提高车用液力元件功率密度的叶栅系统设计理论研究

本项目的研究对象是在各类车辆中广泛应用的液力传动元件的设计理论，目前国内外研究热点主要集中在工程适用的全三维设计理论及其高功率密度优化设计等方面。但当前在液力元件设计中存在如下瓶颈问题：1）传统束流理论采用经验公式对叶栅系统、尤其是循环圆的宽度进行刚性限制，但在原始特性上并没有体现其影响；2）循环圆参数描述及建模过于复杂，难以融入全三维优化设计体系中，这也一定程度上导致了束流理论与三维数值分析缺乏有效结合，设计耗时过长。因此，通过重建液力元件叶栅系统参数体系和循环圆形状，去除当前设计中所采用的大量经验公式，探索叶栅系统各个参数对原始特性的影响是解决上述问题的关键。本项目重点研究是：1）液力元件新型循环圆参数设计理论；2）叶片三维参数化几何模型建模方法；3）叶栅系统三维参数化优化设计方法。本项目所取得的成果将为各类车辆液力传动元件的高功率密度设计及其全三维设计提供理论依据。

提高车用液力元件功率密度，一方面可由提升外界转速实现，另一方面则可以从叶栅系统的三维流动优化设计着手，尤其需要考虑从将传统设计理论中循环圆宽度依赖与有效直径的现状转变为独立于有效直径的方法着手。本项目针对车用液力元件扁平化设计与三维优化技术开展相关研究。.首先，对传统循环圆构型方法进行分析，去除由给定经验公式确定的直径与宽度方向约束，将宽度与直径参数解耦，提出了在一定有效直径下可变宽度的柔性扁平循环圆设计方法。实现了循环圆最简参数设计，确定了传统循环圆由有效直径和最小直径两参数即可确定几何形状，而扁平循环圆再加上扁平比一参数即可实现对应循环圆设计，避免了传统方法涉及多段圆弧，且每段圆弧均要考虑圆心、半径、起始及终止角度等众多参数的问题。在此基础上，编制了传统及扁平循环圆设计程序，给出4种不同扁平比所对应的循环圆，验证了设计方法的有效性。.其次，对车用液力元件这类具有空间不可展叶片特征的叶栅系统，结合可变宽度柔性扁平循环圆设计方法，通过展开叶型多圆柱面投影方法的研究，提出了扁平循环圆叶栅系统设计方法并进行了验证，结果表明这种设计方法扁平比在理论上极限可压缩至0.19，此时轴向尺寸可减少至61.3%，工作腔体积可减少至40.9%，从循环圆扁平化角度有效提升了体积功率密度；同时对后续三维优化中决定优化规模的设计参数进行了参数敏感性分析，提取了关键参数，明确了显著影响传动性能的叶轮出口半径、循环圆宽度和叶片数目等参数和对应的影响规律。.最后，构建了液力元件叶栅系统三维优化设计的集成优化框架，通过流场数值模拟展开研究确定了适用于液力元件的计算网格和湍流模型；通过优化框架将循环圆设计、叶栅构型、流场分析、优化算法、试验设计与响应曲面进行集成。以最高效率为单优化目标，叶片数为变量，开展圆形循环圆叶栅系统三维优化设计，给出了给定叶型下的最佳叶栅数目；针对给定扁平比叶栅系统，以最高效率、起动变矩器和起动泵轮力矩系数为多优化目标，各叶轮内外环叶片入口和出口角度为变量，对叶栅系统性能进行了优化设计，给出了对应的Pareto解集，选取了对各优化目标权重分配不同的6组设计结果并进行了叶栅系统建模，完成了具有扁平循环圆特征的高功率密度特征液力元件叶栅系统优化设计。.本项目的相关研究成果可以有效地提升液力元件功率密度，为液力元件叶栅系统构型设计提供技术指导，并为液力元件三维流动设计奠定理论基础。