高功率密度液力變矩器設(shè)計(jì)研究

劉 城，閆清東，魏 巍

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100081)

液力變矩器廣泛應(yīng)用于軍用車輛、汽車、工程機(jī)械等領(lǐng)域，是液力機(jī)械傳動(dòng)裝置的關(guān)鍵元件之一，其性能的好壞直接影響整機(jī)性能的發(fā)揮.論文祥述了液力變矩器三維流動(dòng)設(shè)計(jì)架構(gòu)、精細(xì)化設(shè)計(jì)流程,基于兩相流動(dòng)的性能精確預(yù)測(cè)、與發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)匹配方法及評(píng)價(jià)體系，介紹了研制的系列化高效高功率密度液力變矩器及其型譜.

1 高功率密度液力變矩器設(shè)計(jì)

1.1 葉柵系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)方法

構(gòu)建了基于三維流動(dòng)方法的液力元件多學(xué)科集成優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了液力元件葉柵的三維設(shè)計(jì)及優(yōu)化，該平臺(tái)主要針對(duì)鑄造型液力元件.首先建立液力元件葉柵系統(tǒng)參數(shù)化模型，包括循環(huán)圓參數(shù)化模型及葉片參數(shù)化模型，然后利用三維流場(chǎng)仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)液力元件性能指標(biāo)的精確預(yù)測(cè)，利用流固耦合仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo)的精確計(jì)算，最后結(jié)合響應(yīng)面方法、智能多目標(biāo)優(yōu)化方法，在給定結(jié)構(gòu)約束條件下對(duì)液力元件葉柵系統(tǒng)進(jìn)行液力性能優(yōu)化設(shè)計(jì)[1-2]，見圖1.

液力變矩器低流動(dòng)損失葉柵系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖2所示.利用單流道穩(wěn)態(tài)計(jì)算與智能優(yōu)化算法相結(jié)合的方法，針對(duì)給定技術(shù)指標(biāo)建立對(duì)應(yīng)的優(yōu)化模型，進(jìn)行葉柵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得滿足約束要求的優(yōu)化解.隨后利用含泄漏區(qū)的高精度全三維流道瞬態(tài)計(jì)算對(duì)液力變矩器進(jìn)行精確流場(chǎng)預(yù)測(cè)，并對(duì)流場(chǎng)結(jié)果進(jìn)行渦漩識(shí)別，確定關(guān)鍵工況下能量損失形式及位置，并依此提出局部流道參數(shù)化模型，針對(duì)高能量損失部位進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到降低葉柵系統(tǒng)能量損失，提高液力傳動(dòng)元件效率的目的，同時(shí)利用含泄漏區(qū)模型仿真進(jìn)行液力變矩器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，以形成葉輪間隙、葉輪結(jié)構(gòu)的最優(yōu)配置，以降低容積損失，進(jìn)一步達(dá)到提升效率的目的[3-4].

圖1 液力變矩器三維流動(dòng)設(shè)計(jì)方法流程圖

圖2 低流動(dòng)損失葉柵精細(xì)設(shè)計(jì)流程

1.2 高功率密度液力變矩器兩相流動(dòng)精確預(yù)測(cè)

高功率密度液力變矩器在運(yùn)行過程中，其內(nèi)部流動(dòng)速度高、局部壓力低，導(dǎo)致油液易析出空氣甚至發(fā)生相變，產(chǎn)生空化現(xiàn)象.高功率密度液力變矩器的空化會(huì)導(dǎo)致液力性能惡化、形成振動(dòng)噪音甚至機(jī)械失效，嚴(yán)重影響了液力變矩器性能和可靠性.提出了考慮氣-液相間轉(zhuǎn)換的液力變矩器兩相瞬態(tài)流動(dòng)狀態(tài)預(yù)測(cè)模型，在全流道模型上對(duì)液力變矩器不同工況、不同補(bǔ)償油條件、不同油液屬性下的液力特性進(jìn)行預(yù)測(cè)，并通過宏觀液力特性試驗(yàn)和微觀流場(chǎng)測(cè)試對(duì)模型進(jìn)行標(biāo)定，從而精確預(yù)測(cè)了高功率密度液力變矩器空化初生條件、空化工況及特性，為后續(xù)功率密度的進(jìn)一步提升及空化的抑制提供了數(shù)據(jù)和理論支撐[5-8],見圖3.

圖3 液力變矩器內(nèi)空化兩相流動(dòng)特性

1.3 液力傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)匹配與評(píng)估技術(shù)

液力傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配對(duì)其總體性能有著至關(guān)重要的作用，合理的匹配才能使發(fā)動(dòng)機(jī)性能得到有效發(fā)揮，使動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)工作在經(jīng)濟(jì)區(qū)，從而在節(jié)能的條件下滿足整車動(dòng)力及機(jī)動(dòng)性能需求.車輛在實(shí)際運(yùn)行過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)大部分工況下并不處于全油門狀態(tài)，且傳動(dòng)系統(tǒng)往往處于加減速、升降擋、制動(dòng)、作業(yè)等動(dòng)態(tài)工況下工作，針對(duì)穩(wěn)態(tài)匹配無法反映實(shí)車動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)工作狀態(tài)的問題，提出了液力傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)匹配方法，實(shí)現(xiàn)液力傳動(dòng)系統(tǒng)在不同油門、不同負(fù)載、不同加減速下的動(dòng)態(tài)匹配.采用基于有限試驗(yàn)數(shù)據(jù)的組合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性的預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)在給定有限動(dòng)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)下，發(fā)動(dòng)機(jī)不同油門、不同轉(zhuǎn)速及不同加減速情況下動(dòng)態(tài)特性的精確預(yù)測(cè)，采用單流道CFD計(jì)算進(jìn)行液力變矩器動(dòng)態(tài)特性的快速計(jì)算，在此基礎(chǔ)上建立發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器動(dòng)態(tài)匹配方程組，實(shí)現(xiàn)在給定油門變化規(guī)律及負(fù)載譜情況下的動(dòng)態(tài)匹配，獲得實(shí)車動(dòng)態(tài)運(yùn)行情況下動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)全域匹配[9]，見圖4.

圖4 液力傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)匹配框圖

2 系列高功率密度液力變矩器

針對(duì)高功率密度、高可靠性要求，利用構(gòu)建的高功率密度液力變矩器三維流動(dòng)設(shè)計(jì)和分析方法，研制了系列高功率密度液力變矩器產(chǎn)品，功率范圍覆蓋150～1 100 kW，該系列液力變矩器已被廣泛應(yīng)用于坦克裝甲車輛、特種車輛、工程機(jī)械等液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中，提高了整機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、機(jī)動(dòng)性和可靠性，圖5為系列化液力變矩器型譜示意圖.

圖5 系列化大功率液力變矩器型譜示意圖

3 結(jié) 論

構(gòu)建的基于CFD的液力變矩器現(xiàn)代設(shè)計(jì)、分析及仿真方法，提高了液力變矩器的設(shè)計(jì)水平和質(zhì)量；研制的系列化高功率密度高效率液力變矩器產(chǎn)品，在軍用車輛、工程機(jī)械等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，提高了整機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、機(jī)動(dòng)性和可靠性.