液力變矩器輸入扭矩異常的故障分析

沈航，高佩

液力變矩器輸入扭矩異常的故障分析

沈航1，高佩2

（1.陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000；2.西安雙特智能傳動有限公司，陜西 西安 710071）

文章描述了液力變矩器下線測試過程中發(fā)生的扭矩異常故障，從液力變矩器的原理方面著手，分析了異常的可能原因，并對零件進(jìn)行了輪廓掃描，鎖定了故障點(diǎn)，通過對液力變矩器油液單循環(huán)進(jìn)行分析，確定了異常產(chǎn)生的根本原因。

液力變矩器；輸入扭矩；輪廓掃描；油液單循環(huán)

前言

液力變矩器下線測試屬于生產(chǎn)檢驗(yàn)性試驗(yàn)，是為了檢查液力變矩器的零件制造、裝配質(zhì)量和主要性能所進(jìn)行的試驗(yàn)。一般包括運(yùn)轉(zhuǎn)檢測和重要性能點(diǎn)的性能檢測，例如失速試驗(yàn)、最高效率點(diǎn)試驗(yàn)、充油試驗(yàn)和多個速比點(diǎn)扭矩試驗(yàn)等。

由于下線測試的目的主要是檢測液力變矩器的制造和裝配，因此測試點(diǎn)設(shè)置少，測試時間短，能夠滿足工廠的批量生產(chǎn)要求。在批量測試過程中，不僅要關(guān)注每一臺液力變矩器的性能是否合格，同時還要關(guān)注液力變矩器的性能的穩(wěn)定性，從而監(jiān)控零件質(zhì)量和裝配過程是否穩(wěn)定。

1 問題描述

如圖1、圖2和圖3所示，液力變矩器速比為0.9時的性能趨勢圖。圖1中扭矩比在正常范圍內(nèi)，但在時間軸后期扭矩比有下降的趨勢，并穩(wěn)定下來；圖2中輸入扭矩波動很大，在時間軸尾端出現(xiàn)了明顯的下降趨勢，且已出現(xiàn)低于扭矩下限的現(xiàn)象；圖3中輸出扭矩在整個時間軸上也有較明顯的下降趨勢，但仍保持在扭矩限值內(nèi)。

圖1 液力變矩器扭矩比趨勢圖

從測試數(shù)據(jù)來看，該款液力變矩器出現(xiàn)了性能問題，且問題集中在速比0.9時的輸入扭矩和輸出扭矩上，需要對同批次零件及裝配進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖2 液力變矩器輸入扭矩趨勢圖

圖3 液力變矩器輸出扭矩趨勢圖

2 原因分析

2.1 液力變矩器原理介紹

圖4是該款液力變矩器的結(jié)構(gòu)原理圖，主要由泵輪I、渦輪T、導(dǎo)輪R和閉鎖離合器L組成，其中渦輪、泵輪和導(dǎo)輪是液力變矩器能量轉(zhuǎn)換的三元件。各元件中在圓周方向均勻分布有空間曲面形狀的葉片。

圖4 液力變矩器原理簡圖

I-泵輪；T-渦輪；R-導(dǎo)輪；L-閉鎖離合器；IN-發(fā)動機(jī)輸入；OUT-渦輪輸出

發(fā)動機(jī)工作時，通過輸入端IN帶動泵輪旋轉(zhuǎn)，泵輪內(nèi)的油液在葉片的作用下向泵輪外緣甩出，油液獲取速度和壓力。油液出泵輪后經(jīng)過一小段無葉片環(huán)道從渦輪外環(huán)進(jìn)入渦輪，液流沖擊渦輪葉片，可使得渦輪與泵輪同向轉(zhuǎn)動；由于渦輪速度小于泵輪轉(zhuǎn)速，油液可以將能量傳遞給渦輪。從渦輪內(nèi)環(huán)流出的油液經(jīng)過一小段無葉片環(huán)道進(jìn)入靜止的導(dǎo)輪，液流受到導(dǎo)輪葉片的影響，改變方向，增大扭矩，如圖5所示。

