毕业设计（论文）CL180液力变矩器的循环圆设计.doc

摘 要液力变矩器的结构设计。液力变矩器设计在此主要是变矩器循环圆设计，叶片设计以及一些关键部件的设计。液力变矩器设计的关键是叶片设计，同时，本文还介绍了液力传动的发展和应用概况等。本文叶片设计所使用的方法是环量分配法，通过已知数据和相关公式经过计算设计出了循环圆、泵论、涡轮、导轮。对液力变矩器的基本原理、特性、结构特点、工作特性、等进行充分的了解和掌握，在具体的要求及指标下，如额定力矩、转速、功率、泵论出口角、涡轮出口角、导轮出口角等，设计出最佳、最合理的结构，以求最好的满足设计要求和实际的需求。关键词：液力变矩器 循环圆 叶片设计 环量分配法AbstractStructural design of the torque converter.Torque converter torque converter design cycle in this round is mainly designed，Blade design and the design of some key components. Because the torque converter directly affect the converter leaves the performance parameters，the torque converter design is the key blade design. Meanwhile, the article describes the development and application of hydraulic transmission profile and so on. This blade design is used in circulation distribution method, through the known data and design a formula for calculating the cycle through the circle, pump theory, turbine, guide wheel The basic principle of the torque converter, properties, structural characteristics, job characteristics, such as the full understanding and grasp，In the specific requirements and targets, such as the rated torque, speed, power, pump on the outlet angle, turbine outlet angle, guided round exit angle， Design the best and most reasonable structure, in order to best meet the design requirements and actual needs. Keywords: Torque converter；Circulation round；Blade design；Central volume of distribution method目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1液力传动的发展和应用概况11.2 液力变矩器国内外研究与应用现状11.2.1 