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湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書
題 目： 汽車用液力變矩器設(shè)計(jì)及性能仿真
學(xué) 院： 興湘學(xué)院
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué) 號(hào)： 2010962925
姓 名： 潘玉東
指導(dǎo)教師： 劉金剛
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(jì)）任務(wù)書
論文（設(shè)計(jì)）題目 汽車用液力變矩器設(shè)計(jì)及性能仿真
學(xué) 號(hào) 2010962925 姓名 潘玉東 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
指導(dǎo)教師 劉金剛 主 任 周友行
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(duì)象，基于三維流場(chǎng)理論，借助于UG、GAMBIT、FLUENT等軟件，對(duì)液力變矩器的內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了仿真計(jì)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(dòng)效率和設(shè)計(jì)精度低的問(wèn)題，改變研制周期長(zhǎng)，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(jì)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(guó)內(nèi)外的應(yīng)用情況和流場(chǎng)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(cè)量?jī)x測(cè)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(jì)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(dòng)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(jì)，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(duì)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(dòng)的近壁處理方法和流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的算法。
(4)了解常用的一些CFD軟件，并選擇FLUENT對(duì)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(chǎng)的一些假設(shè)，并對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化；然后通過(guò)CAD軟件UG建立葉輪流道的幾何模型，并使用GAMBIT生成計(jì)算網(wǎng)格，為了提高計(jì)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(duì)速度方程，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k一模型，同時(shí)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。
(5)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，二者基本吻合證明了三維流場(chǎng)分析的正確性。最后對(duì)研究過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析。
二、 重點(diǎn)研究的問(wèn)題
（1）利用硅橡膠做出流道模型，用三維光學(xué)測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)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(duì)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(shí)間
1
查閱資料、調(diào)研
第1-4周
2
開(kāi)題報(bào)告、制訂設(shè)計(jì)方案
第4周
3
實(shí)驗(yàn)（設(shè)計(jì)）
第5-7周
4
分析、調(diào)試等
第8周
5
寫出初稿
第9-11周
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(chǎng)分析》.化學(xué)工業(yè)出版社：2009.
[3]楊維俊.馬驥.《自動(dòng)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(dòng)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(guó)外車輛液力傳動(dòng)研究現(xiàn)狀及其展望》.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)；1996
[7]朱經(jīng)昌《液力變矩器的設(shè)計(jì)計(jì)算》同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)；1991
[8]曹金海.馬文星《液力變矩器流暢計(jì)算的有限元發(fā)》同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)；1993.
[9]方杰《液力變矩器三維流動(dòng)的研究》同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)；2003
[10]陸忠東《基于pro/e Wildfire的液力變矩器反求計(jì)算》上海機(jī)電學(xué)院學(xué)報(bào)；2007
[11]趙鼎選.石祥鐘.尚濤《液力變矩器三維流動(dòng)計(jì)算方法》吉林大學(xué)學(xué)報(bào)；2006
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）鑒定意見(jiàn)
學(xué) 號(hào) 2010962925 姓名 潘玉東 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書） 51 頁(yè) 圖表 1 張
論文（設(shè)計(jì)）題目：汽車用液力變矩器設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，通
過(guò)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)借助三維
光學(xué)測(cè)量?jī)x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(dòng)能守恒方程，了解有限體積法原理。
為了方便研究，對(duì)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(shí)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(jì)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(jì)算，得出液力變矩器流道的壓力、速度云
