【文章內(nèi)容簡介】 以及葉片 β 角的 關(guān)系為： ?? sin?? FQVm （ 22） Vu 是絕對(duì)速度的圓周分速度： ? ? ??? c o tc o t mmu VuVuV ????? （ 23） 設(shè) TB ,TT ,T D 分別為泵輪、渦輪和導(dǎo)輪作用在液體上的轉(zhuǎn)矩，根據(jù)力學(xué)定律，在穩(wěn)定工況下，作用與液體的外傳矩之和應(yīng)為零，即： 0??? DTB TTT (24) 從上式可以看出作用在渦輪上的轉(zhuǎn)矩增加了，起到了變矩的作用 。 8 設(shè)計(jì)方法 液力變矩器早期研制，是憑經(jīng)驗(yàn)，采用多種模型及試驗(yàn)來篩選、改進(jìn)，最后定型。隨著技術(shù) 的發(fā)展，理論的建立，要求應(yīng)用計(jì)算方法來進(jìn)行設(shè)計(jì)，并使做出的產(chǎn)品的試驗(yàn)性能與計(jì)算性能相一致。液力變矩器的設(shè)計(jì)主要內(nèi)容有葉柵系統(tǒng)出入口參數(shù)設(shè)計(jì)、工作輪流道設(shè)計(jì)、特性計(jì)算、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。這些設(shè)計(jì)計(jì)算都是基于一維束流理論的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的主要缺陷在于：只有通過試制產(chǎn)品的性能和流場試驗(yàn)才能獲得改進(jìn)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，而試驗(yàn)和試制的費(fèi)用和工作量往往占據(jù)了整個(gè)設(shè)計(jì)開發(fā)的 80％以上。因此在設(shè)計(jì)階段獲得液力變矩器的流場信息，對(duì)于減少試制、試驗(yàn)次數(shù)，為設(shè)計(jì)工程師提供準(zhǔn)確的改進(jìn)信息有重要的意義。 根據(jù)掌握資料、設(shè)計(jì)要求和 達(dá)到目標(biāo)的不同，現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法 基本上 可 以 分為三 大 種 ： 相似設(shè)計(jì)法 以某種性能比較理想的液力變矩器作為設(shè)計(jì)基型，循環(huán)圓形狀、工作輪布置、葉型等均依其為據(jù)，用相似理論確定幾何參數(shù)。此法亦稱為基型設(shè)計(jì)法，其性能提高受所選 機(jī)型 限制，因而應(yīng)用中有局限性。 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法 以統(tǒng)計(jì)資料中所歸納出的規(guī)律、圖表為基礎(chǔ)，運(yùn)用自身的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行綜合分析，從而確定液力變矩器的結(jié)構(gòu)與參數(shù)。此法對(duì)已有液力變矩器進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)是方便的，但對(duì)全新設(shè)計(jì)的液力變矩器的性能預(yù)測精度是不高的；由于主要依據(jù)數(shù)據(jù)與圖表，所以不適合于優(yōu)化 設(shè)計(jì)和優(yōu)選參數(shù)，亦不便于用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析研究。 理論設(shè)計(jì)法 基于建模和計(jì)算的復(fù)雜性和液力變矩器流場的特殊性，液力變矩器葉片設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)已由一維流動(dòng)理論、二維流動(dòng)理論發(fā)展到三維流動(dòng)理論。 （ 1）一維流動(dòng)理論： 因液力變矩器的流道內(nèi)液體流動(dòng)較一般葉片機(jī)械的流動(dòng)復(fù)雜，所以盡管多元流動(dòng)及附面層理論研究取得了很大進(jìn)展，但距應(yīng)用到實(shí)際設(shè)計(jì)上還有一定距離。