沖壓葉片厚度對液力變矩器性能的影響

閆清東， 李新毅， 魏巍, 陳修齊

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；2.北京市電動車協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100081)

液力變矩器是一種廣泛應(yīng)用于車輛傳動裝置中的液力傳動元件，通過液體能與機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)化來傳遞動力，具有優(yōu)良的自適應(yīng)性、增矩變速、減振隔振等優(yōu)點(diǎn). 液力變矩器按制造工藝的不同可以分為鑄造型液力變矩器和沖焊型液力變矩器. 由于使用了不同的材料和制造工藝，兩種變矩器在整體結(jié)構(gòu)和葉柵結(jié)構(gòu)上存在一定的差異.

沖焊型液力變矩器采用沖壓制造的泵輪、渦輪，與鑄造型液力變矩器的空間流線型葉片不同，沖壓泵輪、渦輪中的葉片采用薄板沖壓而成，具有等厚的空間結(jié)構(gòu).

魏巍等[1-2]提出了基于Bessel曲線的鑄造型液力變矩器葉片參數(shù)化造型方法，實(shí)現(xiàn)了以葉片角度、葉片厚度等幾何參數(shù)為基礎(chǔ)的葉片形狀的交互設(shè)計. 陳建勛等[3-4]對沖焊型液力變矩器進(jìn)行了逆向設(shè)計和葉柵參數(shù)化研究，探索了變矩器葉柵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方法. 譚越等[5]研究了沖焊型液力變矩器的成形數(shù)值模擬及焊接強(qiáng)度，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，從制造工藝上保證了沖壓葉片的成形精度.

鑄造型液力變矩器的葉片具有空間流線型結(jié)構(gòu)，葉片各部分的厚度是不一致的，在設(shè)計中要考慮對于葉片骨線各部分的加厚規(guī)律從而進(jìn)行葉片的造型. 而沖壓葉片由于工藝條件的要求具有等厚的空間結(jié)構(gòu)，厚度參數(shù)對于變矩器性能的影響不同與鑄造型葉片. 本文結(jié)合沖焊型液力變矩器三維流場分析，采用試驗(yàn)設(shè)計方法研究沖壓葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)中不同厚度參數(shù)對液力變矩器性能的影響規(guī)律.

1 試驗(yàn)設(shè)計

某型沖焊型液力變矩器的泵輪、渦輪葉片采用沖壓工藝制造，具有等厚的空間結(jié)構(gòu)，但是不同的泵輪、渦輪葉片厚度組合對于變矩器性能的影響往往是相互沖突的，并不是單一厚度的最優(yōu)值的簡單疊加. 所以本文采用試驗(yàn)設(shè)計的方法分析不同沖壓葉片厚度對于液力變矩器性能的影響.

設(shè)計試驗(yàn)方案，試驗(yàn)因素為泵輪葉片厚度和渦輪葉片厚度，以某型沖焊型液力變矩器沖壓葉片為基礎(chǔ)，試驗(yàn)水平為沖壓葉片厚度，取值范圍為1～4 mm. 具體試驗(yàn)設(shè)計如表 1，Hp為泵輪葉片厚度，Ht為渦輪葉片厚度.

表1 試驗(yàn)因素水平范圍

由于試驗(yàn)中的因素個數(shù)較少，所以采用全因素試驗(yàn)方法，評估所有因素在所有水平上的可能組合. 結(jié)合三維流場分析方法，建立不同葉片厚度下的流道模型.Hp、Ht分別為1,2,3 mm.

流場分析采用ANSYS-CFX模塊進(jìn)行計算，為了提高計算精度，對于單流道模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格方法，如圖1. 仿真計算時，選擇SST湍流模型，湍流模型的離散格式選擇較容易收斂的一階迎風(fēng)格式. 計算不同速比(i=0,…,0.8)下變矩器的流場特性.

2 葉片厚度影響因素敏感性分析

基于試驗(yàn)設(shè)計和流場分析的計算結(jié)果，分別就兩個因素對液力變矩器最大能容系數(shù)λ0max、起動變矩比K0、最高效率ηmax三個響應(yīng)量的影響程度進(jìn)行分析.

2.1 葉片厚度影響因素主效應(yīng)分析

主效應(yīng)是分析因素在某個水平下對試驗(yàn)響應(yīng)量的影響. 圖2為泵輪葉片厚度對三個響應(yīng)量的主效應(yīng)分析圖，圖3為渦輪葉片厚度對三個響應(yīng)量的主效應(yīng)分析圖.

