汽車用液力變矩器設(shè)計及性能仿真

1、湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 題 目： 汽車用液力變矩器設(shè)計及性能仿真 全套圖紙，加學(xué) 院： 興湘學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 學(xué) 號： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 2014年5月25日 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書論文（設(shè)計）題目 汽車用液力變矩器設(shè)計及性能仿真 學(xué) 號 姓名 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 指導(dǎo)教師 主 任 一、主要內(nèi)容及關(guān)鍵步驟1、主要內(nèi)容： 本文的研究是以汽車用液力變矩器為研究對象，基于三維流場理論，借助于UG、GAMBIT、FLUENT等軟件，對液力變矩器的內(nèi)流場進(jìn)行了仿真計算。本課題研究的目的和意義就在于，解決液力變矩器的傳動效率和設(shè)計精

2、度低的問題，改變研制周期長，一次成功率低的局面，進(jìn)一步改善液力變矩器的性能和設(shè)計制造水平。 2、關(guān)鍵步驟： (1)首先了解了課題研究的背景，液力變矩器在國內(nèi)外的應(yīng)用情況和流場理論的發(fā)展現(xiàn)狀；然后了解液力變矩器的組成以及工作原理。（2）用建模的方法借助三維光學(xué)測量儀測繪流道，然后用反求法在UG三維軟件中建立出液力變矩器的三維模型。(3)了解計算流體力學(xué)的基本理論。首先控制方程包括連續(xù)性方程和動量守恒方程，由于本課題研究的是不可壓縮流體，熱交換量可以忽略不計，敵不考慮能量守恒方程，然后介紹了將控制方程離散化的方法；接著學(xué)習(xí)了有限體積法的基本原理，常用的離散格式：分析了網(wǎng)格的生成技術(shù)，分別對結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

3、、非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格以及混合網(wǎng)格作了闡述；最后介紹了常用的湍流模型，湍流流動的近壁處理方法和流場數(shù)值計算的算法。(4)了解常用的一些CFD軟件，并選擇FLUENT對本課題進(jìn)行研究；為了能夠順利地得到收斂解，提出了研究液力變矩器流場的一些假設(shè)，并對流場進(jìn)行了一定的簡化；然后通過CAD軟件UG建立葉輪流道的幾何模型，并使用GAMBIT生成計算網(wǎng)格，為了提高計算精度，使用六面體網(wǎng)格；選擇分離求解器隱式格式進(jìn)行求解，使用絕對速度方程，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k一模型，同時使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)；離散格式采用二階迎風(fēng)格式(這樣可以提高解算精度)，壓力一速度耦合選用SIMPLE算法，入口邊界條件使用壓力入口，出口邊界條件使用壓

4、力出口，其余壁面使用非滑移壁面邊界條件；在葉輪之間的交互面上使用混合平面模型。(5)對計算結(jié)果進(jìn)行了分析，并與實驗結(jié)果進(jìn)行了比較，二者基本吻合證明了三維流場分析的正確性。最后對研究過程中存在的問題進(jìn)行了分析。 二、 重點研究的問題（1）利用硅橡膠做出流道模型，用三維光學(xué)測量儀進(jìn)行測繪，在UG中創(chuàng)建出液力變矩器和流道的三維模型。 （2）借助CFD軟件，在Gambit中對流道劃分網(wǎng)格，然后在Fluent中進(jìn)行仿真，分析流道的速度、壓力等。 三、 進(jìn)度安排各階段完成的內(nèi)容起止時間1查閱資料、調(diào)研第1-4周2開題報告、制訂設(shè)計方案第4周3實驗（設(shè)計）第5-7周4分析、調(diào)試等第8周5寫出初稿第9-11周

5、6修改，寫出第二稿第12周7寫出正式稿第13周8答辯第14周四、 應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)1朱紅鈞，林元華.FLUENT流體分析及仿真.人民郵電出版社：2010. 2李進(jìn)良.李承曦.胡仁喜FLUENT6.3流場分析.化學(xué)工業(yè)出版社：2009. 3楊維俊.馬驥.自動變速器結(jié)構(gòu)原理及典型故障案例.機(jī)械工業(yè)出版社：2011. 4王正旭.汽車自動變速器原理與檢修一體化教程.機(jī)械工業(yè)出版社：2009. 5胡仁喜.pro/e4.0曲面造型從入門到精通.機(jī)械工業(yè)出版社：2009. 6馬文星. 國外車輛液力傳動研究現(xiàn)狀及其展望.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報；1996 7朱經(jīng)昌液力變矩器的設(shè)計計算同濟(jì)大學(xué)學(xué)報；1991 8曹

6、金海.馬文星液力變矩器流暢計算的有限元發(fā)同濟(jì)大學(xué)學(xué)報；1993. 9方杰液力變矩器三維流動的研究同濟(jì)大學(xué)學(xué)報；2003 10陸忠東基于pro/e Wildfire的液力變矩器反求計算上海機(jī)電學(xué)院學(xué)報；2007 11趙鼎選.石祥鐘.尚濤液力變矩器三維流動計算方法吉林大學(xué)學(xué)報；2006 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計）鑒定意見學(xué) 號 姓名 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 51 頁 圖表 1 張論文（設(shè)計）題目：汽車用液力變矩器設(shè)計及性能仿真內(nèi)容提要:首先了解課題的研究背景，了解液力變矩器的國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，通過查閱資料了解液力變矩器的結(jié)構(gòu)和工作原理，用建模的方法和反求發(fā)借助