液力变矩器国外研究与应用11.2.2 液力变矩器国内研究与应用21.3 本课题研究的目的和意义31.4 本课题主要研究内容4第2章 液力变矩器的研究进展52.1液力变矩器流动理论研究进展52.2液力变矩器设计方法研究进展5第3章 液力变矩器的传动方案论证73.1 液力变矩器的基本结构和工作原理73.2 液力变矩器的特性113.3 传动方案13第4章 液力变矩器叶片设计144.1循环圆的确定144.2泵轮叶片的设计154.3涡轮叶片设计194.4导轮叶片设计22第5章 总结25参考文献26致 谢27第1章 绪论1.1液力传动的发展和应用概况自20世纪初德国人盖尔曼·费丁格发明液力传动以来，由于其独特的优点，首先被应用于船舶工业，第二次世界大战以后在矿山、工程机械、汽车、履带牵引车等行业得到广泛应用。液力传动与机械传动相比较具有以下一些主要优点：13a.自动适应性好。液力传动具有根据负载变化自动变矩、变速的能力，其与发动机之间的良好匹配，可以大大地改善发动机的输出特性，充分发挥发动机功率并可防止发动机过载或突然熄火；b.提高动力传动部件的使用寿命。液力元件可以衰减发动机曲轴的扭转振动，可以大大降低行走系统传来的或传动系统中产生的动负荷，可以提高发动机和传动部件的使用寿命，以重型汽车为例，在采用液力传动后，发动机寿命增长47%，变速箱寿命增长400%，后桥差速器寿命增长93%；c.提高了车辆的通过性能。液力传动系统具有良好的低速稳定性能，可以提高车辆在松软路面上的通过性；d.工作轮之间无机械磨损，使用可靠，寿命长，维护简单；e.提高了车辆的操作舒适性。采用液力传动后，车辆可以平稳起步并在较大范围内无级变速，并可吸收和消除冲击与振动，同时可以减少变速箱的排挡，从而提高了车辆的舒适性。液力传动系统的缺点主要是传动效率较低、结构复杂、重量和制造成本比机械传动系统高。总的来说，液力传动的优点是主要的，决定了其在各个部门的广泛应用。液力传动发展至今，应用不断扩大，从汽车、工程机械、军用战车到石油、化工、矿山、冶金机械等领域都得到了广泛地应用。液力传动的一些缺点也是可以克服或减小其影响的，例如，通过采用装备闭锁离合器的液力变矩器或采用自由轮导轮结构的液力变矩器提高高速时的效率等。1.2 液力变矩器国内外研究与应用现状1.2.1 液力变矩器国外研究与应用 近年来，美国、德国、韩国、日本等国家均投入大量资金对液力变矩器进行深入的研究，尤其是随着CFD技术走向工业应用阶段，全三维粘性流动分析技术趋于成熟，使得精确求解流体机械内的复杂流动成为可能，它能比较正确地计算模拟流体的真实流动，能比较正确地预测其中流场的涡旋、回流，二次流和损失等流动现象，较精确地预测流体机械的性能。他们的许多研究团队利用CFD技术和数值模拟计算方面进行了大量的研究，根据流场计算结果预测变矩器的性能，改进了传统的液力变矩器设计方法。为液力变矩器的研制和改进提供了可靠依据。综合公开发表的文献，主要的研究小组和单位有:美国宾夕法尼亚州立大学，美国弗吉尼亚大学，韩国Kyun即ook国立大学，德国，日本Nissan公司研究中心2。国外已普遍将液力变矩器应用于工程机械、轿车、重型汽车、公共汽车、豪华型大客车、牵引车及军用车辆等。在工程机械领域，卡特皮勒、小松等一些行业巨头早在上个世纪中期就为其产品上装配了液力变矩器，以提高其产品的性能。以美国为例，自20世纪70年代以来，每年在轿车上液力变矩器的装配率达到900/0以上，而在城区公共汽车上的装配率几乎达到100%。还有某些非公路车辆，坦克以及军用车辆上也装备了液力变矩器。除美国外，其它国家的汽车工业中，比如日本的丰田、日产公司，德国的奔驰、伦克公司以及意大利的菲亚特公司等都生产了装配有液力变矩器的汽车4。