液力變矩器中渦輪、泵輪和導(dǎo)輪之間的扭矩關(guān)系如下：

M=M+M（1）

式中，M是泵輪扭矩，M是渦輪扭矩，M是導(dǎo)輪扭矩。

圖5 液力變矩器中油流方向

1-泵輪；2-渦輪；3-導(dǎo)輪

如上圖6所示，油液先進(jìn)入泵輪，從泵輪流出后經(jīng)過短暫的間隙X1進(jìn)入渦輪，從渦輪流出后經(jīng)過短暫的間隙X2流入導(dǎo)輪，導(dǎo)輪固定不動，油液在導(dǎo)輪葉片作用下改變方向流出導(dǎo)輪，經(jīng)過短暫的間隙X3流入泵輪，完成一次油液單循環(huán)。

圖6 液力變矩器中油液單循環(huán)圖

1-泵輪；2-渦輪；3-導(dǎo)輪；4-X1-泵輪與渦輪的間隙；5-X2-渦輪與導(dǎo)輪的間隙；6-X3-導(dǎo)輪與泵輪的間隙；7-V1-泵輪出口速度；8-V2渦輪出口速度；9-V3-導(dǎo)輪出口速度

從以上分析可知，泵輪從發(fā)動機(jī)獲取扭矩，并傳遞扭矩給渦輪，導(dǎo)輪起到放大扭矩的作用，并傳遞個泵輪。因此，可初步判斷速比0.9時輸入扭矩和輸出扭矩降低問題的出現(xiàn)于渦輪、泵輪和導(dǎo)輪有關(guān)。

2.2 葉型掃描

渦輪、泵輪和導(dǎo)輪的鑄造質(zhì)量和機(jī)加工質(zhì)量是保證其性能的關(guān)鍵特性，因此，需要對三種葉輪進(jìn)行測量，排查根本原因。

渦輪、泵輪和導(dǎo)輪的葉片葉型均為空間曲面形狀，為了更準(zhǔn)確的描述葉片形狀，我們采用3D掃描的檢測形式，且選用兩種方法，一種是以機(jī)加工基準(zhǔn)為基準(zhǔn)來掃描，另一種是以葉片最佳擬合的方式進(jìn)行掃描。3D掃描結(jié)果表明，渦輪和泵輪狀態(tài)良好，導(dǎo)輪有異常。

另外追加導(dǎo)輪3D掃描同批次零件，掃描結(jié)果一致，均為葉片軸向與機(jī)加工基準(zhǔn)偏離，偏離方向一致，隨機(jī)抽取30件，見表1所示。

表1 導(dǎo)輪3D掃描結(jié)果

圖8 導(dǎo)輪機(jī)加工基準(zhǔn)掃描前端視圖

圖7和圖8是導(dǎo)輪以機(jī)加工基準(zhǔn)為基準(zhǔn)掃描的結(jié)果，葉片大面整體偏紅，表明向外突出，小面整體偏藍(lán)，表明向內(nèi)凹陷，即葉片整體向小面方向偏離。圖9是導(dǎo)輪以葉片最佳擬合的方式進(jìn)行掃描的結(jié)果，導(dǎo)輪的葉型良好，機(jī)加工尺寸與葉片葉型之間在軸向不重合，發(fā)生了偏離，且葉片相對向小面（導(dǎo)輪后端）移動。

圖9 導(dǎo)輪葉片最佳擬合掃描后端視圖

3 理論分析

如圖10虛線導(dǎo)輪所示，導(dǎo)輪裝配以機(jī)加工基準(zhǔn)定位，根據(jù)掃描結(jié)果，導(dǎo)輪葉片向?qū)л喓蠖似x，即導(dǎo)輪向泵輪端偏離，從而導(dǎo)致導(dǎo)輪與渦輪之間的間隙變大，導(dǎo)輪與渦輪之間的無葉片區(qū)域增大，導(dǎo)輪與泵輪之間的間隙縮小，導(dǎo)輪與泵輪之間的無葉片區(qū)域縮小。