7、三維光學(xué)測量儀和UG等三維軟件做出液力變矩器的三維模型和流道模型，了解流體力學(xué)的基本原理和各種方程，如連續(xù)方程、動能守恒方程，了解有限體積法原理。為了方便研究，對液壓油做了不可壓縮等方面的假設(shè)，然后學(xué)習(xí)一些常用的CFD軟件，這里選用Fluent作為研究軟件，利用UG中液力變矩器的流道模型，導(dǎo)入Gambit中，為了提高精度，選用六面體作為基本單元，生成網(wǎng)格。然后將網(wǎng)格導(dǎo)Fluent之中，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-模型，同時選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，離散格式選用二階迎風(fēng)格式，可以提高計算精度，壓力-速度耦合選用SIMPLE算法，然后設(shè)置入口、出口和邊界條件，然后仿真計算，得出液力變矩器流道的壓力、速度云圖，入出

8、口面和整體的速度矢量圖，進(jìn)行分析。指導(dǎo)教師評語該同學(xué)對待畢業(yè)設(shè)計任務(wù)態(tài)度端正，能夠較好查閱資料，并思考解決問題的方法，主動和老師探討，具備綜合運用知識去確定設(shè)計方案。所研究的基于CFD軟件對液力變矩器的性能仿真，仿真方法及結(jié)果得當(dāng)。所繪制圖紙基本達(dá)到工程圖的要求，所完成的畢業(yè)設(shè)計說明書條理清楚文字基本流暢。整個畢業(yè)設(shè)計工作量達(dá)到要求，完成質(zhì)量較好。同意其參加答辯，建議成績評定為： 指導(dǎo)教師： 年 月 日答辯簡要情況及評語根據(jù)答辯情況，答辯小組同意其成績評定為： 答辯小組組長： 年 月 日答辯委員會意見經(jīng)答辯委員會討論，同意該畢業(yè)論文（設(shè)計）成績評定為： 答辯委員會主任： 年 月 日湘 潭 大

9、學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計）評閱表學(xué)號 姓名 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設(shè)計）題目： 汽車用液力變矩器設(shè)計及其性能仿真 評價項目評 價 內(nèi) 容選題1.是否符合培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點和教學(xué)計劃的基本要求，達(dá)到綜合訓(xùn)練的目的；2.難度、份量是否適當(dāng)；3.是否與生產(chǎn)、科研、社會等實際相結(jié)合。能力1.是否有查閱文獻(xiàn)、綜合歸納資料的能力；2.是否有綜合運用知識的能力；3.是否具備研究方案的設(shè)計能力、研究方法和手段的運用能力；4.是否具備一定的外文與計算機(jī)應(yīng)用能力；5.工科是否有經(jīng)濟(jì)分析能力。論文（設(shè)計）質(zhì)量1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴(yán)謹(jǐn)合理；實驗是否正確，設(shè)計、計算、分析處理是否

10、科學(xué)；技術(shù)用語是否準(zhǔn)確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；2.文字是否通順，有無觀點提煉，綜合概括能力如何；3.有無理論價值或?qū)嶋H應(yīng)用價值，有無創(chuàng)新之處。綜合評 價該同學(xué)所完成的基于CFD軟件對液力變矩器的能能仿真方法正確，結(jié)果也比較合理。畢業(yè)設(shè)計說明書的論述基本合理，參數(shù)選擇正確，格式符合要求。所繪制的裝配圖基本達(dá)到工程圖的要求。該同學(xué)具備了一定的專業(yè)理論的綜合運用能力，正確制定設(shè)計方案和解決問題的能力，工程能力，設(shè)計能力，計算機(jī)制圖，及外語能力。整個畢業(yè)設(shè)計工作體現(xiàn)了學(xué)科教學(xué)計劃的基本要求，所完成的工作達(dá)到了本科畢業(yè)設(shè)計要求，可參與答辯。評閱人： 年 月 日摘 要本

11、文的研究是以汽車用液力變矩器為研究對象，基于三維流場理論，借助于UG、GAMBIT、FLUENT等軟件，對液力變矩器的內(nèi)流場進(jìn)行了仿真計算。本課題研究的目的和意義就在于，通過CFD軟件的模擬仿真，對液力變矩器的流道的壓力和速度進(jìn)行有效分析計算。本文主要有以下內(nèi)容：(1)首先介紹了課題研究的背景，液力變矩器在國內(nèi)外的應(yīng)用情況和流場理論的發(fā)展現(xiàn)狀，指出了液力變矩器設(shè)計計算的發(fā)展方向是三維流場理論；然后對液力變矩器的組成以及工作原理進(jìn)行了闡述，并指出了主要研究內(nèi)容。(2)闡述了計算流體力學(xué)的基本理論。首先列出了控制方程包括連續(xù)性方程和動量守恒方程，由于本課題研究的是不可壓縮流體，熱交換量可以忽略不計

12、，敵不考慮能量守恒方程，然后介紹了將控制方程離散化的方法；接著詳細(xì)介紹了有限體積法的基本原理，常用的離散格式：分析了網(wǎng)格的生成技術(shù)，分別對結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格以及混合網(wǎng)格作了闡述；最后介紹了常用的湍流模型，湍流流動的近壁處理方法和流場數(shù)值計算的算法。介紹了反求發(fā)測繪液力變矩器。(3)介紹了常用的一些CFD軟件，并選擇FLUENT對本課題進(jìn)行研究；為了能夠順利地得到收斂解，提出了研究液力變矩器流場的一些假設(shè)，并對流場進(jìn)行了一定的簡化；然后通過CAD軟件UG建立葉輪流道的幾何模型，并使用GAMBIT生成計算網(wǎng)格，為了提高計算精度，使用六面體網(wǎng)格；選擇分離求解器隱式格式進(jìn)行求解，使用絕對速度方程，湍