1.2.2 液力变矩器国内研究与应用我国变矩器的研究工作比国外无论是在实验和理论方面的研究都有很大的差距，起步晚，起点低。综合国内一些关于液力变矩器的研究论文，发现主要有以下机构和个人进行了变矩器相关领域的研究工作：吉林大学，北京理工大学。哈尔滨工业大学，江苏理工大学，江苏理工大学。我国早在上世纪50年代就将液力变矩器应用到红旗牌高级轿车上，开创了我国独立设计、制造液力变矩器的历史。1958年，我国机车行业自行研制的卫星(也称东方红I号)内燃机车装配了三个液力变矩器:一个启动液力变矩器，两个运转液力变矩器。液力传动在国内工程机械上的应用始于60年代，当时由天津工程机械研究所和厦门工程机械厂共同研制的ZL435装载机上就装配有液力变矩器。70年代开始将液力变矩器应用于重型矿用汽车上。80年代由天津工程机械研究所研制开发了“YJ单级向心涡轮液力变矩器叶栅系统”和“YJSw双涡轮液力变矩器系列”5。两大系列目前己成为我国国内工程机械企业的液力变矩器的主要产品。80年代北京理工大学为军用车辆研制开发了Ch300、Ch400、Ch700、 Chl000系列液力变矩器，突破大功率、高能容、高转速液力变矩器的设计与制造关键技术，满足了军用车辆的使用要求。同国外相比，我国车辆应用液力变矩器虽然有了一定基础，但应用范围窄，数量较少，在中型载货汽车、公共汽车、越野汽车等车辆上应用极少甚至没有应用。西部大开发和我国经济的大发展，交通运输、水利水电、建筑业、能源等领域将是未来的发展重点，因此液力变矩器在我国有着广阔的市场。20世纪末，伴随着我国基础工程建设速度的加快，工程机械行业发展十分迅速，对变矩器的需求量不断增大，这也加速了国内为数不多的几个变矩器生产商之间的竞争。这些企业纷纷扩大生产规模，改善生产工艺，提高产品的市场占有率和竞争力，为国内变矩器发展奠定了基础。近年来，随着国内车辆制造行业竞争的不断加剧，使得主机生产商对变矩器的工作性能要求不断提高。1.3 本课题研究的目的和意义本课题是对液力变矩器结构进行设计，通过设计，对液力变矩器的基本原理，特性，结构特点，工作特性等进行充分的了解和掌握，在具体的要求及指标下如额定功率，转速，功率，泵论出口角，涡轮出口角，导轮出口角等，设计出最佳，最合理的结构，以求最好的满足设计要求。液力变矩器是车辆传动系统中自动变速、变矩的关键部件之一，其最主要的作用是自动适应负载的变化，改变扭矩，并能在有限范围内实现自动变速。一方面要提高液力变矩器的工作效率，提高能量的利用率，降低能量损失，另一方面提高产品的可靠性和疲劳寿命，缩短产品研发周期等对我国经济建设和发展有着重要的实际意义。早在上个世纪，美国、韩国等国家就十分重视能源的利用效率，纷纷投入巨资对液力变矩器效率进行系统的研究。能源比较匾乏的日本，很早就意识到这些问题，在20世纪90年代初期就曾极力号召社会节约能源，反映在工程机械领域，就是要尽量的提高传动部件的传动效率，其中液力变矩器的工作效率的提高备受关注。液力变矩器工作油液在带叶片的泵轮、涡轮、导轮叶栅形成的封闭流道结构中流动，流动状况非常复杂。这些流道结构的内环、外环以及叶片的表面都是较为复杂的空间三维扭曲面，并且流道结构在流向上的曲率半径变化也是比较大。正是基于以上原因，使得工作油流沿着结构流线方向、周向以及从内环面到外环面的方向都是无规律变化的，从而决定了油液流动状态的复杂性。另外，泵轮、涡轮、导轮之间存在干涉，而且传动油是有粘性的，这就使得流道的各个侧面上产生边界层，同时还会引起二次流、涡流、回流等。