《液力变矩器压力特性研究》7400字（论文）

液力变矩器压力特性研究目录TOC\o"1-2"\h\u9950液力变矩器压力特性研究 112404摘要 1293951绪论 1264321.1课题研究的背景及意义 132061.2液力变矩器研究现状 2136931.3液力变矩器应用领域 3202102液力变矩器内部构件分析 3270022.1液力变矩器的工作原理 3146842.2涡轮出口压力分析 4119592.3液力变矩器的导轮压力差分析 654563变矩器压力特性预测 727764(b)速比-效率曲线图4液力变矩器压力及效率曲线 10269874液力变矩器压力特性优化 11168474.1对YJ380型变矩器分析 1119165变矩器进出口半径优化 11214636设计研究方法 14145437研究设计中发现的问题 1513428结论 16摘要：本设计是基于对液力变矩器压力特性的研究。为了更好地提高液力变矩器的性能，我们需要对变矩器的进、出口压力和导轮进、出口压力等一些参数内在关系进行分析，探究变矩器的压力值与变矩器其他参数性能的关系，从而对液力变矩器的压力进行分析，得到最佳压力优化范围的进出口半径。我们把液力变矩器整体压力流场进行仿真分析，研究了变矩器性能与压力之间的相互影响关系，也分析了速比与变矩器效率的关系，通过改变进出口半径来改变进出口压力差，提高液力变矩器的性能。关键词：液力变矩器；优化设计；流场；出口压力；叶轮；气蚀1绪论1.1课题研究的背景及意义液力变矩器（HTC）是以液体为媒介来进行能量传递的传动机构。在传统自动变速系统中，液力变矩器扮演者一个重要的角色。液力传动装置应用型广，性价比合适且适应能力强，方便平稳起动，缓冲各部分压力，它可以吸收振动和减少冲击,除此之外,工作时它对发动机传动系统的使用寿命起到了增长的作用,提高了发动机传动系统使用的经济性，它在整个车辆传动系统中扮演者重要的角色。当车辆工作时，液力变矩器可以让汽车变矩和平稳的启动，它是工程机械和汽车传动系统最重要的结构之一，因而液力变矩器的应用越来越广泛。液力变矩器是一种利用油液与机构相互作用、实现机械能与液体动能转换的装置。液力变矩器本身传动效率低于传统的机械传动，因此在某些条件下车辆的经济性略有不足。随着自动挡乘用车辆的发展，液力变矩器设计的轴向尺寸正在逐渐地缩短，使得液力变矩器的性能越来越差，因此本设计在此基础上，通过研究变矩器的压力特性，提高液力变矩器的性能。不仅如此，由于液力变矩器本身的特性，它在工作中会产生大量的热量使油温度过高，为了使得传动系统的正常工作，必须不断地更换油液使变矩器内部保持热平衡，因此需要设置一个合理的变矩器进出口压力值保证油液的有效流动。基于此设计，通过研究变矩器的压力特性，把液力变矩器流场进行仿真分析，分析了变矩器性能和压力的相互关系，对液力变矩器的进出口半径进行设计，使得满足变矩器有合适的进出口压力，从而提高液力变矩器的性能。1.2液力变矩器研究现状为了更好的提高液力变矩器的性能，液力变矩器的压力优化设计是一个很重要的不可缺少的研究阶段。目前为止，液力变矩器内部的流场分析主要有两种方法，分别是实验测量和三维流场分析。液力变矩器本身是一个流道封闭的结构，液力变矩器内部的叶片的结构是三维曲面的，它有较大的工况变化范围。这两种分析方法都存在一些缺陷和实际研究的困难，所以研究人员通常把实验结论和数据结合在一起，互为验证、对比的参考依据。一些研究者分析了液力变矩器的叶片流场分布，并提出更加复杂的叶片导轮结构，在一定程度上提高了液力变矩器的性能。再有一些研究者把液力变矩器叶轮叶片压力和速度场分布进行了评估，通过改变循环圆内外环的形状，消散了一些较强的耗散区，提高了液力变矩器的液力性能。甚至还有些研究者通过内流场的数据分析结果，调整了液力变距器设计参数，把压力场分布进行了优化，提高了液力变距器的性能，同时也抑制了二次流现象。上面的几个研究均属于反向设计的方法，把内流场的分析结果进行反向调整设计参数，目的是改善液体的流动状况，提高其性能。这种反向设计的方法，要求设计人员具有很高的专业性，并且这个优化过程需要不断的调整设计参数，参考内流场分析结果，所以需要更多的设计时间。除此之外，这种方法很难保证设计结果是最好的设计，使得设计还存在进一步的优化空间。在一些文献中研究人员通过把叶片的内外环偏转角参数进行优化，建立了综合分析、设计和优化三位一体的平台，并和仿真计算与优化算法结合在一起，把液力变矩器进行了优化设计。这种方法是主要是建立一个液力变距器分析、优化、设计三位一体的平台，以此进行优化设计，这种方法在预测的精度上有良好的优点，但是用仿真计算消耗时间长，使得设计的时间周期更长。1.3液力变矩器应用领域国外有关液力变矩器的使用很广泛，设计技术更加先进，以德国舍弗勒为例的一体化液力变矩器工作效率高，减振性能更佳，未来会更多应用于自动变速箱的车辆。随着我国机动车辆工业技术的不断发展，中高档乘用车的需求量也不断上升，各种装备液力机械式自动变速器(AT)和无级变速器(CVT)的中高档乘用车产量急剧提高，而液力变矩器是AT和CVT中用于发动机与变速器之间传递动力的装置[1]，对整个车辆传动系统性能的影响至关重要。作为车辆和工程机械传动系统的关键部件之一，变矩器可以使得车辆平稳起步和变矩，得到了广泛的应用。2液力变矩器内部构件分析2.1液力变矩器的工作原理液力变矩器的主要结构是泵轮、涡轮、导轮，因此也把它叫做三元件变矩器。如图1，这是一个简单的变矩器简图，发动机的动力由左边的输入轴5传递进来，输入轴是直接连接泵轮1的，发动机开始工作，这时液力变矩器的泵轮开始转动，变矩器内部有油液，会产生离心力，因此变矩器通过油液产生驱动力。涡轮的形状是一个圆盘，它可以转动，涡轮连接输出轴4。在液力变矩器工作时，叶片会被油液冲击，因此涡轮会对外做功会转动。最后油液通过导轮2转换方向，重新流回泵轮中，液力变矩器就是这样一次次完成动力的传递。液力变矩器的油液是从油泵开始流的，它会经过进油口、导轮轴和变矩器轴中间的油道，流道液力变矩器内部，循环一周后从导轮轴与输出轴的间隙回流到油泵。1-泵轮2-导轮3-机架4-输出轴5-输入轴6-涡轮