從主效應(yīng)分析圖可知，在所給定的參數(shù)取值范圍內(nèi)，2(a)中泵輪葉片厚度對于最高效率的影響主效應(yīng)是非單調(diào)的，最高效率的最低值出現(xiàn)在葉片厚度為3.2 mm處，但是根據(jù)最高效率值的整體變化區(qū)間看出，變化值在0.000 1之內(nèi)，所以泵輪葉片厚度對于最高效率εmax的影響可以忽略；圖2(b)中泵輪葉片厚度對于起動變矩比K0的影響主效應(yīng)是單調(diào)遞減的，隨著泵輪葉片厚度的增加，起動變距比呈下降趨勢；圖2(c)中的最大能容系數(shù)λmax隨泵輪葉片厚度的增加呈下降趨勢，表示液力變矩器能容隨泵輪葉片厚度的增加而減小. 圖3(a)中渦輪葉片厚度對于最高效率的影響隨葉片厚度增加單調(diào)下降，但是根據(jù)最高效率值得下降區(qū)間來看，變化范圍在0.01之內(nèi)，所以此影響可以忽略不計；圖3(b)中渦輪葉片厚度對于起動變距比主效應(yīng)影響呈上升趨勢，在厚度達(dá)到3.5 mm之后逐漸平緩；圖3(c)中隨渦輪葉片厚度的增加能容呈下降趨勢.

由以上對于主效應(yīng)圖的分析可以看出，在泵輪、渦輪葉片厚度作為單一變量的變化過程中，對于變矩器效率的影響很小，可以忽略不計；泵輪葉片厚度的變化對于起動變矩比有一定影響，在4 mm的厚度變化區(qū)間中，起動變矩比單調(diào)下降，整體下降比例為4.8%；葉片厚度的改變影響最大的響應(yīng)量為變矩器的能容特性，隨著葉片厚度的增加，變矩器能容呈單調(diào)下降趨勢，泵輪葉片在試驗(yàn)水平區(qū)間內(nèi)，最大能容系數(shù)下降5.3%，渦輪葉片厚度在試驗(yàn)水平區(qū)間內(nèi)，最大能容系數(shù)下降5.28%.

2.2 葉片厚度影響因素交互效應(yīng)分析

交互效應(yīng)是當(dāng)試驗(yàn)因素取不同水平時，響應(yīng)量隨不同試驗(yàn)因素的變化趨勢會有所改變，交互作用越強(qiáng)，對響應(yīng)量的影響越大，變化趨勢改變越大.

圖4所示為泵輪葉片厚度為變量的對不同響應(yīng)量的交互效應(yīng)分析圖，圖中黑色曲線表示另一因素渦輪葉片厚度取值較小時，虛線曲線表示渦輪葉片厚度取值較大時. 針對三個響應(yīng)量，二者的曲線并為相交，所以兩個因素的交互影響作用并不明顯.圖4 (a)中最高效率隨渦輪葉片厚度取值的大小幾乎沒有變化；圖4(b)、圖4(c)中，渦輪葉片厚度不論大小范圍對于泵輪葉片厚度變化下起動變矩比和能容的影響一致.

圖5所示為渦輪葉片厚度為變量對不同響應(yīng)量的交互效應(yīng)分析圖，圖5(a)中在泵輪葉片厚度取值較小和較大時，渦輪葉片厚度對最高效率的影響趨勢在斜率和數(shù)值范圍上基本保持一致；圖5(b)和圖5(c)中渦輪葉片厚度無論取值大小，其對于泵輪葉片厚度對起動變距比和能容系數(shù)的影響只在數(shù)值范圍上有所不同，影響趨勢保持一致.

根據(jù)交互作用的分析，兩個試驗(yàn)因素泵輪葉片厚度和渦輪葉片厚度對于液力變矩器性能的影響交互作用并不明顯，且影響趨勢一致.

3 葉片厚度因素對性能影響數(shù)值變化

根據(jù)葉片厚度因素對于性能影響的主效應(yīng)和交互效應(yīng)分析，泵輪葉片厚度和渦輪葉片厚度的變化對于效率的影響作用和交互影響作用并不明顯，二者對于變矩器性能的影響主要集中于在厚度變化的條件下對于變矩器本身傳遞轉(zhuǎn)矩大小的影響. 如圖6為固定其中一個葉片厚度為2 mm，改變另一葉片厚度時，變矩器輸入轉(zhuǎn)矩(液力變矩器泵輪轉(zhuǎn)矩)的對比.

根據(jù)不同葉片厚度下泵輪轉(zhuǎn)矩數(shù)值的對比圖，泵輪轉(zhuǎn)矩隨著葉片厚度的增大而減小，尤其是在變矩器低速比狀態(tài)下，轉(zhuǎn)矩降低的效果比較明顯. 在2 mm葉片厚度左右的范圍內(nèi)，泵輪轉(zhuǎn)矩的數(shù)值變化較小，每增加0.5 mm厚度，泵輪轉(zhuǎn)矩數(shù)值最大變化在0.7%，當(dāng)葉片厚度超過3 mm時，泵輪轉(zhuǎn)矩變化增大，每增加0.5 mm，泵輪轉(zhuǎn)矩最大變化為2.3%.

根據(jù)圖7中不同葉片厚度下渦輪轉(zhuǎn)矩的數(shù)值對比，可以看出與泵輪轉(zhuǎn)矩隨葉片厚度的變化規(guī)律類似，渦輪轉(zhuǎn)矩隨葉片厚度的增加而下降，尤其是在變矩器低速比區(qū)域下降幅度較大. 葉片厚度在3 mm之內(nèi)時，每增大0.5 mm厚度，渦輪轉(zhuǎn)矩值下降幅度在0.5%，當(dāng)葉片厚度超過3 mm時，渦輪轉(zhuǎn)矩變化加快，每增加0.5 mm，泵輪轉(zhuǎn)矩最大變化約為3.8%.

