一种液力变矩器内部流场分离式测试装置

摘要

本发明公开了一种液力变矩器内部流场分离式测试装置，包括驱动模块、泵轮流动模块、龙门型管道流动模块、导轮流动模块、导轮支撑模块、涡轮流动模块和模拟负载模块；所述的驱动模块驱动泵轮流动模块中的泵轮整体旋转，在泵轮叶片的作用下，工作液体经过龙门型管道流动模块流动到达涡轮流动模块，进而带动涡轮流动模块的涡轮旋转，动力输出到模拟负载模块；工作液体由涡轮出口流出经过导轮内外环连接件进入导轮流动模块的导轮的叶片区；然后工作液体再次进入泵轮流动模块，形成封闭循环流道；本发明突破了液力变矩器的自身结构封闭性、紧凑性限制，可以与粒子成像测速技术和激光多普勒测速技术相结合，得到液力变矩器内流场的分布情况。

说明书

技术领域

本发明属于测试装置技术领域，特别涉及一种将液力变矩器泵轮、涡轮和导轮分离布置 以对其内部流场进行测试的装置。

背景技术

液力变矩器是车辆传动系统的关键部件之一，主要作用是使车辆的启动和变速过程变得 平稳。但由于液力传动自身特点，会使整个传动系统的效率降低。为提高其效率，有必要对 其内流场进行细致深入研究。

目前，对液力变矩器内部流场进行测试的方法主要有实验法和数值分析法两种。

数值分析主要利用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,简称CFD)商业软件， 首先进行流道提取、网格划分等前处理，然后导入CFD软件进行迭代计算；

目前实验法中主要是将液力变矩器的壳体用透明的有机玻璃代替传统的金属材料，然后 利用激光多普勒测速(LDV)技术或粒子成像测速技术(PIV)对内部流场进行测试。但是， 已有的透明壳体液力变矩器流场测试装置中，有些情况下，由于导轮处在泵轮和涡轮之间， 很难对导轮附近流场进行测试。同时，涡轮被罩在泵轮上的驱动轮罩住，因此涡轮外壳由两 层有机玻璃，这样，针对这一试件只能进行泵流流场测试，当对其涡轮进行流场测试实验时， 需要把透明壳体拿掉，这样增加了测试的复杂性，且并未突破液力变矩器结构上的限制。

因此，设计一种可以对泵轮、涡轮、导轮三个叶轮附近流场进行测试的装置对于深入了 解液力变矩器内部流动规律和验证数值分析结果可靠性十分必要。

发明内容

针对现有技术中的技术缺陷，本发明提供一种可以对液力变矩器三个工作叶轮进行流场 测试的装置，由于采用的是泵轮、涡轮、导轮分离布置的结构，突破了液力变矩器的自身结 构封闭性、紧凑性限制。该测试装置可以与流场测试中的粒子成像测速技术(PIV)和激光多 普勒测速技术(LDV)相结合，通过调节模拟加载模块的加载情况，可以得到不同工况下的 液力变矩器的内流场的分布情况。

为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：

一种液力变矩器内部流场分离式测试装置，主要包括驱动模块I、泵轮流动模块II、龙门 型管道流动模块III、导轮流动模块Ⅳ、导轮支撑模块Ⅴ、涡轮流动模块Ⅵ和模拟负载模块Ⅶ； 所述的驱动模块Ⅰ驱动泵轮流动模块II中的泵轮3整体旋转，在泵轮3叶片的作用下，工作 液体经过龙门型管道流动模块III流动到达涡轮流动模块Ⅵ，进而带动涡轮流动模块Ⅵ的涡轮 24旋转，动力输出到模拟负载模块Ⅶ；工作液体由涡轮24出口流出经过导轮内外环连接件 进入导轮流动模块Ⅳ的导轮27的叶片区；然后工作液体再次进入泵轮流动模块Ⅱ，形成封闭 循环流道；

其中，导轮支撑模块Ⅳ是浮动的，对导轮27进行浮动支承；

所述的龙门型管道流动模块III的龙门型管道26、导轮内外环连接件以及各个叶轮的壳 体均为透明有机玻璃材料，工作液体的流场具有可视性。

所述的驱动模块Ⅰ由电动机1和电机支承座28组成；电动机1通过电机支承座28固定 在整体支座上；电动机1的输出轴驱动泵轮流动模块II中的泵轮3旋转；

所述的泵轮流动模块Ⅱ包括泵轮3、泵轮密封装置和泵轮导流管道；所述的泵轮密封装 置包括泵轮叶片区出口密封和泵轮叶片区入口密封，出入口处均采用机械密封方式；

其中，泵轮叶片区出口密封包括O型密封圈a4、静环a5、动环a6、弹簧a7和弹簧座a8， 依次嵌套在泵轮叶片外表面，通过弹簧a7的预紧力进行可靠密封；泵轮叶片区入口密封包括 O型密封圈b29、弹簧座b30、动环b31、静环b32和弹簧b，依次嵌套在泵轮连接件C34 内壁上，通过弹簧b的预紧力进行可靠密封；