图1

液力变矩器的结构简图2.2涡轮出口压力分析本文首先分析涡轮的出口压力，为了更加清晰的研究叶轮转速与油液流动的相互关系，将油液的绝对运动分为圆周速度和相对速度。所以只需要分析油液在涡轮内的流动方程。建立一个坐标系，画出叶片速度矢量图，第一个小图是涡轮固定时的运动分析图，第二个小图是涡轮转动时的运动分析图，第三个小图是速度矢量图，如图2。图2

叶片速度分析矢量图我们分析上图，利用欧拉运动微分方程可以计算得（1）带入速度得（2）（1）当涡轮不转动是固定状态时，变矩器速度比=0，所以=0，绝对速度，所以（3）由此得出涡轮得出口压力公式为（4）式中通过查阅资料取=0.8，=7.47m/s，=7.40m/s，=0.4MPa，带入得=0.3996MPa。所以涡轮不转动时，出口压力为=0.3996MPa。（2）如果涡轮转动，牵连速度会与涡轮转速增成正比，根据上面得公式（2）和（3）可计算涡轮的出口压力：（5）将数值带入，MPa。涡轮转动时的出口压力为=0.4005MPa。以上公式中，为哈密顿算子，表示为体积力，为压力，是入口压力，是出口压力，是涡轮进口压力，是涡轮出口压力，是流体密度，是重力加速度，是相对速度，是绝对速度，表示牵连速度。通过上面的受力分析，公式推理计算，我们可以得出结论：当涡轮转速增大时，涡轮出口压力增大，因此可以得出涡轮出口压力与涡轮转速二者成正相关的结论，即随着速比的增大，导轮进口压力增大，但它的取值比变矩器出口压力要小。2.3液力变矩器的导轮压力差分析当涡轮转速的增加时，涡轮与泵轮转速差会逐渐减小，直到达到耦合状态，这时候转速比接近于1。我们把涡轮与泵轮看做一个整体，从而进行研究，并以此为基础我们可以计算推出变矩器的导轮的进出口的压差。我们利用伯努利方程分析：（6）不计算位置势能项，使，使，，其中的参数是泵轮出口压力，表示的是泵轮出口半径。通过公式（6）的计算可以得到（7）把公式（7）代入公式（6）可以计算出（8）使可以推出进口压力（9）我们前面说把涡轮和泵轮看成了一个整体，那么角速度将取涡轮和泵轮的平均数值（10）导轮的出口压力和泵轮的进口压力是相等的,得出（11）明显的可以得到，（12）查阅资料取=69mm，=117mm，我们在这里忽略中间系数的计算。当n=1800r/min时，，=0.127MPa；当n=1850r/min时，，=0.140MPa。公式中，表示中间系数，是导轮进口压力，是导轮出口压力。此公式同样适用于变矩器不同转速比下，不只局限于转速比接近于1时。通过上面的一系列计算得出以下结论：当涡轮转速的升高时，导轮进出口压差是一个减小的趋势，因此可以得出速比与压差二者成反比。3变矩器压力特性预测我们为了更好的分析液力变距器的压力特性，对YJ380系列液力变距器进行了压力分布仿真。为了取得压力参数预测，需要把液力变矩器整体进行建模，通过自学Fluent仿真软件，首先绘制出一个大体的液力变矩器三维轮廓模型，然后进行网格划分，之后进行设置，调整数据。为了清晰地表达压力场的分别，我们设定油液在任何工况下密度保持不变，，油液的粘度为0.00129Pas，最后得到一个如下图的压力场分布，如图3所示。图3

