基于敏感参数分析的变矩器叶片参数研究

刘宗其　李志远　刘海林

1.合肥工业大学,合肥,230009　　2.安徽叉车集团公司,合肥,230000

基于敏感参数分析的变矩器叶片参数研究

刘宗其1,2李志远1刘海林2

1.合肥工业大学,合肥,2300092.安徽叉车集团公司,合肥,230000

运用试验设计技术,研究了叶片进出口角、液流偏离角和损失系数等液力变矩器敏感参数,综合考虑这些敏感参数对最高效率、启动变矩比系数和力矩系数的影响，得到了它们之间的影响趋势，确定了影响因素的特定范围。改变泵轮的入口角度后，通过相关试验验证了效率变化的趋势。

液力变矩器；叶片；敏感参数；DOE技术

0　引言

液力变矩器的性能主要由叶栅系统参数,尤其是工作轮叶片的进出口角确定。早期的研究给出了变矩器能头、流量和转速转矩的一维束流理论求解方法，通过这些方法可以确定变矩器的几何参数和性能参数[1-2],但这些几何参数对性能影响的敏感程度各有不同,若不优选出其中敏感性大的参数，则设计过程的计算非常复杂,导致计算结果与使用性能偏差较大(启动工况下的偏差可达到10%～15%[3])。本项目通过对相关性能参数敏感性的研究，选出影响较大的一组或几组参数进行优化，建立了正确的数学模型。

1　初始系数的数值分析

本文以YJH265变矩器为研究对象进行研究。该款变矩器的设计参数和性能参数如下:循圆直径为265 mm,泵轮、涡轮和导轮的中间流线入口角(出口角)分别为62.33°(73.65°)、128.93°(37.4°)、35.47°(142.68°)。涡轮与泵轮的转速比i、变矩比系数K、变矩器效率η、力矩系数RM等原始特性数据如表1所示。

表1　YJH265变矩器的原始特性

液力变矩器性能计算涉及很多经验参数,我们把对变矩器性能影响较大的液流偏离角、损失系数以及叶片的进出口角作为引起性能变化的自变量[4],用Ω表示液流偏离角，δ表示冲击损失系数，f表示摩擦损失系数，下标b、d、t 分别表示泵轮、导轮、涡轮，下标1、2 表示入口和出口,参数Ωb1、Ωb2、Ωd1、Ωd2、Ωt1、Ωt2的取值范围为-10°～10°,基准值为0;fb、fd、ft的取值范围为-0.05～0.2,基准值为0.07;δb、δd、δt的取值范围为0.42～1.2，基准值为1.1;通过编制的MATLAB计算程序和一维束流理论对模型(YJH265)进行参数敏感性研究。为获得高置信度结果，共取1000个样本点进行计算,获得各变量对变矩器性能参数的影响，如表2所示。

各主要敏感性参数(液流偏离角Ω、冲击损失系数δ、摩擦损失系数f)对应的各主要影响参数主效应如图1所示。由图1a可知,最高效率随导轮入口液流偏离角的升高而降低(呈负的二次曲线关系)，随涡轮出口液流偏离角的上升而升高(呈较强的线性关系)；由图1b可知，启动变矩比系数随导轮的入口液流偏离角的变化呈负的二次曲线关系，随涡轮和导轮的摩擦损失系数升高而单调下降；由图1c可知，泵轮力矩系数随泵轮出口液流偏离角的上升而单调下降，随导轮出口液流偏离角的上升而单调上升。

表2　YJH265初始系数对各性能的影响　%

(a)最高效率主效应图

(b)变矩比系数主效应图

(c)力矩系数主效应图图1　初始系数的主效应图

目前的一维束流理论对主要敏感性参数的研究较少。根据目前相关的变矩器设计文献[4-5],变矩器的初始系数的取值范围比较宽，如摩擦损失系数在0.050～0.218 之间,冲击损失系数在0.42～1.20之间,而液流偏离角的确定相对复杂,其随着工况的不同而变化，一般的取值范围为-10°～10°[6]。这样，产品在设计时，相关的敏感性参数都需大量的试验进行计算分析，消耗了许多的时间、人力、物力和财力。本文经过敏感性分析、优化，将摩擦损失系数取值范围确定在0.15～0.18,冲击损失系数取值范围确定在0.73～0.82,液流偏离角取值范围取在-2°～2.3°,以提高预测变矩器性能的精度。

2　工作轮叶片进出口角敏感性分析

叶片形状对变矩器的性能有着决定性的影响,其角度参数需要进行多次计算、修正、实验来确定[7],因此有必要利用试验设计方法分析叶片入口角、出口角对液力变矩器性能的影响[8],为调整参数优化性能提供依据。

表3　YJH265叶片角对各性能的影响　%

为体现各角度对变矩器性能参数的具体影响,作出主效应图(图2～图4),图中,横坐标区间-1～1为量纲一参数,是将βb1、βb2、βt1、βt2、βd1、βd2各参数的取值范围(47.33°～77.33°)、(58.65°～88.65°)、(113.93°～143.93°)、(22.4°～52.4°)、(20.47°～50.47°) 、(127.68°～157.68°)量纲一化后坐标。

