基于CFD的汽車液力變矩器輸出功率測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李小平 趙汝和

關(guān)鍵詞： CFD; 液力變矩器; 輸出功率; 測(cè)試; 變壓; 葉輪

中圖分類號(hào)： TN710?34; U163.22 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2019）03?0168?05

Abstract： Since the traditional output power testing system of vehicle hydraulic torque converter has poor test effect due to the influence of errors， the design of CFD?based output power testing system of vehicle torque converter is proposed. According to the hardware block diagram of the system， the microcontroller STC15F2K60S2 is used as the main internal integration chip to provide service for system testing. The voltage converter chip LM2596 is used to design the voltage converter module of output power， and the technical indexes are set according to the module. The amplifier MAX4070 is adopted to design the interface circuit to improve the error of the system test. According to the software flow， each impeller inside the hydraulic torque converter is divided， and the CFD calculation method is used to solve the independent equation of each iteration process， and the system software is designed. The experimental results show that the test results of the system can reach up to 85%， and the system can promote the development of vehicle hydraulic torque converter.

Keywords： CFD; hydraulic torque converter; output power; test; variable voltage; impeller

0 ?引 ?言

汽車液力變矩器廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域之中，其性能的好壞直接影響工程整體性能和使用周期。隨著工程機(jī)械整體性能要求越來(lái)越嚴(yán)格，針對(duì)汽車液力變矩器輸出功率測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，常用方法是近似的，需要經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證分析，進(jìn)而判斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否具有可靠性和經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容找到相應(yīng)薄弱環(huán)節(jié)，作為改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)。相對(duì)于國(guó)內(nèi)外液力變矩器的研究，國(guó)內(nèi)液力變矩器開(kāi)發(fā)水平與國(guó)外存在一定差距，但是近幾年，隨著國(guó)內(nèi)對(duì)汽車行業(yè)的高度重視，許多廠家開(kāi)始對(duì)液力變矩器進(jìn)行研究[1]。

由于計(jì)算流體力學(xué)CFD技術(shù)不斷完善，需采用CFD技術(shù)來(lái)測(cè)試液力變矩器的性能，該環(huán)節(jié)在很大程度上縮短了液力變矩器的輸出功率測(cè)試周期[2]。雖然采用傳統(tǒng)方法對(duì)液力變矩器的研究逐年增加，但是大多集中在液力變矩器應(yīng)用范圍方面，對(duì)于其輸出功率的研究相對(duì)較少?；诖?，本文提出基于CFD的汽車液力變矩器輸出功率測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以液力變矩器為重點(diǎn)研究對(duì)象，結(jié)合CFD數(shù)值對(duì)液力變矩器輸出功率進(jìn)行分析。

1 ?輸出功率測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汽車液力變矩器輸出功率測(cè)試系統(tǒng)在生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用，實(shí)際液力變矩器內(nèi)場(chǎng)屬于復(fù)雜的三維流動(dòng)形式，在不同葉輪出口處存在強(qiáng)烈回流現(xiàn)象，葉片曲率變化較大，并易脫流[3]。由于其復(fù)雜性，大部分流動(dòng)現(xiàn)象的形成還未被清楚認(rèn)知，因此，針對(duì)液力變矩器內(nèi)部流動(dòng)特征分析如下所示：

1） 液力變矩器的液流等效集中在一條葉片上進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在基線范圍內(nèi)流動(dòng);

2） 在液力變矩器葉輪出口處，其流動(dòng)情況和進(jìn)口處流動(dòng)情況并無(wú)直接關(guān)系;

3） 在后續(xù)葉輪工作中，液體流動(dòng)狀況與前一工作葉輪出口處的流動(dòng)狀況是一致的[4]。

1.1 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì)如圖1所示。

如圖1所示的硬件結(jié)構(gòu)包括功率測(cè)量模塊、單片機(jī)模塊、變壓模塊、顯示模塊和接口模塊。液力變矩器輸出功率測(cè)試系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)的，采用變壓芯片進(jìn)行電壓交換，使用采樣電阻與轉(zhuǎn)換器完成功率的測(cè)量，通過(guò)顯示屏顯示測(cè)試結(jié)果[5]。

1.1.1 ?單片機(jī)模塊

采用某科技公司生產(chǎn)的STC15F2K60S2型號(hào)的單片機(jī)，該單片機(jī)是一種高速、低功耗的單片機(jī)，內(nèi)部集成具有高精度時(shí)鐘和復(fù)位電路，可省去外部電路的設(shè)計(jì)[6]。該單片機(jī)內(nèi)部集成了一個(gè)8路的10位A/D轉(zhuǎn)換器，主要用于系統(tǒng)輸出功率的測(cè)試。

