狹小間隙下液力變矩器攪油功率損失模型

摘要： 針對液力變矩器高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生較大攪油功率損失問題，以某液力變矩器為研究對象，基于CFD數(shù)值模擬及數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法，提出一種攪油功率損失預(yù)測模型.該模型主要考慮液力變矩器裝配間隙幾何特征、運行參數(shù)、潤滑油物性與潤滑狀態(tài)等因素影響，采用正交分解法選擇25組不同運行參數(shù)下的攪油過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并結(jié)合某傳動裝置實際運行工況和使用要求進(jìn)行了多工況驗證.結(jié)果表明：隨著潤滑油雷諾數(shù)增大，攪油功率損失成指數(shù)型快速增長；攪油功率損失隨徑向間隙的增大而減小，隨軸向間隙的增大而增大；當(dāng)徑向間隙小于9 mm時，攪油損失功率隨著徑向間隙減小而急劇增大；相比于軸向間隙，徑向間隙對攪油功率損失值的影響程度更大；狹小間隙下液力變矩器攪油功率損失模型結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果總體符合較好，相對誤差在10%內(nèi).研究結(jié)果可為狹小間隙液力變矩器設(shè)計及綜合傳動裝置的優(yōu)化提供一定技術(shù)支撐.

關(guān)鍵詞： 液力變矩器；攪油功率損失；狹小間隙；損失模型；數(shù)值模擬

中圖分類號： S277.9；TH132.46文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號： 1674-8530（2024）11-1098-06

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.22.0280

呂懿晨，孫中國，宮武旗，等.狹小間隙下液力變矩器攪油功率損失模型[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報，2024，42（11）：1098-1103.

LYU Yichen， SUN Zhongguo， GONG Wuqi， et al. Churning power loss model for hydraulic torque converter with narrow surface gap[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering（JDIME）， 2024， 42（11）： 1098-1103. （in Chinese）

Churning power loss model for hydraulic torque converter

with narrow surface gap

LYU Yichen1， SUN Zhongguo1*， GONG Wuqi1， ZOU Tiangang2， GUI Peng2

（1. School of Energy and Power Engineering， Xi′an Jiaotong University， Xi′an， Shaanxi 710049， China; 2. China North Vehicle Research Institute， Beijing 100072， China）

Abstract： To address the issue of significant power loss due to oil churning in highspeed rotation of hydraulic torque converters， this study focused on investigating a hydraulic torque converter and a predictive model for oil churning power loss based on CFD numerical simulation and data statistical analysis methods was proposed. The main parameters in the calculation model included the assembly clearance characteristics of the torque converter， the operating parameters， the physical properties and states of the lubricating oil. The proper orthogonal decomposition method was employed， and 25 groups of different operating parameters were selected， subsequently the numerical simulations for the oil stirring process were carried out for all the cases. The actual operating conditions and operating requirements of a transmission device were verified under multiple operating conditions. The results indicate that the churning power loss increases exponentially with an increase in Reynolds number of the lubricating oil， while it decreases with an increase in radial clearance and increases with an increase in axial taper. When the radial clearance is less than 9 mm， there is a sharp rise in churning power loss as the clearance decreases. Compared to axial clearance， radial clearance has a greater impact on churning power loss value. The model results for churning power loss of hydraulic torque converter under narrow clearances are generally consistent with numerical calculations， showing relative errors within 10%. These findings can provide technical support for designing hydraulic torque converters and optimizing comprehensive transmission devices.

Key words： hydraulic torque converters;churning power loss;narrow surface gaps;loss model;numerical simulation

液力機(jī)械綜合傳動裝置是現(xiàn)代履帶車輛的主要傳動形式之一[1]，其性能很大程度上影響車輛的可靠性和動力輸出.液力機(jī)械綜合傳動裝置內(nèi)常裝載一定量潤滑油，在零件表面形成潤滑油膜，可減少摩擦損失及零件損耗，同時利用潤滑油循環(huán)帶走零件表面因摩擦而產(chǎn)生的熱量，但也會增加傳動部件的攪油功率損失而降低運行效率[2].液力變矩器的殼體外部并不需要潤滑，但為了滿足齒輪、軸承等相鄰零部件的浸油潤滑條件，其外殼也浸入潤滑油液中被動攪油.因此，提出一種預(yù)測液力變矩器在狹小空間中攪油損失功率的計算方法對高性能綜合傳動裝置設(shè)計具有重要意義.