所述的泵轮导流管道包括泵轮叶片区出口处与龙门型管道流动模块Ⅲ入口转动连接的泵 轮连接件A9，泵轮叶片区入口处与导轮流动模块Ⅳ油液连通的泵轮连接件B33和泵轮连接 件C34；

由于泵轮3是由电动机1直接驱动的，电机转速很高(设定工况)，泵轮壳体直径比较大， 因此，连接处线速度很大，鉴于动静部件连接以及考虑密封性的要求，机械密封是用来解决 旋转泵轮壳体与固定静止龙门型管道的连接密封装置，依次泵轮叶片区出口和入口与龙门型 管道流动模块Ⅲ通过两套综合密封效果较好的机械密封装置连接；与传统的径向接触式密封 相比，机械密封方式存在明显的技术优势：可以实现零泄漏、稳定性好、寿命长、耐振性好； 由于机械密封主要是靠弹簧作用力和流体对密封环的压力保持摩擦副贴合，由于动静件连接 造成的磨损量可以由弹簧自动伸长进行自动补偿，保证在运转过程中，密封副始终接触，也 不必定期进行调整压紧，这是区别于传统软填料密封之处；

所述的龙门型管道流动模块Ⅲ主体结构为龙门型管道26，龙门型管道26的左侧与泵轮 流动模块Ⅱ的泵轮3油液连通，龙门型管道26的右侧与涡轮流动模块Ⅵ的涡轮24油液连通， 连接处均采用机械密封方式；同时龙门型管道流动模块III对泵轮流动模块Ⅱ和涡轮流动模块 Ⅵ进行支撑；

龙门型管道流动模块Ⅲ的两侧端盖均设有O型密封圈c10；

龙门型管道流动模块Ⅲ主要是连接三个工作叶轮的中间环节，由于泵轮3和涡轮24是旋 转叶轮，而龙门型管道26是静止的，所以连接处均采用机械密封方式；

此外，龙门型管道26的上部还布置有进油口44和出油口45；龙门型管道26通过圆柱 销定位，用内六角螺钉固定在整体支座上；

所述的涡轮流动模块Ⅵ包括涡轮24、涡轮密封装置和涡轮导流管道；涡轮密封装置和涡 轮导流管道分别与泵轮流动模块Ⅱ的泵轮密封装置和泵轮导流管道结构相同，涡轮流动模块 Ⅵ与龙门型管道流动模块Ⅲ的连接形式也与泵轮流动模块Ⅱ相同，因此不再赘述；

所述的涡轮24右侧固定连接有传动轴，传动轴右端与模拟负载模块Ⅶ的旋转轮23固定 连接；

所述的导轮流动模块Ⅳ包括导轮27、导轮左外环连接件35、导轮左内环连接件36、导 轮右外环连接件37和导轮右内环连接件38，其中，导轮左外环连接件35和导轮右外环连接 件37构成外环管道，导轮27外边缘固定在外环管道中间内部；导轮左内环连接件36和导轮 右内环连接件38构成内环管道，导轮27的两侧端面分别与导轮左内环连接件36和导轮右内 环连接件38固定连接，因此，导轮27在整个工作过程中是静止的。

所述的导轮支撑模块Ⅴ包括支撑V型块39、V块支撑件40、支撑弹簧41、弹簧支撑螺 母42和导轮支撑座43。所述的弹簧支撑螺母42螺纹连接在导轮支撑座43上部，支撑弹簧 41下端和弹簧支撑螺母42固连，支撑弹簧41上端与V块支撑件40固连，V块支撑件40上 部固定支撑V型块39；V块支撑件40的侧面开有小孔，在导轮支撑座43一侧旋入螺钉进行 限位，防止V块支撑件40上下浮动量过大，这样，支撑V型块39可以上下浮动，通过调节 弹簧支撑螺母42旋入深度进行支撑力大小调节。

