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(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083；2.高性能復(fù)雜制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083）

0 引言

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

為了優(yōu)化變矩器變矩結(jié)構(gòu)的性能，國內(nèi)外專家學(xué)者提出了諸多改進(jìn)方式,對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行了多項(xiàng)研究。文獻(xiàn)[3]提出了一種牽引-制動(dòng)型變矩器，在比較分割泵輪與分割渦輪兩種不同結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，著重分析了分割渦輪型方案并建立其數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出原始特性，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用；文獻(xiàn)[4]探究了導(dǎo)葉可調(diào)式變矩器的特性，闡述了兩種不同導(dǎo)輪的功能，結(jié)果證明在兩種導(dǎo)輪的配合下，調(diào)整導(dǎo)葉的開度，可以擴(kuò)大變矩器的使用范圍；文獻(xiàn)[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(gè)泵輪時(shí)其切割部位的計(jì)算方法；文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了四種不同扁平率的變矩器，分析了它們的內(nèi)流場(chǎng)與液力性能，發(fā)現(xiàn)扁平率減小，會(huì)導(dǎo)致液力性能整體變差；文獻(xiàn)[7]提出混合平面理論，是一種計(jì)算多級(jí)透平機(jī)械的處理方法；文獻(xiàn)[8]著重研究了改變導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)對(duì)變矩比的影響；文獻(xiàn)[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(dòng)效率與燃油經(jīng)濟(jì)性。但以上專家學(xué)者僅局限于對(duì)傳統(tǒng)軸向結(jié)構(gòu)的變矩器進(jìn)行研究，尚未見到對(duì)徑向結(jié)構(gòu)變矩器的研究。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，深入探究了液力傳動(dòng)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(jié)構(gòu)的葉輪實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，從而增大變矩范圍，提高起動(dòng)性能。本文運(yùn)用CFD對(duì)這種新型變矩器進(jìn)行建模研究，模擬分析其內(nèi)部流動(dòng)情況和變矩性能，驗(yàn)證了該變矩器可增大變矩范圍。

1 新型液力變矩器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 徑向液力變矩器結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示，為新型液力變矩器的機(jī)構(gòu)示意圖。新型結(jié)構(gòu)的變矩器主要由以下四部分構(gòu)成：泵輪1（動(dòng)力輸入端）、渦輪2（動(dòng)力輸出端）、固定導(dǎo)輪3（與殼體相連）以及殼體。泵輪在原動(dòng)機(jī)的作用下帶動(dòng)液流高速旋轉(zhuǎn)，渦輪在液流的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，并將動(dòng)力傳遞給輸出軸；隨后液流經(jīng)過固定導(dǎo)輪、殼體空腔返回泵輪，如此往復(fù)，完成動(dòng)力的傳遞。

新型結(jié)構(gòu)的液力變矩器與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)最大的不同在于殼體以及葉輪分布方式。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的三元件（泵輪、渦輪、導(dǎo)輪）沿軸向分布，為追求較高的傳動(dòng)效率和大起步變矩比，因此循環(huán)圓多為圓弧形，安裝時(shí)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(dǎo)液流從導(dǎo)輪進(jìn)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(jì)算

控制方程一般包括動(dòng)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(yīng)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(shè)條件，工作液流應(yīng)滿足以下方程：

計(jì)算各個(gè)葉輪的轉(zhuǎn)矩以及渦輪與泵輪的變矩比是運(yùn)用CFD模擬TC性能的重要環(huán)節(jié)。運(yùn)用式(3)可求得葉輪轉(zhuǎn)矩，式(4)可求得變矩比K。

式中，M為轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩；MB為泵輪轉(zhuǎn)矩。

2.2 模型假設(shè)

為了分析工作液流在腔體中的流動(dòng)情況，本文在模擬過程中作如下假設(shè)：

1）葉片以及所有壁面為絕對(duì)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(jìn)口和出口進(jìn)出流道。

4）葉輪的不同流道在同一工況下的流場(chǎng)特性相同。這一假設(shè)說明在研究葉輪流道的流場(chǎng)時(shí)可以只分析一個(gè)流道的流場(chǎng)，減少了計(jì)算量。

2.3 仿真模型建立

根據(jù)圖1所示的新型液力變矩器結(jié)構(gòu)示意圖以及2.2的假設(shè)，采用BladeGen進(jìn)行建模，運(yùn)用DesignModeler抽取計(jì)算域，運(yùn)用ICEM劃分網(wǎng)格，最后導(dǎo)入Fluent計(jì)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(jī)械工作過程，包括旋轉(zhuǎn)部分和固定部分，因此在模擬過程中涉及區(qū)域運(yùn)動(dòng)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(jì)算參數(shù)介紹如下：

