汽车用液力变矩器设计及性能仿真【UG三维图】

汽车用液力变矩器设计及性能仿真

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UG三维图

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汽车用液力变矩器设计及性能仿真说明书.doc

液力变矩器.dwg

液力变矩器.exb

摘  要

　　本文的研究是以汽车用液力变矩器为研究对象，基于三维流场理论，借助于UG、GAMBIT、FLUENT等软件，对液力变矩器的内流场进行了仿真计算。本课题研究的目的和意义就在于，通过CFD软件的模拟仿真，对液力变矩器的流道的压力和速度进行有效分析计算。本文主要有以下内容：

　　(1)首先介绍了课题研究的背景，液力变矩器在国内外的应用情况和流场理论的发展现状，指出了液力变矩器设计计算的发展方向是三维流场理论；然后对液力变矩器的组成以及工作原理进行了阐述，并指出了主要研究内容。

　　(2)阐述了计算流体力学的基本理论。首先列出了控制方程包括连续性方程和动量守恒方程，由于本课题研究的是不可压缩流体，热交换量可以忽略不计，敌不考虑能量守恒方程，然后介绍了将控制方程离散化的方法；接着详细介绍了有限体积法的基本原理，常用的离散格式：分析了网格的生成技术，分别对结构网格、非结构网格以及混合网格作了阐述；最后介绍了常用的湍流模型，湍流流动的近壁处理方法和流场数值计算的算法。介绍了反求发测绘液力变矩器。

　　(3)介绍了常用的一些CFD软件，并选择FLUENT对本课题进行研究；为了能够顺利地得到收敛解，提出了研究液力变矩器流场的一些假设，并对流场进行了一定的简化；然后通过CAD软件UG建立叶轮流道的几何模型，并使用GAMBIT生成计算网格，为了提高计算精度，使用六面体网格；选择分离求解器隐式格式进行求解，使用绝对速度方程，湍流模型选择标准k一￡模型，同时使用标准壁面函数；离散格式采用二阶迎风格式(这样可以提高解算精度)，压力一速度耦合选用SIMPLE算法，入口边界条件使用压力入口，出口边界条件使用压力出口，其余壁面使用非滑移壁面边界条件；在叶轮之间的交互面上使用混合平面模型。

　　(4)对计算结果进行了分析，并与实验结果进行了比较，二者基本吻合证明了三维流场分析的正确性。最后对研究过程中存在的问题进行了分析。

　　(5)对全文进行了总结。

关键词：液力变矩器、内流场、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，FLUENT

目    录

第

第1章  绪 论1

1．1研究背景1

1．1．1液力变矩器在国内外的应用1

1．1．2流场理论的发展现状2

1．2液力变矩器的组成及工作原理4

1．2．1液力变矩器的组成4

1．2．2液力变矩器的工作原理5

1．3研究目的和意义以及主要研究内容7

1．3．1研究目的和意义7

1．3．2主要研究内容7

第2章 液力变矩器的测绘和反求8

2. 1测绘过程8

2. 2三维光学测量仪编程9

2. 3数据处理和反求12

第3章 液力变矩器内流场数值分析14

3．1常用的CFD软件介绍14

3.2建立流场计算的几何模型15

3．2. 1分析中的假设和简化15

3．2．2几何模型16

3．3生成计算网格17

3．3．1 GAMBIT简介17

3. 3．2划分网格18

3．4设置求解器19

3．4. 1求解器的选择19

3．4．2控制方程的线性化21

3．4．3参考压力的选择21

3．5选择湍流模型22

3.6定义流体的物理性质23

3.7设置边界条件和初始条件24

3．7．1入口边界条件24

3．7．2出口边界条件24

3．7．3壁面边界条件25

3．7．4初始条件25

3．8收敛准则26

3．9本章小结26

第4章 液力变矩器内流场计算结果分析27

4．1泵轮流场分析27

4．1．1泵轮入口流场29

5．1．2泵轮出口面流场29

4．2涡轮流场分析30

4．2．1涡轮入口流场32

4．2．2涡轮出口流场32

4. 3导轮流场分析33

4．3．1导轮入口流场35

4．3．2导轮出口流场35

4．4本章小结36

第5章  全文总结37

参 考 文 献39

致  谢40

1．1．1液力变矩器在国内外的应用

　　　液力变矩器是车辆传动系统中的关键部件之一，其主要作用是由发动机向传动系统平稳地传递动力。装有液力变矩器的动力传动系统可以保证车辆平稳地起步、变速。目前液力变矩器被广泛地应用于铁道车辆、工程机械、航空航天、能源动力以及化工机械等行业，而汽车行业更是液力变矩器的最大用户。