13、流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k一模型，同時使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)；離散格式采用二階迎風(fēng)格式(這樣可以提高解算精度)，壓力一速度耦合選用SIMPLE算法，入口邊界條件使用壓力入口，出口邊界條件使用壓力出口，其余壁面使用非滑移壁面邊界條件；在葉輪之間的交互面上使用混合平面模型。(4)對計算結(jié)果進(jìn)行了分析，并與實驗結(jié)果進(jìn)行了比較，二者基本吻合證明了三維流場分析的正確性。最后對研究過程中存在的問題進(jìn)行了分析。(5)對全文進(jìn)行了總結(jié)。關(guān)鍵詞：液力變矩器、內(nèi)流場、FLUENTABASTRACT The research is a part of national fund project of key laboratory

14、of the vehicle transmission. The internal flow field of the car model torque converter was numerically simulated by UCH GAMBIT and FLUENT, based on 3-D flow field theory. To do the research in order to solve the problem that hydraulic transmission efficiency and the precision of designs were low and

15、 change a situation of long R&D period and low success rate, and further improve the performance of the torque converter and designing and manufacturing level. The following is the main contents: (1)Firstly, the background of subject research and the application of the torque converter in the world

16、and the current situation of the development of the field flow theory was introduced, and 3-D field flow theory will be used in design calculation on torque converter in the future; Then composition and operation principle of the converter were explained and the main contents of research was introdu

17、ced. (2 )Basic theories of CFD was introduced. The governing equation, including mass conservation equation and momentum conservation equation, was listed. Because the basic of research was the incompressible fluid and the hot could be ignored, so the energy conservation equation was not considered;

18、 Then introduced the basic principle of the limited volume method in detail, discrete scheme, the creation technology of the grid and turbulent model and introduced the method of near wall treatment methods and the algorithm of calculating field flows. (3)carry on simplify Introduced some CFD softwa

19、re and research; For getting result smoothly, to choose FLUENT to were taken; To set up the geometric model by assumptions and FLUENT and to create the grid by GAMBIT. And in order to improve the precision of calculating, to use the grid of hexahedron; To choose separated solver and the implicit sch

20、eme model, the turbulent model was the standard k-:model and the standard wall function was used at the same time; The boundary condition of the entry was the pressure inlet and that of the exit is the pressure outlet and other wall used non- slip wall; Mixing plane model was used in mutual faces be

21、tween impellers. (4 ) The results of calculation was analyzed and was compared with those of experiment, and maximum error was less than 5%, which proved that three dimensional calculation was correct. Finally some questions in research was analyzed. (5)Summary finally.Key words: the torque converte

22、r, internal flow field，F(xiàn)LUENT目 錄第第1章 緒 論111研究背景1111液力變矩器在國內(nèi)外的應(yīng)用1112流場理論的發(fā)展現(xiàn)狀212液力變矩器的組成及工作原理4121液力變矩器的組成4122液力變矩器的工作原理513研究目的和意義以及主要研究內(nèi)容7131研究目的和意義7132主要研究內(nèi)容7第2章 液力變矩器的測繪和反求82. 1測繪過程82. 2三維光學(xué)測量儀編程92. 3數(shù)據(jù)處理和反求12第3章 液力變矩器內(nèi)流場數(shù)值分析1431常用的CFD軟件介紹143.2建立流場計算的幾何模型1532. 1分析中的假設(shè)和簡化15322幾何模型1633生成計算網(wǎng)格17331 GAM

23、BIT簡介173. 32劃分網(wǎng)格1834設(shè)置求解器1934. 1求解器的選擇19342控制方程的線性化21343參考壓力的選擇2135選擇湍流模型223.6定義流體的物理性質(zhì)233.7設(shè)置邊界條件和初始條件24371入口邊界條件24372出口邊界條件24373壁面邊界條件25374初始條件2538收斂準(zhǔn)則2639本章小結(jié)26第4章 液力變矩器內(nèi)流場計算結(jié)果分析2741泵輪流場分析27411泵輪入口流場29512泵輪出口面流場2942渦輪流場分析30421渦輪入口流場32422渦輪出口流場324. 3導(dǎo)輪流場分析33431導(dǎo)輪入口流場35432導(dǎo)輪出口流場3544本章小結(jié)36第5章 全文總結(jié)37

24、參 考 文 獻(xiàn)39致 謝40附 錄41第1章 緒 論11研究背景111液力變矩器在國內(nèi)外的應(yīng)用液力變矩器是車輛傳動系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一，其主要作用是由發(fā)動機(jī)向傳動系統(tǒng)平穩(wěn)地傳遞動力。裝有液力變矩器的動力傳動系統(tǒng)可以保證車輛平穩(wěn)地起步、變速。目前液力變矩器被廣泛地應(yīng)用于鐵道車輛、工程機(jī)械、航空航天、能源動力以及化工機(jī)械等行業(yè)，而汽車行業(yè)更是液力變矩器的最大用戶。國外己普遍將液力傳動運用于轎車、公共汽車、豪華型大客車、重型汽車、牽引車及軍用車輛等。以美國為例，自20世紀(jì)70年代以來，每年在轎車上液力變矩器的裝配率達(dá)到90以上，而在城區(qū)公汽上的裝配率幾乎達(dá)到了100。在重型汽車方面，載貨量3080噸