所述的模拟负载模块Ⅶ包括带滚花的旋转轮23、对称布置的手动加载装置以及测速系统； 所述的旋转轮23通过传动轴与涡轮24右侧固定连接；

手动加载装置包括手柄13、螺纹杆11、螺纹衬套12、导向块16、加载V型块17和支 撑座14，螺纹衬套12固定在支撑座14的销孔中，螺纹杆11旋入螺纹衬套12，V型块17固 定在螺纹杆11前端；通过旋转手柄13，螺纹杆11旋转前移，在导向块16的导向作用下， 推动加载V型块17前移，对旋转轮23施加载荷；

通过控制手轮13旋转的角度可以对载荷的大小进行调节，主要是实现不同转速比情况 下，液力变矩器内部的流场情况，因此，选用手动加载形式，不必实现精确加载，也无需进 行旋转角度和载荷的标定，当然，考虑加载时两个加载模块的加载力平衡，也可以对手轮旋 转角度进行部分标定。

所述的旋转轮23是带有滚花的圆轮，滚花的目的主要是增大其表面粗糙度，防止旋转轮 在旋转过程中加载力太小造成加载失效；旋转轮23与涡轮24的传动轴采用键连接，进行周 向定位，旋转轮23的轴向定位一端采用轴肩，另一端采用轴套21。为防止涡轮24的传动轴 形成承受较大载荷的悬臂梁，轴端采用支承座进行支承。

所述的测速系统通过光电式传感器测量涡轮24传动轴的转速。

由于要模拟不同工况下的流场速度、压力等分布情况，需要根据不同工况(转速比i)设 置涡轮24的转速值；

可选地，所述的测速系统选用的是光电式转速传感器中的反射式光电传感器，其测量原 理简单，测量方法灵活，可以检测的参数很多，又具有非接触、高精度、高可靠性、高分辨 率、应用范围广等特点。所述的反射式光电传感器主要是由旋转的涡轮输出轴、反光片(或 反光贴纸)、感光部分和转速表示器等组成；将反光片按照一定的精度定位贴在涡轮的输出轴 的轴端，由于本发明的测量系统的精度要求不是特别高，所以只是布置对称布置两个贴片位 置即可。

为避免加载失效给实验者带来不安全因素，将整个模拟负载模块Ⅶ布置在安全玻璃罩之 内。

本发明与激光多普勒测速(LDV)系统、粒子成像测速技术(PIV)系统组成总测试系 统，通过调节负载模块，可以模拟不同速比工况条件，对液力变矩器内部流场进行测试。

本发明的有益效果在于：

本发明突破了液力变矩器自身结构封闭性限制，与PIV测速系统结合，对液力变矩器三 个叶轮的流场进行测试，为了解液力变矩器内部流动机理和提高液力变矩器的设计水平提供 新的思路；开创性地提出采取三个叶轮(泵轮、涡轮、导轮)分离布置，对其内流场进行测 试，采用机械密封技术降低了动静部件连接磨损量，保证了密封性要求。龙门型管道、导轮 内外环连接件以及各个叶轮的壳体均为透明有机玻璃材料，所以本实现了泵轮、涡轮、导轮 流场的可视化。

附图说明:

图1为本发明的整体结构示意图

图2为本发明的剖视图

图3为本发明泵轮叶片区出口机械密封连接示意图

图4为本发明泵轮叶片区入口机械密封连接示意图

图5为本发明导轮支撑模块组成结构示意图

图6为本发明导轮流动模块组成结构示意图

图中：

Ⅰ、驱动模块；Ⅱ、泵轮流动模块；Ⅲ、龙门型管道流动模块；Ⅳ、导轮流动模块； Ⅴ、导轮支撑模块；Ⅵ、涡轮流动模块；Ⅶ、模拟负载模块；

1、电动机；2、内六角螺钉；3、泵轮；4、O型密封圈a；5、静环a；6、动环 a；7、弹簧a；8、弹簧座a；9、泵轮连接件A；10、O型密封圈c；11、螺纹杆；12、 螺纹衬套；13、手柄；14、支撑座；15、圆柱销；16、导向块；17、加载V型块；18、 弹性挡圈；19、涡轮输出轴；20、滚动球轴承；21、轴套；22、输出轴支撑座；23、 旋转轮；24、涡轮；25、密封装置支撑座；26、龙门型管道；27、导轮；28、电机 支撑座；29、O型密封圈b；30、弹簧座b；31、动环b；32、静环b；33、泵轮连接件 B；34、泵轮连接件C；35、导轮左外环连接件；36、导轮左内环连接件；37、导轮右外 环连接件；38、导轮右内环连接件；39、支撑V型块；40、V块支撑件；41、支撑弹簧； 42、弹簧支撑螺母；43、导轮支撑座；44、进油口；45、出油口