1.1.2 ?變壓模塊

采用LM2596型號(hào)的變壓芯片，具有電流輸出降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)定控制功能，其內(nèi)部含有150 kHz的固定頻率振蕩器和1.5 V的穩(wěn)壓器，具有電路保護(hù)、電流限制等功能[7]。該芯片外圍電路連接較為簡(jiǎn)單，只需要4個(gè)外圍元件就可完成基本電路的連接。

輸出功率系統(tǒng)變壓模塊設(shè)計(jì)如圖2所示。

根據(jù)圖2可對(duì)系統(tǒng)輸出功率變壓模塊設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)，硬件各個(gè)器件參數(shù)取值如下：[C1]為650 μF電解電容，[C2]為450 μF電解電容，D為SK54二極管，[L]為30 mH的電感[8]。

由于模擬電路受到電路板元器件影響，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意：由于電流開(kāi)關(guān)與電感聯(lián)系密切，電感所產(chǎn)生的電壓往往是短暫的，因此，要使感應(yīng)最小，應(yīng)形成地線回路，此時(shí)D應(yīng)與LM2596引腳相連接，[C2]與[L]，[C1]與LM2596之間的PCB控制板連線應(yīng)選擇寬一些的，并且盡可能地短，[C1]，[C2]，D和[L]這4個(gè)元件要盡可能靠近LM2596[9]。

1.1.3 ?接口模塊

采用MAX4070型號(hào)的放大器對(duì)系統(tǒng)輸出功率進(jìn)行檢測(cè)，其性能良好，適用范圍較廣，該芯片輸入電壓可達(dá)到25 V，與電源電壓并無(wú)直接關(guān)系，供電電流也小于100 μA，總輸出誤差[10]小于2%。

接口模塊電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3中，[R]為接口檢流電阻，放大器引腳6與單片機(jī)中的A/D轉(zhuǎn)換器相連接，而引腳3與系統(tǒng)負(fù)載模塊相連接[11]。

采用STC15F2K60S2型號(hào)的單片機(jī)，在內(nèi)部集成了一個(gè)8路的10位A/D轉(zhuǎn)換器，為系統(tǒng)測(cè)試提供服務(wù);采用LM2596型號(hào)的變壓芯片，具有電路保護(hù)、電流限制等功能;采用MAX4070型號(hào)的放大器對(duì)系統(tǒng)輸出功率進(jìn)行檢測(cè)，可降低檢測(cè)出現(xiàn)的誤差，由此完成系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)。

1.2 ?基于CFD的系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

采用面向?qū)ο蟮腃FD設(shè)計(jì)方法對(duì)多個(gè)窗口進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)測(cè)試的可視化[12]。液力變矩器性能是基于數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)矩測(cè)試、溫度和壓力變送器等外圍設(shè)備進(jìn)行測(cè)試的，并由動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)完成底層I/O驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)功能軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

在CFD計(jì)算過(guò)程中，應(yīng)將各個(gè)葉輪進(jìn)行劃分，針對(duì)不同葉輪流道計(jì)算相應(yīng)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，并對(duì)每一次迭代過(guò)程中的獨(dú)立方程進(jìn)行求解。

2 ?實(shí) ?驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于CFD汽車液力變矩器輸出功率測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)分析。

2.1 ?實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置

針對(duì)液力變矩器輸出功率測(cè)試最有效的方法是直接測(cè)試輸出速率，但由于受到結(jié)構(gòu)限制，葉輪機(jī)械測(cè)量并未取得良好結(jié)果，而采用CFD技術(shù)可準(zhǔn)確獲取液力變矩器輸出的各種信息。

液力變矩器中葉輪分別以不同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)輪則處于相對(duì)坐標(biāo)系靜止?fàn)顟B(tài)。將液力變矩器流場(chǎng)信息沿著周邊取平均值后，按照相應(yīng)連接狀態(tài)計(jì)算邊界條件，便于不同計(jì)算區(qū)域界面的完全貼合，液力變矩器CFD分析模型如圖5所示。

根據(jù)液力變矩器CFD分析模型，采用周向平均法計(jì)算不同區(qū)域流場(chǎng)特征，保證在交界面上的流量、動(dòng)量矩物理量的一致性。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)條件，分析汽車發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器共同輸入的特性，如圖6所示。

由圖6可知：當(dāng)油門(mén)開(kāi)度為20%時(shí)，汽車扭轉(zhuǎn)度最大為150 N/m;當(dāng)油門(mén)開(kāi)度為40%時(shí)，汽車扭轉(zhuǎn)度為160 N/m左右;當(dāng)油門(mén)開(kāi)度為100%時(shí)，汽車扭轉(zhuǎn)度最大為190 N/m。即不同油門(mén)開(kāi)度所對(duì)應(yīng)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩程度也不同。

