液力变矩器的数学模型、新型设计方法及内部流场研究

摘要

液力变矩器广泛用于汽车、工程机械、军用车辆的主传动上，大大改善了车辆的牵引性能。然而液力变矩器的一个明显缺点是效率不够高,影响车辆的燃料经济性。由于液力变矩器流场异常的复杂性，仍有许多问题没有搞清楚，因此，深入开展液力变矩器的设计理论和设计方法研究具有重要意义。
　　 本文对三元件向心涡轮液力变矩器的数学模型、设计方法、建模技术和内部流场开展了研究。在广泛搜集和研读国内外大量文献的基础上，采用了数学建模、公式推导、编程计算、图形绘制、数值模拟和实测试验等多种手段进行了研究。为了对液体在液力变矩器内部流动进行解析描述，提出了一种新的三维坐标系—广义环坐标系。将流体质点复杂的运动分解成轴面运动和环面运动，导出了轴面流线通用方程。根据叶片倾角和工作轮速度三角形关系，并利用正交曲线坐标建立了环面流动微分方程式。通过对微分方程进行积分，得到了环面流线方程。
　　 本研究探讨了流线弯曲惯性力对能量损失的影响。理论推导结果说明在工作轮包角一定的情况下，流线弯曲惯性力对路径的累积效应为常数，而造成这种损失的主要因素是流线弯曲的最大惯性力。在理论上论证了圆形循环圆的合理性，并用流线弯曲惯性力理论比较合理地解释了Ejiri E和Kubo M的试验结果—汽车液力变矩器循环圆的扁平度超过0.2时会造成整体性能恶化。在三元件向心涡轮液力变矩器的设计方法研究方面，提出了三种新的设计方法，即环面流线设计法、双圆弧设计法和平面流线设计法。给出了流线型的叶片厚度解析函数，得到了叶型骨线方程、叶片表面方程和三维流线方程。为了对流场进行模拟，提出了自动建模技术。针对液力变矩器流道的特点，尝试了旋转5面单元体，旋转8面凸单元体和旋转6面单元体，摸索到了它们各自的特点。
　　 在流场计算中，利用旋转8面凸单元体建立了泵轮和导轮的模型，利用实体剖切法建立了涡轮的模型，并成功地导入Gambit，利用fluent软件进行了流场模拟，得到了流场的速度分布和压力分布。为了验证平面流线设计法的思想，对平面流线法设计的涡轮进行了试验，分析了试验结果。总之，本文的研究成果解决了液力变矩器流动难以描述的难题，从而建立了一种新的解析研究与设计体系，不仅深化了液力变矩器研究理论，还更新了液力变矩器的设计方法，并可淘汰沿用了几十年的繁杂的设计方法—投影于单柱面和多柱面的保角变换法，具有工程应用价值。此外，本文建立的各种公式更加便于编制程序进行计算机辅助设计，为液力变矩器设计软件的研发打下了良好的基础。