这些软件的出现，为解决饭金变矩器内流场分析提供了保证，为饭金型变矩器性能设计研究打开了一扇窗户。随着科学技术的不断发展，液力变矩器的设计和制造水平也在不断提高，如三维流动理论、数值模拟仿真和优化设计等先进方法的应用，使液力变矩器的效率得到明显提高，液力变矩器特性曲线不断改进，从而优化发动机和液力变矩器的匹配，使液力变矩器更多地工作在高效区，提高两者共同工作时的经济性和动力性。1.4 本课题主要研究内容本课题是对Cl180液力变矩器进行结构设计，题目内容：液力变矩器是以液力传动油作为工作介质的液力传动机械，利用油液动量矩的变化实现扭矩转换和传递。使用液力变矩器，可以实现发动机轻载启动，有效隔离和吸收来自发动机和传动系统的振动，实现柔性传动；它能够使车辆根据负载和道路阻力的大小，自动调整行驶速度和牵引力，实现无级变速，提高通过性能，减少换挡次数，改善驾乘的舒适度，并能提高发动机和传动系统的使用寿命。因此，它广泛应用于汽车，叉车，工程机械等领域。具体要求及指标：1额定力矩：140N·m,转速：1800转/分，功率：147kw2泵论出口角 B2=110；涡轮出口角T2=142；导轮出口角D2=33。第2章 液力变矩器的研究进展2.1液力变矩器流动理论研究进展液体在液力变矩器工作轮流道中的流动是粘性、不可压缩的三维湍流流动。由于液力变矩器的流场非常复杂，长期以来在工程中普遍采用的是一维束流设计理论，由于它的简便性和一定的合理性，因而在工程上具有实用价值，目前仍是液力变矩器的主流设计理论。一维束流理论的优点是物理概念明确、设计计算简单、易于掌握等优点。在一维束流理论的基础上发展了二维流动理论。这种理论认为，工作轮中的流动只在一组轴面内进行，且其中每一平面的速度分布和压力分布都是相同的，即流动参数是两个空间坐标的函数5。在给定了叶片的边界形态和流量后，即可用数学方程求出该平面上任一点的流动参数。在二维流动理论基础上建立起来的二维或准二维性能预测和叶栅设计方法，把原来由平均流线所代表的进、出口速度和叶片参数改为沿进出口边或沿内外环具有某种变化规律的分布。应用二维流动理论，人们对液力变矩器的性能预测、叶片设计及绘制方法等进行了大量研究，取得了较好的效果。尽管人们对液力变矩器内部流场的研究已经取得了一定的进展，但是由于液力变矩器内部流场的特殊性和复杂性，完全抛开一维束流理论来进行液力变矩器设计计算的条件还不成熟，能准确反映液力变矩器内部流场状况的理论尚未形成，液力变矩器的研究设计方法并没有从根本上得到改善，对液力变矩器还不可能进行一步到位的设计，往往要有多次反复，需要做大量的实验。2.2液力变矩器设计方法研究进展液力变矩器的设计内容主要有叶栅进、出口参数设计，液流流道设计，特性计算，整体结构设计及供油系统设计。叶栅进、出口参数设计是指根据给定的性能指标确定最佳的叶栅进、出口参数，包括流道的进、出口宽度和半径以及叶片的进、出口角度和厚度。目前采用的设计方法有三种：基型设计法、统计设计法和基于流场理论的设计法。基型设计法选择性能与设计要求接近的液力变矩器作为设计基型，循环圆的形状，叶轮的布置，叶片的形状，叶片的数目，各种计算系数均参考基型选择，几何尺寸按相似原理进行确定。统计设计法根据现有液力变矩器的种类和性能指标，有针对性地进行综合分析，统计出液力变矩器的性能、叶轮尺寸及叶片角度的关系，制定出图表或解析式作为设计的参考。设计时根据性能要求选定一些参数作为设计计算的初始点，根据统计图表或解析式确定所设计的液力变矩器的各项参数。基于流场理论的设计法根据流束理论及守恒定律建立叶栅进、出口参数设计计算的基本数学关系式，根据设计性能要求及制造工艺条件建立约束方程，然后通过选择合适的优化目标函数、优化计算方法及初始参数进行设计计算6。