早期對(duì)液力變矩器中復(fù)雜的空間三維流動(dòng)在理論和試驗(yàn)方面研究都不夠深入，對(duì)其速度場和壓力場的分布規(guī)律研究存在很多空白。因此，為了對(duì)這樣的液體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行理論的分析研 究，必須通過某些假設(shè)加以簡化 。 首先，使空間的立體流動(dòng)簡化為平面的二維流動(dòng)，再進(jìn)一步簡化為單一的流線流動(dòng)，即用一條流線的流動(dòng)來代替空間的立體流動(dòng) ， 將工作輪中的總液流假設(shè)成由許多流束組成，認(rèn)為葉片數(shù)無窮多，厚度無限薄，忽略粘性對(duì)流場的影響，即 將工作液體在液力變矩器工作腔內(nèi)的空間三維流動(dòng)，簡化為一維流動(dòng)的理論，稱為一元束流理論。 其 簡化很大，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值，能反映流體作用的 9 宏觀效果，但不能正確反映宏觀效果的微觀原因，與液力變矩器實(shí)際內(nèi)流場差別較大。 一元束流理論首先為歐拉提出，并被廣泛應(yīng)用于葉片機(jī)械上，故 又稱為歐拉束流理論。 （ 2）二維流動(dòng)理論：在束流理論的基礎(chǔ)上，認(rèn)為工作輪中的液體只在垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的一組平行軸面內(nèi)的平面流動(dòng)，且其中每一平面的速度分布和壓力分布都是相同的，即流動(dòng)參數(shù)是兩個(gè)空間坐標(biāo)的函數(shù)。在給定了葉片的邊界形態(tài)和流量后，即可用數(shù)學(xué)物理方程求出該平面上任一點(diǎn)的流動(dòng)參數(shù)分布。該簡化對(duì)純離心式或軸流式工作輪中的實(shí)際流動(dòng)情況，較為接近；對(duì)常用的向心式渦輪液力變矩器來說，與實(shí)際流動(dòng)的差別仍然很大。 （ 3）三維流動(dòng)理論： 由于實(shí)際工作輪中流動(dòng)參數(shù)的變化，在空間三個(gè)坐標(biāo)方向都存在，因而，只有三元流動(dòng)理論才能 對(duì)實(shí)際流場進(jìn)行較正確的描述。 液力變矩器是流道封閉的多級(jí)透平機(jī)械，流道內(nèi)為復(fù)雜的三維粘性流動(dòng)。由于流道的曲率變化非常大，葉片的形狀也是三維的，這就造成液流沿著流線方向、圓周方向以及從內(nèi)環(huán)到外環(huán)都是變化的。另外，油液是有粘性的，這就必然會(huì)在流道壁面上出現(xiàn)附面層，由此還會(huì)引起“二次流動(dòng)”和“脫流”、“旋渦”等。要想 得到準(zhǔn)確的流場計(jì)算結(jié)果，必須對(duì)變矩器內(nèi)部流場進(jìn)行三維粘性流動(dòng)計(jì)算，直接對(duì) NS 方程求解。液力變矩器采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)研究液力變矩器內(nèi)部的流動(dòng)形態(tài)，但能反映變矩器內(nèi)部真實(shí)流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型還不 完善，有待進(jìn)一步研究和發(fā)展。 ??3 本章小結(jié) 本章介紹了液力變矩器的結(jié)構(gòu)型式，對(duì)液力變矩器的工作原理進(jìn)行了闡述，并指出了 導(dǎo)輪在液力變矩器中的重要作用，液流 經(jīng)過導(dǎo)輪葉片時(shí)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度可發(fā)生兩種變化，一是速度大小發(fā)生變化，二是速度方向改變 。對(duì)液力變矩器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了簡要闡述，指出了 幾種 液力變矩器設(shè) 計(jì)的重設(shè)計(jì)方法，對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。 