圖，入出口面和整體的速度矢量圖，進(jìn)行分析。
指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)
該同學(xué)對(duì)待畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)態(tài)度端正，能夠較好查閱資料，并思考解決問(wèn)題的方法，主動(dòng)和老師探討，具備綜合運(yùn)用知識(shí)去確定設(shè)計(jì)方案。所研究的基于CFD軟件對(duì)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(jì)說(shuō)明書條理清楚文字基本流暢。整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jī)?cè)u(píng)定為：
指導(dǎo)教師：
年 月 日
答辯簡(jiǎn)要情況及評(píng)語(yǔ)
根據(jù)答辯情況，答辯小組同意其成績(jī)?cè)u(píng)定為：
答辯小組組長(zhǎng)：
年 月 日
答辯委員會(huì)意見(jiàn)
經(jīng)答辯委員會(huì)討論，同意該畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）成績(jī)?cè)u(píng)定為：
答辯委員會(huì)主任：
年 月 日
湘 潭 大 學(xué)
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）評(píng)閱表
學(xué)號(hào) 2010962925 姓名 潘玉東 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目： 汽車用液力變矩器設(shè)計(jì)及其性能仿真
評(píng)價(jià)項(xiàng)目
評(píng) 價(jià) 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(diǎn)和教學(xué)計(jì)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(huì)等實(shí)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(yùn)用知識(shí)的能力；
3.是否具備研究方案的設(shè)計(jì)能力、研究方法和手段的運(yùn)用能力；
4.是否具備一定的外文與計(jì)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(jì)）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(shí)驗(yàn)是否正確，設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析處理是否科學(xué)；技術(shù)用語(yǔ)是否準(zhǔn)確，符號(hào)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(wú)觀點(diǎn)提煉，綜合概括能力如何；
3.有無(wú)理論價(jià)值或?qū)嶋H應(yīng)用價(jià)值，有無(wú)創(chuàng)新之處。
綜
合
評(píng)
價(jià)
該同學(xué)所完成的基于CFD軟件對(duì)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(jì)說(shuō)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(yùn)用能力，正確制定設(shè)計(jì)方案和解決問(wèn)題的能力，工程能力，設(shè)計(jì)能力，計(jì)算機(jī)制圖，及外語(yǔ)能力。整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)工作體現(xiàn)了學(xué)科教學(xué)計(jì)劃的基本要求，所完成的工作達(dá)到了本科畢業(yè)設(shè)計(jì)要求，可參與答辯。
評(píng)閱人：
年 月 日
摘 要
本文的研究是以汽車用液力變矩器為研究對(duì)象，基于三維流場(chǎng)理論，借助于UG、GAMBIT、FLUENT等軟件，對(duì)液力變矩器的內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了仿真計(jì)算。本課題研究的目的和意義就在于，通過(guò)CFD軟件的模擬仿真，對(duì)液力變矩器的流道的壓力和速度進(jìn)行有效分析計(jì)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(guó)內(nèi)外的應(yīng)用情況和流場(chǎng)理論的發(fā)展現(xiàn)狀，指出了液力變矩器設(shè)計(jì)計(jì)算的發(fā)展方向是三維流場(chǎng)理論；然后對(duì)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?jī)?nèi)容。
(2)闡述了計(jì)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(dòng)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(jì)，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(duì)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(dòng)的近壁處理方法和流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的算法。介紹了反求發(fā)測(cè)繪液力變矩器。
(3)介紹了常用的一些CFD軟件，并選擇FLUENT對(duì)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(chǎng)的一些假設(shè)，并對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化；然后通過(guò)CAD軟件UG建立葉輪流道的幾何模型，并使用GAMBIT生成計(jì)算網(wǎng)格，為了提高計(jì)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(duì)速度方程，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k一￡模型，同時(shí)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(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，二者基本吻合證明了三維流場(chǎng)分析的正確性。最后對(duì)研究過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析。
(5)對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)。
關(guān)鍵詞：液力變矩器、內(nèi)流場(chǎng)、FLUENT
ABASTRACT
The research is a part of national fund project of key laboratory 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 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 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 introduced.
