原始特性的影響相似，葉片數(shù)過(guò)多或者過(guò)少都會(huì)降低其效率;當(dāng)葉片數(shù)較少時(shí)，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(guò)多時(shí)二者反而不斷下降;葉片數(shù)變化對(duì)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(duì)方案1所組合的液力變矩器性能進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果擬合得到其原始特性曲線，試驗(yàn)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(guò)對(duì)比4種方案分別擬合得到的原始特性曲線，驗(yàn)證了本文三維流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果是準(zhǔn)確的，三維流場(chǎng)計(jì)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(duì)變矩器原始特性的影響，而變矩器內(nèi)流場(chǎng)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(gè)參數(shù)的變化會(huì)影響到葉型的其他參數(shù)，本文未對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行綜合考慮，今后需要進(jìn)一步研究。

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