10 第 3 章 傳動(dòng)方案論證 液力變矩器參數(shù)確定 此次要設(shè)計(jì)的是 CL165 液力變矩器， 液力變矩器的幾何參數(shù)是影響液力 變矩器性能的關(guān)鍵，它主要包括葉形參數(shù)和循環(huán)圓參數(shù)。 變 矩器葉片是復(fù)雜的空間幾何形狀，要想對(duì)其進(jìn)行完全精確的定義，只能直接通過三維模型進(jìn)行。在研究和設(shè)計(jì)工作中，為了描述的方便，主要采用各葉輪進(jìn)出口處的半徑和葉片角作為葉形參數(shù) ,具體要求及指標(biāo)為： 1. 額定力矩： 71N m，轉(zhuǎn)速 2200 轉(zhuǎn) /分鐘，功率： 92kw 2. 泵輪入口角 1B? =120176。 。導(dǎo)輪入口角 1D? =122176。 。渦輪入口角 1T? =48176。 泵輪出口角 2B? =122176。 。導(dǎo)輪出口角 1D? =38176。 。渦輪出口角 1T? =150176。 工作輪在循環(huán)圓中的排列位置 由于在循環(huán)圓中的排列位置的不同，變矩器 有以下幾種形式的工作輪。 ① 徑流式 這種工作輪與軸面圖（即沿變矩器旋轉(zhuǎn)軸心線的截面），液流沿著對(duì)片半徑方向流動(dòng)。若液流從小半徑向大半徑方向流動(dòng)，稱為離心式工作輪；反之，稱為向心式工作輪。徑流式工作輪均為單曲葉片。 ② 軸流式 這種工作 輪從周面圖看，液流 在葉片流道內(nèi)軸向流動(dòng)。 ③ 混流式 這種工作輪從周面圖看，液流在工作輪流道內(nèi)既有軸向流動(dòng)又有徑向流動(dòng)，它的葉片均為空間扭曲葉片。 圓形循環(huán)圓變矩器在多數(shù)情況下，采用混流式工作輪；長方形循環(huán)圓變矩器除了泵輪之外，其余工作輪多采用精餾式或者軸流式工作輪。 目前常用的汽車和工程機(jī)械用變矩器大多數(shù)按照泵輪 → 導(dǎo)輪 → 渦輪的順序進(jìn)行排列。 傳動(dòng)過程 及 類型 確定 相對(duì)于汽車液力變矩器導(dǎo)輪的低速不轉(zhuǎn)動(dòng)，高速時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。 由于此液力變矩器主要是用于增加扭矩，所以 CL165 液力變矩器的導(dǎo)輪 是固定 不轉(zhuǎn)動(dòng) 的。 壓力油經(jīng)過 發(fā)動(dòng)機(jī) 所 帶動(dòng) 的 泵輪旋轉(zhuǎn) 離心進(jìn)入渦輪，渦輪與輸出軸剛性連接，渦輪 受到泵輪離心出的油液沖擊轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)， 位于渦輪出口和泵輪進(jìn)口之間 的導(dǎo)輪 將渦輪出口 的液流 反向并使其流回泵輪。 完成一個(gè)工作周期，同時(shí)，液力變矩器泵輪殼體上裝有齒輪，與回油泵齒輪嚙合。從而能夠帶動(dòng)回油泵轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)其它工作部分進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。 這樣就可以確定 CL165 液力變矩器是正轉(zhuǎn)型，單級(jí)單相單導(dǎo)輪 混流式 液力變矩器 。 液流在變矩器內(nèi)的流向見 圖 31 11 圖 31 液力變矩器液流流向圖 本章小結(jié) 本章對(duì)液力變矩器的參數(shù)和 液力變矩器類型進(jìn)行了確 定。并了解了工作輪在循環(huán)圓中的排列位置的不同對(duì)于液力變矩器的性能有著很大的改變， 確定了一些列參數(shù)后，可以開始進(jìn)行液力變矩器的葉片設(shè)計(jì)了。 12 第 4 章 液力變矩器 的 葉片設(shè)計(jì) 液力變矩器葉片的設(shè)計(jì)流程 液力變矩器的設(shè)計(jì)主要是指變矩器的循環(huán)圓設(shè)計(jì)、葉片設(shè)計(jì)、特性計(jì)算、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及一些關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)，由于葉片參數(shù)直接影響到變矩器的性能，因而是液力變矩器的設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是葉片設(shè)計(jì)。 