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

结合图1和图2所示的本发明的整体结构示意图，可见本发明的一种液力变矩器内部流 场分离式测试装置，主要包括驱动模块I、泵轮流动模块II、龙门型管道流动模块III、导轮 流动模块Ⅳ、导轮支撑模块Ⅴ、涡轮流动模块Ⅵ和模拟负载模块Ⅶ；所述的驱动模块Ⅰ驱动 泵轮流动模块II中的泵轮3整体旋转，在泵轮3叶片的作用下，工作液体经过龙门型管道流 动模块III流动到达涡轮流动模块Ⅵ，进而带动涡轮流动模块Ⅵ的涡轮24旋转，动力输出到 模拟负载模块Ⅶ；工作液体由涡轮24出口流出经过导轮内外环连接件进入导轮流动模块Ⅳ的 导轮27的叶片区；然后工作液体再次进入泵轮流动模块Ⅱ，形成封闭循环流道；

其中，导轮支撑模块Ⅳ是浮动的，对导轮27进行浮动支承；

所述的龙门型管道流动模块III的龙门型管道26、导轮内外环连接件以及各个叶轮的壳 体均为透明有机玻璃材料，工作液体的流场具有可视性。

所述的驱动模块Ⅰ由电动机1和电机支承座28组成；电动机1通过电机支承座28固定 在整体支座上；电动机1的输出轴驱动泵轮流动模块II中的泵轮3旋转；

所述的泵轮流动模块Ⅱ包括泵轮3、泵轮密封装置和泵轮导流管道；所述的泵轮密封装 置包括泵轮叶片区出口密封和泵轮叶片区入口密封，出入口处均采用机械密封方式；

图3为本发明泵轮叶片区出口机械密封连接示意图，可见所述的泵轮叶片区出口密封包 括O型密封圈a4、静环a5、动环a6、弹簧a7和弹簧座a8，依次嵌套在泵轮叶片外表面，通 过弹簧a7的预紧力进行可靠密封；图4为本发明泵轮叶片区入口机械密封连接示意图，可见 所述的泵轮叶片区入口密封包括O型密封圈b29、弹簧座b30、动环b31、静环b32和弹簧 b，依次嵌套在泵轮连接件C34内壁上，通过弹簧b的预紧力进行可靠密封；

所述的泵轮导流管道包括泵轮叶片区出口处与龙门型管道流动模块Ⅲ入口转动连接的泵 轮连接件A9，泵轮叶片区入口处与导轮流动模块Ⅳ油液连通的泵轮连接件B33和泵轮连接 件C34；

由于泵轮3是由电动机1直接驱动的，电机转速很高(设定工况)，泵轮壳体直径比较大， 因此，连接处线速度很大，鉴于动静部件连接以及考虑密封性的要求，机械密封是用来解决 旋转泵轮壳体与固定静止龙门型管道的连接密封装置，依次泵轮叶片区出口和入口与龙门型 管道流动模块Ⅲ通过两套综合密封效果较好的机械密封装置连接；与传统的径向接触式密封 相比，机械密封方式存在明显的技术优势：可以实现零泄漏、稳定性好、寿命长、耐振性好； 由于机械密封主要是靠弹簧作用力和流体对密封环的压力保持摩擦副贴合，由于动静件连接 造成的磨损量可以由弹簧自动伸长进行自动补偿，保证在运转过程中，密封副始终接触，也 不必定期进行调整压紧，这是区别于传统软填料密封之处；

所述的龙门型管道流动模块Ⅲ主体结构为龙门型管道26，龙门型管道26的左侧与泵轮 流动模块Ⅱ的泵轮3油液连通，龙门型管道26的右侧与涡轮流动模块Ⅵ的涡轮24油液连通， 连接处均采用机械密封方式；同时龙门型管道流动模块III对泵轮流动模块Ⅱ和涡轮流动模块 Ⅵ进行支撑；

