冲压叶片厚度对液力变矩器性能的影响

闫清东， 李新毅， 魏巍, 陈修齐

(1.北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081；2.北京市电动车协同创新中心，北京 100081)

液力变矩器是一种广泛应用于车辆传动装置中的液力传动元件，通过液体能与机械能之间的相互转化来传递动力，具有优良的自适应性、增矩变速、减振隔振等优点. 液力变矩器按制造工艺的不同可以分为铸造型液力变矩器和冲焊型液力变矩器. 由于使用了不同的材料和制造工艺，两种变矩器在整体结构和叶栅结构上存在一定的差异.

冲焊型液力变矩器采用冲压制造的泵轮、涡轮，与铸造型液力变矩器的空间流线型叶片不同，冲压泵轮、涡轮中的叶片采用薄板冲压而成，具有等厚的空间结构.

魏巍等[1-2]提出了基于Bessel曲线的铸造型液力变矩器叶片参数化造型方法，实现了以叶片角度、叶片厚度等几何参数为基础的叶片形状的交互设计. 陈建勋等[3-4]对冲焊型液力变矩器进行了逆向设计和叶栅参数化研究，探索了变矩器叶栅系统的优化设计方法. 谭越等[5]研究了冲焊型液力变矩器的成形数值模拟及焊接强度，并进行了试验验证，从制造工艺上保证了冲压叶片的成形精度.

铸造型液力变矩器的叶片具有空间流线型结构，叶片各部分的厚度是不一致的，在设计中要考虑对于叶片骨线各部分的加厚规律从而进行叶片的造型. 而冲压叶片由于工艺条件的要求具有等厚的空间结构，厚度参数对于变矩器性能的影响不同与铸造型叶片. 本文结合冲焊型液力变矩器三维流场分析，采用试验设计方法研究冲压叶片结构参数中不同厚度参数对液力变矩器性能的影响规律.

1 试验设计

某型冲焊型液力变矩器的泵轮、涡轮叶片采用冲压工艺制造，具有等厚的空间结构，但是不同的泵轮、涡轮叶片厚度组合对于变矩器性能的影响往往是相互冲突的，并不是单一厚度的最优值的简单叠加. 所以本文采用试验设计的方法分析不同冲压叶片厚度对于液力变矩器性能的影响.

设计试验方案，试验因素为泵轮叶片厚度和涡轮叶片厚度，以某型冲焊型液力变矩器冲压叶片为基础，试验水平为冲压叶片厚度，取值范围为1～4 mm. 具体试验设计如表 1，Hp为泵轮叶片厚度，Ht为涡轮叶片厚度.

表1 试验因素水平范围

由于试验中的因素个数较少，所以采用全因素试验方法，评估所有因素在所有水平上的可能组合. 结合三维流场分析方法，建立不同叶片厚度下的流道模型.Hp、Ht分别为1,2,3 mm.

流场分析采用ANSYS-CFX模块进行计算，为了提高计算精度，对于单流道模型采用结构化网格方法，如图1. 仿真计算时，选择SST湍流模型，湍流模型的离散格式选择较容易收敛的一阶迎风格式. 计算不同速比(i=0,…,0.8)下变矩器的流场特性.

2 叶片厚度影响因素敏感性分析

基于试验设计和流场分析的计算结果，分别就两个因素对液力变矩器最大能容系数λ0max、起动变矩比K0、最高效率ηmax三个响应量的影响程度进行分析.

2.1 叶片厚度影响因素主效应分析

主效应是分析因素在某个水平下对试验响应量的影响. 图2为泵轮叶片厚度对三个响应量的主效应分析图，图3为涡轮叶片厚度对三个响应量的主效应分析图.