(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; 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 software 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 scheme 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 between 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 converter, internal flow field，F(xiàn)LUENT
目 錄
第
第1章 緒 論 1
1．1研究背景 1
1．1．1液力變矩器在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用 1
1．1．2流場(chǎng)理論的發(fā)展現(xiàn)狀 2
1．2液力變矩器的組成及工作原理 4
1．2．1液力變矩器的組成 4
1．2．2液力變矩器的工作原理 5
1．3研究目的和意義以及主要研究?jī)?nèi)容 7
1．3．1研究目的和意義 7
1．3．2主要研究?jī)?nèi)容 7
第2章 液力變矩器的測(cè)繪和反求 8
2. 1測(cè)繪過(guò)程 8
2. 2三維光學(xué)測(cè)量?jī)x編程 9
2. 3數(shù)據(jù)處理和反求 12
第3章 液力變矩器內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值分析 14
3．1常用的CFD軟件介紹 14
3.2建立流場(chǎng)計(jì)算的幾何模型 15
3．2. 1分析中的假設(shè)和簡(jiǎn)化 15
3．2．2幾何模型 16
3．3生成計(jì)算網(wǎng)格 17
3．3．1 GAMBIT簡(jiǎn)介 17
3. 3．2劃分網(wǎng)格 18
3．4設(shè)置求解器 19
3．4. 1求解器的選擇 19
3．4．2控制方程的線性化 21
3．4．3參考?jí)毫Φ倪x擇 21
3．5選擇湍流模型 22
3.6定義流體的物理性質(zhì) 23
3.7設(shè)置邊界條件和初始條件 24
3．7．1入口邊界條件 24
3．7．2出口邊界條件 24
3．7．3壁面邊界條件 25
3．7．4初始條件 25
3．8收斂準(zhǔn)則 26
3．9本章小結(jié) 26
第4章 液力變矩器內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析 27
4．1泵輪流場(chǎng)分析 27
4．1．1泵輪入口流場(chǎng) 29
5．1．2泵輪出口面流場(chǎng) 29
4．2渦輪流場(chǎng)分析 30
4．2．1渦輪入口流場(chǎng) 32
4．2．2渦輪出口流場(chǎng) 32
4. 3導(dǎo)輪流場(chǎng)分析 33
4．3．1導(dǎo)輪入口流場(chǎng) 35
4．3．2導(dǎo)輪出口流場(chǎng) 35
4．4本章小結(jié) 36
第5章 全文總結(jié) 37
參 考 文 獻(xiàn) 39
致 謝 40
附 錄 41
第1章 緒 論
1．1研究背景
1．1．1液力變矩器在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用
液力變矩器是車輛傳動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一，其主要作用是由發(fā)動(dòng)機(jī)向傳動(dòng)系統(tǒng)平穩(wěn)地傳遞動(dòng)力。裝有液力變矩器的動(dòng)力傳動(dòng)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(dòng)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(guó)外己普遍將液力傳動(dòng)運(yùn)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(guó)為例，自20世紀(jì)70年代以來(lái)，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30～80噸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(guò)735kW，載貨量超過(guò)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882．6kW、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(guó)外，其它國(guó)家的汽車工業(yè)中，比如日本的豐田、日產(chǎn)公司，德國(guó)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(guó)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(jí)轎車上，開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)獨(dú)立設(shè)計(jì)、制造液力變矩器的歷史。1958年，我國(guó)機(jī)車行業(yè)自行研制的衛(wèi)星號(hào)(也稱東方紅I)內(nèi)燃機(jī)車裝配了三個(gè)液力變矩器：一個(gè)啟動(dòng)液力變矩器，兩個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)液力變矩器。