变矩器流场整体压力图这是一个变矩器流场整体压力云图，红色的区域表示最大受压处，压力依次逐渐降低。因此可以得出结论，泵轮外圆处压力最大，压力场沿着径向逐渐增加，压力分界线为中心轴面处，导轮的进口压力低于导轮出口压力。我们计算变矩器的效率：（13）在这个公式中，泵轮转矩，涡轮转矩。是泵轮动量矩变化因数。因此可以很明显的看出变矩器的效率与压力参数没有直接的影响关系。根据参考速比压力数据和用效率公式计算得效率数据画出曲线变化趋势，可以看出参考的数据变化趋势与我们上面公式计算得到的结论相同。图中为液力变矩器的进口压力,为液力变矩器的出口压力，为液力变矩器导轮的进、出口压差。压力云图中设定泵轮转速n为2000rpm，选取起动工况=0、低速比工况=0.35、高效工况=0.73和耦合工况=0.95四个工况点，变矩器出口压力设定为：0.15、0.35、0.5Mpa这3种工况。上式中K表示变化因数，查阅资料得出速比压力和效率参考数据[2]，整理数据，绘制速比压力曲线图（a）。当=0时，代入数据计算得=0；当=0.35，K=1.46时，代入效率公式数据计算得=0.51；当=0.73，K=0.96时，=0.7；当=0.95，K=0.68计算得=0.65，此时=0.15。同理分别计算出=0.35、0.5时的四个工况效率和=0.5时的工况效率，计算结果与资料中的数据相结合，绘制图（b）效率曲线图。表1速比压力参考数据速比00.350.730.95压力差（0.15）0.260.20.180压力差（0.35）0.30.280.220.21压力差（0.5）0.310.30.270.2进口压力（0.15）0.260.290.350.48进口压力（0.35）0.380.440.50.55进口压力（0.5）0.530.590.620.8表2速比效率参考数据速比00.350.730.95效率（0.15）00.510.70.65效率（0.35）00.570.720.68效率（0.5）00.590.730.67速比-压力曲线速比-效率曲线

图4液力变矩器压力及效率曲线根据上面的曲线图可以得知，当速比的增加时，液力变矩器的出口压力和进口压力同时也会增大，但进出口压差反而会减小，因此会使得变矩器内循环液体的流量减小。与此同时当速比越大时，液力变矩器自身的发热量会减小，变矩器可以自动调节流量的原因是变矩器的发热量与变矩器内循环量二者相匹配。当变矩器出口压力值为

