基于CFD的汽車液力變矩器輸出功率測試系統設計

李小平 趙汝和

關鍵詞： CFD; 液力變矩器; 輸出功率; 測試; 變壓; 葉輪

中圖分類號： TN710?34; U163.22 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 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用于工程領域之中，其性能的好壞直接影響工程整體性能和使用周期。隨著工程機械整體性能要求越來越嚴格，針對汽車液力變矩器輸出功率測試系統設計工作，常用方法是近似的，需要經過實驗進行驗證分析，進而判斷系統設計是否具有可靠性和經濟性，根據實驗內容找到相應薄弱環節，作為改進系統設計的依據。相對于國內外液力變矩器的研究，國內液力變矩器開發水平與國外存在一定差距，但是近幾年，隨著國內對汽車行業的高度重視，許多廠家開始對液力變矩器進行研究[1]。

由于計算流體力學CFD技術不斷完善，需采用CFD技術來測試液力變矩器的性能，該環節在很大程度上縮短了液力變矩器的輸出功率測試周期[2]。雖然采用傳統方法對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用范圍方面，對于其輸出功率的研究相對較少?；诖?，本文提出基于CFD的汽車液力變矩器輸出功率測試系統設計，以液力變矩器為重點研究對象，結合CFD數值對液力變矩器輸出功率進行分析。

1 ?輸出功率測試系統設計

汽車液力變矩器輸出功率測試系統在生產中被廣泛應用，實際液力變矩器內場屬于復雜的三維流動形式，在不同葉輪出口處存在強烈回流現象，葉片曲率變化較大，并易脫流[3]。由于其復雜性，大部分流動現象的形成還未被清楚認知，因此，針對液力變矩器內部流動特征分析如下所示：

1） 液力變矩器的液流等效集中在一條葉片上進行設計，并在基線范圍內流動;

2） 在液力變矩器葉輪出口處，其流動情況和進口處流動情況并無直接關系;

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

1.1 ?系統硬件設計

系統硬件結構框圖設計如圖1所示。

如圖1所示的硬件結構包括功率測量模塊、單片機模塊、變壓模塊、顯示模塊和接口模塊。液力變矩器輸出功率測試系統是以單片機為核心進行設計的，采用變壓芯片進行電壓交換，使用采樣電阻與轉換器完成功率的測量，通過顯示屏顯示測試結果[5]。

1.1.1 ?單片機模塊

采用某科技公司生產的STC15F2K60S2型號的單片機，該單片機是一種高速、低功耗的單片機，內部集成具有高精度時鐘和復位電路，可省去外部電路的設計[6]。該單片機內部集成了一個8路的10位A/D轉換器，主要用于系統輸出功率的測試。

1.1.2 ?變壓模塊

采用LM2596型號的變壓芯片，具有電流輸出降壓開關穩定控制功能，其內部含有150 kHz的固定頻率振蕩器和1.5 V的穩壓器，具有電路保護、電流限制等功能[7]。該芯片外圍電路連接較為簡單，只需要4個外圍元件就可完成基本電路的連接。

輸出功率系統變壓模塊設計如圖2所示。

根據圖2可對系統輸出功率變壓模塊設計技術指標，硬件各個器件參數取值如下：[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，在設計時應注意：由于電流開關與電感聯系密切，電感所產生的電壓往往是短暫的，因此，要使感應最小，應形成地線回路，此時D應與LM2596引腳相連接，[C2]與[L]，[C1]與LM2596之間的PCB控制板連線應選擇寬一些的，并且盡可能地短，[C1]，[C2]，D和[L]這4個元件要盡可能靠近LM2596[9]。

1.1.3 ?接口模塊

采用MAX4070型號的放大器對系統輸出功率進行檢測，其性能良好，適用范圍較廣，該芯片輸入電壓可達到25 V，與電源電壓并無直接關系，供電電流也小于100 μA，總輸出誤差[10]小于2%。

接口模塊電路設計如圖3所示。

圖3中，[R]為接口檢流電阻，放大器引腳6與單片機中的A/D轉換器相連接，而引腳3與系統負載模塊相連接[11]。

采用STC15F2K60S2型號的單片機，在內部集成了一個8路的10位A/D轉換器，為系統測試提供服務;采用LM2596型號的變壓芯片，具有電路保護、電流限制等功能;采用MAX4070型號的放大器對系統輸出功率進行檢測，可降低檢測出現的誤差，由此完成系統硬件部分的設計。