液流流道是由循环圆内、外环曲面及叶片曲面组成的，其设计包括循环圆设计和叶片设计。循环圆设计是确定循环圆的外环形状、内环形状、设计流线形状及叶片的进、出口边的轴面位置和形状。闫清东等提出变矩器叶栅的反向设计方法，对测绘数据进行曲面重构，并利用UG/open API对该方法进行软件的二次开发。李有义等研究了液力变矩器叶栅绘形的计算机辅助设计方法，提出了液力变矩器叶栅绘形的三维模型设计方法。王健等探讨了液力变矩器的CAD/CFD/CAM一体化设计。这些研究成果表明：我国在液力变矩器设计方法和设计手段方面取得了较大进步。第3章 液力变矩器的传动方案论证3.1 液力变矩器的基本结构和工作原理单级单相液力变矩器由泵轮（B）、涡轮（T）和导轮（D）组成，它们的一种组合方式如图2-1所示。该液力变矩器的泵轮轴、涡轮轴均通过轴承支承在壳体的轴承座上，而导轮是在变矩器壳体上固定的。变矩器的过流部分具有内外环和若干弯曲的叶栅，通常把轴面（包含旋转轴线的剖面，亦称作子午面）内所形成的内环与外环之间的面积称为液力变矩器的循环圆。液体在液力变矩器内进行能量传递的场所，就是由循环圆所构成的回转体空间。图2-1 液力变矩器结构原理图液力变矩器的工作原理可以简单地理解为离心式水泵与水涡轮的结合，所不同的是取消了二者之间的连接管道和增加了一个导轮。液力变矩器的简单工作过程是：在循环圆中充满了工作油，当发动机驱动泵轮高速旋转时，泵轮流道中的液体在叶片力的作用下一面以牵连运动随叶片同相旋转，另一面又顺着叶片以相对运动向四周射出，最后液体以很大的绝对速度从叶片出口离开泵轮，经过无栅区后去冲击涡轮的叶片，由此推动涡轮旋转。由涡轮流出的液体经过导轮再流回泵轮，从而构成液力变矩器内液体的封闭循环。如果将上述过程以能量的转换的观点来解释，则可以认为：在液力变矩器内，工作油被旋转着的泵轮加速，产生了将泵轮转速扭矩的功率形式转换为工作液体的流量和压头的功率形式，也就是把机械能转化为流体的动能；工作液体流经涡轮时产生了与以上情况完全相反的作用，即通过流体减速将其流量压头的功率形式转换为转速扭矩的功率形式，也就是说把工作液体的流体能转变为机械能对传动系统输出。在能量传递中涡轮输出扭矩与泵轮输入扭矩之差由固定的导轮承受，导轮还起到把从涡轮出来的工作油引回到泵轮，从而形成液流循环的作用。液力变矩器的循环圆表示了各工作轮的相互位置、通道几何形状以及各轮叶片的进出口半径与宽度，它基本上概括了液力变矩器的主要特征。液力变矩器循环圆见图2-2。图2-2 变矩器循环圆图单级单相液力变矩器根据泵轮（B）、涡轮（T）和导轮（D）在循环圆内布置的位置不同，可以分为向心式液力变矩器、轴流式液力变矩器和离心式液力变矩器，其工作叶轮布置形式分别见图2-3。图2-3 单级单相变矩器工作叶轮布置形式若不计液流在叶轮中的液力损失，单位质量流体流过叶轮时所获得的能量称为叶轮的理论能头，以Ht表示；速度矢量在某一封闭周界切线上的投影沿着该周界的线积分，称为速度矢量沿着周界的速度环量，以表示，由于液流在叶轮内的流动是轴对称的，所以对于叶轮，其平均流线上某一点的速度环量为该点的圆周分速度与其所在位置的圆周长度的乘积；叶轮对液流的作用力矩，称为液力力矩，其与流体作用在叶轮上的力矩大小相等方向相反，以M表示。由欧拉方程可知，理论能头、液力力矩与速度环量的关系分别式中， 叶轮角速度Q循环流量液体密度对于液力变矩器，泵轮、涡轮和导轮对液流的作用力矩MB、MT、MD分别为： 因叶轮无叶片区中B2=T0，T2=D0，D2=B0，可知，各叶轮间的力矩之和恒等于零，即上式称为液力变矩器的力矩平衡方程。