具體設(shè)計(jì)流程 如圖 41。 圖 41 變矩器葉片設(shè)計(jì)流程圖 循環(huán)圓的確定 過液力變矩器軸心線做截面。在截面上與液體相相接的界線形成的形狀，稱為循環(huán)圓。 由于軸線對(duì)稱，一般畫出軸線上的一半 ,如 圖 42。 課題 設(shè)計(jì)要求 循環(huán)圓確定 參數(shù)選擇 環(huán)量分配法計(jì)算 葉片三維造型 計(jì)算結(jié)果分析 符合設(shè)計(jì)要求 完成設(shè)計(jì) Y 13 圖 42 變矩器循環(huán)圓 循環(huán)圓實(shí)際是工作液體在各工作輪內(nèi)循環(huán)流動(dòng)是流道的軸面形狀，工作液體循環(huán)流動(dòng)是一個(gè)封閉的軌跡，因而起名為循環(huán)圓。 ??3 循環(huán)圓是由外環(huán)、內(nèi)環(huán)、工作輪的入口邊和出口邊組成的。外環(huán)是循環(huán)流體的外圈，內(nèi)環(huán)是循環(huán)流體的內(nèi)圈，入口邊和出口邊是各工作輪內(nèi)葉片的入口和出口邊得軸面投影，此外，再循環(huán)圓上，還表示出中間流線（或稱設(shè)計(jì)流線）。中間流線在液力變矩器內(nèi)是無形存在的，設(shè)計(jì)時(shí)是要用到的。中間流線可以根據(jù)外環(huán)與中間里流線過流面積和中間流線與內(nèi)環(huán)的過流面積相等的原則求出。 循環(huán)圓的最 大直徑，稱為液力變矩器的有效直徑 D。它是液力變矩器的特性尺寸。最大半徑為 Rac ，循環(huán)圓外環(huán)最小直徑為 d0 ，最小半徑為 Rc0 。循環(huán)圓寬度為 B。 設(shè)扣除發(fā)動(dòng)機(jī)各輔助設(shè)備所消耗功 率后由發(fā)動(dòng)機(jī)傳給變矩器泵輪軸的功率為 Pe ，發(fā)動(dòng)機(jī)軸與變矩器泵輪軸直接相連，則有 ne =nB ，傳給變矩器泵輪軸的轉(zhuǎn)矩為 ： TB =BBP? =Te =BePn30?? （ 41） 為適應(yīng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要，則循環(huán)圓的外圓直徑即有效工作直徑為 378mm。 已知外環(huán)后，開始確定內(nèi)環(huán)、設(shè)計(jì)流線。設(shè)計(jì)流線的原則是使液流速度沿流 14 道均勻變化。為此假定在同意過流斷面上各點(diǎn)的軸面流速相等，各相鄰流線所形成的流過面積相等。在任意元線上的流過面積 F 可按下列正即截頭圓錐體旋轉(zhuǎn)面公式 計(jì)算： F=??cos（ r2s — r2c ） （ 42） 試中 ? —— 元線相對(duì)垂線的夾角，所有元線均垂直于設(shè)計(jì)流線 rs —— 任意元線與外環(huán)交點(diǎn)上的半徑； rc —— 同一元線與內(nèi)環(huán)交點(diǎn)上的半徑； r —— 同一元線與設(shè)計(jì)流線交點(diǎn)上的半徑。 首先選定一些任意 的元線 ，并計(jì)算出 初步輪廓。半徑 rs 和角 ? 可從圖中量出，而 rs 和 rc 則可相應(yīng)地按 43 式計(jì)算 212 co s ?????? ?? ? ?Frr sc （ 43） 212 2co s ?????? ?? ? ?Frr s (44) 確定出內(nèi)環(huán)和設(shè)計(jì)流線。由于整個(gè)圓是由三段圓弧組成，內(nèi)環(huán)和中間線都是 ,不一樣的，將會(huì)在葉片設(shè)計(jì)中代入數(shù)值。 葉片的設(shè)計(jì) 泵輪 葉片的設(shè)計(jì) 角度要求： 進(jìn)口角 ??1201B? ； 出口角 ??1222B? 葉片設(shè)計(jì)是液力變矩器設(shè)計(jì)的核心問題，本次設(shè)計(jì)采用的是環(huán)量分配法。 環(huán)量設(shè)計(jì)法的理論基礎(chǔ)是速流理論，認(rèn)為其在選定的設(shè)計(jì)速比下，循環(huán)圓平面中間流線上每增加相同的弧長，液流沿葉片