导轮结构形式对液力变矩器性能的影响

导轮结构形式对液力变矩器性能的影响#邓洪超1，胡晶2，刘春宝2，王利娟3*（1. 肇庆学院电子信息与机电工程学院，广东 肇庆 526061；5102. 吉林大学 机械科学与工程学院，长春 130022；3. 广西柳工机械股份有限公司技术研究所，广西 柳州 321004）摘要：由于空间有限，轿车液力变矩器向着减小轴向尺寸的方向发展。导轮宽度对于减小液力变矩器的轴向尺寸有着重要意义。为研究导轮宽度轴向尺寸对轿车液力变矩器性能的影响，设计了两个分别具有宽、窄导轮结构的液力变矩器。利用 CFD 软件对其内部流场进行数值模拟，得到液力变矩器内部三维流动的分布情况和外部性能。通过对宽、窄两种导轮结构形式液力变矩器内部流动和外部性能的对比，得到导轮轴向宽度对内部流动和外部性能的影响。关键词：液力变矩器；导轮宽度；流场；性能中图分类号：TH137.33215Effects of Width of Stator on Hydraulic Performances of anTorque ConverterDENG Hongchao1, HU Jing2, LIU Chunbao2, WANG Lijuan3(1. College of Electronic Information and Electronmechanical Engineering,Zhaoqing University,2025303540GuangDong ZhaoQing 526061;2. College of Mechanical Science and Engineering,JiLin University, ChangChun 130022;3. Guangxi Liugong Machinery Co., Ltd. Technical Institute, GuangXi LiuZhou 321004)Abstract: Automotive torque converters have been designed with a smaller axial size bacause ofthe space restriction.The width of the stator has a significant effect to shorten the axial lengeh of atorque converter.Two torque converters are designed to investigate the effects of the width ofstator. Computational analysis with three dimendional CFD software shows the internal flow fieldof the torque converter,also the performance. The effectes of the width of the stator to inner flowfield are got by analyzing the CFD results. By comparing with the performance of torqueconverters,the influence rules of the width of the stator are found out.Keywords: Torque converter; Width of stator; Flow field; Performance0 引言液力变矩器是自动变速系统的重要组成部分，导轮是实现变矩功能的重要部件之一。导轮宽度对于减小液力变矩器的轴向尺寸起着重大的作用1。导轮宽度的改变会影响液力变矩器的性能2。设计了两种不同轴向尺寸的导轮结构，应用相同的环量分配规律设计了导轮叶片，应用 CFD 软件对两个液力变矩器的全流道网格模型进行数值模拟。对比分析两个液力变矩器的内部流场和外部特性，以得出导轮轴向尺寸对液力变矩器性能影响的规律。1 液力变矩器的设计为对比分析导轮宽度对液力变矩器性能的影响，两个液力变矩器中泵轮和涡轮保持不变，导轮内外环流线保持不变，只改变导轮宽度。图 1 是两个液力变矩器循环圆对比图。基金项目：2010 年博士点基金（20100061120057）作者简介：邓洪超，（1967-），男，博士，副教授，特种车辆。通信联系人：刘春宝，（1980-），男，博士，副教授，液力传动与自动变速。 E-mail: liuanbc-1-图 1 宽、窄两种导轮结构形式循环圆Fig.1 Torus with different width of stator45505560为消除叶片设计方法对内部流场及外部性能的影响，两个液力变矩器的泵轮、涡轮和导轮分别采用一致的环量分配规律进行叶片设计。图 2 是两个液力变矩器各叶轮叶片的三维图。图 2 两个液力变矩器叶片三维图Fig.2 Blades of torque converters2 液力变矩器计算模型建立两个液力变矩器的全流道模型，如图 3 所示。对流道模型进行网格划分，可以得到流道网格模型，如图 4 所示。将流道网格模型导入 CFD 软件，进行相关设置4-5。应用雷诺应力方程求解液力变矩器内部瞬态流场，选择的湍流模型是标准的 k å 模型。采用滑动网格模型模拟三个叶轮的运动。为每个叶轮设置相应的旋转速度，叶轮的内、外环和叶片是相对于各叶轮静止的壁面(wall)，各叶轮的进出口面以交互面（interface）相连接3。