圖10 偏離后的液力變矩器原理簡圖

1-I-泵輪；2-T-渦輪；3-R-導(dǎo)輪；4-L-閉鎖離合器；5-IN-發(fā)動機(jī)輸入；6-OUT-渦輪輸出

從液力變矩器中的油流方向來看（圖11），導(dǎo)輪葉片3遠(yuǎn)離渦輪2，靠近泵輪1，油液從渦輪流出后，經(jīng)過變大的間隙，油液進(jìn)入導(dǎo)輪的位置發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致油液方向發(fā)生改變。

圖11 偏離后的液力變矩器中油流方向

1-泵輪；2-渦輪；3-導(dǎo)輪

圖12 偏離后的液力變矩器中油液單循環(huán)圖

1-泵輪；2-渦輪；3-導(dǎo)輪；4-X1-泵輪與渦輪的間隙；5-X2-渦輪與導(dǎo)輪的間隙；6-X3-導(dǎo)輪與泵

從油液單循環(huán)圖來看（圖12），導(dǎo)輪葉片3遠(yuǎn)離渦輪2，間隙X2擴(kuò)大為X2’，靠近泵輪1，間隙X3縮小為X3’。油液從渦輪流出后，經(jīng)過變大的間隙X2’，進(jìn)入導(dǎo)輪的位置發(fā)生了變化，油液在導(dǎo)輪入口產(chǎn)生了旋渦，使油液變得發(fā)散，能量損失增加，傳遞給導(dǎo)輪的有效扭矩降低；從導(dǎo)輪流出的液體，由于導(dǎo)輪與泵輪間的無葉片區(qū)域縮小為X3’，進(jìn)入泵輪的方向發(fā)生改變，速度V3變?yōu)閂3’，傳遞給泵輪的扭矩降低；油液經(jīng)過泵輪再流入渦輪，速度V1變?yōu)閂1’，扭矩也有所降低，如此循環(huán)下去，液力變矩器的整體性能有所下降，體現(xiàn)為輸入扭矩和輸出扭矩都變小，且輸入扭矩變小幅度更大一些。

4 結(jié)論

本文針對液力變矩器批量生產(chǎn)、試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的扭矩故障進(jìn)行了理論分析和實(shí)際測量對比，從根本上找到了產(chǎn)生扭矩故障的原因，將理論設(shè)計與產(chǎn)品批量生產(chǎn)建立了連接。同時，也對液力變矩器的零件質(zhì)量和裝配質(zhì)量提出了新的要求，良好的液力變矩器性能需要質(zhì)量穩(wěn)定的零件，也需要穩(wěn)定的裝配過程來保證。

[1] 朱經(jīng)昌.液力變矩器的設(shè)計與計算.國防工業(yè)出版社.

[2] 魏宸官,鄭慕僑.車輛液力傳動上冊.第一版.北京:國防工業(yè)出版社,1982年.

[3] 魏宸官,鄭慕僑.車輛液力傳動下冊.第一版.北京:國防工業(yè)出版社,1983年.

[4] 上海市業(yè)余工業(yè)大學(xué).液壓傳動與控制.1983.11.

[5] Joachim Ryborz. Automotive Transmissions,1999.2.

[6] 王海燕.自動變速器現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].汽車維修與保養(yǎng),2006,(10).

Fault Analysis of Abnormal Input Torque of Hydraulic Torque Converter

Shen Hang1, Gao Pei2

( 1.Shaanxi Fast Gear Co., LTD., Shaanxi Xi'an 710000; 2.Xi'an FC intelligence transmission Co., LTD., Shaanxi Xi'an 710071 )

The paper describes the hydraulic torque converter abnormal failure occurred in the process of offline test torque, analyzes the probable causes of the abnormal input torque based on the principle of hydraulic torque converter, and measures parts contour scanning, locks the fault point, analyzes the single cycle of flow in the hydraulic torque converter, determines the fundamental cause of the abnormal.

Torque Convertor; Input Torque; Contour Scanning; Single cycle of The Flow

U472.42

A

1671-7988(2019)13-226-03

U472.42

A

1671-7988(2019)13-226-03

沈航(1983-)，男，本科，工程師，就職于陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司，主要從事AT產(chǎn)品在軍用及民用市場應(yīng)用及相關(guān)改進(jìn)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.076