25、的重型礦用自卸車幾乎全部采用了液力變矩器，而在功率超過735kW，載貨量超過100噸的重型汽車上，液力變矩器也得到了廣泛地應(yīng)用。如功率為8826kW、裝載量為108噸的礦用自卸車就裝配了阿里森(ALLISON)的CLBT9680系列液力機(jī)械變速器。還有某些非公路車輛，坦克以及軍用車輛上也裝備了液力變矩器。除美國外，其它國家的汽車工業(yè)中，比如日本的豐田、日產(chǎn)公司，德國的奔馳、倫克公司以及意大利的菲亞特公司等都生產(chǎn)了裝配有液力變矩器的汽車。我國早在上世紀(jì)50年代就將液力變矩器應(yīng)用到紅旗牌高級轎車上，開創(chuàng)了我國獨立設(shè)計、制造液力變矩器的歷史。1958年，我國機(jī)車行業(yè)自行研制的衛(wèi)星號(也稱東方紅I)內(nèi)

26、燃機(jī)車裝配了三個液力變矩器：一個啟動液力變矩器，兩個運轉(zhuǎn)液力變矩器。液力傳動在國內(nèi)工程機(jī)械上的應(yīng)用始于60年代，當(dāng)時由天津工程機(jī)械研究所和廈門工程機(jī)械廠共同研制的ZL435裝載機(jī)上就裝配有液力變矩器。70年代開始將液力變矩器應(yīng)用于重型礦用汽車上。80年代由天津工程機(jī)械研究所研制開發(fā)了“YJ單級向心渦輪液力變矩器葉柵系統(tǒng)”和“YJSW雙渦輪液力變矩器系列”。兩大系列目前已成為我國國內(nèi)工程機(jī)械企業(yè)的液力變矩器的主要產(chǎn)品。其產(chǎn)品的主要性能指標(biāo)已達(dá)到國外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。80年代北京理工大學(xué)為軍用車輛研制開發(fā)了Ch300、Ch400、Ch700、Chl000系列液力變矩器，突破大功率、高能容、高轉(zhuǎn)速

27、液力變矩器的設(shè)計與制造關(guān)鍵技術(shù)，達(dá)到國際先進(jìn)水平，滿足了軍用車輛的使用要求。一些合資企業(yè)生產(chǎn)的轎車和重型載重車等也應(yīng)用了進(jìn)口的液力變矩器。目前，液力變矩器在我國的轎車市場上也有著巨大的潛力，1997年以前，我國汽車總保有量中僅有不到10的車輛裝有液力機(jī)械式自動變速系統(tǒng)。最近幾年，繼上海通用別克、奧迪A6、上海大眾帕薩特B5以及廣州本田將液力自動變速器作為整車的基本配最后，國內(nèi)各大汽車廠商紛紛在各自的熱賣車型上推出了數(shù)十款裝備液力自動變速器的新車型，這些自動變速轎車受到了廣泛的歡迎。同國外相比，我國車輛應(yīng)用液力變矩器雖然有了一定基礎(chǔ)，但應(yīng)用范圍窄，數(shù)量較少，在中型載貨汽車、公共汽車、越野汽車等車

28、輛上應(yīng)用極少甚至沒有應(yīng)用。西部大開發(fā)和我國經(jīng)濟(jì)的大發(fā)展，交通運輸、水利水電、建筑業(yè)、能源等領(lǐng)域?qū)⑹俏磥淼陌l(fā)展重點，因此液力變矩器在我國有廣闊的市場。112流場理論的發(fā)展現(xiàn)狀液力變矩器是葉輪機(jī)械的一種。液體在液力變矩器工作輪流道中的流動是非定常的不可壓縮的三維粘性流動?；诮：陀嬎愕膹?fù)雜性和液力變矩器流場的特殊性，長期以來在工程中采用的是一維流動理論，即束流理論。它有如下假設(shè)：(1)葉輪中的液流是由許多流束組成，流動關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸對稱。(2)葉輪的葉片數(shù)無窮多，葉片無限薄。(3)上一級葉輪的出口流動情況與下一級葉輪的進(jìn)口流動情況相同。(4)同一過流截面上各點的軸面速度相同，因此，可用中間流線代表整

29、個流道的流動狀態(tài)。中間流線是一條假象的曲線，它將液流通道斷面分割成面積相等的內(nèi)外兩部分(如圖1-l所示)。由于束流理論的簡便性和一定的合理性，因而具有一定的工程實用價值，被廣泛應(yīng)用于液力變矩器的設(shè)計工作中。一維束流理論的優(yōu)點是物理概念簡單，設(shè)計、計算工作大為簡化，并且易于掌握等。但由于其諸多假設(shè)與變矩器內(nèi)流場有很大差別，因此，用一維束流理論設(shè)計出來的變矩器往往不能達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)，而要經(jīng)過反復(fù)的試驗和改進(jìn)，這就大大地增加了試驗量和研制周期。隨著車輛、工程機(jī)械等行業(yè)對液力變矩器性能和研制周期要求的不斷提高，給液力變矩器的研究提出了新的課題，研究人員在液力變矩器流場理論的研究上付出了很多努力，取

30、得了一定進(jìn)展。在一維柬流理論的基礎(chǔ)上發(fā)展了二維流動理論。它將工作輪中的流動簡化為過旋轉(zhuǎn)軸心的一組平行軸面內(nèi)的平面流動，每個平面內(nèi)的速度分布和壓力分布都是相同的。在給定了葉片的邊界形態(tài)和流量后，即可用數(shù)學(xué)方程求出該平面上任一點的流動參數(shù)。二維流動理論把原來由中間平均流線所代表的進(jìn)、出口速度和葉片參數(shù)改為沿進(jìn)出口邊或沿內(nèi)外環(huán)具有某種變化規(guī)律的分布。應(yīng)用二維流動理論，人們對液力變矩器的性能預(yù)測、葉型設(shè)計及繪制方法等進(jìn)行了大量研究，得到了較好的效果。總的來說，用二維流動理論描述純離心式或軸流式工作輪中的流動情況與實際較為接近，而描述常用的向心式或一股的混流式工作輪，則與實際差別較大。液力變矩器設(shè)計計算

