一種新型液力變矩器變矩性能的研究

胡軍科，牛奇斌，徐坤鴻，趙 存

（1.中南大學 機電工程學院，長沙 410083；2.高性能復雜制造國家重點實驗室，長沙 410083）

0 引言

液力變矩器是傳動系統(tǒng)中的關鍵元件之一，其主要功能是將原動機的動力傳遞到車輪上[1,2]。變矩器具有協(xié)調多機驅動、離合、調速、柔性制動、輕載啟動、良好穩(wěn)定的低速性能及無機械磨損等優(yōu)良的特性[2]。這是其他傳動元件不可替代的。變矩器面世已有百余年，應用范圍越來越廣，在汽車、民用特種裝備以及軍用車輛等領域都有大量的應用。

為了優(yōu)化變矩器變矩結構的性能，國內外專家學者提出了諸多改進方式,對該領域進行了多項研究。文獻[3]提出了一種牽引-制動型變矩器，在比較分割泵輪與分割渦輪兩種不同結構優(yōu)缺點的基礎上，著重分析了分割渦輪型方案并建立其數(shù)學模型，計算出原始特性，實現(xiàn)了一機多用；文獻[4]探究了導葉可調式變矩器的特性，闡述了兩種不同導輪的功能，結果證明在兩種導輪的配合下，調整導葉的開度，可以擴大變矩器的使用范圍；文獻[5]介紹了一種新型的變能容變矩器，給出了將泵輪分割為兩個泵輪時其切割部位的計算方法；文獻[6]設計了四種不同扁平率的變矩器，分析了它們的內流場與液力性能，發(fā)現(xiàn)扁平率減小，會導致液力性能整體變差；文獻[7]提出混合平面理論，是一種計算多級透平機械的處理方法；文獻[8]著重研究了改變導輪結構對變矩比的影響；文獻[9]提出一種新型離合器，用于控制泵輪與渦輪之間的滑差，提高了傳動效率與燃油經濟性。但以上專家學者僅局限于對傳統(tǒng)軸向結構的變矩器進行研究，尚未見到對徑向結構變矩器的研究。

本文在前人研究的基礎上，深入探究了液力傳動變矩范圍小的問題，提出了一種新型液力變矩器，該變矩器通過徑向結構的葉輪實現(xiàn)傳動，從而增大變矩范圍，提高起動性能。本文運用CFD對這種新型變矩器進行建模研究，模擬分析其內部流動情況和變矩性能，驗證了該變矩器可增大變矩范圍。

1 新型液力變矩器的結構設計

圖1 徑向液力變矩器結構示意圖

如圖1所示，為新型液力變矩器的機構示意圖。新型結構的變矩器主要由以下四部分構成：泵輪1（動力輸入端）、渦輪2（動力輸出端）、固定導輪3（與殼體相連）以及殼體。泵輪在原動機的作用下帶動液流高速旋轉，渦輪在液流的帶動下旋轉，并將動力傳遞給輸出軸；隨后液流經過固定導輪、殼體空腔返回泵輪，如此往復，完成動力的傳遞。

新型結構的液力變矩器與傳統(tǒng)結構最大的不同在于殼體以及葉輪分布方式。傳統(tǒng)結構的三元件（泵輪、渦輪、導輪）沿軸向分布，為追求較高的傳動效率和大起步變矩比，因此循環(huán)圓多為圓弧形，安裝時占用空間大，由于體積的限制，有效直徑不能太大，所以其變矩能力有限；而新型液力變矩器的殼體參與液流循環(huán)，引導液流從導輪進入泵輪；新型液力變矩器的葉輪沿徑向分布，在相同有效直徑下扁平化程度更高，節(jié)省空間，因此新型液力變矩器擁有更大的變矩潛力。

2 CFD模型建立

2.1 控制方程與特性計算

控制方程一般包括動量守恒方程、能量守恒方程以及連續(xù)性方程，由于本文研究的是不可壓縮流體，其熱交換量很小，工程應用中忽略系統(tǒng)溫度變化，因此可以不考慮能量守恒方程?；谏鲜黾僭O條件，工作液流應滿足以下方程：

計算各個葉輪的轉矩以及渦輪與泵輪的變矩比是運用CFD模擬TC性能的重要環(huán)節(jié)。運用式(3)可求得葉輪轉矩，式(4)可求得變矩比K。

式中，M為轉矩；A1為控制體流入表面；A2為控制體流出表面；A為控制體的全部控制面；A為控制體體積；ν為速度矢量；R為矢徑；ρ為工作液體密度。

式中，K為變矩比；MT為渦輪轉矩；MB為泵輪轉矩。

2.2 模型假設

為了分析工作液流在腔體中的流動情況，本文在模擬過程中作如下假設：

1）葉片以及所有壁面為絕對剛體，不考慮流固耦合問題。

2）油液密度不變，粘度為常數(shù)。

3）液流只能從葉輪的進口和出口進出流道。

4）葉輪的不同流道在同一工況下的流場特性相同。這一假設說明在研究葉輪流道的流場時可以只分析一個流道的流場，減少了計算量。

2.3 仿真模型建立

根據圖1所示的新型液力變矩器結構示意圖以及2.2的假設，采用BladeGen進行建模，運用DesignModeler抽取計算域，運用ICEM劃分網格，最后導入Fluent計算分析，建立的單流道模型如圖2所示。工作流道由三部分組成，葉片與輪轂之間的空間，葉輪與殼體形成的空間，以及葉輪之間的過渡區(qū)域。

