基于响应面的液力变矩器叶片优化设计

　　液力变矩器的效率、变矩比等特性对汽车动力性、经济性等有重要影响，而叶片参数又是影响变矩器性能的重要因素，因此，对变矩器叶片进行优化设计具有重要意义. 在液力变矩器设计初期，主要通过一元束流理论对其叶片进行优化^[1-3]，但该方法对流场特性作了很多假设，导致其设计及优化结果准确性不高. 目前主要采用三维流场数值计算方法对变矩器进行流场模拟^[4-5]，并在此基础上作进一步的优化设计^[6-8]. 但液力变矩器各工作轮叶片参数较多，每次参数修改后进行流场数值模拟及输出特性计算的工作量大，因此基于三维流场分析的变矩器叶片优化设计成为了一个难题. 文献^[9]中采用三维数值分析单独对泵轮部分叶片参数进行了研究，但没有考虑泵轮、涡轮和导轮三者叶片参数变化对变矩器整体性能的耦合关系，不能对变矩器整体性能进行优化.

　　针对上述方法的不足，文中首先对变矩器三维流场数值模拟方法进行研究，以保证流场计算的准确性; 然后采用响应面方法对各工作轮叶片参数进行优化设计，在保证较好优化效果的同时，提高了变矩器的优化设计效率.

　　1 液力变矩器流场分析

　　文中采用计算流体动力学( CFD) 方法对液力变矩器进行三维流场数值模拟及输出特性计算，并根据其存在的问题进行基于响应面的叶片优化设计研究. 因此，首先需要对变矩器的数值模拟方法进行深入的研究，提高流场数值计算结果的精度，以保证优化结果的可信度.

　　文中根据某轿车发动机的最大输出扭矩等相关参数和变矩器安装空间的尺寸要求，采用一元束流理论初步设计了一款液力变矩器，并以液力变矩器为对象进行优化设计研究. 液力变矩器各工作轮沿圆周方向对称，故在进行流场计算时可以只提取各工作轮的一个流道，形成一个完整的循环流道进行计算，以提高优化计算效率. 采用单元尺寸最大为1 mm 的六面体网格对流道进行离散，所建立的流道几何及有限元模型如图1 所示.

　　在图1 所示流道有限元模型的边界条件设置中，流道切割面为旋转周期性边界，各叶轮流道进出口设置为交界面，壁面为无滑移光滑壁面边界. 采用精度较好和稳定性较好的k-Epsilon 湍流方程[1]. 采用ANSYS( CFX) 软件进行流场数值模拟，并提取各工作轮叶片受到的液力扭矩进一步计算变矩器的效率、变矩比和能容系数等输出特性.

　　在上述的液力变矩器流场的CFD 数值模拟及输出特性计算中，计算得出的工作轮的转矩只是液力力矩，没有考虑机械损失的影响. 机械损失包括泵轮和涡轮轴承上的摩擦损失、密封件上的摩擦损失，以及泵轮和涡轮外表面与圆盘摩擦损失. 根据液力变矩器工作中泵轮和涡轮的动力传递关系可知，泵轮轴上的力矩为泵轮的液力力矩与机械损失力矩之和，涡轮轴上的输出力矩为涡轮液力力矩与其机械损失力矩之差. 考虑了机械损失后，泵轮和涡轮轴上的力矩计算公式为^[10]：