由于在一般工况下，>0，因此即涡轮的液力力矩一般要比泵轮液力力矩大，这就是液力变矩器为什么能够增大输出力矩的原因。一般在涡轮制动（失速）工况下，涡轮输出力矩可比泵轮力矩增大25倍。一般地，我们习惯将泵轮输入扭矩和涡轮输出扭矩分别称为泵轮扭矩和涡轮扭矩，分别用和表示，需注意二者与前述泵轮和涡轮对液流的作用力矩即液力力矩是有所区别的，泵轮扭矩与泵轮液力力矩大小相等方向相同，而涡轮扭矩与涡轮液力力矩大小相等方向相反。本文下述的泵轮扭矩MB和涡轮扭矩MT分别代表泵轮输入扭矩和涡轮输出扭矩。液力变矩器的涡轮扭矩与泵轮扭矩之比称为变矩器的变矩系数，亦称动力学传动比，用K表示，变矩器的涡轮转速与泵轮转速之比称为变矩器的转速比，用i表示， 变矩器输出轴功率与输入轴功率之比称为变矩器的效率，用表示，有关系式液力元件传递功率的能力称为能容，用泵轮力矩系数B作为评价能容大小的参数；B与泵轮扭矩及泵轮转速有如下关系：液力变矩器的泵轮扭矩随涡轮转速（亦即涡轮轴上的载荷）的改变而变化的性能称为变矩器的透穿性。若常数且MB随转速比i的减小（即减小）而增加时，则液力变矩器的特性为正透穿的；若常数且不随转速比i的变化（即的变化）而改变，其值恒为常量时，则液力变矩器的特性为不透穿的；若常数且随转速比i的减小（即减小）而减小时，则液力变矩器的特性为负透穿的。液力变矩器的透穿性一般用透穿系数T表示， 其中，B0零速工况的泵轮力矩系数 Bi某一工况的泵轮力矩系数，视变矩器不同形式而定，有的采用偶合工况的Bh，有的采用最高效率工况的B。在相同的循环圆直径D下，向心式液力变矩器较轴流、离心式液力变矩器的能容大、透穿系数较大和最高效率较高，但零速变矩系数K0小；离心式液力变矩器有较大的零速变矩系数K0和近于不透穿的性能；轴流式液力变矩器的性能介于前二者之间。向心式液力变矩器多用于载重汽车、拖拉机、石油机械以及工程机械中的装载机、平地机、叉车等产品；轴流式液力变矩器多用于挖掘机；离心式液力变矩器多用于内燃机车和起重机。图2-4 CL180液力变矩器的装配图3.2 液力变矩器的特性液力变矩器的特性是表示变矩器各输出和输入参数之间函数关系的曲线。变矩器的特性曲线一般是通过台架试验取得的。根据液力变矩器内部的功率传递和涡轮旋转方向的不同，液力变矩器的工作可划分为牵引工况、反转工况及超越工况。包含牵引工况、反转工况和超越工况特性的全部曲线，称为液力变矩器的全特性曲线。如图2-5所示。1反转制动工况区2牵引工况区3超越制动工况区4反传工况区图2-5 变矩器全特性曲线牵引工况一般也被称为正常工况。此时0i1，由泵轮驱动涡轮转动，涡轮转速小于（或等于）泵轮转速。在该工况下，涡轮的输出扭矩MT始终为正值；反转工况又称为反转制动工况，此时i0，涡轮在外载荷带动下反转，泵轮仍保持正转；超越工况又称超速工况，此时i1，又可分为超越制动工况和反传工况，前者泵轮扭矩MB0而涡轮扭矩MT0，涡轮从外界输入力矩，变矩器起制动作用；后者泵轮扭矩及涡轮扭矩均小于0，涡轮从外界输入功率，由泵轮输出功率，即功率反向传递。汽车及工程机械在某些特殊情况下可能出现反转工况或超越工况：液力变矩器的反转工况可能在挂前进挡上陡坡时车辆下滑倒驶的情况下发生，在此情况下，从驱动轮传来的扭矩大于泵轮传至涡轮的扭矩；液力变矩器的超越工况可能发生在下坡用前进挡行驶的情况下。此时，扭矩由驱动轮传至涡轮，泵轮变为从动部件，涡轮转速高于泵轮转速。这时，发动机可能产生制动力矩，以阻止车辆下坡时的加速行驶；超越工况还可以出现在用拖车法起动发动机的情况下。液力变矩器的反转工况和超越工况，传至泵轮和涡轮的机械能都将消耗在变矩器的工作液体中而转变成热能，而且变矩器的性能也很差，因此，液力变矩器不允许在这些工况下长久工作。