液力傳動(dòng)在國(guó)內(nèi)工程機(jī)械上的應(yīng)用始于60年代，當(dāng)時(shí)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(kāi)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(kāi)發(fā)了“YJ單級(jí)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(guó)國(guó)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(guó)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(kāi)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)速液力變矩器的設(shè)計(jì)與制造關(guān)鍵技術(shù)，達(dá)到國(guó)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(guó)的轎車市場(chǎng)上也有著巨大的潛力，1997年以前，我國(guó)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(dòng)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(dòng)變速器作為整車的基本配最后，國(guó)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(dòng)變速器的新車型，這些自動(dòng)變速轎車受到了廣泛的歡迎。
同國(guó)外相比，我國(guó)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、越野汽車等車輛上應(yīng)用極少甚至沒(méi)有應(yīng)用。西部大開(kāi)發(fā)和我國(guó)經(jīng)濟(jì)的大發(fā)展，交通運(yùn)輸、水利水電、建筑業(yè)、能源等領(lǐng)域?qū)⑹俏磥?lái)的發(fā)展重點(diǎn)，因此液力變矩器在我國(guó)有廣闊的市場(chǎng)。
1．1．2流場(chǎng)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(dòng)是非定常的不可壓縮的三維粘性流動(dòng)。
基于建模和計(jì)算的復(fù)雜性和液力變矩器流場(chǎng)的特殊性，長(zhǎng)期以來(lái)在工程中采用的是一維流動(dòng)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(dòng)關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱。
(2)葉輪的葉片數(shù)無(wú)窮多，葉片無(wú)限薄。
(3)上一級(jí)葉輪的出口流動(dòng)情況與下一級(jí)葉輪的進(jìn)口流動(dòng)情況相同。
(4)同一過(guò)流截面上各點(diǎn)的軸面速度相同，因此，可用中間流線代表整個(gè)流道的流動(dòng)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(jiǎn)便性和一定的合理性，因而具有一定的工程實(shí)用價(jià)值，被廣泛應(yīng)用于液力變矩器的設(shè)計(jì)工作中。一維束流理論的優(yōu)點(diǎn)是物理概念簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)、計(jì)算工作大為簡(jiǎn)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(chǎng)有很大差別，因此，用一維束流理論設(shè)計(jì)出來(lái)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(guò)反復(fù)的試驗(yàn)和改進(jìn)，這就大大地增加了試驗(yàn)量和研制周期。隨著車輛、工程機(jī)械等行業(yè)對(duì)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(chǎng)理論的研究上付出了很多努力，取得了一定進(jìn)展。
在一維柬流理論的基礎(chǔ)上發(fā)展了二維流動(dòng)理論。它將工作輪中的流動(dòng)簡(jiǎn)化為過(guò)旋轉(zhuǎn)軸心的一組平行軸面內(nèi)的平面流動(dòng)，每個(gè)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(diǎn)的流動(dòng)參數(shù)。二維流動(dòng)理論把原來(lái)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(dòng)理論，人們對(duì)液力變矩器的性能預(yù)測(cè)、葉型設(shè)計(jì)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(lái)說(shuō)，用二維流動(dòng)理論描述純離心式或軸流式工作輪中的流動(dòng)情況與實(shí)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(shí)際差別較大。
液力變矩器設(shè)計(jì)計(jì)算方法的發(fā)展方向是三維流動(dòng)理論，描述粘性流體三維流動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程是納維一斯托克斯(Navier—Stokes)方程，簡(jiǎn)稱N—S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N—S方程，到目前為止尚無(wú)法直接求解。近十多年來(lái)，人們多用有限元法和有限差分法求三維流動(dòng)的微分方程或變分方程。
盡管人們對(duì)液力變矩器內(nèi)流場(chǎng)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(chǎng)的特殊性和復(fù)雜性，完全拋開(kāi)一維束流理論來(lái)進(jìn)行液力變矩器設(shè)計(jì)計(jì)算的條件尚不成熟，能準(zhǔn)確地反映液力變矩器內(nèi)流場(chǎng)狀況的理論尚未形成，液力變矩器的研究設(shè)計(jì)方法并沒(méi)有從根本上得到改善，對(duì)液力變矩器還不可能進(jìn)行一步到位的設(shè)計(jì)，往往要有多次反復(fù)，需要做大量的實(shí)驗(yàn)。