31、方法的發(fā)展方向是三維流動理論，描述粘性流體三維流動的運動方程是納維一斯托克斯(NavierStokes)方程，簡稱NS方程。由于N-S方程和歐拉方程的復(fù)雜性，直接求數(shù)值解非常困難，特別是NS方程，到目前為止尚無法直接求解。近十多年來，人們多用有限元法和有限差分法求三維流動的微分方程或變分方程。盡管人們對液力變矩器內(nèi)流場的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但是由于液力變矩器內(nèi)流場的特殊性和復(fù)雜性，完全拋開一維束流理論來進(jìn)行液力變矩器設(shè)計計算的條件尚不成熟，能準(zhǔn)確地反映液力變矩器內(nèi)流場狀況的理論尚未形成，液力變矩器的研究設(shè)計方法并沒有從根本上得到改善，對液力變矩器還不可能進(jìn)行一步到位的設(shè)計，往往要有多次反

32、復(fù)，需要做大量的實驗。最近幾年里，國外對液力變矩器三維流動理論的研究非常熱烈，各大汽車公司將分析液力變矩器的工作機(jī)理作為提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的突破口，從而作了大量的工作。美國、韓國等國家的能源部門從節(jié)省國家能源的角度出發(fā)，投入巨資對液力變矩器做了深入的研究。日本也早在上個世紀(jì)90年代初期，就地球環(huán)境問題和能源保障問題呼吁要節(jié)約能源，反映在汽車領(lǐng)域，就是要提高各部件的效率，其中液力變矩器傳動效率的提高占有重要的地位。另外，在國外隨著前置前驅(qū)動車型的大量涌現(xiàn)和自動變速器多檔化，對變速器小型化、輕量化、舒適性以及安全性的要求日益提高，于是提出了設(shè)計超扁平化的液力變矩器。為了彌補(bǔ)超扁平化帶來的性能、效率

33、下降的問題，采用數(shù)值模擬的方法研究變矩器的內(nèi)部流場是一條有效途徑。12液力變矩器的組成及工作原理121液力變矩器的組成液力交矩器主要由可轉(zhuǎn)動的泵輪、渦輪，以及固定不動的導(dǎo)輪三個基本元件組成(如圖1-2所示)，汽車所用液力變矩器的工作輪一般是由鋼板沖壓焊接而成，而工程機(jī)械和一些軍用車輛所用液力變矩器的工作輪則是用鋁合金精密鑄造而成的。122液力變矩器的工作原理以液力變矩器工作輪的展開圖來說明液力變矩器的工作原理。沿圖1-3所示的工作輪循環(huán)圓中間流線將三個工作輪時片假象地展開，得到泵輪、渦輪和導(dǎo)輪的環(huán)形平面圖。各葉輪葉片的形狀和掙出口角度也被顯示于圖中。為便于說明起見，設(shè)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速及負(fù)荷不變，即變

34、矩器泵輪的轉(zhuǎn)速阼。及轉(zhuǎn)矩M。為常數(shù)。先以汽車啟動工況為例進(jìn)行討論。當(dāng)發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)而汽車還未起步時，渦輪轉(zhuǎn)速月，為零，如圖1-4所示。變速器油在泵輪葉片帶動下，以一定的絕對速度沿箭頭1的方向沖向渦輪葉片，對渦輪有一作用力，產(chǎn)生繞渦輪軸的轉(zhuǎn)矩，此即液力變矩器的輸出轉(zhuǎn)矩。因此時渦輪靜止不動，液流則沿著葉片流出渦輪并沖向?qū)л?，其方向如圖中箭頭2所示，該液流也對導(dǎo)輪產(chǎn)生作用力矩。然后液流再從固定不動的導(dǎo)輪葉片沿箭頭3的方向流回到泵輪中。當(dāng)液流流過葉片時，對葉片作用有沖擊力矩，根據(jù)作用力與反作用力定律，液流此時也會受到葉片的反作用力矩，其大小與作用力矩相等，方向相反。作用力矩或反作用力矩的方向及大小與液流進(jìn)

35、出工作輪的方向有關(guān)。設(shè)泵輪、渦輪和導(dǎo)輪對液流的作用力矩分別為MB、MW和MD，方向如圖中箭頭所示。根據(jù)液流受力平衡條件，三者在數(shù)值上滿足關(guān)系式MW=MB+MD，即渦輪轉(zhuǎn)矩等于泵輪轉(zhuǎn)矩與導(dǎo)輪轉(zhuǎn)矩之和。顯然，此時渦輪轉(zhuǎn)矩MW大于泵輪轉(zhuǎn)矩MB，即液力變矩器起到了增大轉(zhuǎn)矩的作用。也可以這樣來理解其增矩作用，當(dāng)液流沖擊渦輪時，對渦輪有一作用力矩，此為泵輪給液流的力矩；當(dāng)液流從渦輪沖擊導(dǎo)輪時，對導(dǎo)輪也有一作用力矩，因?qū)л啽还潭ㄔ谧兯倨鳉んw上，從而導(dǎo)輪給液流的反作用力矩通過液流再次作用到渦輪上，使得渦輪的轉(zhuǎn)矩等于泵輪轉(zhuǎn)矩與導(dǎo)輪轉(zhuǎn)矩之和。當(dāng)液力變矩器輸出的轉(zhuǎn)矩，經(jīng)傳動系傳到驅(qū)動輪上所產(chǎn)生的牽引力足以克服汽車起