綜上所述，葉片厚度的增加導(dǎo)致了液力變矩器傳遞轉(zhuǎn)矩的下降，并且這種下降程度是由慢到快的. 由于液力變矩器所傳遞的轉(zhuǎn)矩值直接影響到了汽車的動力性，所以在確定液力變矩器沖壓葉片厚度時，既要確保厚度避免葉片在工作過程中出現(xiàn)強(qiáng)度問題，又要防止葉片厚度過薄而出現(xiàn)所傳遞轉(zhuǎn)矩過小導(dǎo)致車輛動力性不足的問題，同時還要確保葉片具有較好的工藝成形性.

4 基于性能影響的葉片厚度優(yōu)化

根據(jù)葉片厚度對于性能的影響，以泵輪葉片厚度Hp、渦輪葉片厚度Ht為設(shè)計變量，對葉片厚度進(jìn)行優(yōu)化. 由于葉片厚度對于效率影響可以忽略，所以以起動變矩比K0和最大能容系數(shù)λ0max為優(yōu)化目標(biāo)，建立如下優(yōu)化模型：

設(shè)計變量為Hp,Ht;

由于葉片厚度對于變矩器轉(zhuǎn)矩值的影響程度是由慢到快的，根據(jù)上文分析，在葉片厚度大于3 mm之后變矩器轉(zhuǎn)矩值出現(xiàn)了顯著下降，而葉片過薄在工作中易出現(xiàn)強(qiáng)度問題，所以將優(yōu)化設(shè)計變量葉片厚度的取值范圍限定在1.5～3.0 mm. 集成CFD分析與葉柵系統(tǒng)參數(shù)化建模建立性能優(yōu)化平臺，采用遺傳優(yōu)化算法搜索可行解[6-7]，得到目標(biāo)函數(shù)最大值附近的可行解如表2.

表2 葉片厚度優(yōu)化可行解

上述7組優(yōu)化可行解中，沒有能同時滿足兩個優(yōu)化目標(biāo)的解，但是7組解均在優(yōu)化目標(biāo)最大值附近. 此時的泵輪葉片厚度Hp范圍在1.85～2.35 mm，渦輪葉片厚度Ht范圍在1.90～2.25 mm，所以表示在此范圍內(nèi)變矩器性能參數(shù)達(dá)到最優(yōu). 由于葉片沖壓需選用合適的鋼板，而軋制鋼板厚度大多數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)厚度，從成本和工藝角度考慮需要將葉片厚度取2 mm.

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

以優(yōu)化實(shí)例葉片厚度為2 mm制造試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行臺架試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證仿真分析準(zhǔn)確性. 進(jìn)行變矩器驗(yàn)證樣機(jī)原始特性試驗(yàn)，試驗(yàn)臺布置簡圖如圖 8.

試驗(yàn)設(shè)備主要有：動力電機(jī)、加載電機(jī)：功率630 kW，最高轉(zhuǎn)速3 000 r/min；ZJ型轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，量程：5 000 N·m，用于輸入、輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速測量；備試件：液力變矩器驗(yàn)證樣機(jī)；液力變矩器液壓補(bǔ)償系統(tǒng)泵站；壓力傳感器TPJ-1，量程:0～2.5 MPa，用于變矩器入口和出口壓力測量；溫度傳感器PT100，量程:0～150 ℃,用于變矩器入口和出口溫度測量. 試驗(yàn)用油采用殼牌液力傳動油15 W/40，在油溫15 ℃時，密度ρ=860 kg/m3. 進(jìn)行牽引原始特性試驗(yàn)時，保持輸入泵輪轉(zhuǎn)速恒定為1 500 r/min，用加載電機(jī)加載，將液力變矩器速比調(diào)至預(yù)定值，穩(wěn)定后同時采集輸入、輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩參數(shù).

試驗(yàn)后得到的變矩器原始特性與仿真計算特性對比，如圖9所示.

通過圖9試驗(yàn)特性與模型計算特性對比，二者效率曲線吻合度較高，各工況點(diǎn)偏差范圍在5%左右，變矩比在高速比時和能容系數(shù)在中間速比時相對偏差較大，但是最大偏差不超過10%，關(guān)鍵性能參數(shù)K0、ηma偏差在1%左右，λ0max偏差為4.8%，變矩器模型計算特性真實(shí)有效.

6 結(jié) 論

沖焊型液力變矩器的葉片厚度會對液力變矩器的性能產(chǎn)生影響，這種影響變現(xiàn)為主效應(yīng)影響隨著葉片厚度的增加而使變矩器能容下降，而葉片厚度的交互效應(yīng)影響并不明顯. 沖壓葉片厚度的增加導(dǎo)致了液力變矩器傳遞轉(zhuǎn)矩的下降，并且這種下降程度是由慢到快. 對進(jìn)行沖壓葉片厚度的優(yōu)化時，要根據(jù)優(yōu)化結(jié)果結(jié)合實(shí)際板材厚度選擇合適的葉片厚度.