　　　国外己普遍将液力传动运用于轿车、公共汽车、豪华型大客车、重型汽车、牵引车及军用车辆等。以美国为例，自20世纪70年代以来，每年在轿车上液力变矩器的装配率达到90％以上，而在城区公汽上的装配率几乎达到了100％。在重型汽车方面，载货量30～80吨的重型矿用自卸车几乎全部采用了液力变矩器，而在功率超过735kW，载货量超过100吨的重型汽车上，液力变矩器也得到了广泛地应用。如功率为882．6kW、装载量为108吨的矿用自卸车就装配了阿里森(ALLISON)的CLBT9680系列液力机械变速器。还有某些非公路车辆，坦克以及军用车辆上也装备了液力变矩器。除美国外，其它国家的汽车工业中，比如日本的丰田、日产公司，德国的奔驰、伦克公司以及意大利的菲亚特公司等都生产了装配有液力变矩器的汽车。

　　　我国早在上世纪50年代就将液力变矩器应用到红旗牌高级轿车上，开创了我国独立设计、制造液力变矩器的历史。1958年，我国机车行业自行研制的卫星号(也称东方红I)内燃机车装配了三个液力变矩器：一个启动液力变矩器，两个运转液力变矩器。液力传动在国内工程机械上的应用始于60年代，当时由天津工程机械研究所和厦门工程机械厂共同研制的ZL435装载机上就装配有液力变矩器。70年代开始将液力变矩器应用于重型矿用汽车上。80年代由天津工程机械研究所研制开发了“YJ单级向心涡轮液力变矩器叶栅系统”和“YJSW双涡轮液力变矩器系列”。两大系列目前已成为我国国内工程机械企业的液力变矩器的主要产品。其产品的主要性能指标已达到国外同类产品的先进水平。80年代北京理工大学为军用车辆研制开发了Ch300、Ch400、Ch700、Chl000系列液力变矩器，突破大功率、高能容、高转速液力变矩器的设计与制造关键技术，达到国际先进水平，满足了军用车辆的使用要求。一些合资企业生产的轿车和重型载重车等也应用了进口的液力变矩器。

　　　目前，液力变矩器在我国的轿车市场上也有着巨大的潜力，1997年以前，我国汽车总保有量中仅有不到10％的车辆装有液力机械式自动变速系统。最近几年，继上海通用别克、奥迪A6、上海大众帕萨特B5以及广州本田将液力自动变速器作为整车的基本配最后，国内各大汽车厂商纷纷在各自的热卖车型上推出了数十款装备液力自动变速器的新车型，这些自动变速轿车受到了广泛的欢迎。

　　　同国外相比，我国车辆应用液力变矩器虽然有了一定基础，但应用范围窄，数量较少，在中型载货汽车、公共汽车、越野汽车等车辆上应用极少甚至没有应用。西部大开发和我国经济的大发展，交通运输、水利水电、建筑业、能源等领域将是未来的发展重点，因此液力变矩器在我国有广阔的市场。

1．1．2流场理论的发展现状

　　　液力变矩器是叶轮机械的一种。液体在液力变矩器工作轮流道中的流动是非定常的不可压缩的三维粘性流动。

　　　基于建模和计算的复杂性和液力变矩器流场的特殊性，长期以来在工程中采用的是一维流动理论，即束流理论。它有如下假设：

　　　(1)叶轮中的液流是由许多流束组成，流动关于旋转轴对称。

　　　(2)叶轮的叶片数无穷多，叶片无限薄。

　　　(3)上一级叶轮的出口流动情况与下一级叶轮的进口流动情况相同。

　　　(4)同一过流截面上各点的轴面速度相同，因此，可用中间流线代表整个流道的流动状态。中间流线是一条假象的曲线，它将液流通道断面分割成面积相等的内外两部分(如图1-l所示)。

　　　由于束流理论的简便性和一定的合理性，因而具有一定的工程实用价值，被广泛应用于液力变矩器的设计工作中。一维束流理论的优点是物理概念简单，设计、计算工作大为简化，并且易于掌握等。但由于其诸多假设与变矩器内流场有很大差别，因此，用一维束流理论设计出来的变矩器往往不能达到预期的性能指标，而要经过反复的试验和改进，这就大大地增加了试验量和研制周期。随着车辆、工程机械等行业对液力变矩器性能和研制周期要求的不断提高，给液力变矩器的研究提出了新的课题，研究人员在液力变矩器流场理论的研究上付出了很多努力，取得了一定进展。　　　在一维柬流理论的基础上发展了二维流动理论。它将工作轮中的流动简化为过旋转轴心的一组平行轴面内的平面流动，每个平面内的速度分布和压力分布都是相同的。在给定了叶片的边界形态和流量后，即可用数学方程求出该平面上任一点的流动参数。二维流动理论把原来由中间平均流线所代表的进、出口速度和叶片参数改为沿进出口边或沿内外环具有某种变化规律的分布。应用二维流动理论，人们对液力变矩器的性能预测、叶型设计及绘制方法等进行了大量研究，得到了较好的效果。