(a)最高效率主效应图

(b)变矩比系数主效应图

(c)力矩系数主效应图图2　泵轮叶片入口角、出口角的主效应图

由图2可知,泵轮叶片入口角对最高效率影响较大，随着泵轮入口角的增大，最高效率单调上升；泵轮叶片出口角对启动变矩比系数、泵轮力矩系数影响较大，启动变矩比系数随泵轮出口角度的上升而单调上升,泵轮力矩系数随泵轮出口角的上升而单调下降。

由图3可知,涡轮出口角度对最高效率有较大的影响,且随着涡轮出口角的上升，最高效率也单调上升；涡轮入口角对液力变矩器三项性能指标均有较大影响，其与最高效率、泵轮力矩系数和启动变矩比系数的关系均为负二次相关。

(a)最高效率主效应图

(b)变矩比系数主效应图

(c)力矩系数主效应图图3　涡轮叶片入口角、出口角的主效应图

由图4可知,导轮入口角对最高效率、启动变矩比系数的影响较大，随着导轮入口角的增加，最高效率单调下降， 启动变矩比系数呈负二次相关；导轮出口角对泵轮力矩系数影响较大，随着导轮出口角的增大,泵轮力矩系数单调上升。

(a)最高效率主效应图

(b)变矩比系数主效应图

综上所述,对YJH265型液力变矩器而言,要提高效率,可适当减小其导轮入口角,增大泵轮入口角和涡轮出口角;要提高变矩器的变矩比系数，可增大泵轮出口角；涡轮和导轮入口角、出口角对变矩比系数的影响也较大，呈负二次相关;要改善液力变矩器能容特性，可适当减小泵轮出口角、增大导轮出口角，涡轮角度的调节对变矩器的能容影响不大[9-10]。

(c)泵轮力矩系数主效应图图4　泵YJH265导轮叶片入口角、出口角对性能主效应图

3　应用实例

3.1试验原理介绍

变矩器试验时,驱动电机经联轴器带动变矩器的泵轮转动，涡轮由花键与负载电机相连，通过调节驱动电机和负载电机的转速，扭矩传感器可以测量出不同速比下的泵轮扭矩和涡轮扭矩，由此计算出变矩器的变矩比系数K,变矩器的效率由试验控制台直接读出，同时由上面数据和相关公式可以计算原始特性值RM。试验台架的布置如图5所示。

图5　液力变矩器试验台原理图

3.2试验数据分析

由上述对叶片进口角、出口角的敏感性分析可知,泵轮叶片入口角对最高效率影响较大，随泵轮入口角上升，效率单调上升，如图2所示；随着涡轮出口角的上升，效率单调上升，如图3所示；导轮进、出口角的改变对效率影响不及泵轮和涡轮明显,如图4所示。因此，我们选取对效率影响较大的泵轮叶片入口角进行试验，表4所示为泵轮入口角分别为61.15°、63.23°时变矩器的原始特性试验数据,原泵轮的入口角为62.33°(其原始特性见表1)。

表4　泵轮入口角为61.15°和63.23°时的原始特性

由表1、表4给出的三组数据,可作出泵轮入口角变化的原始特性曲线,如图6～图8所示。

图6　不同泵轮入口角的变矩器速比-变矩器效率图

图7　不同泵轮入口角的变矩器速比-力矩系数图

由图6可以看出,最高效率随泵轮入口角的增大有单调上升的趋势,但变矩器原始特性中的力矩系数(图7)和变矩比系数(图8)有所下降,因此在设计变矩器时,应在满足使用要求的情况下增大泵轮入口角,以提高效率。

图8　不同泵轮入口角的变矩器速比-变矩比系数图

4　结论

(1)通过对摩擦损失系数、冲击损失系数、液流偏离角的分析，找出了它们对变矩器主要性能的影响趋势，并确定了这些影响因数特定范围。

(2)运用DOE分析技术，得到了工作轮进出口角对变矩器主要性能的趋势图，同时，通过试验的方法，利用改变泵轮的入口角度，验证了效率的变化趋势， 获得了满意的效果。

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(编辑张洋)

Study on Torque Converter Blades Parameters by Sensitive Parameter Analysis

Liu Zongqi1,2Li Zhiyuan1Liu Hailin2

1.Hefei University of Technology,Hefei,230009 2.Anhui Forklift Truck Group Company,Hefei,230000

In automobile and engineering vehicle transmission system,the blade design of hydraulic torque converter was of always difficulty.By the use of DOE technology,the blade import and export angle,deviation angle and loss coefficient were studied as the sensitive parameters of hydraulic torque converter.Their influences on the peak efficiency,starting torque ratio and torque coefficient were synthetically considered.Finally,the influence trend among these parameters was obtained,the specific domains of the influencial factors were confirmed.The influence trend was verified by relevant tests,based on the change of the import angle of the pump impeller.It has important guiding significance on converter optimization.

hydraulic torque converter;blade;sensitive parameter;design of experiment(DOE) technology

2013-06-13

国家自然科学基金资助项目(51205101)

TH137.33DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.12.018

刘宗其,男,1963年生。合肥工业大学机械与汽车工程学院教授级工程师、博士。获省部级科技进步奖二等奖1项,发明专利3项。发表论文10篇。李志远,男,1949年生。合肥工业大学教授、博士研究生导师。刘海林,男,1976年生。安徽叉车集团工程师。