KARMAN[3]針對無限靜態(tài)流體中盤旋轉(zhuǎn)造成的損失計算提出了經(jīng)驗公式.SOO等[4]分析了流體浸沒旋轉(zhuǎn)圓盤的阻力矩.TEREKHOV[5]進(jìn)行齒輪攪油試驗，并基于量綱一化分析建立了單齒輪攪油損失計算公式.梁文宏等[6]通過試驗測定了單個直齒輪的攪油功率損失，同時應(yīng)用π定理推導(dǎo)出相應(yīng)功率損失公式.WILD等[7]采用數(shù)值計算和試驗相結(jié)合的方法研究了旋轉(zhuǎn)圓柱在封閉空間內(nèi)的能量損失.FRANCO等[8-9]使用高精度數(shù)值方法分析了幾何參數(shù)和工作參數(shù)對單個齒輪攪油功率損失的影響.趙二輝等[10]結(jié)合仿真計算及試驗測試，研究了流體壓力對濕式離合器的摩擦影響.

旋轉(zhuǎn)件在狹小空間中的攪油功率損失計算最早可以追溯到人們對筒軸旋轉(zhuǎn)流動的研究.COUETTE[11]利用同軸旋轉(zhuǎn)圓柱流動的特性測量了流體的黏度.TAYLOR[12]對同軸旋轉(zhuǎn)圓柱的流動進(jìn)行試驗研究，發(fā)現(xiàn)隨著轉(zhuǎn)速增大，在環(huán)隙中會生成沿軸向排列的渦，即Taylor渦.MANN等[13]對圓盤攪油的試驗研究證明，徑向間隙對攪油阻力矩的影響要比軸向間隙小.CHANGENET等[14]通過試驗研究了單個直齒輪下徑向和軸向間隙對于攪油損失的影響，并推導(dǎo)出經(jīng)驗公式.李超等[15]利用CFD方法研究了不同油氣比下徑向間隙對渦旋壓縮機(jī)的泄漏機(jī)理，建立了泄漏模型.

目前，針對攪油功率損失的研究，基本以齒輪攪油為主.文中以某一處于浸油狀態(tài)及狹小間隙中的液力變矩器為研究對象，基于CFD數(shù)值模擬及數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法，提出一種液力變矩器攪油功率損失的預(yù)測模型，同時以某傳動裝置內(nèi)液力變矩器的實際工況為依據(jù)，對預(yù)測模型進(jìn)行驗證.

1數(shù)值計算

1.1計算模型與網(wǎng)格劃分

采用正交分解法，選取液力變矩器25組典型運行算例，如表1所示.表中n為轉(zhuǎn)速，T為潤滑油溫度，h為浸油深度，jr為徑向間隙，ja為軸向間隙，μ為潤滑油動力黏度.

定義浸油深度h、徑向間隙jr及軸向間隙ja等特征幾何參數(shù)如圖1所示.

液力變矩器數(shù)值計算模型如圖2所示.

在圖2a中，液力變矩器周向與同軸套筒之間形成徑向間隙，端面與擋板之間形成軸向間隙.圖2b為箱體模型與圖2a中模型做布爾減運算得到的流體域.

采用Mesh軟件對齒輪箱流體域進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，如圖3所示.隨著25組典型算例運行參數(shù)及幾何尺寸的變化，流體域網(wǎng)格數(shù)量在400萬～600萬內(nèi).壁面處設(shè)置邊界層網(wǎng)格，網(wǎng)格精度滿足Y+值要求.

以液力變矩器扭矩為判據(jù)，選取5套網(wǎng)格數(shù)（330萬、400萬、460萬、540萬、610萬）進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證.當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為460萬時，液力變矩器扭矩值與網(wǎng)格數(shù)540萬及610萬時的近似相等.因此，后續(xù)計算采用460萬網(wǎng)格數(shù).

1.2邊界條件與湍流模型

應(yīng)用計算流體動力學(xué)軟件ANSYS-Fluent對攪油過程的非定常流動進(jìn)行數(shù)值計算，液力變矩器旋轉(zhuǎn)運動采用VOF模型和滑移網(wǎng)格法.

流體域內(nèi)同時存在空氣和油兩相，設(shè)第一相為空氣，第二相為油相.計算時考慮潤滑油重力的作用，定義y軸負(fù)方向為重力方向，重力加速度大小為9.8 m/s2.箱體的內(nèi)壁面、擋板及套筒均設(shè)置為無滑移固定壁面.

湍流模型選取標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)的RNG k-ε模型.壓力與速度的耦合采用SIMPLE算法，對流體空間中各參數(shù)的離散，梯度項采用Least squares cell Based，壓力項采用PRESTO！.為獲得較高計算精度，計算均采用二階格式獲得最終解.

2液力變矩器攪油功率損失計算

根據(jù)表1提供的運行參數(shù)開展25組算例的數(shù)值計算，通過數(shù)據(jù)提取和統(tǒng)計，獲得相應(yīng)的液力變矩器攪油功率損失并進(jìn)行分析.