36、步阻力時，汽車即起步并開始加速，與之相連的渦輪轉(zhuǎn)速nW也從零起逐漸增加。我們定義液流沿葉片方向流動的速度為相對速度W，在葉輪的作用下所具有的沿圓周方向運動的速度為牽連速度“，二者的矢量和為絕對速度v。渦輪轉(zhuǎn)速”，不為零時，液流在渦輪出口處不僅具有相對速度W，而且具有牽連速度U1，故沖向?qū)л喨~片的液流的絕對速度V1為兩者的合成速度，如圖所示。因設(shè)泵輪轉(zhuǎn)速不變，即液流循環(huán)流量基本不變，故渦輪出口處的相對速度w不變，變化的只是渦輪轉(zhuǎn)速nW，即牽連速度u發(fā)生變化。由圖可見，沖向?qū)л喨~片的液流的絕對速度v將隨著牽連速度u的增加而逐漸向左傾斜，使導(dǎo)輪上所受的轉(zhuǎn)矩值逐漸減小。當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速增大到一定值時，由渦輪

37、流出的液流(v2)正好沿導(dǎo)輪出口方向沖向?qū)л?，由于液流?jīng)導(dǎo)輪時方向不改變，故導(dǎo)輪轉(zhuǎn)矩MD為零，即渦輪轉(zhuǎn)矩與泵輪轉(zhuǎn)矩相等，MW=MB。若渦輪轉(zhuǎn)速nW繼續(xù)增大，液流絕對速度v方向繼續(xù)向左傾，如圖中的v，所示方向液流沖擊導(dǎo)輪葉片的反面，導(dǎo)輪轉(zhuǎn)矩方向與泵輪轉(zhuǎn)矩方向相反，則渦輪轉(zhuǎn)矩為前二者轉(zhuǎn)矩之差(MW=MB-MD)，即變矩器輸出轉(zhuǎn)矩反而比輸入轉(zhuǎn)矩小。當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速nW增大到與泵輪轉(zhuǎn)速nB相等時，工作液在循環(huán)圓內(nèi)的循環(huán)流動停止，不能傳遞動力。13研究目的和意義以及主要研究內(nèi)容131研究目的和意義液力變矩器是流道封閉的多葉輪透平機(jī)械，每個葉輪的流道都相當(dāng)復(fù)雜，流道的內(nèi)環(huán)、外環(huán)以及葉片的表面都是復(fù)雜的曲面，由于

38、流道的曲率變化非常大，葉片的形狀也是三維的，這就造成了液流沿著流線方向、圓周方向以及從內(nèi)環(huán)到外環(huán)的方向都是變化的。此外泵輪、渦輪和導(dǎo)輪分別以不同的轉(zhuǎn)速運動，各工作輪之間相互干擾；而且工作介質(zhì)是有粘性的，這就必然會在流道壁面上產(chǎn)生邊界層，由此還會引起二次流、脫流和旋渦等。因此，變矩器內(nèi)部的流動是非定常的不可壓縮的三維粘性流動，想要對變矩器內(nèi)流場進(jìn)行三維計算變得十分困難。不過隨著計算流體力學(xué)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種CFD軟件的日趨成熟，使得對變矩器內(nèi)流場進(jìn)行三維計算變成可能。本課題研究的目的和意義就在于，借助于CFD軟件對液力變矩器的內(nèi)流場進(jìn)行三維仿真計算，然后通過實驗驗證計算的結(jié)果，最后較系統(tǒng)地

39、提出基于三維流場理論的設(shè)計分析方法，解決液力變矩器的傳動效率和設(shè)計精度低的問題。改變研制周期長，一次成功率低的局面，進(jìn)一步改善液力變矩器的性能和設(shè)計制造水平。132主要研究內(nèi)容在導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)下，主要完成的研究工作有：(1)使用大型CAD軟件(本課題選用UG)對液力變矩器進(jìn)行三維實體造型，然后通過GAMBIT進(jìn)行網(wǎng)格劃分前處理。(2)選擇三維內(nèi)流計算軟件FLUENT進(jìn)行流動計算分析。利用三維流動計算求得流場速度、壓力分布，以及對外的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性和軸向力。(3)進(jìn)行變矩器臺架試驗，測量液力變矩器的軸向力、轉(zhuǎn)矩，確立仿真計算與實際流動的對應(yīng)關(guān)系。第2章 液力變矩器的測繪和反求為了不破壞工作輪，我們

40、選取制模的方法獲得葉片的曲面的形狀。擬將幾個葉輪流道的出口處封死，灌入工程塑料或硅橡膠，待其固化后取出，進(jìn)行光柵掃描。由于流道扭曲度很大，在取模過程中，固化的材料會受到流道的嚴(yán)重擠壓。因而要求灌入的材料具有很好的彈性和抗拉強(qiáng)度，在受壓嚴(yán)重變形后能夠很好的恢復(fù)原有的形狀，鑒于此，我們選取彈性好的硅橡膠作為制模的材料。經(jīng)過深入探討和理論分析，我們最終選擇硅橡膠制模、光學(xué)三維測量系統(tǒng)掃描、三坐標(biāo)入口標(biāo)記、參考入口厚度的反求策略。經(jīng)實踐檢驗該方法是切實可行的，總體效果良好。2. 1測繪過程1）測量工作輪借助直尺三角板等常用測量工具測量外圓、深度、長度、孔徑、花鍵等常規(guī)數(shù)據(jù)。2）硅橡膠制模選擇質(zhì)量好的專