　　　总的来说，用二维流动理论描述纯离心式或轴流式工作轮中的流动情况与实际较为接近，而描述常用的向心式或一股的混流式工作轮，则与实际差别较大。

　　　液力变矩器设计计算方法的发展方向是三维流动理论，描述粘性流体三维流动的运动方程是纳维一斯托克斯(Navier—Stokes)方程，简称N—S方程。由于N-S方程和欧拉方程的复杂性，直接求数值解非常困难，特别是N—S方程，到目前为止尚无法直接求解。近十多年来，人们多用有限元法和有限差分法求三维流动的微分方程或变分方程。

　　　尽管人们对液力变矩器内流场的研究已经取得了一定的进展，但是由于液力变矩器内流场的特殊性和复杂性，完全抛开一维束流理论来进行液力变矩器设计计算的条件尚不成熟，能准确地反映液力变矩器内流场状况的理论尚未形成，液力变矩器的研究设计方法并没有从根本上得到改善，对液力变矩器还不可能进行一步到位的设计，往往要有多次反复，需要做大量的实验。

　　　最近几年里，国外对液力变矩器三维流动理论的研究非常热烈，各大汽车公司将分析液力变矩器的工作机理作为提高汽车燃油经济性的突破口，从而作了大量的工作。美国、韩国等国家的能源部门从节省国家能源的角度出发，投入巨资对液力变矩器做了深入的研究。日本也早在上个世纪90年代初期，就地球环境问题和能源保障问题呼吁要节约能源，反映在汽车领域，就是要提高各部件的效率，其中液力变矩器传动效率的提高占有重要的地位。另外，在国外随着前置前驱动车型的大量涌现和自动变速器多档化，对变速器小型化、轻量化、舒适性以及安全性的要求日益提高，于是提出了设计超扁平化的液力变矩器。为了弥补超扁平化带来的性能、效率下降的问题，采用数值模拟的方法研究变矩器的内部流场是一条有效途径。

1．2液力变矩器的组成及工作原理

1．2．1液力变矩器的组成

　　　液力交矩器主要由可转动的泵轮、涡轮，以及固定不动的导轮三个基本元件组成(如图1-2所示)，汽车所用液力变矩器的工作轮一般是由钢板冲压焊接而成，而工程机械和一些军用车辆所用液力变矩器的工作轮则是用铝合金精密铸造而成的。第3章 液力变矩器内流场数值分析

　　　液力变矩器是最复杂的透平机械，同时包括离心式泵轮、向心式涡轮和轴流式导轮三种不同类型的流体机械。泵轮、涡轮和导轮组成了相对密闭的工作腔，它们的进口、出口环境相互影响。

　　　液力变矩器内流场分析的难点在于它是流道封闭的透平机械，涡轮、导轮和泵轮按各自的转速转动(导轮固定不动，只有在耦合工况下自由旋转)，每级叶轮的流道都相当复杂，流道的内环、外环以及叶片的表面都是复杂的曲面，而且变矩器内部的流动是非定常的不可压缩的三维粘性流动。

3．1常用的CFD软件介绍

　　　CFD软件是计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics)软件的简称，主要用于进行流场分析、计算以及预测。借助于CFD软件，可以分析并且显示发生在流场中的现象，还能预测性能，并通过改变各种参数，达到最佳设计效果。通过CFD的数值模拟，能使我们更加深刻地理解问题产生的机理，还可以部分代替实验，这对于降低成本，缩短研发周期，提高开发效率具有重要的意义。

　　　随着计算机技术的发展以及数值计算方法的日趋成熟，出现了许多的商用CFD软件。商用CFD软件使许多原本不擅长CFD的其它专业研究人员也能够进行流体数值计算，从而使研究人员从编制繁杂、重复性的程序中解放出来，以更多的精力投入到考虑所计算的流动问题的物理本质、问题的提法、边界(初值)条件和计算结果的合理解释等重要方面，这样最佳地发挥了商用CFD软件开发人员和其它专业研究人员各自的智力优势，为解决实际工程问题开辟了新的道路。　　　近年来，CFD技术在汽车液力变矩器设计和内流场研究中，发挥着重要的作用。CFD可以帮助研发人员更好地理解流动的状态，以便为进一步的液力变矩器优化设计研究积累依据。