2.1計算方法與流程

液力變矩器的工況或檔位直接影響攪油流動狀態(tài)，即飛濺油滴的尺寸和時空分布等，進(jìn)而決定了攪油的損失機(jī)理類型及其功率損失大小.為描述和設(shè)計方便，通常用單一公式擬合全部檔位的攪油功率損失，但擬合精度相對較低，尤其在狹小表面間隙情況下.

文中針對狹小空間中液力變矩器的攪油功率損失，提出一種新的計算流程.首先提取基本參數(shù)（主要包括液力變矩器形狀參數(shù)、運行參數(shù)、間隙幾何尺寸、潤滑油物性、潤滑狀態(tài)等），計算弗勞德數(shù)Fr和雷諾數(shù)Re，然后以雷諾數(shù)大小為依據(jù)，選擇相應(yīng)流態(tài)下的模型，最后計算攪油功率損失.計算流程如圖4所示.

2.2力矩計算公式

弗勞徳數(shù)是表征流體慣性力與重力相對大小的量綱一數(shù).浸油狀態(tài)下，液力變矩器的弗勞徳數(shù)Fr為

Fr=vgh，（1）

式中：v為液力變矩器線速度.

雷諾數(shù)是表征流體慣性力與黏性力相對大小的量綱一數(shù).浸油狀態(tài)下，液力變矩器的雷諾數(shù)Re為

Re=ρωRDμ，（2）

式中：ρ為潤滑油密度；ω為液力變矩器角速度；R為液力變矩器端面半徑; D為液力變矩器端面直徑；μ為潤滑油動力黏度.

液力變矩器的攪油功率損失P為

P=Mω，（3）

其中

M=ρω2R5CM，（4）

式中：M為液力變矩器攪油扭矩?fù)p失；CM為扭矩系數(shù).

當(dāng)Relt;2.0×105時，

CM=10-0.874Re0.072Fr-1.947VpR3-1.118·jrR-1.111jaR1.096，（5）

當(dāng)2.0×105≤Relt;6.0×105時，

CM=10-5.257Re0.541Fr0.620hR16.995·VpR311.172jrR-1.169jaR0.470，（6）

當(dāng)Re≥6.0×105時，

CM=10-1.830Re0.073Fr-0.538hR-7.105·VpR35.29jrR-0.297jaR0.409，（7）

以上式中：Vp為液力變矩器浸入潤滑油部分的體積.

2.3計算結(jié)果分析

表2為利用模型公式和數(shù)值模擬得到的液力變矩器攪油扭矩?fù)p失結(jié)果對比，表中e為相對誤差.可以看出，整體上，模型公式計算的液力變矩器攪油扭矩?fù)p失與數(shù)值模擬結(jié)果較吻合，除個別算例外，二者總體相對誤差小于10%，這表明文中所提出的狹小間隙下液力變矩器攪油功率損失計算模型是可靠的.

由于實際運行工況比較復(fù)雜，轉(zhuǎn)速覆蓋不同雷諾數(shù)范圍，文中依據(jù)數(shù)據(jù)分析和實踐經(jīng)驗，分別針對3個雷諾數(shù)展開動力黏度、浸油深度、徑向間隙和軸向間隙等因素對攪油損失功率的影響分析.

取動力黏度μ=0.40 Pa·s，徑向間隙jr=20 mm，軸向間隙ja=20 mm，當(dāng)雷諾數(shù)Relt;2.0×105，轉(zhuǎn)速為50～250 rad/s，不同浸油深度（80.0，120.0，160.0，200.0，247.5 mm）時，轉(zhuǎn)速對攪油功率損失的影響如圖5所示.

由圖5可以看出：整體上，攪油損失功率隨轉(zhuǎn)速增大而單調(diào)線性增大；相同轉(zhuǎn)速下，浸油深度越大，損失功率越大；損失功率隨轉(zhuǎn)速增大的速率與浸油深度具有統(tǒng)計學(xué)意義.

取動力黏度μ=0.05 Pa·s，徑向間隙jr=20 mm，軸向間隙ja=20 mm，當(dāng)雷諾數(shù)為2.0×105～ 6.0×105，轉(zhuǎn)速為100～300 rad/s，不同浸油深度（80.0，120.0，160.0，200.0，247.5 mm）時，轉(zhuǎn)速對攪油功率損失的影響如圖6所示.可以看出：攪油損失功率隨轉(zhuǎn)速增大而呈指數(shù)型增長；相同轉(zhuǎn)速下，浸油深度越大，損失功率越大；攪油損失功率在浸油深度較大時，隨轉(zhuǎn)速增大而增大的速率越大.

