车用液力变矩器混合流道CFD仿真方法

刘树成　邢庆坤　李为薇　张　静

1.中国北方车辆研究所车辆传动重点实验室，北京，1000722.武汉大学，武汉，430072



车用液力变矩器混合流道CFD仿真方法

刘树成1邢庆坤1李为薇2张静1

1.中国北方车辆研究所车辆传动重点实验室，北京，1000722.武汉大学，武汉，430072

针对车用液力变矩器复杂动态过程中工作相位随时发生转换，不能及时判断相应流场结构的改变，难以对瞬时流场特性进行准确仿真的问题，基于传统变矩器CFD流道模型和导轮空转无叶片模型，建立了液力变矩器混合流道CFD仿真模型。该仿真模型可以自动识别变矩器变矩、偶合和功率反传等工作相位及其相位转换过程，并根据导轮是否空转自动选择相应流道模型。对某变矩器进行了一系列稳态通用特性和动态特性的仿真与试验研究，对比结果表明，液力变矩器混合流道CFD仿真方法对变矩器稳态和动态特性仿真精度较高，有效解决了变矩器复杂动态过程难以快速实时仿真的问题，具有一定的工程实际意义。

流体力学；液力变矩器；CFD；混合流道

0　引言

液力变矩器是车辆液力传动系统的重要组成部分，其工作过程一般分为三个阶段[1]：速比小于偶合工况转换点，为变矩工况；速比大于偶合工况转换点但小于1，为偶合工况；速比大于1，为功率反传工况。变矩器工况的转换称为换相，是变矩器内部常见的过渡工况。目前，液力变矩器内流场CFD数值仿真方法在研究其稳态和动态特性研究中应用广泛[2]。但在复杂动态过程中，变矩器内部相位转换频繁，难以及时做出判断，因而不能快速根据流场结构的改变，对瞬时流场特性进行准确仿真。

由于在变矩工况，变矩器各工作轮转速均为已知，所以进行内流场CFD仿真较为方便，而对于偶合工况和功率反传工况，导轮处于空转状态，且转速未知，进行内流场CFD仿真较为困难。对于导轮空转工况，文献[3-4]采用零转矩试算法(简称试算法)进行仿真，即设定初值-计算-修改初值-计算……多次反复直到导轮转矩接近于零，但流体网格数目较多或者瞬态求解时，每次试算耗时很长，多次反复试算工作冗繁；文献[5]在分析了导轮轴面和流面导流作用的基础上，基于导轮空转时流面导流作用近似为零，提出了导轮无叶片仿真方法，有效解决了导轮空转工况的快速仿真问题。

本文针对变矩器复杂动态过程的多工况转换问题，将传统变矩器流道模型和导轮无叶片模型有机结合，并根据仿真和实验数据制定模型选择方法，建立变矩器混合流道模型进行多工况动态过程仿真，并进行试验验证。

1　基本原理

(1)

(2)

2　偶合工况转换点

由于变矩器的通用特性，变矩器导轮开始空转的速比(偶合工况转换点)io随泵轮转速的变化而产生变化，因此需要首先得到io随泵轮转速nB变化的规律。

导轮无叶片和有叶片时的两种流道模型如图1所示。本文首先用常规流道模型，即导轮有叶片流道模型(图1b)进行仿真，以变矩器变矩比K开始变为1、导轮扭矩接近于0时的速比作为导轮开始空转的速比点，并与从液力变矩器试验数据中确定的偶合器工况转换点进行对比验证，如图2所示。

(a)导轮无叶片(b)导轮有叶片图1　两种液力变矩器流场仿真模型[5]

图2　导轮开始空转的偶合器工况转换点与泵轮转速的关系

图2中给出了泵轮转速范围为500～3000 r/min内仿真得到的偶合工况转换点，还给出了泵轮转速范围为1000～2100 r/min内由试验数据确定的偶合器工况转换点，从图中可见，随着泵轮转速的增大，偶合器工况转换点io有所增加，虽然试验数据有限且由于试验中受温度变化、油液黏度变化、测量误差等因素影响使偶合器工况转换点io产生一定波动，但仿真曲线仍能与之基本吻合，因此可以认为仿真模型计算得到的曲线函数就是所要求的io=io(nB)，其线性拟合公式为

(3)

3　混合流道CFD仿真模型

在研究变矩器动态特性时，在导轮开始空转前后，用单一传统流道模型难以有效仿真变矩器全部运转特性。因此，基于式(3)确定的偶合工况转换规律，将图1所示传统变矩器流道模型和导轮无叶片模型有机结合，建立车用液力变矩器混合流道CFD模型，模型结构如图3所示。其运行过程：在用CFD模型进行变矩器内流场动态特性仿真时，在每一个时间步内，按式(3)和瞬时nB确定出偶合工况转换点io，按照io进行模型划分，在i≤io时采用常规流道模型，即导轮有叶片流道模型(图1b)，在i>io时采用导轮无叶片流道模型(图1a)，并用CFD仿真模型计算得到液力扭矩与负载扭矩、机械损失扭矩和圆盘摩擦扭矩一起计算下一时间步开始时的泵轮和涡轮角加速度和转速，直到设定的全部时间步走完为止。