最近幾年里，國(guó)外對(duì)液力變矩器三維流動(dòng)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(guó)、韓國(guó)等國(guó)家的能源部門從節(jié)省國(guó)家能源的角度出發(fā)，投入巨資對(duì)液力變矩器做了深入的研究。日本也早在上個(gè)世紀(jì)90年代初期，就地球環(huán)境問(wèn)題和能源保障問(wèn)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(dòng)效率的提高占有重要的地位。另外，在國(guó)外隨著前置前驅(qū)動(dòng)車型的大量涌現(xiàn)和自動(dòng)變速器多檔化，對(duì)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(jì)超扁平化的液力變矩器。為了彌補(bǔ)超扁平化帶來(lái)的性能、效率下降的問(wèn)題，采用數(shù)值模擬的方法研究變矩器的內(nèi)部流場(chǎng)是一條有效途徑。
1．2液力變矩器的組成及工作原理
1．2．1液力變矩器的組成
液力交矩器主要由可轉(zhuǎn)動(dòng)的泵輪、渦輪，以及固定不動(dòng)的導(dǎo)輪三個(gè)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。
1．2．2液力變矩器的工作原理
以液力變矩器工作輪的展開(kāi)圖來(lái)說(shuō)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(gè)工作輪時(shí)片假象地展開(kāi)，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(shuō)明起見(jiàn)，設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及負(fù)荷不變，即變矩器泵輪的轉(zhuǎn)速阼。及轉(zhuǎn)矩M。為常數(shù)。先以汽車啟動(dòng)工況為例進(jìn)行討論。
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)而汽車還未起步時(shí)，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(dòng)下，以一定的絕對(duì)速度沿箭頭1的方向沖向渦輪葉片，對(duì)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(shí)渦輪靜止不動(dòng)，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(duì)導(dǎo)輪產(chǎn)生作用力矩。然后液流再?gòu)墓潭ú粍?dòng)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(guò)葉片時(shí)，對(duì)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(shí)也會(huì)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)出工作輪的方向有關(guān)。設(shè)泵輪、渦輪和導(dǎo)輪對(duì)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(shí)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(lái)理解其增矩作用，當(dāng)液流沖擊渦輪時(shí)，對(duì)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(shí)，對(duì)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(guò)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(dòng)系傳到驅(qū)動(dòng)輪上所產(chǎn)生的牽引力足以克服汽車起步阻力時(shí)，汽車即起步并開(kāi)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(dòng)的速度為相對(duì)速度W，在葉輪的作用下所具有的沿圓周方向運(yùn)動(dòng)的速度為牽連速度“，二者的矢量和為絕對(duì)速度v。渦輪轉(zhuǎn)速”，不為零時(shí)，液流在渦輪出口處不僅具有相對(duì)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(duì)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(duì)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(jiàn)，沖向?qū)л喨~片的液流的絕對(duì)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(shí)，由渦輪流出的液流(v2)正好沿導(dǎo)輪出口方向沖向?qū)л?，由于液流?jīng)導(dǎo)輪時(shí)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(duì)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(shí)，工作液在循環(huán)圓內(nèi)的循環(huán)流動(dòng)停止，不能傳遞動(dòng)力。
1．3研究目的和意義以及主要研究?jī)?nèi)容