取動力黏度μ=0.01 Pa·s，徑向間隙jr=20 mm，軸向間隙ja=20 mm，當(dāng)雷諾數(shù)Regt;6.0×105，轉(zhuǎn)速為100～300 rad/s，不同浸油深度（80.0，120.0，160.0，200.0，247.5 mm）時，轉(zhuǎn)速對攪油功率損失的影響如圖7所示.可以看出：此雷諾數(shù)段時轉(zhuǎn)速和浸油深度對攪油功率損失的影響與圖6較為相似，即攪油損失功率隨轉(zhuǎn)速增大呈指數(shù)性非線性增大，且隨浸油深度增大而增大，浸油深度增大還會加速攪油功率損失隨轉(zhuǎn)速增大的幅度.

為研究徑向間隙對攪油損失功率的影響，取雷諾數(shù)Re分別為1.5×105，4.0×105和8.0×105，轉(zhuǎn)速ω=200 rad/s，浸油深度h=120 mm，軸向間隙ja=20 mm，以滿足公式適用條件，按照實際條件取徑向間隙為4～20 mm，結(jié)果如圖8所示.可以看出：整體上，不同雷諾數(shù)時，攪油功率損失隨徑向間隙減小均呈非線性增大趨勢；當(dāng)徑向間隙小于9 mm時，攪油損失隨徑向間隙的減小而急劇增大，當(dāng)雷諾數(shù)越大時，攪油功率損失越??；當(dāng)徑向間隙為9～13 mm時，雷諾數(shù)Re=1.5×105工況攪油功率損失最大，而雷諾數(shù)Re=4.0×105工況攪油功率損失最??；當(dāng)徑向間隙大于13 mm時，雷諾數(shù)Re=8.0×105工況的攪油功率損失最大，而雷諾數(shù)Re=4.0×105工況損失最小.

3條功率損失曲線出現(xiàn)交叉，推測當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)到一定數(shù)值時，徑向間隙內(nèi)的流動狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，使得損失類型和數(shù)值發(fā)生變化.

同樣地，取徑向間隙jr=20 mm，在相同的轉(zhuǎn)速、浸油深度和雷諾數(shù)下，研究軸向間隙對攪油損失功率的影響，結(jié)果如圖9所示.

由圖9可以看出：整體上，攪油功率損失隨軸向間隙增大而線性增大；雷諾數(shù)Re=8.0×105工況的功率損失相對最大，在研究范圍內(nèi)均高于另2個算例；雷諾數(shù)Re=1.5×105，4.0×105工況的攪油功率損失曲線發(fā)生交叉，軸向間隙小于11 mm時，后者功率損失較大，軸向間隙大于11 mm時，前者功率損失較大；軸向間隙對損失功率的影響為0～5 kW，與圖8徑向間隙攪油功率損失數(shù)值（0～25 kW）相比明顯較小.

3結(jié)論

針對液力變矩器處于浸油狀態(tài)且表面間隙狹小情況下的攪油功率損失進(jìn)行了研究，得到結(jié)論如下：

1） 基于運行參數(shù)正交分解和典型工況計算流體動力學(xué)數(shù)值模擬，提出了一種狹小表面間隙液力變矩器攪油功率損失的預(yù)測方法.構(gòu)建以液力變矩器結(jié)構(gòu)、運動參數(shù)、潤滑油物性與潤滑狀態(tài)等為主要影響因素，以雷諾數(shù)為基準(zhǔn)的通用攪油功率損失計算模型，對攪油狀態(tài)進(jìn)行分段評估.攪油功率損失計算模型整體相對誤差小于10%，具有較高的預(yù)測精度，可為液力變矩器優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù).

2） 基于提出的攪油功率損失計算模型，分析了轉(zhuǎn)速、徑向間隙和軸向間隙對攪油功率損失的影響.隨著轉(zhuǎn)速或雷諾數(shù)增大，攪油功率損失呈指數(shù)型快速增大.徑向間隙較軸向間隙對攪油功率損失的影響更大.

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（責(zé)任編輯陳建華）

收稿日期： 2022-11-14； 修回日期： 2023-02-09； 網(wǎng)絡(luò)出版時間： 2024-11-08

網(wǎng)絡(luò)出版地址： https：//link.cnki.net/urlid/32.1814.TH.20241108.0949.014

基金項目： 國防科工局基礎(chǔ)研究項目（20195208003）

第一作者簡介： 呂懿晨（1996—），男，陜西旬邑人，碩士研究生（lvyichen007@163.com），主要從事計算流體動力學(xué)研究.

通信作者簡介： 孫中國（1981—），男，湖北宜昌人，教授，博士生導(dǎo)師（sun.zg@mail.xjtu.edu.cn），主要從事流體機(jī)械數(shù)值模擬與試驗研究.