图3　液力变矩器混合流道模型动态特性仿真模型架构

基于Isight集成软件平台将上述混合流道的模型架构集成为变矩器混合流道集成仿真平台(图4)，该平台可以根据设定的动态工况进行变矩器动态特性实时仿真。

图4　基于Isight的变矩器混合流道集成仿真平台

4　仿真实例与试验验证

以某三元件综合式液力变矩器为研究对象，其有效直径400 mm，采用的工作油密度为860 kg/m3，动力黏度为0.0125 Pa·s。在泵轮恒定转速(2000 r/min)下，涡轮初始载荷为0，对涡轮输出轴按照设定的程序依次进行平稳加载，平稳卸载，急剧加载、急剧卸载工况下的性能仿真和试验。

参照液力变矩器性能试验标准GB/T 7680-2005，设计图5所示的变矩器性能试验台，依次进行变矩器通用稳态特性试验和设定的动态特性试验。在通用稳态特性试验中，设定一系列泵轮转速1000, 1200，…，2100 r/min，在每组恒定的泵轮转速下，涡轮转速按照速比i分别为0，0.1,0.2，…，1设定，依次测量变矩器输入输出的转速和扭矩，并整理出变矩器原始特性。在动态特性试验中，在恒定的泵轮转速2000 r/min下，涡轮转速从速比0.96开始，按照斜坡时间依次为30 s、10 s进行减速到0，或者从速比0开始，按照斜坡时间依次为30 s、10 s进行加速到速比0.96，采样频率80 Hz，记录该动态过程中输入输出的转速和扭矩，并整理出动态原始特性。

(a)试验台布局图

(b)性能试验台架图5　液力变矩器动态性能试验台

利用图4所示的液力变矩器混合流道集成仿真平台进行相同过程下的稳态与动态性能仿真。

现将CFD仿真结果与相应的试验数据进行对比验证。其中稳态通用特性仿真结果与试验数据的对比如图6所示，部分动态特性CFD仿真结果与试验数据对比结果如图7所示，图中nB、nT分别为泵轮和涡轮转速；TB、TT分别为泵轮和涡轮扭矩；i、K、η分别为无因次的速比、变矩比和效率；下标中，sim表示仿真结果，test表示试验结果。

(a)变矩器效率

(b)变矩器变矩比图6　液力变矩器通用特性仿真与试验对比

从图6中可见，仿真数据与试验数据绝大多数吻合良好，仅在速比接近于1的狭窄过渡工况仿真相对误差较大。其中效率预测的最大相对误差为11.9%，变矩比预测的最大相对误差为12.7%，且在较常用的牵引工况，仿真预测的效率和变矩比相对误差均小于10%，可见变矩器特性混合流道仿真模型对稳态通用特性的预测精度较高。

由图7所示的加减速动态特性对比结果可见，本文所建立的混合流道仿真模型能够很好地预测液力变矩器在动态过程中的性能。取相应时间点的仿真值与试验值比较，工作轮转速预测的最大相对误差为13.6%，液力扭矩预测的最大相对误差为11.1%，可见模型对动态特性预测的精度较高。

从上述动态性能仿真与试验数据中，各自提取变矩器的原始特性曲线，对比结果如图8所示，图中仿真模型预测的变矩器动态原始特性与试验吻合良好，这表明本文所建立的变矩器混合流道仿真平台具有较好的可信度。

(a)转速

(b)扭矩

(c)速比、变矩比和效率图7　设定动态工况的仿真与试验时间历程对比

图8　变矩器动态原始特性仿真与试验结果

5　结束语

液力变矩器混合流道模型适用于变矩器和导轮空转两种工况仿真时，可按照相位切换原则，灵活选用具体的工况模型，即可简化变矩器动态过程的CFD仿真过程，提高运行效率。

无论是液力变矩器稳态特性还是动态特性，用液力变矩器混合流道模型的仿真结果与试验数据均能吻合良好。这证明了本文所建立的液力变矩器混合流道仿真模型具有较好的性能预测精度，有效解决了复杂动态过程中变矩器内流场结构改变时的性能仿真问题。

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(编辑郭伟)

A Mixed Flow Channel CFD Simulation Method for Vehicle Torque Converter

Liu Shucheng1Xing Qingkun1Li Weiwei2Zhang Jing1

1.Science and Technology on Vehicle Transmission Laboratory， China North Vehicle Research Institute，Beijing,100072 2.Wuhan University,Wuhan,430072

In a complex dynamic process of hydrodynamic converter for vehicle, the work phase shift might occur at any time. Without identifying the changes of flow field in time, it could become difficult to simulate the transient flow performance. Based on traditional converter CFD channel model and bladeless channel model, a new hybrid-flow-channel CFD simulation model of hydrodynamic torque converter was established. This model might automatically identify the work phase and phase transition of torque changing, coupling and power reverse transfer. According to whether the stator wheel was idling or not, it automatically selected the appropriate model channel. A series of simulations and experimental studies of steady state and dynamic characteristics of a torque converter were conducted to validate the credibility of hybrid-flow-channal simulation model. The results show that the CFD simulation method of hybrid channels of the hydrodynamic torque converter is of high accuracy for the steady and dynamic simulation of the converter.

fluid mechanics; hydrodynamic torque converter; computational fluid dynamics(CFD);mixed flow channel

2015-06-01

产品创新国防基础研究项目(VTDP-3101)

TH137.332DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.07.023

刘树成，男，1986年生。中国北方车辆研究所车辆传动重点实验室工程师、博士。主要研究方向为车辆传动系统理论与技术。邢庆坤，男，1983年生。中国北方车辆研究所传动技术部工程师。李为薇，女，1994年生。武汉大学动力与机械学院本科生。张静，女，1988年生。中国北方车辆研究所传动技术部工程师。