1.2 ?基于CFD的系統軟件功能設計

采用面向對象的CFD設計方法對多個窗口進行設計，實現系統測試的可視化[12]。液力變矩器性能是基于數據采集、轉矩測試、溫度和壓力變送器等外圍設備進行測試的，并由動態數據庫完成底層I/O驅動的設計。

系統功能軟件設計流程如圖4所示。

在CFD計算過程中，應將各個葉輪進行劃分，針對不同葉輪流道計算相應旋轉坐標系，并對每一次迭代過程中的獨立方程進行求解。

2 ?實 ?驗

為了驗證基于CFD汽車液力變矩器輸出功率測試系統設計的合理性，進行如下實驗分析。

2.1 ?實驗條件設置

針對液力變矩器輸出功率測試最有效的方法是直接測試輸出速率，但由于受到結構限制，葉輪機械測量并未取得良好結果，而采用CFD技術可準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速旋轉，導輪則處于相對坐標系靜止狀態。將液力變矩器流場信息沿著周邊取平均值后，按照相應連接狀態計算邊界條件，便于不同計算區域界面的完全貼合，液力變矩器CFD分析模型如圖5所示。

根據液力變矩器CFD分析模型，采用周向平均法計算不同區域流場特征，保證在交界面上的流量、動量矩物理量的一致性。

根據上述設計的實驗條件，分析汽車發動機與液力變矩器共同輸入的特性，如圖6所示。

由圖6可知：當油門開度為20%時，汽車扭轉度最大為150 N/m;當油門開度為40%時，汽車扭轉度為160 N/m左右;當油門開度為100%時，汽車扭轉度最大為190 N/m。即不同油門開度所對應的汽車發動機扭矩程度也不同。

2.2 ?實驗結果與分析

根據上述實驗條件，將傳統系統與基于CFD測試系統進行對比分析，以此作為系統合理性設計的實驗結果。針對系統參數的獲取，主要是保持界面上各個物理量的一致，通過CFD分析可準確預測液力變矩器在不同轉速下的性能，進而保證系統對輸出功率測試的準確性。

將傳統計算值與實驗值進行對比，結果如圖7所示。

由圖7可知：當轉速比為0.2時，傳統計算值比實驗值的輸出效率要高，而傳統計算值的轉矩系數相對較低;當轉速比為0.4時，實驗值比傳統計算值的輸出效率要高，并且實驗值的轉矩系數也相對較高;當轉速比為0.8時，實驗值與傳統計算值的轉矩系數一致，而輸出效率相對較低。

將CFD計算值與實驗值進行對比，結果如圖8所示。

由圖8可知：當轉速比為0.2時，實驗值與CFD計算值的輸出效率結果一致，而CFD計算值的轉矩系數相對較高;當轉速比為0.6時，實驗值與CFD計算值的轉矩系數結果一致，而實驗值的輸出效率相對較高;當轉速比為0.8時，實驗值輸出效率比CFD計算值輸出效率結果高，而實驗值的轉矩系數比CFD計算值低。

針對上述對比分析可知，CFD計算值與實驗值更為貼近。分別將傳統系統與基于CFD設計系統對液力變矩器輸出功率測試效果進行對比，結果如圖9所示。

由圖9可知：兩種系統最初測試效率為80%，當實驗次數為2時，傳統系統測試效率為58%，而基于CFD系統測試效率為63%;當實驗次數為6時，傳統系統測試效率為39%，而基于CFD系統測試效率為71%;當實驗次數為10時，傳統系統測試效率為28%，而基于CFD系統測試效率為82%;當實驗次數為12時，傳統系統測試效率為18%，而基于CFD系統測試效率為83%。由此可知，采用CFD方法設計系統對液力變矩器輸出功率測試效果更好。

根據上述對比結果可知：兩種系統最初測試效率都可達到80%，當實驗次數分別為2，6，10，12時，基于CFD系統測試效率比傳統系統測試效率分別高5%，32%，54%，65%。由此可知基于CFD汽車液力變矩器輸出功率測試系統設計具有合理性。

3 ?結 ?語

運用CFD計算結果分析液力變矩器性能，可準確獲得液力變矩器輸出功率的詳細數據，進而分析各個葉輪功率損失情況，確定液力損失最終數據，為傳統方法的改進提供了有效依據。

雖然采用CFD計算方法設計的系統具有較高的測試效率，但是針對系統穩定運行還有待考察。因此，在以后研究過程中將系統穩定性作為一項指標對其展開詳細分析。

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