本發(fā)明涉及一種汽車液力變矩器性能優(yōu)化方法，尤其是一種汽車液力變矩器泵輪優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

液力變矩器是液力機(jī)械式自動(dòng)變速器以及部分無(wú)級(jí)變速器中用于發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器之間傳遞動(dòng)力的裝置。裝備有液力變矩器的車輛具有自適應(yīng)性強(qiáng)，低速行駛通過(guò)性高與穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，并提高了汽車的乘坐舒適性以及車輛使用壽命。但是與機(jī)械傳動(dòng)相比，液力變矩器具有傳動(dòng)效率較低的缺點(diǎn)，因此有必要對(duì)液力變矩器的性能進(jìn)行優(yōu)化。目前轎車液力變矩器應(yīng)用較多的為泵輪、渦輪和導(dǎo)輪三工作輪液力變矩器，泵輪為液力變矩器的主動(dòng)件，通過(guò)焊接成一體的蓋總成與飛輪連接，把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液能，引導(dǎo)液體沖擊渦輪葉片，使葉片轉(zhuǎn)動(dòng)而驅(qū)動(dòng)渦輪，實(shí)現(xiàn)液能向機(jī)械能轉(zhuǎn)化。因此，優(yōu)化泵輪結(jié)構(gòu)對(duì)提高液力變矩器的性能具有重要意義。

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(lái)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(lái)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。目前使用較多的為一元束流理論計(jì)算模型，它對(duì)液力變矩器內(nèi)部流動(dòng)特征做了如液流等效地集中于一條由葉片曲面確定的流線內(nèi)流動(dòng)等假定。而液力變矩器內(nèi)流場(chǎng)屬于復(fù)雜的三維流動(dòng)，一些液流損失按固定流道方法計(jì)算與旋轉(zhuǎn)流道內(nèi)流動(dòng)不相符，再加上參數(shù)眾多，使得計(jì)算復(fù)雜困難。而且實(shí)際試驗(yàn)性能與計(jì)算性能差別很大，一般僅以計(jì)算作為初算，第一輪試制后再根據(jù)試驗(yàn)性能以一般理論為指導(dǎo)進(jìn)行修改設(shè)計(jì)，需要幾經(jīng)修改才能最后定型。或者設(shè)計(jì)多種工作輪，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)選配。研究的周期較長(zhǎng)、工作量大、成本費(fèi)用高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種汽車液力變矩器泵輪優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，具體步驟如下：

A.進(jìn)行泵輪參數(shù)化設(shè)計(jì)，包括泵輪循環(huán)圓設(shè)計(jì)和泵輪葉片設(shè)計(jì)，根據(jù)泵輪葉片個(gè)數(shù)得到泵輪三維參數(shù)化模型，所述泵輪三維參數(shù)化模型包括：泵輪葉片外環(huán)進(jìn)口角、泵輪葉片外環(huán)出口角、泵輪葉片外環(huán)二維設(shè)計(jì)曲線Conic參數(shù)、泵輪葉片外環(huán)二維設(shè)計(jì)曲線縱向偏移、泵輪葉片內(nèi)環(huán)進(jìn)口角、泵輪葉片內(nèi)環(huán)出口角、泵輪葉片內(nèi)環(huán)二維設(shè)計(jì)曲線Conic參數(shù)、泵輪葉片內(nèi)環(huán)二維設(shè)計(jì)曲線縱向偏移、泵輪葉片偏轉(zhuǎn)角、泵輪葉片數(shù)和泵輪葉片厚度；

B.對(duì)步驟A泵輪設(shè)計(jì)的參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，將泵輪三維參數(shù)化模型的參數(shù)簡(jiǎn)化至包括：泵輪葉片進(jìn)口角、泵輪葉片出口角、泵輪葉片卷曲角、泵輪葉片偏轉(zhuǎn)角、泵輪葉片數(shù)和泵輪葉片厚度；

C.對(duì)步驟B簡(jiǎn)化后的泵輪三維參數(shù)化模型進(jìn)行DOE分析，確定三個(gè)對(duì)液力變矩器綜合性能影響最大的設(shè)計(jì)參數(shù)；

D.對(duì)步驟C確定的三個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行CCD分析，得出獲取最大失速變矩比的參數(shù)值組合和獲取最大峰值效率時(shí)的參數(shù)組合；

E.對(duì)步驟D獲取的最大失速變矩比的參數(shù)值組合和獲取最大峰值效率時(shí)的參數(shù)組合，根據(jù)對(duì)液力變矩器評(píng)價(jià)指標(biāo)不同的需求，設(shè)置不同的權(quán)重，根據(jù)最大期望值求出要求的參數(shù)最佳組合。不同權(quán)重值的評(píng)價(jià)指標(biāo)期望值計(jì)算公式如下所示：