本文研究的是液力变矩器在牵引工况区的稳态特性，主要有以下三种表达形式：a.液力变矩器的输出特性液力变矩器的输出特性是表示其输出参数之间的关系曲线。一般是使泵轮轴的转速nB保持不变，在此工况下求取以涡轮转速为自变量的各输出特性曲线：b.液力变矩器的无因次特性无因次特性又称为原始特性，表示在循环圆内液体具有完全相似稳定流动现象的若干变矩器的共同特性的函数曲线。液力变矩器的无因次特性曲线：；c.液力变矩器输入特性液力变矩器的输入特性是指当以扭矩系数B为参变量时，变矩器泵轮扭矩MB与转速的关系曲线对于给定的变矩器用给定的工作液体在给定的工况下，gD5B为常数，故得出的输入特性曲线为一根通过坐标原点的抛物线，而在变工况下，因所以输入特性曲线为一组抛物线束，抛物线束的宽度由B的变化幅度即透穿性决定。图2-6所示为液力变矩器的输出特性、无因次特性和输入特性参考图。图2-6 液力变矩器的特性3.3 传动方案此次要设计的是CL180液力变矩器，主要应用于工程机械,具体要求及指标为：1.额定力矩：140 N·m，转速1800转/分钟，功率：147 kw2.泵轮入口角=110°导轮入口角=33°涡轮入口角=142°液力变矩器由带叶片的泵轮，涡轮和导轮组成，形成一个封闭的液力循环系统。发动机以等速和大致接近于常数的扭矩驱动泵论，使其动力通过泵轮的转动而被转换成液体的能量；液体高速的流入涡轮，它在涡轮叶片中的运动推动涡轮转动，自动地适应于外界扭矩而变化其转速，使液体的动能又被转换成机械能，功率即由涡轮轴输出；从涡轮流出的液体经导轮变换液流方向后又流入泵论。因此，可以吧变矩器中的基本流动看成是在一个圆环中的连续运动。第4章 液力变矩器叶片设计4.1循环圆的确定液力变矩器的设计主要是指变矩器的循环圆设计、叶片设计、特性计算、整体结构设计以及一些关键零部件的设计，由于叶片参数直接影响到变矩器的性能，因而是液力变矩器的设计的关键是叶片设计。循环圆的确定：过液力变矩器轴心线做截面。在截面上与液体相相接的界线形成的形状，称为循环圆。循环圆形状的选择：液力变矩器的循环圆按照外环形状可分为圆形，蛋形，半蛋形和长方形循环圆四种。设计液力变矩器的循环圆时，可以根据使用场合，制造情况和设计资料来选择循环圆的形状。圆形循环圆变矩器的空间能得到充分利用，几乎没有无叶片区，所以在长方形循环圆变矩器，传递相同功率条件下，其几何尺寸小，结构紧凑。但圆形循环圆在多数情况下，须采用混流式叶轮，即液流在工作轮叶片流道内即液流在工作轮叶片流道内既有轴向流动又有径向流动，其叶片为空间扭曲型，工艺性差，制造困难，叶形尺寸精度难以保证；而长方形循环圆的叶片形状多为柱状单曲叶片，工艺性较好。工作轮在循环圆中的排列位置：由于在循环圆中的排列位置的不同，变矩器有下列几种形式的工作轮。1 径流式 这种工作轮从轴面图看，液流沿着叶片半径方向流动。若液流从小半径向大半径方向流动，称为离心式工作轮；反之，称为向心式工作轮，。径流式工作轮均为单曲叶片。2 轴流式 这种工作轮从轴面图看，液流在叶片流道内轴向流动。3 混流式 这种工作轮从轴面图看，液流在工作轮流道内既有轴向流动又有径向流动。圆形循环圆变矩器在多数情况下，采用混流式工作轮；长方形循环圆变矩器除了泵轮之外，其余工作轮多采用径流式或轴流式工作轮。循环圆尺寸的确定：设扣除发动机各辅助设备所消耗功率后由发动机传给变矩器泵轮轴的功率为P，发动机轴与变矩器泵轮轴直接相连，则有n=n，传给变矩器泵轮轴的转矩为T=T=为适应设计设计要，则循环圆的外圆直径即有效工作直径为378mm。