41、業(yè)硅橡膠，然后選擇無鑄造缺陷、流道壁比較光順的相鄰的兩個流道作為取模的對象，并做好標(biāo)記，再就將流道下方封閉好，然后將攪拌均勻的硅橡膠（其中硅膠和固化劑的比例按100:3）慢慢倒入流道腔中，待其完全固化后，將模從其中取出。以泵輪為例，取出的模如圖。3）掃描硅橡膠模用光學(xué)三位測量系統(tǒng)進(jìn)行掃描，準(zhǔn)確獲得硅橡膠模的三維幾何信息（具體見下一節(jié)）。4）測量入出口的厚度由于工作輪的鑄造件，為了避免測量的偶然性，應(yīng)該選擇不同葉片，進(jìn)行多次測量取平均值。2. 2三維光學(xué)測量儀編程!測量程序INIT !初始化為機(jī)器坐標(biāo)系LOAD-COORSYS(1) !調(diào)出剛建立的1號坐標(biāo)系INPUT-VAR(V99,外圓直徑D

42、= )!將外圓直徑賦值給變量V99INPUT-VAR(V98,測點數(shù)N= )!將外圓測點數(shù)賦值給變量V98INPUT-VAR(V87,Z= )!將測量深度賦值給變量V87INPUT-VAR(V86,C= )!將探測輔助距離賦值給變量V86V96=PROBE-RADIUS !將當(dāng)前所用的測針半徑賦值給變量V96MOVE-TO(V99/2+V86,0,-10) !移到柱外的安全位置V95=360/V98V96=V99/2+V96!計算接觸時測針球心圓的半徑V94=V96+V86!計算探測輔助圓的半徑V2=V95V12=V95*2V5=V94*COS(V2) !計算輔助點的X坐標(biāo)并賦值給V5V6=V

43、94*SIN(V2) !計算輔助點的Y坐標(biāo)并賦值給V6V15=V94*COS(V12)V16=V94*SIN(V12)V17=SQRT(V15+V5)/2)2+(V16+V6)/2)2)V7=1REPEAT IF(V17V96)FOR(V1,1,V98) !在柱外探測V98個點 V95=360/V98 V2=V95*(V1-1) V3=V96*COS(V2) !計算測點的X坐標(biāo)并賦值給V3 V4=V96*SIN(V2) !計算測點的Y坐標(biāo)并賦值給V4IF(V1V98) V5=V94*COS(V2) !計算輔助點的X坐標(biāo)并賦值給V5 V6=V94*SIN(V2) !計算輔助點的Y坐標(biāo)并賦值給V

44、ENDIF MOVE-TO(V5,V6,V87)!機(jī)器作絕對運動到探測輔助點 V8=(V1-1)/V7 V9=INT(V8)-V8 IF(V9=0) READ-PROBE(V3,V4,V87)!機(jī)器作絕對探測 MOVE-TO(V5,V6,V87) ENDIFNEXTCIRCLEMOVE-TO(V5,V6,-10)!回到柱外的安全位置。END!程序結(jié)束 2. 3數(shù)據(jù)處理和反求以泵輪為例，簡述反求的過程：在云點數(shù)據(jù)處理時，需要把每個面單獨處理。利用放大、旋轉(zhuǎn)、剪切等命令把每個面上的點云處理光順，擬合成曲面，并用空間樣條畫出點云的邊界線，以供曲面對齊用。1）讀入Imageware建立的外環(huán)和內(nèi)環(huán)，根

45、據(jù)入出口的尺寸和曲面相對于圓環(huán)面的貼合度，利用UG的移動、旋轉(zhuǎn)等命令，確定內(nèi)環(huán)和外環(huán)的曲面定位，繼而獲得循環(huán)圓的形狀，如圖。2）畫出三坐標(biāo)測量的入出口位置線段。3）讀入葉片凹面、凸面和他們相鄰的內(nèi)衛(wèi)環(huán)面，然后定位凸面，最后根據(jù)葉片入出口的厚度進(jìn)行微調(diào)。4）求出內(nèi)外環(huán)面和葉片凹、凸面的交線（如果沒有交線可將凹、凸面進(jìn)行曲面延拓），作為葉片的流線數(shù)據(jù)5）將葉片的每條流線等分承托干段（如12段），根據(jù)流線的光順性和入出口的位置、厚度，并結(jié)合以往同類型葉片的造型經(jīng)驗，對各段進(jìn)行微調(diào)，特別是入出口處的流線段。6）以過點的方式將等分的13個點擬合成B樣條曲線，結(jié)合界面曲線進(jìn)行葉片的曲面造型。7）將葉片的各

46、個曲面結(jié)合成一個葉片實體。并重新查看入口的位置，如果偏離則返回第五步重新微調(diào)，如果偏離的嚴(yán)重則返回第四步重新調(diào)整葉片流道面的定位。8）將造型好的葉片實體繞葉輪的中心旋轉(zhuǎn)線旋轉(zhuǎn)復(fù)制，最終完成工作輪的造型，如圖。以上即為液力變矩器的測繪及反求的方法及過程。第3章 液力變矩器內(nèi)流場數(shù)值分析液力變矩器是最復(fù)雜的透平機(jī)械，同時包括離心式泵輪、向心式渦輪和軸流式導(dǎo)輪三種不同類型的流體機(jī)械。泵輪、渦輪和導(dǎo)輪組成了相對密閉的工作腔，它們的進(jìn)口、出口環(huán)境相互影響。液力變矩器內(nèi)流場分析的難點在于它是流道封閉的透平機(jī)械，渦輪、導(dǎo)輪和泵輪按各自的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(導(dǎo)輪固定不動，只有在耦合工況下自由旋轉(zhuǎn))，每級葉輪的流道都相當(dāng)