从主效应分析图可知，在所给定的参数取值范围内，2(a)中泵轮叶片厚度对于最高效率的影响主效应是非单调的，最高效率的最低值出现在叶片厚度为3.2 mm处，但是根据最高效率值的整体变化区间看出，变化值在0.000 1之内，所以泵轮叶片厚度对于最高效率εmax的影响可以忽略；图2(b)中泵轮叶片厚度对于起动变矩比K0的影响主效应是单调递减的，随着泵轮叶片厚度的增加，起动变距比呈下降趋势；图2(c)中的最大能容系数λmax随泵轮叶片厚度的增加呈下降趋势，表示液力变矩器能容随泵轮叶片厚度的增加而减小. 图3(a)中涡轮叶片厚度对于最高效率的影响随叶片厚度增加单调下降，但是根据最高效率值得下降区间来看，变化范围在0.01之内，所以此影响可以忽略不计；图3(b)中涡轮叶片厚度对于起动变距比主效应影响呈上升趋势，在厚度达到3.5 mm之后逐渐平缓；图3(c)中随涡轮叶片厚度的增加能容呈下降趋势.

由以上对于主效应图的分析可以看出，在泵轮、涡轮叶片厚度作为单一变量的变化过程中，对于变矩器效率的影响很小，可以忽略不计；泵轮叶片厚度的变化对于起动变矩比有一定影响，在4 mm的厚度变化区间中，起动变矩比单调下降，整体下降比例为4.8%；叶片厚度的改变影响最大的响应量为变矩器的能容特性，随着叶片厚度的增加，变矩器能容呈单调下降趋势，泵轮叶片在试验水平区间内，最大能容系数下降5.3%，涡轮叶片厚度在试验水平区间内，最大能容系数下降5.28%.

2.2 叶片厚度影响因素交互效应分析

交互效应是当试验因素取不同水平时，响应量随不同试验因素的变化趋势会有所改变，交互作用越强，对响应量的影响越大，变化趋势改变越大.

图4所示为泵轮叶片厚度为变量的对不同响应量的交互效应分析图，图中黑色曲线表示另一因素涡轮叶片厚度取值较小时，虚线曲线表示涡轮叶片厚度取值较大时. 针对三个响应量，二者的曲线并为相交，所以两个因素的交互影响作用并不明显.图4 (a)中最高效率随涡轮叶片厚度取值的大小几乎没有变化；图4(b)、图4(c)中，涡轮叶片厚度不论大小范围对于泵轮叶片厚度变化下起动变矩比和能容的影响一致.

图5所示为涡轮叶片厚度为变量对不同响应量的交互效应分析图，图5(a)中在泵轮叶片厚度取值较小和较大时，涡轮叶片厚度对最高效率的影响趋势在斜率和数值范围上基本保持一致；图5(b)和图5(c)中涡轮叶片厚度无论取值大小，其对于泵轮叶片厚度对起动变距比和能容系数的影响只在数值范围上有所不同，影响趋势保持一致.

根据交互作用的分析，两个试验因素泵轮叶片厚度和涡轮叶片厚度对于液力变矩器性能的影响交互作用并不明显，且影响趋势一致.

3 叶片厚度因素对性能影响数值变化

根据叶片厚度因素对于性能影响的主效应和交互效应分析，泵轮叶片厚度和涡轮叶片厚度的变化对于效率的影响作用和交互影响作用并不明显，二者对于变矩器性能的影响主要集中于在厚度变化的条件下对于变矩器本身传递转矩大小的影响. 如图6为固定其中一个叶片厚度为2 mm，改变另一叶片厚度时，变矩器输入转矩(液力变矩器泵轮转矩)的对比.

根据不同叶片厚度下泵轮转矩数值的对比图，泵轮转矩随着叶片厚度的增大而减小，尤其是在变矩器低速比状态下，转矩降低的效果比较明显. 在2 mm叶片厚度左右的范围内，泵轮转矩的数值变化较小，每增加0.5 mm厚度，泵轮转矩数值最大变化在0.7%，当叶片厚度超过3 mm时，泵轮转矩变化增大，每增加0.5 mm，泵轮转矩最大变化为2.3%.