0.35

MPa

和

0.5

MPa

时，变矩器与高效区基本接近，因此效率相对较高。当出口压力为

0.15

MPa

时，变矩器的效率略有降低，这是因为液力变矩器的出口压力值太低导致，此时变矩器叶轮内流场更容易出现气蚀现象，导致油液流场分布不好。因此可以得出结论，在液力变矩器不发生气蚀的压力要求下，变矩器的效率与速比成正比，而变矩器进出口压差与变矩器的速比成反比。仿真实验曲线的变化规律与我们上面进行的公式计算推导结果相同。4液力变矩器压力特性优化4.1对YJ380型变矩器分析首先变矩器装入车辆后要进行整车的性能试验检测，使得车辆性能满足所要达到的使用要求，不能出现动力不足或者是油温过高等状况导致车辆的正常使用。当大量的进行车辆压力检测时，当变距器出口的压力值符合进口压力标准值和压力测试标准值时，使用的压力测试标准是原有机型的标准，其中原来标准的液力变距器出口压力为0.4MPa，进口压力为0.8Mpa,下列表3是YJ380型变距器部分的测试数据[2]。表3YJ380变矩器进出口压力检测数据[2]次数进口压力出口压力进出压差10.510.400.1120.550.400.1530.480.3850.09540.50.40.150.520.390.1360.440.370.07在现实生活的实际应用中，当变矩器的出口压力值能到使其不发生气蚀时，这个出口的压力值就不会影响液力变矩器的正常工作和工程车辆的正常驾驶使用[2]。当TJ380型液力变矩器检测的进口压力是0.44Mpa，出口压力为0.37Mpa时，远远低于液力变距器进口压力为0.8Mpa、出口压力为0.4Mpa的标准值，但是车辆可以正常的行驶工作，并没有出现动力不足，或者是高温等故障。所以可以得出，YJ380型变矩器的进口压力检测数据可以取：[0.44，0.8]Mpa，出口压力数值取：[0.37,0.4]Mpa。5变矩器进出口半径优化查阅资料得YJ380型变矩器标准参数：额定输入转速：2000r/min，额定输入功率：121Kw，循环圆直径380mm，变矩系数：2.30，公称扭矩185Nm，最高效率88％，循环流量74L/min，重量132kg。（14）不计算位置势能项，即，此外我们把变矩器看做一个整体，本文半径优化忽略中间系数的计算。分别取P=P1=0.8MPa，P=P2=0.4MPa得 （15）（16）计算得当取标准压力值时液力变矩器进口半径，出口半径。从之前的分析中可以得出，适当的降低出口压力，可以降低油耗，减少成本，提高车辆的经济性。为了优化压力变矩器的进出口压力，在保证变矩器不发生气蚀的情况下，实现最大的动力输出，我们通过改变液力变矩器的进出口半径，对液力变矩器进行结构上的优化，通过比较变矩器出口压差，确定一个最合适的变矩器进出口半径优化结果。我们通过查阅资料，确定了变矩器进出口压力的相应参数。我们通过改变进口半径或出口半径，来分析压差变化，确定最优优化方案。首先，我们选取固定的进口压力为0.51MPa，改变出口半径，选取出口半径为为146mm、148mm、150mm、152mm、154mm时的出口压力，利用公式（12）计算变矩器出口压力，最终得出压差的数据如表4。表4改变出口半径后进出口压差参考数据进口压力/MPa出口半径/mm出口压力/MPa进出口压差0.511460.3740.1360.511480.3840.1260.511500.3940.1160.511520.4050.1050.511540.4160.094为了更直观的了解改变变矩器出口半径对压差的影响，我们将得到的数据图形化，如图5所示。从图5中可以看出，增大出口半径，进出口压差会减小，因为之前我们得出结论，变矩器的速比与进出口压差成反比，而且变矩器的效率随着速比的增加而增加，所以如果我们适当的增加出口半径，那么提高变矩器的工作效率，对变矩器的性能也有一定的改善。分析完改变出口半径后，我们选取固定的出口压力为0.37MPa，改变进口半径，选取进口半径为为210mm、212mm、214mm、216mm、218mm时的出口压力，利用公式（12）计算变矩器出口压力，最终得出压差的数据如表5。图5进出口压差与出口半径关系图表5改变出口半径后进出口压差参考数据出口压力/MPa进口半径/mm进口压力/MPa进出口压差0.372100.770.40.372120.790.420.372140.80.430.372160.820.450.372180.830.46图6进出口压差与进口半径的关系从图6中可以看出，随着进口半径增大，进出口压差会增大，因为之前我们得出结论变矩器的进口压差与速比成反比，变矩器的速比与效率成正比，在满足不发生气蚀的前提下，如果我们适当的减小进出口半径，那么变矩器的性能会更好。因为变矩器正常的工作条件是进出口压力使得变矩器不会发生气蚀，所以可以我们需要确定进出口半径的取值范围来保证变矩器有合理的进出口压力，YJ380型变矩器的进口压力检测数据可以取：[0.44，0.8]Mpa，出口压力数值取：[0.37,0.4]Mpa。将进出口压力带入公式（14）分别求出进出口半径的取值范围，即进口半径的取值范围：[158.5，213.7]mm，出口半径的取值范围为：[145.3，151.1]mm。最终我们确定合理的增大进口半径或者减小出口半径，使得变矩器有一个合理的进出口压差，可以提高变矩器的性能。6设计研究方法通过资料调研法对课题背景及意义、研究现状进行研究调查，发现液力变矩器有自动适应能力强、减振、平稳起动等众多优点，因此广泛应用于传动系统中，但是还存在压力设置方面的一些不足。通过对叶片的受力分析进行公式计算并代入数值验证结论，符合液力变矩器出口压力设置。然后通过软件仿真模拟法，利用Fluent流体仿真软件，画了变矩器三维整体压力仿真图，得出泵轮外圆处压力最大，压力场沿着径向逐渐增加，压力分界线为中心轴面处，导轮的进口压力越低于导轮出口压力。最后本设计参考YJ380型变矩器的进出口