1．3．1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(gè)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(yùn)動(dòng)，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(huì)在流道壁面上產(chǎn)生邊界層，由此還會(huì)引起二次流、脫流和旋渦等。因此，變矩器內(nèi)部的流動(dòng)是非定常的不可壓縮的三維粘性流動(dòng)，想要對(duì)變矩器內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行三維計(jì)算變得十分困難。
不過(guò)隨著計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種CFD軟件的日趨成熟，使得對(duì)變矩器內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行三維計(jì)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(duì)液力變矩器的內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行三維仿真計(jì)算，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)算的結(jié)果，最后較系統(tǒng)地提出基于三維流場(chǎng)理論的設(shè)計(jì)分析方法，解決液力變矩器的傳動(dòng)效率和設(shè)計(jì)精度低的問(wèn)題。改變研制周期長(zhǎng)，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(jì)制造水平。
1．3．2主要研究?jī)?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(duì)液力變矩器進(jìn)行三維實(shí)體造型，然后通過(guò)GAMBIT進(jìn)行網(wǎng)格劃分前處理。
(2)選擇三維內(nèi)流計(jì)算軟件FLUENT進(jìn)行流動(dòng)計(jì)算分析。利用三維流動(dòng)計(jì)算求得流場(chǎng)速度、壓力分布，以及對(duì)外的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性和軸向力。
(3)進(jìn)行變矩器臺(tái)架試驗(yàn)，測(cè)量液力變矩器的軸向力、轉(zhuǎn)矩，確立仿真計(jì)算與實(shí)際流動(dòng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
第2章 液力變矩器的測(cè)繪和反求
為了不破壞工作輪，我們選取制模的方法獲得葉片的曲面的形狀。擬將幾個(gè)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(guò)程中，固化的材料會(huì)受到流道的嚴(yán)重?cái)D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(guò)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(cè)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(shí)踐檢驗(yàn)該方法是切實(shí)可行的，總體效果良好。
2. 1測(cè)繪過(guò)程
1）測(cè)量工作輪
借助直尺三角板等常用測(cè)量工具測(cè)量外圓、深度、長(zhǎng)度、孔徑、花鍵等常規(guī)數(shù)據(jù)。
2）硅橡膠制模
選擇質(zhì)量好的專業(yè)硅橡膠，然后選擇無(wú)鑄造缺陷、流道壁比較光順的相鄰的兩個(gè)流道作為取模的對(duì)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(cè)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(jiàn)下一節(jié)）。
4）測(cè)量入出口的厚度
由于工作輪的鑄造件，為了避免測(cè)量的偶然性，應(yīng)該選擇不同葉片，進(jìn)行多次測(cè)量取平均值。
2. 2三維光學(xué)測(cè)量?jī)x編程
!測(cè)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(hào)坐標(biāo)系?
INPUT-VAR(V99,"外圓直徑D= ")!將外圓直徑賦值給變量V99?
INPUT-VAR(V98,"測(cè)點(diǎn)數(shù)N= ")!將外圓測(cè)點(diǎn)數(shù)賦值給變量V98?
INPUT-VAR(V87,"Z= ")!將測(cè)量深度賦值給變量V87?
INPUT-VAR(V86,"C= ")!將探測(cè)輔助距離賦值給變量V86?
V96=PROBE-RADIUS? !將當(dāng)前所用的測(cè)針半徑賦值給變量V96?
MOVE-TO(V99/2+V86,0,-10) !移到柱外的安全位置?
V95=360/V98?
V96=V99/2+V96!計(jì)算接觸時(shí)測(cè)針球心圓的半徑?
V94=V96+V86!計(jì)算探測(cè)輔助圓的半徑?
V2=V95
V12=V95*2?
V5=V94*COS(V2) !計(jì)算輔助點(diǎn)的X坐標(biāo)并賦值給V5?
V6=V94*SIN(V2) !計(jì)算輔助點(diǎn)的Y坐標(biāo)并賦值給V6
V15=V94*COS(V12)
V16=V94*SIN(V12)?
V17=SQRT(((V15+V5)/2)^2+((V16+V6)/2)^2)
V7=1
REPEAT
? IF(V17
V96)
FOR(V1,1,V98) !在柱外探測(cè)V98個(gè)點(diǎn)?
? V95=360/V98?
? V2=V95*(V1-1)
? V3=V96*COS(V2) !計(jì)算測(cè)點(diǎn)的X坐標(biāo)并賦值給V3?
? V4=V96*SIN(V2) !計(jì)算測(cè)點(diǎn)的Y坐標(biāo)并賦值給V4?
IF(V1
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