式中，d 為期望值，y1min,y2min分別為兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的期望最小值，為兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的期望值最大最小值的差值。

進(jìn)一步的，在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述步驟A中所述泵輪循環(huán)圓設(shè)計(jì)是：

根據(jù)汽車液力變矩器的性能要求和空間尺寸要求確定液力變矩器的有效直徑及外環(huán)尺寸；

外環(huán)尺寸確定后再根據(jù)循環(huán)圓液流面積比可以確定中間流線和內(nèi)環(huán)尺寸；

最后泵輪進(jìn)出口半徑確定后，完成泵輪循環(huán)圓的設(shè)計(jì)。

進(jìn)一步的，在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述步驟A中所述泵輪葉片設(shè)計(jì)是是基于保角變換原理進(jìn)行，

對(duì)泵輪葉片建立二維設(shè)計(jì)曲線參數(shù)化模型，其中對(duì)參數(shù)化進(jìn)行計(jì)算方程的輔助，計(jì)算模型如下：

其中α1，α1分別為進(jìn)口角和出口角，fc 為Conic參數(shù)，方程1為二維設(shè)計(jì)曲線的一般方程，方程2-9 為設(shè)計(jì)方程的求解方程，需要注意的是P0 的坐標(biāo)為（0,0），x2 為縱向偏移，y2 為對(duì)應(yīng)的循環(huán)圓曲線長(zhǎng)度。

進(jìn)一步的，在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述步驟D中，根據(jù)CCD分析結(jié)果進(jìn)行性能預(yù)測(cè)評(píng)估，是根據(jù)CCD計(jì)算分析結(jié)果進(jìn)行性能預(yù)測(cè)評(píng)估，應(yīng)用了回歸試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析方法，評(píng)估方程如下：

式中，y1,y2 分別為失速變矩比和峰值效率，A1至J1和A2至J2 分別為評(píng)估方程的評(píng)估系數(shù)，可以通過(guò)ANOVA(方差分析)方法求得。

本發(fā)明的有點(diǎn)在于，本發(fā)明不僅能夠縮短液力變矩器的研發(fā)周期，而且具有較高的精確度，大大降低了產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)成本，對(duì)提高汽車液力變矩器的液力性能具有重要意義。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明所述方法的流程示意圖；

圖2是泵輪循環(huán)圓設(shè)計(jì)示意圖；

圖3A是保角變換原理示意圖的軸面圖與正視圖；

圖3B是保角變換原理示意圖的設(shè)計(jì)平面視圖；

圖4是泵輪葉片二維設(shè)計(jì)曲線示意圖；

圖5A是泵輪葉片的設(shè)計(jì)流程示意圖步驟1；

圖5B是泵輪葉片的設(shè)計(jì)流程示意圖步驟2；

圖5C是泵輪葉片的設(shè)計(jì)流程示意圖步驟3；

圖5D是泵輪葉片的設(shè)計(jì)流程示意圖步驟4；

圖6是泵輪參數(shù)化設(shè)計(jì)模型圖；

圖7是泵輪參數(shù)化模型有效性仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證圖；

圖8是具有不同卷曲角的泵輪葉片對(duì)比圖；

圖9是CCD三元設(shè)計(jì)相應(yīng)面設(shè)計(jì)示意圖；

圖10是優(yōu)化前后液力變矩器性能仿真結(jié)果對(duì)比圖。

附圖標(biāo)記說(shuō)明

1-泵輪；2-渦輪；3-導(dǎo)論；4-內(nèi)環(huán)；5-外環(huán)；6-中間流線；7-泵輪進(jìn)口半徑；8-泵輪出口半徑；

41-進(jìn)口角；42-出口角；43-Conic參數(shù)；44-泵輪旋轉(zhuǎn)方向；

51-泵輪葉片內(nèi)環(huán)；52-泵輪葉片外環(huán)；53-泵輪葉片厚度。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的實(shí)例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的原件或具有相同或類似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

如圖1所述本發(fā)明主要流程是：

A.進(jìn)行泵輪參數(shù)化設(shè)計(jì)，包括泵輪循環(huán)圓設(shè)計(jì)和泵輪葉片設(shè)計(jì)，根據(jù)泵輪葉片個(gè)數(shù)得到泵輪三維參數(shù)化模型，所述泵輪三維參數(shù)化模型包括：泵輪葉片外環(huán)進(jìn)口角、泵輪葉片外環(huán)出口角、泵輪葉片外環(huán)二維設(shè)計(jì)曲線Conic參數(shù)、泵輪葉片外環(huán)二維設(shè)計(jì)曲線縱向偏移、泵輪葉片內(nèi)環(huán)進(jìn)口角、泵輪葉片內(nèi)環(huán)出口角、泵輪葉片內(nèi)環(huán)二維設(shè)計(jì)曲線Conic參數(shù)、泵輪葉片內(nèi)環(huán)二維設(shè)計(jì)曲線縱向偏移、泵輪葉片偏轉(zhuǎn)角、泵輪葉片數(shù)和泵輪葉片厚度；