图 3 两个液力变矩器的流道模型Fig.3 Models of Passage of torque converters-2-图 4两个液力变矩器的流道网格模型Fig.4 Models of Passage mesh of torque converters65707580液力变矩器内部流场非常复杂，因此对流场做以下假设以便于计算分析：工作过程中工作油的密度、粘度不变；工作油温度的变化忽略不计；叶轮无叶栅区无泄漏；液力变矩器所有构件为绝对刚体。3 液力变矩器流场分析3.1 起动工况流场分析图 5、图 6 是两个液力变矩器在起动工况流道压力分布图。从图中可以看出，两个液力变矩器流场压力分布规律一致，泵轮流道中自进口入口至出口压力不断增大，涡轮流道中则相反，导轮流道中压力变化较小。对比两图可以发现窄圆弧导轮液力变矩器的整体压力较高，尤其是在泵轮外环接近出口处、导轮进口面处和涡轮内环面处。图 5 宽导轮液力变矩器起动工况流场压力分布Fig.5 Preesure of flow field of the torque converter with wide stator图 6 窄导轮液力变矩器起动工况流场压力分布Fig.6 Preesure of flow field of the torque converter with narrow stator-3-图 7、图 8 是两个液力变矩器流道速度分布图。对比可以发现，两个液力变矩器流道速度分布规律相同。随着流动的深入，泵轮流道中速度逐渐增加，涡轮流道中逐渐减小，导轮中速度梯度变化较小，最大速度均分布在泵轮出口涡轮进口处。窄圆弧导轮流道中速度分布859095100更为均匀，最高速度值较大，最低速度值较小。图 7 宽导轮液力变矩器起动工况流场速度分布Fig.7 Velicity of flow field of the torque converter with wide stator图 8 窄导轮液力变矩器起动工况流场速度分布Fig.8 Velicity of flow field of the torque converter with narrow stator3.2 最高效率工况流场分析图 9、图 10 是最高效率工况两个液力变矩器的压力分布。与起动工况相比，最高效率工况流场压力分布更为均匀，尤其是涡轮流道；最高压力和真空度均有所下降；涡轮流道工作面和非工作面之间的压差较小。这是因为最高效率工况下涡轮以较高的转速转动，涡轮转速与泵轮转速相差较小。两图相比可以看出，两个液力变矩器压力分布规律一致，窄圆弧导轮液力变矩器的整体压力较大，涡轮、导轮流道中压力分布更为均匀。图 9 宽导轮液力变矩器高效工况流场压力分布Fig.9 Preesure of flow field of the torque converter with wide stator-4-图 10 窄导轮液力变矩器高效工况流场压力分布105110115120Fig.10 Preesure of flow field of the torque converter with narrow stato图 11、图 12 是两个液力变矩器在最高效率工况流场速度分布图。最高效率工况速度值略小于起动工况，这是因为最高效率工况循环流量较小；速度分布更为均匀，尤其是在涡轮流道和导轮流道；涡轮流道中叶片非工作面至工作面之间的流动消失，流动状况得以改善6。对比两图可以发现，速度分布情况一致，窄圆弧导轮液力变矩器的整体速度较高。图 11 宽导轮液力变矩器高效工况流场速度分布Fig.11 Velicity of flow field of the torque converter with wide stator图 12 窄导轮液力变矩器高效工况流场速度分布Fig.12 Velicity of flow field of the torque converter with narrow stator4 液力变矩器性能对比图 13 是两个液力变矩器变矩比对比曲线。从图中可以看出，两个液力变矩器变矩比相差较小，在转速比 0.4 < i < 0.6 及 i = 0.8 时，窄圆弧导轮液力变矩器转矩比较大。起动变矩比相差较小，说明导轮宽度对液力变矩器的起动性能影响较小。-5-125图 13 液力变矩器变矩比对比曲线Fig.13 Comparison of torque ratio图 14 是宽、窄两个液力变矩器夜效率对比曲线。从曲线可以看出，两个液力变矩器效率相差不大。与转矩比变化规律相同，在 0.4 < i < 0.6 及 i = 0.8 工况时，窄圆弧导轮液力变矩器的效率较高。宽圆弧导轮液力变矩器的最高效率约为 84.97%，窄圆弧导轮液力变矩器130的最高效率值约为 85.53%。图 14 液力变矩器效率对比曲线Fig.14 Comparison of efficiency135140145图 15 是两个液力变矩器泵轮容量系数对比曲线。从图中可以看出，窄圆弧导轮液力变矩器的泵轮容量系数整体较低。在不改变发动机的情况下，泵轮容量系数低意味着可以更好地与发动机进行匹配，更好地利用发动机的功率。图 15 液力变矩器泵轮容量系数对比曲线Fig.15 Comparison of torque capacity5 结论通过对比分析，本文得到了一些导轮宽度对液力变矩器内部流场和外部性能的影响规律。（1）窄圆弧导轮液力变矩器流道整体压力较高，速度值也较大，压力和速度分布更为均匀。-6-（2）导轮宽度对液力变矩器起动变矩比的影响较小，窄圆弧导轮液力变矩器的最高效率值较高，泵轮容量系数较小。150155160参考文献 (References)1 M.McGrath, J.Hemphill, G.Bailey. 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