基于三维流场的钣金型液力变矩器现代设计方法与实验研究

摘要

液力变矩器是车辆传动系统中的关键部件之一,其主要作用是通过液体耦合的泵轮和涡轮,实现放大扭矩和在一定范围内实现自动变速的作用。目前钣金型液力变矩器以其结构紧凑、工作性能好,适合大批量生产等优点逐渐取代了传统的铸造型液力变矩器,但是钣金型变矩器存在设计和制造难度较大的问题。本文结合陕西省科学研究基金项目“钣金型液力变矩器性能及关键理论研究”依照变矩器的现代设计理论,对钣金型液力变矩器的三维内流场、轴向力、变形理论与疲劳寿命进行了深入研究。
　　 近年来,随着CFD(Computational Fluid Dynamics)技术走向工业应用阶段,全三维粘性流动分析技术趋于成熟,使得精确求解液力变矩器内部的复杂流动成为可能。本文依托项目合作单位的某工程机械用钣金型液力变矩器为研究对象。首先对结构进行简化,借助UG和Gambit软件,获得各个工作轮流道的网格模型,结合现代流体力学理论,通过仿真软件FLUENT对各个工作轮流道建立了三维不可压粘性流体紊流有限元计算数学模型并进行了三维流场的数值模拟计算；在此基础上应用叶轮转矩方程,提出了外特性计算方法。设计并搭建了一台实验精度高、能够较为准确模拟实际工况的新型实验台,对所研究的钣金型液力变矩器进行外特性实验,实验结果表明了三维内流场数学模型的正确性;在三个典型工况下,通过对内流场的数值模拟结果进行分析研究,得出了钣金型液力变矩器内部三维流场的速度梯度、压力梯度分布规律以及回流、二次流、涡流等异常流动的分布特点,为液力变矩器的设计和改进提供了可靠的理论依据。
　　 在三维流场数值计算的基础上对钣金型液力变矩器的轴向力、变形理论、疲劳寿命进行了研究。采用数学方法,建立了液力变矩器三个叶轮上轴向分力及变形的数学模型；实验对比研究结果表明基于三维流场的轴向力计算模型更接近实际；对钣金型液力变矩器的壳体模型进行简化,在三维流场数值计算的基础上,运用MSC.Patran结合三维流动理论建立了壳体膨胀变形有限元数学模型,提交MSC.Nastran仿真分析软件得到了壳体的应力应变分布云图；通过静压膨胀实验研究得到了变形与油压的关系并验证了有限元模型的正确性:借助MSC.Fatigue有限元疲劳仿真软件,得出了壳体表面的疲劳寿命对数云图；通过压力循环耐久性实验以及启动工况下的耐久性试验研究,试验结果与仿真结果基本相符,表明了膨胀变形以及疲劳寿命仿真结果的正确性,从而可以在设计阶段判断出壳体疲劳寿命的薄弱位置并提出了改进措施。
　　 本文所取得的研究成果对提高钣金型液力变矩器的性能提供了可靠的数值模拟方法和理论依据；同时对提高产品的可靠性和寿命,缩短研发周期,降低研究成本,优化产品质量提供了重要参考。