在步驟A中，首先如圖2所示，是泵輪循環(huán)圓的設(shè)計(jì)。根據(jù)汽車液力變矩器的性能要求和空間尺寸要求確定液力變矩器的有效直徑及外環(huán)尺寸；外環(huán)尺寸確定后再根據(jù)循環(huán)圓液流面積比可以確定中間流線和內(nèi)環(huán)尺寸；最后泵輪進(jìn)出口半徑確定后，就可以完成泵輪循環(huán)圓的設(shè)計(jì)。

然后是泵輪葉片的設(shè)計(jì)。如圖3所示，本發(fā)明泵輪葉片的設(shè)計(jì)是基于保角變換原理進(jìn)行的。建立泵輪葉片參數(shù)化模型首先需要對(duì)二維設(shè)計(jì)曲線進(jìn)行參數(shù)化，如圖4所示。

需要說(shuō)明的是本發(fā)明泵輪的參數(shù)化模型是在三維設(shè)計(jì)軟件Creo中實(shí)現(xiàn)的。

圖4設(shè)計(jì)曲線的參數(shù)化需要計(jì)算方程的輔助，計(jì)算模型如下：

其中α1，α1分別為進(jìn)口角和出口角，fc 為Conic參數(shù)，方程1為二維設(shè)計(jì)曲線的一般方程，方程2-9 為設(shè)計(jì)方程的求解方程，需要注意的是P0 的坐標(biāo)為（0,0），x2 為縱向偏移，y2 為對(duì)應(yīng)的循環(huán)圓曲線長(zhǎng)度。

泵輪的循環(huán)圓與二維設(shè)計(jì)曲線確定后便可以分別求得葉片的內(nèi)外環(huán)三維設(shè)計(jì)曲線，由于汽車液力變矩器的泵輪葉片多為直葉片，再由葉片偏轉(zhuǎn)角便可以直接確定葉片設(shè)計(jì)曲面，加厚處理后可以求得泵輪葉片參數(shù)化三維模型，具體流程如圖5A至D所示。

泵輪循環(huán)圓和葉片三維參數(shù)化模型確定后，根據(jù)泵輪葉片個(gè)數(shù)就可以確定泵輪的三維參數(shù)化模型，如圖6所示。

為了驗(yàn)證參數(shù)化模型的有效性，以某款液力變矩器為例進(jìn)行了仿真計(jì)算，流場(chǎng)計(jì)算軟件為SRAR-CCM+，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看出，仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差在5%以內(nèi)，足以驗(yàn)證參數(shù)化模型的有效性。在低速比時(shí)偏差較大的原因是計(jì)算過(guò)高估計(jì)了液流沖擊損失，不影響結(jié)果的驗(yàn)證。

泵輪參數(shù)化模型設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及到的設(shè)計(jì)參數(shù)總結(jié)如表1所示，這里假定泵輪循環(huán)圓已經(jīng)確定，泵輪葉片外環(huán)進(jìn)口角、泵輪葉片外環(huán)出口角、泵輪葉片外環(huán)二維設(shè)計(jì)曲線Conic參數(shù)、泵輪葉片外環(huán)二維設(shè)計(jì)曲線縱向偏移、泵輪葉片內(nèi)環(huán)進(jìn)口角、泵輪葉片內(nèi)環(huán)出口角、泵輪葉片內(nèi)環(huán)二維設(shè)計(jì)曲線Conic參數(shù)、泵輪葉片內(nèi)環(huán)二維設(shè)計(jì)曲線縱向偏移、泵輪葉片偏轉(zhuǎn)角、泵輪葉片數(shù)和泵輪葉片厚度，共11個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)。

為了減小DOE分析的復(fù)雜度，需要對(duì)泵輪設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)一步處理。

B.對(duì)步驟A泵輪設(shè)計(jì)的參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，

液力變矩器的一個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)為葉片卷曲角，如圖8所示，具有不同卷曲角的泵輪葉片對(duì)比。泵輪葉片卷曲角可以由以上設(shè)計(jì)參數(shù)中的葉片進(jìn)口角，葉片出口角和葉片二維設(shè)計(jì)曲線的Conic參數(shù)確定（循環(huán)圓已經(jīng)確定條件下）。此外，泵輪葉片內(nèi)環(huán)的進(jìn)出口角度可以用葉片進(jìn)出口角（中間流線上對(duì)應(yīng)的角度）來(lái)表示。因此泵輪11個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)可以簡(jiǎn)化為6個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，包括：泵輪葉片進(jìn)口角、泵輪葉片出口角、泵輪葉片卷曲角、泵輪葉片偏轉(zhuǎn)角、泵輪葉片數(shù)和泵輪葉片厚度。