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

2）根據(jù)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(zhuǎn)速不同，采用混平合面理論對(duì)各葉輪進(jìn)行統(tǒng)一計(jì)算。

4）質(zhì)量、速度、K及epsilon的收斂殘差判別依據(jù)設(shè)為10-3。

3 仿真結(jié)果分析與討論

針對(duì)上述計(jì)算模型，確定泵輪輸入轉(zhuǎn)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(diǎn)分析在上訴工況下變矩器內(nèi)部的流動(dòng)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(cè)角度為橫置變矩器右半部分，葉輪上方為內(nèi)側(cè)，下方為外側(cè)。由圖3可知，循環(huán)圓可以形成，且整體流動(dòng)較為平順。泵輪內(nèi)部外側(cè)至內(nèi)側(cè)流速遞減，渦輪和導(dǎo)輪內(nèi)部大致呈等速流動(dòng)分布，泵輪至導(dǎo)輪流速線性遞減，導(dǎo)輪至泵輪流速遞增。

模擬結(jié)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(dòng)方向所致。泵輪出口處出現(xiàn)二次流，這是因?yàn)閺澢鞯劳鈧?cè)對(duì)液流的約束，強(qiáng)迫液流轉(zhuǎn)向，液流順著葉片向流道內(nèi)側(cè)流動(dòng)；而內(nèi)側(cè)液流有脫落趨勢(shì)。

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(shì)是工作面大于非工作面壓力，說明液流可沿設(shè)計(jì)路線流動(dòng)，各葉輪葉片角設(shè)置較為合理。由于總壓對(duì)應(yīng)著流體的攜帶能量，也就是說，總壓的壓力分布趨勢(shì)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(jìn)口內(nèi)側(cè)附近，而最大值則位于泵輪工作面出口外側(cè)和渦輪工作面進(jìn)口附近。

液流沿泵輪葉片進(jìn)入彎曲段后，由于彎曲外壁面的壓迫，導(dǎo)致液流強(qiáng)制改變流動(dòng)方向，產(chǎn)生離心力，因此外側(cè)壓力大于內(nèi)側(cè)壓力；由3.1節(jié)可知泵輪彎曲段內(nèi)側(cè)有脫流的趨勢(shì)，因此此處的能量損失十分嚴(yán)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(dǎo)致工作面入口處壓力最大，與流線圖結(jié)果一致。而導(dǎo)輪則由于流道較短且處于靜止?fàn)顟B(tài)，循環(huán)流動(dòng)的慣性效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)。

3.3 液力變矩器特性分析

根據(jù)式(3)、式(4)，求得不同轉(zhuǎn)速比情況下的葉輪轉(zhuǎn)矩以及變矩比，如表1所示。將所求數(shù)據(jù)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(zhuǎn)速法，即nB恒定。結(jié)果顯示，在轉(zhuǎn)速比i=0～0.4之間，泵輪轉(zhuǎn)矩MB有輕微波動(dòng)，渦輪轉(zhuǎn)矩MT線性減??；i=0.4～0.45之間，泵輪轉(zhuǎn)矩MB明顯下降，渦輪轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩MB緩緩減小，渦輪轉(zhuǎn)矩MT加速減小，直至降為零。

表1 數(shù)值模擬數(shù)據(jù)

在轉(zhuǎn)速比i=0～0.4之間，變矩比K連續(xù)變化，變化趨勢(shì)與泵輪轉(zhuǎn)矩MB相同；i=0.4～0.45之間，變矩比K緩慢減小這是因?yàn)閷?dǎo)輪固定不動(dòng)，隨著渦輪轉(zhuǎn)速增加，進(jìn)入導(dǎo)輪流道的液流方向發(fā)生變化，使得導(dǎo)輪反作用力方向改變，MD由正變負(fù)；i=0.45～0.5之間，在速比0.45處，導(dǎo)輪轉(zhuǎn)矩MD方向完成轉(zhuǎn)變，變矩比曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，隨著轉(zhuǎn)速升高渦輪轉(zhuǎn)矩MT減小，導(dǎo)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(guān)。

起動(dòng)工況（即i=0）時(shí)，起動(dòng)變矩比K0=4.388，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為60.07N·m，并且在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，變矩比較大，都在2.7以上，因此該變矩器具有良好的起動(dòng)特性。

4 結(jié)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(shí)際情況的特性曲線，展示出變矩器內(nèi)部液流的流動(dòng)情況。

2）模擬結(jié)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(shè)計(jì)較為合理，內(nèi)部液流可沿設(shè)計(jì)路徑運(yùn)動(dòng)。

3）本研究提出的新型液力變矩器可以達(dá)到較大的變矩范圍（0～4），且低速范圍內(nèi)的變矩比較大，起動(dòng)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(duì)變矩性能的影響，在今后的研究中需進(jìn)一步完善。