根据图7中不同叶片厚度下涡轮转矩的数值对比，可以看出与泵轮转矩随叶片厚度的变化规律类似，涡轮转矩随叶片厚度的增加而下降，尤其是在变矩器低速比区域下降幅度较大. 叶片厚度在3 mm之内时，每增大0.5 mm厚度，涡轮转矩值下降幅度在0.5%，当叶片厚度超过3 mm时，涡轮转矩变化加快，每增加0.5 mm，泵轮转矩最大变化约为3.8%.

综上所述，叶片厚度的增加导致了液力变矩器传递转矩的下降，并且这种下降程度是由慢到快的. 由于液力变矩器所传递的转矩值直接影响到了汽车的动力性，所以在确定液力变矩器冲压叶片厚度时，既要确保厚度避免叶片在工作过程中出现强度问题，又要防止叶片厚度过薄而出现所传递转矩过小导致车辆动力性不足的问题，同时还要确保叶片具有较好的工艺成形性.

4 基于性能影响的叶片厚度优化

根据叶片厚度对于性能的影响，以泵轮叶片厚度Hp、涡轮叶片厚度Ht为设计变量，对叶片厚度进行优化. 由于叶片厚度对于效率影响可以忽略，所以以起动变矩比K0和最大能容系数λ0max为优化目标，建立如下优化模型：

设计变量为Hp,Ht;

由于叶片厚度对于变矩器转矩值的影响程度是由慢到快的，根据上文分析，在叶片厚度大于3 mm之后变矩器转矩值出现了显著下降，而叶片过薄在工作中易出现强度问题，所以将优化设计变量叶片厚度的取值范围限定在1.5～3.0 mm. 集成CFD分析与叶栅系统参数化建模建立性能优化平台，采用遗传优化算法搜索可行解[6-7]，得到目标函数最大值附近的可行解如表2.

表2 叶片厚度优化可行解

上述7组优化可行解中，没有能同时满足两个优化目标的解，但是7组解均在优化目标最大值附近. 此时的泵轮叶片厚度Hp范围在1.85～2.35 mm，涡轮叶片厚度Ht范围在1.90～2.25 mm，所以表示在此范围内变矩器性能参数达到最优. 由于叶片冲压需选用合适的钢板，而轧制钢板厚度大多数为标准厚度，从成本和工艺角度考虑需要将叶片厚度取2 mm.

5 试验验证

以优化实例叶片厚度为2 mm制造试验样机进行台架试验，试验结果验证仿真分析准确性. 进行变矩器验证样机原始特性试验，试验台布置简图如图 8.

试验设备主要有：动力电机、加载电机：功率630 kW，最高转速3 000 r/min；ZJ型转速转矩传感器，量程：5 000 N·m，用于输入、输出转矩和转速测量；备试件：液力变矩器验证样机；液力变矩器液压补偿系统泵站；压力传感器TPJ-1，量程:0～2.5 MPa，用于变矩器入口和出口压力测量；温度传感器PT100，量程:0～150 ℃,用于变矩器入口和出口温度测量. 试验用油采用壳牌液力传动油15 W/40，在油温15 ℃时，密度ρ=860 kg/m3. 进行牵引原始特性试验时，保持输入泵轮转速恒定为1 500 r/min，用加载电机加载，将液力变矩器速比调至预定值，稳定后同时采集输入、输出转速和转矩参数.

试验后得到的变矩器原始特性与仿真计算特性对比，如图9所示.

通过图9试验特性与模型计算特性对比，二者效率曲线吻合度较高，各工况点偏差范围在5%左右，变矩比在高速比时和能容系数在中间速比时相对偏差较大，但是最大偏差不超过10%，关键性能参数K0、ηma偏差在1%左右，λ0max偏差为4.8%，变矩器模型计算特性真实有效.

6 结 论

冲焊型液力变矩器的叶片厚度会对液力变矩器的性能产生影响，这种影响变现为主效应影响随着叶片厚度的增加而使变矩器能容下降，而叶片厚度的交互效应影响并不明显. 冲压叶片厚度的增加导致了液力变矩器传递转矩的下降，并且这种下降程度是由慢到快. 对进行冲压叶片厚度的优化时，要根据优化结果结合实际板材厚度选择合适的叶片厚度.