C.對(duì)步驟B簡(jiǎn)化后的泵輪三維參數(shù)化模型進(jìn)行DOE分析，確定三個(gè)對(duì)液力變矩器綜合性能影響最大的設(shè)計(jì)參數(shù)；

DOE（實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)）分析能夠在不影響仿真結(jié)果得出科學(xué)結(jié)論的前提下最大限度的減少仿真計(jì)算的次數(shù)，縮短仿真計(jì)算周期。

下面進(jìn)行DOE設(shè)計(jì)，選擇6因素5水平設(shè)計(jì)L25(56),共需要計(jì)算25個(gè)算例。正交試驗(yàn)表如表1所示。

液力變矩器眾多評(píng)價(jià)指標(biāo)中，一般用失速變矩比來(lái)表征動(dòng)力性，用峰值效率來(lái)表征經(jīng)濟(jì)性。因此取失速變矩比和最高效率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

對(duì)各設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)極差分析和貢獻(xiàn)度分析，可以求出不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響程度大小。通過(guò)仿真計(jì)算及DOE分析，可以最終確定三個(gè)對(duì)液力變矩器綜合性能影響最大的設(shè)計(jì)參數(shù),分別用A1、A2和A3表示。

D.對(duì)步驟C確定的三個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行CCD分析，得出獲取最大失速變矩比的參數(shù)值組合和獲取最大峰值效率時(shí)的參數(shù)組合；

對(duì)已經(jīng)確定的三個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)A1、A2和A3進(jìn)行CCD分析，CCD設(shè)計(jì)屬于響應(yīng)面設(shè)計(jì)的一種，響應(yīng)面設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案即可以采用實(shí)際水平表達(dá)又可以采用編碼表達(dá)。編碼表達(dá)中，每個(gè)因子均采用-α、 -1、0、1、α 5個(gè)水平編碼，只含編碼-1、1的設(shè)計(jì)點(diǎn)稱作析因設(shè)計(jì)點(diǎn)，只含編碼0的設(shè)計(jì)點(diǎn)稱作中心點(diǎn)，只含編碼-α、0或α、0的設(shè)計(jì)點(diǎn)稱作主軸點(diǎn)或α設(shè)計(jì)點(diǎn)。三元設(shè)計(jì)響應(yīng)設(shè)計(jì)的3種設(shè)計(jì)點(diǎn)可用三維直角坐標(biāo)系中的點(diǎn)表示，如圖9所示。

本發(fā)明應(yīng)用的CCD設(shè)計(jì)方案如表2所示。

根據(jù)CCD計(jì)算分析結(jié)果進(jìn)行性能預(yù)測(cè)評(píng)估，應(yīng)用了回歸試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析方法，評(píng)估方程如下：

式中，y1,y2 分別為失速變矩比和峰值效率，A1-J1和A2-J2 分別為評(píng)估方程的評(píng)估系數(shù)，可以通過(guò)ANOVA(方差分析)方法求得?；谠u(píng)估方程，首先可以進(jìn)行各參數(shù)間的響應(yīng)面分析，從而能夠了解到各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響趨勢(shì)，為設(shè)計(jì)優(yōu)化的方向提供初步的指導(dǎo)。

E.對(duì)步驟D獲取的最大失速變矩比的參數(shù)值組合和獲取最大峰值效率時(shí)的參數(shù)組合，根據(jù)對(duì)液力變矩器評(píng)價(jià)指標(biāo)不同的需求，設(shè)置不同的權(quán)重，根據(jù)最大期望值求出要求的參數(shù)最佳組合。不同權(quán)重值的評(píng)價(jià)指標(biāo)期望值計(jì)算公式如下所示：

式中，d 為期望值，y1min,y2min分別為兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的期望最小值，為兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的期望值最大最小值的差值。

本發(fā)明對(duì)示例液力變矩器進(jìn)行了優(yōu)化，并將兩評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重均設(shè)置為1，最終求得一組最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)。然后輸入最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)值，自動(dòng)更新參數(shù)化模型，對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示，與初始模型相比，優(yōu)化后的液力變矩器失速變矩比和峰值效率分別提高了1.62%和1.1%。圖10為優(yōu)化前后的液力變矩器性能仿真結(jié)果對(duì)比，可以看出優(yōu)化后各性能均有所提高。