龙门型管道流动模块Ⅲ的两侧端盖均设有O型密封圈c10；

龙门型管道流动模块Ⅲ主要是连接三个工作叶轮的中间环节，由于泵轮3和涡轮24是旋 转叶轮，而龙门型管道26是静止的，所以连接处均采用机械密封方式；

此外，龙门型管道26的上部还布置有进油口44和出油口45；龙门型管道26通过圆柱 销定位，用内六角螺钉固定在整体支座上；

所述的涡轮流动模块Ⅵ包括涡轮24、涡轮密封装置和涡轮导流管道；涡轮密封装置和涡 轮导流管道分别与泵轮流动模块Ⅱ的泵轮密封装置和泵轮导流管道结构相同，涡轮流动模块 Ⅵ与龙门型管道流动模块Ⅲ的连接形式也与泵轮流动模块Ⅱ相同，因此不再赘述；

所述的涡轮24右侧固定连接有传动轴，传动轴右端与模拟负载模块Ⅶ的旋转轮23固定 连接；

图6为本发明导轮流动模块组成结构示意图，结合图2，可见所述的导轮流动模块Ⅳ包 括导轮27、导轮左外环连接件35、导轮左内环连接件36、导轮右外环连接件37和导轮右内 环连接件38，其中，导轮左外环连接件35和导轮右外环连接件37构成外环管道，导轮27 外边缘固定在外环管道中间内部；导轮左内环连接件36和导轮右内环连接件38构成内环管 道，导轮27的两侧端面分别与导轮左内环连接件36和导轮右内环连接件38固定连接，因此， 导轮27在整个工作过程中是静止的。

图5为本发明导轮支撑模块组成结构示意图，可见所述的导轮支撑模块Ⅴ包括支撑V型 块39、V块支撑件40、支撑弹簧41、弹簧支撑螺母42和导轮支撑座43。所述的弹簧支撑螺 母42螺纹连接在导轮支撑座43上部，支撑弹簧41下端和弹簧支撑螺母42固连，支撑弹簧 41上端与V块支撑件40固连，V块支撑件40上部固定支撑V型块39；V块支撑件40的侧 面开有小孔，在导轮支撑座43一侧旋入螺钉进行限位，防止V块支撑件40上下浮动量过大， 这样，支撑V型块39可以上下浮动，通过调节弹簧支撑螺母42旋入深度进行支撑力大小调 节。

所述的模拟负载模块Ⅶ包括带滚花的旋转轮23、对称布置的手动加载装置以及测速系统； 所述的旋转轮23通过传动轴与涡轮24右侧固定连接；

手动加载装置包括手柄13、螺纹杆11、螺纹衬套12、导向块16、加载V型块17和支 撑座14，螺纹衬套12固定在支撑座14的销孔中，螺纹杆11旋入螺纹衬套12，V型块17固 定在螺纹杆11前端；通过旋转手柄13，螺纹杆11旋转前移，在导向块16的导向作用下， 推动加载V型块17前移，对旋转轮23施加载荷；

通过控制手轮13旋转的角度可以对载荷的大小进行调节，主要是实现不同转速比情况 下，液力变矩器内部的流场情况，因此，选用手动加载形式，不必实现精确加载，也无需进 行旋转角度和载荷的标定，当然，考虑加载时两个加载模块的加载力平衡，也可以对手轮旋 转角度进行部分标定。

所述的旋转轮23是带有滚花的圆轮，滚花的目的主要是增大其表面粗糙度，防止旋转轮 在旋转过程中加载力太小造成加载失效；旋转轮23与涡轮24的传动轴采用键连接，进行周 向定位，旋转轮23的轴向定位一端采用轴肩，另一端采用轴套21。为防止涡轮24的传动轴 形成承受较大载荷的悬臂梁，轴端采用支承座进行支承。

所述的测速系统通过光电式传感器测量涡轮24传动轴的转速。

由于要模拟不同工况下的流场速度、压力等分布情况，需要根据不同工况(转速比i)设 置涡轮24的转速值；

本实施例中所述的光电式转速传感器为反射式光电传感器，其测量原理简单，测量方法 灵活，可以检测的参数很多，又具有非接触、高精度、高可靠性、高分辨率、应用范围广等 特点。所述的反射式光电传感器主要是由旋转的涡轮输出轴、反光片(或反光贴纸)、感光部 分和转速表示器等组成；将反光片按照一定的精度定位贴在涡轮的输出轴的轴端，由于本发 明的测量系统的精度要求不是特别高，所以只是布置对称布置两个贴片位置即可。

为避免加载失效给实验者带来不安全因素，将整个模拟负载模块Ⅶ布置在安全玻璃罩之 内。

本发明与激光多普勒测速(LDV)系统、粒子成像测速技术(PIV)系统组成总测试系 统，通过调节负载模块，可以模拟不同速比工况条件，对液力变矩器内部流场进行测试。

上述模块原理介绍仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变 化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护 范围之外。