　　　本文主要研究030122A型液力变矩器，选择了最合适的算法，对其流场进行了计算，并将分析结果和实验数据进行了对比，所做的工作主要有以下几点：

　　　(1)根据液力变矩器的实际工作状况，在第三章中提出了一系列假设和简化，并使用大型CAD软件UG建立了所研究的变矩器流道的几何模型。将UG中的流道几何模型导入到GAMBIT中，生成了流道的计算网格模型。

　　　(2)设定计算的求解器，选择分离求解器；对控制方程的线性化选用隐式格式；参考压力默认为标准大气压。

　　　(3)考虑到计算精度、收敛速度和收敛平稳性三方面的要求，湍流模型选择标准k一￡模型，速度一压力耦合算法选择SIMPLE算法，离散格式选择二阶迎风差分格式。

　　　(4)设定边界条件，其中进口边界条件为压力入口，出口边界条件为压力出口，流道壁面设为无滑移壁面条件。对叶轮之间的交互面上的边界使用混合平面模型。

　　　(5)对泵轮、涡轮和导轮的流场分别进行了计算，并对计算得到的流场进行了细致的分析。得到的计算结果不仅较准确地预测了液力变矩器的整体性，缩短了研发周期，而且对于进一步改进液力变矩器的设计有重要的参考价值。

　　　通过本文所作的研究工作，得到了以下结论：

　　　(1)在液力变矩器的流场分析中，SIMPLE算法能够在具有令人满意的精确度下，同时具有更快的收敛速度和更好的稳定性。高阶离散格式比低阶离散格式有更高的精确度，但是低阶离散格式比高阶离散格式能够更快的得到收敛解。

　　　(2)通过将计算结果与液力变矩器的外特性实验结果对比，最大误差控制在5％以内，可以认为计算结果较好地反映了流动的真实情况，达到了较高的计算精度，证明用数值模拟的方法计算液力变矩器的内流场具有正确性与可靠性，其结果可用于指导液力变矩器的设计和优化过程。因而在未来的工作中可以通武汉理工人学硕上学位论文

　　　过使用FLUENT计算来代替液力变矩器的部分实验工作，这对于降低成本，缩短研发周期，提高开发效率具有重要的意义。

　　　(3)泵轮流道内部出现了大范围的二次流动，在入口面上靠近内环附近的地方有回流现象发生，外环与吸力面相交处还出现了脱流；在流道的后半段高速液流主要集中在压力面附近，低速液流集中在吸力面附近，出口处的吸力面与外环的相交处出现了回流。在泵轮流道的截面上有大范围的二次流动出现。由于入口处的液流冲击和大范围的二次流动，使得液流的损失增大。

　　　(4)在低速比工况下，涡轮流道前半部出现脱流和二次流，在流道的截面上存在较大的速度梯度。在高速比工况下，流道截面上的速度分布比较均匀，在流道前半部曲率变化大的地方只出现了一个低流速区，没有出现脱流和二次流动，出口段流场比较稳定。

　　　(5)导轮的叶片角度变化大，主要起到改变液流速度方向以及转矩的作用，其流场的变化非常复杂。在低速比工况下，导轮的吸力面出现了大范围的回流，在回流与正向流动交界的地方出现了脱流；而在高速比工况下，吸力面处没有出现回流和脱流现象，出口面上的速度分布比较均匀。本文以030122A型液力变矩器为研究对象，在UG、GAMBIT等平台的帮助下，借助于FLUENT计算分析了汽车液力变矩器的内流场。通过将计算结果与实验数据的对比，证实该计算结果是正确、可信的。

参 考 文 献　　

　　[1]朱红钧，林元华.《FLUENT流体分析及仿真》.人民邮电出版社：2010.            

　　[2]李进良.李承曦.《胡仁喜FLUENT6.3流场分析》.化学工业出版社：2009.                                

　　[3]杨维俊.马骥.《自动变速器结构原理及典型故障案例》.机械工业出版社：2011.                                    

　　[4]王正旭.《汽车自动变速器原理与检修一体化教程》.机械工业出版社：2009.        

　　[5]胡仁喜.《pro/e4.0曲面造型从入门到精通》.机械工业出版社：2009.                            

　　[6]马文星. 《国外车辆液力传动研究现状及其展望》.同济大学学报；1996                            

　　[7]朱经昌《液力变矩器的设计计算》同济大学学报；1991                                        

　　[8]曹金海.马文星《液力变矩器流畅计算的有限元发》同济大学学报；1993.                        

[9]方杰《液力变矩器三维流动的研究》同济大学学报；2003                                      

[10]陆忠东《基于pro/e Wildfire的液力变矩器反求计算》上海机电学院学报；2007

[11]赵鼎选.石祥钟.尚涛《液力变矩器三维流动计算方法》吉林大学学报；2006