2.2 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)條件，將傳統(tǒng)系統(tǒng)與基于CFD測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，以此作為系統(tǒng)合理性設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。針對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的獲取，主要是保持界面上各個(gè)物理量的一致，通過(guò)CFD分析可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)液力變矩器在不同轉(zhuǎn)速下的性能，進(jìn)而保證系統(tǒng)對(duì)輸出功率測(cè)試的準(zhǔn)確性。

將傳統(tǒng)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知：當(dāng)轉(zhuǎn)速比為0.2時(shí)，傳統(tǒng)計(jì)算值比實(shí)驗(yàn)值的輸出效率要高，而傳統(tǒng)計(jì)算值的轉(zhuǎn)矩系數(shù)相對(duì)較低;當(dāng)轉(zhuǎn)速比為0.4時(shí)，實(shí)驗(yàn)值比傳統(tǒng)計(jì)算值的輸出效率要高，并且實(shí)驗(yàn)值的轉(zhuǎn)矩系數(shù)也相對(duì)較高;當(dāng)轉(zhuǎn)速比為0.8時(shí)，實(shí)驗(yàn)值與傳統(tǒng)計(jì)算值的轉(zhuǎn)矩系數(shù)一致，而輸出效率相對(duì)較低。

將CFD計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知：當(dāng)轉(zhuǎn)速比為0.2時(shí)，實(shí)驗(yàn)值與CFD計(jì)算值的輸出效率結(jié)果一致，而CFD計(jì)算值的轉(zhuǎn)矩系數(shù)相對(duì)較高;當(dāng)轉(zhuǎn)速比為0.6時(shí)，實(shí)驗(yàn)值與CFD計(jì)算值的轉(zhuǎn)矩系數(shù)結(jié)果一致，而實(shí)驗(yàn)值的輸出效率相對(duì)較高;當(dāng)轉(zhuǎn)速比為0.8時(shí)，實(shí)驗(yàn)值輸出效率比CFD計(jì)算值輸出效率結(jié)果高，而實(shí)驗(yàn)值的轉(zhuǎn)矩系數(shù)比CFD計(jì)算值低。

針對(duì)上述對(duì)比分析可知，CFD計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值更為貼近。分別將傳統(tǒng)系統(tǒng)與基于CFD設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)液力變矩器輸出功率測(cè)試效果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知：兩種系統(tǒng)最初測(cè)試效率為80%，當(dāng)實(shí)驗(yàn)次數(shù)為2時(shí)，傳統(tǒng)系統(tǒng)測(cè)試效率為58%，而基于CFD系統(tǒng)測(cè)試效率為63%;當(dāng)實(shí)驗(yàn)次數(shù)為6時(shí)，傳統(tǒng)系統(tǒng)測(cè)試效率為39%，而基于CFD系統(tǒng)測(cè)試效率為71%;當(dāng)實(shí)驗(yàn)次數(shù)為10時(shí)，傳統(tǒng)系統(tǒng)測(cè)試效率為28%，而基于CFD系統(tǒng)測(cè)試效率為82%;當(dāng)實(shí)驗(yàn)次數(shù)為12時(shí)，傳統(tǒng)系統(tǒng)測(cè)試效率為18%，而基于CFD系統(tǒng)測(cè)試效率為83%。由此可知，采用CFD方法設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)液力變矩器輸出功率測(cè)試效果更好。

根據(jù)上述對(duì)比結(jié)果可知：兩種系統(tǒng)最初測(cè)試效率都可達(dá)到80%，當(dāng)實(shí)驗(yàn)次數(shù)分別為2，6，10，12時(shí)，基于CFD系統(tǒng)測(cè)試效率比傳統(tǒng)系統(tǒng)測(cè)試效率分別高5%，32%，54%，65%。由此可知基于CFD汽車液力變矩器輸出功率測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有合理性。

3 ?結(jié) ?語(yǔ)

運(yùn)用CFD計(jì)算結(jié)果分析液力變矩器性能，可準(zhǔn)確獲得液力變矩器輸出功率的詳細(xì)數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析各個(gè)葉輪功率損失情況，確定液力損失最終數(shù)據(jù)，為傳統(tǒng)方法的改進(jìn)提供了有效依據(jù)。

雖然采用CFD計(jì)算方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有較高的測(cè)試效率，但是針對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行還有待考察。因此，在以后研究過(guò)程中將系統(tǒng)穩(wěn)定性作為一項(xiàng)指標(biāo)對(duì)其展開(kāi)詳細(xì)分析。

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