圖2 液力變矩器單流道模型

本文模擬典型的葉輪機械工作過程，包括旋轉部分和固定部分，因此在模擬過程中涉及區(qū)域運動問題，本文采用混合平面模型解決這一問題。

模擬過程中采用的邊界條件以及計算參數(shù)介紹如下：

1）模擬中工作介質選用液力傳動油，ρ=899.1kg/m3，μ=0.00189Pas。

2）根據CFD理論，定義合適的邊界條件：流道入口采用velocity-inlet，流道出口采用pressure-outlet，其他邊界采用No slip wall。

3）液力變矩器各葉輪的轉速不同，采用混平合面理論對各葉輪進行統(tǒng)一計算。

4）質量、速度、K及epsilon的收斂殘差判別依據設為10-3。

3 仿真結果分析與討論

針對上述計算模型，確定泵輪輸入轉速后，選擇速比i為0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.45、0.48和0.5，重點分析在上訴工況下變矩器內部的流動情況和變矩性能。

3.1 葉輪流道中的流線分布

以接近高效區(qū)的速比工況i=0.3為例，圖3給出了各葉輪流道中間面速度矢量軸面投影分布圖。圖中，觀測角度為橫置變矩器右半部分，葉輪上方為內側，下方為外側。由圖3可知，循環(huán)圓可以形成，且整體流動較為平順。泵輪內部外側至內側流速遞減，渦輪和導輪內部大致呈等速流動分布，泵輪至導輪流速線性遞減，導輪至泵輪流速遞增。

模擬結果顯示，各葉輪入口處仍然存在入口沖擊，尤其是渦輪葉片工作面的入口處。泵輪入口附近有小范圍脫流區(qū)，這是由于流道彎曲度較大，液流在此處改變流動方向所致。泵輪出口處出現(xiàn)二次流，這是因為彎曲流道外側對液流的約束，強迫液流轉向，液流順著葉片向流道內側流動；而內側液流有脫落趨勢。

圖3 速度矢量軸面投影

3.2 葉輪葉片的壓力分布

圖4所示為葉輪表面壓力云圖，其總體分布趨勢是工作面大于非工作面壓力，說明液流可沿設計路線流動，各葉輪葉片角設置較為合理。由于總壓對應著流體的攜帶能量，也就是說，總壓的壓力分布趨勢與能頭的分布基本一致。由圖4可知，壓力最小值在泵輪工作面進口內側附近，而最大值則位于泵輪工作面出口外側和渦輪工作面進口附近。

液流沿泵輪葉片進入彎曲段后，由于彎曲外壁面的壓迫，導致液流強制改變流動方向，產生離心力，因此外側壓力大于內側壓力；由3.1節(jié)可知泵輪彎曲段內側有脫流的趨勢，因此此處的能量損失十分嚴重，也是泵輪能量損失的主要來源。渦輪總壓梯度變化較為均勻，由于存在入口沖擊，導致工作面入口處壓力最大，與流線圖結果一致。而導輪則由于流道較短且處于靜止狀態(tài)，循環(huán)流動的慣性效應占優(yōu)勢。

3.3 液力變矩器特性分析

根據式(3)、式(4)，求得不同轉速比情況下的葉輪轉矩以及變矩比，如表1所示。將所求數(shù)據繪制成新型變矩器特性曲線，如圖5所示。

圖4 葉輪工作面與非工作面壓力云圖

模擬中采用了定轉速法，即nB恒定。結果顯示，在轉速比i=0～0.4之間，泵輪轉矩MB有輕微波動，渦輪轉矩MT線性減??；i=0.4～0.45之間，泵輪轉矩MB明顯下降，渦輪轉矩MT變化率減小，但仍然比泵輪減小的快；i=0.45～0.5之間，泵輪轉矩MB緩緩減小，渦輪轉矩MT加速減小，直至降為零。

表1 數(shù)值模擬數(shù)據

在轉速比i=0～0.4之間，變矩比K連續(xù)變化，變化趨勢與泵輪轉矩MB相同；i=0.4～0.45之間，變矩比K緩慢減小這是因為導輪固定不動，隨著渦輪轉速增加，進入導輪流道的液流方向發(fā)生變化，使得導輪反作用力方向改變，MD由正變負；i=0.45～0.5之間，在速比0.45處，導輪轉矩MD方向完成轉變，變矩比曲線出現(xiàn)拐點，隨著轉速升高渦輪轉矩MT減小，導致變矩比K快速減小。由以上分析可知，變矩比K受渦輪影響更大，與MT呈正相關。

起動工況（即i=0）時，起動變矩比K0=4.388，起動轉矩為60.07N·m，并且在低轉速范圍內，變矩比較大，都在2.7以上，因此該變矩器具有良好的起動特性。

4 結論

1）采用CFD模擬，完成了單流道數(shù)值求解。并獲得了速度矢量流線圖，葉片表面壓力分布圖和逼近實際情況的特性曲線，展示出變矩器內部液流的流動情況。

2）模擬結果顯示，本研究提出的新型液力變矩器可形成橢圓形的循環(huán)圓；變矩器葉片角度設計較為合理，內部液流可沿設計路徑運動。

3）本研究提出的新型液力變矩器可以達到較大的變矩范圍（0～4），且低速范圍內的變矩比較大，起動性能良好。

圖5 液力變矩器特性曲線

4）模擬中未討論不同葉片角對變矩性能的影響，在今后的研究中需進一步完善。