47、復(fù)雜，流道的內(nèi)環(huán)、外環(huán)以及葉片的表面都是復(fù)雜的曲面，而且變矩器內(nèi)部的流動是非定常的不可壓縮的三維粘性流動。31常用的CFD軟件介紹CFD軟件是計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics)軟件的簡稱，主要用于進(jìn)行流場分析、計算以及預(yù)測。借助于CFD軟件，可以分析并且顯示發(fā)生在流場中的現(xiàn)象，還能預(yù)測性能，并通過改變各種參數(shù)，達(dá)到最佳設(shè)計效果。通過CFD的數(shù)值模擬，能使我們更加深刻地理解問題產(chǎn)生的機(jī)理，還可以部分代替實驗，這對于降低成本，縮短研發(fā)周期，提高開發(fā)效率具有重要的意義。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及數(shù)值計算方法的日趨成熟，出現(xiàn)了許多的商用CFD軟件。商用CFD軟件使

48、許多原本不擅長CFD的其它專業(yè)研究人員也能夠進(jìn)行流體數(shù)值計算，從而使研究人員從編制繁雜、重復(fù)性的程序中解放出來，以更多的精力投入到考慮所計算的流動問題的物理本質(zhì)、問題的提法、邊界(初值)條件和計算結(jié)果的合理解釋等重要方面，這樣最佳地發(fā)揮了商用CFD軟件開發(fā)人員和其它專業(yè)研究人員各自的智力優(yōu)勢，為解決實際工程問題開辟了新的道路。目前比較好的CFD軟件主要有：FLUENT、CFX、PHOENICS、STARCD，除了Fluent是美國公司的軟件外，其它三個都是英國公司的產(chǎn)品。FLUENT是由美國FLUENT公司于1983年推出的CFD軟件，在美國的市場占有率為60。只要是跟流體，熱傳遞以及化學(xué)反應(yīng)

49、等有關(guān)的工業(yè)均可使用。它具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法以及強(qiáng)大的前后處理功能，在汽車設(shè)計、武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文航空航天、化學(xué)處理、發(fā)電系統(tǒng)、生物醫(yī)藥等方面都有著廣泛的應(yīng)用。FLUENT軟件主要由前處理、求解器以及后處理三大模塊組成。采用自行研發(fā)的GAMBIT前處理軟件來建立幾何形狀及生成網(wǎng)格，然后由Fluent進(jìn)行求解。GAMBIT具有超強(qiáng)的組合建模能力，可以生成并處理結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格或者非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，主要包括的二維網(wǎng)格有三角形和四邊形網(wǎng)格，三維網(wǎng)格有四面體、六面體、楔形和金字塔形網(wǎng)格。借助功能靈活，完全集成的和易于操作的用戶界面，GA船IT可以大大縮短用戶在CFD應(yīng)用過程中建立幾何模型和劃

50、分網(wǎng)格所需要的時間。FLUENT軟件還包括prePDF模塊，可用于模擬PDF燃燒過程?？梢越涌诘某绦虬ˋNSYS、IDEA8、PATRAN、NASTRAN等。FLUENT軟件的核心部分是納維一斯托克斯(Navier-stokes)方程組的求解模塊。用壓力校正法作為低速不可壓流動的計算方法，包括SIMPLE、SIMPLEC、PISO三種算法。采用有限體積法離散方程，其計算精度和穩(wěn)定性都要優(yōu)于傳統(tǒng)編程中使用的有限差分法。而對可壓縮流動采用耦合法，即將連續(xù)性方程、動量方程以及能量方程聯(lián)立求解。FLUENT在汽車工業(yè)有著廣泛地應(yīng)用，尤其對于流場的數(shù)值模擬具有較高的精度，因此，本文將選用FLUENT對

51、液力變矩器的內(nèi)流場進(jìn)行仿真計算。3.2建立流場計算的幾何模型32. 1分析中的假設(shè)和簡化由于液力變矩器流道模型極為復(fù)雜，為了能夠順利地得到收斂解，在用FLUENT進(jìn)行數(shù)值模擬時，做如下的假設(shè)和簡化：(1)相對于各個旋轉(zhuǎn)參考系來說，流道內(nèi)的流場是穩(wěn)態(tài)的，即各流場參數(shù)不隨時間變化。(2)液力變矩器中所有的構(gòu)件為絕對剛體，即：泵輪、渦輪和導(dǎo)輪在工作過程中沒有相對的軸向位移，內(nèi)、外環(huán)以及葉片在上作中沒有變形。這一假設(shè)主要忽略了形成流道的固體壁面和工作介質(zhì)之間的相互耦合作用。(3)工作介質(zhì)是不可壓縮流體，具有恒定的物理性質(zhì)，即工作介質(zhì)在任何工況下密度不變，P=899.1kgm3：粘度為常數(shù)，=O.00129Pas。(4)工作介質(zhì)保持恒溫，不考慮熱傳遞。由于本文的最終目的在于流場對液力變矩器性能參數(shù)的影響，為此只需要知道流場的速度場和壓力場就已經(jīng)足夠。因此，本文只求解連續(xù)性方程和動量守恒方程而拋開了對流場中溫度場的研究。(5)假定工作介質(zhì)在兩個葉輪間的無葉柵區(qū)沒有泄漏，從上游流出的工作油完全等量地流入到下游葉輪。即葉輪之間的無葉柵區(qū)處于一種壓力平衡狀態(tài)，從上游葉輪出口流出的液流經(jīng)過無葉柵區(qū)流速和壓力都不