已知外环后，开始确定内环、设计流线。设计流线的原则是使液流速度沿流道均匀变化。为此假定在同意过流断面上各点的轴面流速相等，各相邻流线所形成的流过面积相等。在任意元线上的流过面积F可按下列正即截头圆锥体旋转面公式计算：F=（rr）试中 元线相对垂线的夹角，所有元线均垂直于设计流线 r任意元线与外环交点上的半径；r同一元线与内环交点上的半径； r 同一元线与设计流线交点上的半径。首先选定一些任意的元线，并计算出初步轮廓。半径r和角可从图中量出，而r和r则可相应地按下列式计算r=（r）r=（r）确定出内环和设计流线。由于整个圆是由三段圆弧组成，内环和中间线都是,不一样的，将会在叶片设计中代入数值。4.2泵轮叶片的设计进口角：=120°出口角：=110°叶片设计是液力变矩器设计的核心问题，本次设计采用的是环量分配法。环量设计法的理论基础是速流理论，认为其在选定的设计速比下，循环圆平面中间流线上每增加相同的弧长，液流沿叶片中间流线应增加相同的动量矩，以保证流道内的流动状况良好。设计过程为：根据前期循环圆的确定，在泵轮转矩方程中的 项是确定泵轮动量矩变化的一个因数，经计算测量得出泵轮进口半径外环为95mm，内环为123.5mm；出口半径外环为196mm，内环为167mm这样转速比为0.5，在1800r/min时输出转矩为140N·m11。则根据公式：计算出循环轴面流速为9.632 m/s对泵轮带入这些数值所得数值为:0.906类似的，在出口处所得数值为：4.0732则改变量，即-得：4.0732-0.906=3.16724.1 泵轮叶片设计图将此改变量分为十份，按其中九分各占10.5%，一份占5%划分，元线9与元线10之间的增量为5%，以减少液体在叶片出口处的能量增量及其涡流损失。其次，在设计流线上，每一点的相应叶片角可根据公式计算计算出每一截面元线在设计流线上的角度后，就应求内环和外环上的相应角度。为了确定元线与内环之交点处的叶片角，采用按反势流分布计算公式 类似地，外环上可以利用下列公式计算 所以在叶片入口处 =118°65 =115°32 计算后整理成表：表4-1 变矩器泵轮角度计算参数元线序号cot设计流线上的外环上的内环上的进口0-0.3568110°104°32109°251-0.3608110°15105°13108°462-0.3645110°22106°26108°553-0.3678110°27107°56107°234-0.3711110°40108°107°325-0.3778111°06108°47107°416-0.3831111°18109°26107°567-0.3891111°21110°32108°118-0.3909111°35111°21108°259-0.3976111°43111°78109°56出口10-0.4056112°113°24110°52现在，需将计算出的角度转换为可以计绘制的三维叶形坐标。利用内外环半径和偏移量，可以方便并精准的确定叶片形状。为了确定任一叶片元线上的偏移量，可利用下列公式：式中J相邻两点间的弧长； J=e cote相邻两电源线之间的距离；y元线起点所在轴面与径向参考平面夹角；r元线与设计流线之交点上的半径，或视具体境况，表示元线与内环或外环之交点上的半径；k元线的序号，k=0,1,2····以泵轮元线9为例，计算叶片偏移量针对元线1，列出公式对于元线0，有=°= -0.4370=116.38°=°= -0.4936=118.36°对于外环，y=0，取=12.45mm则°=-8.78mm则外环第9元线叶片偏移量为计算后，以直接连接内外环之相应点，即可作出叶片形状12。计算结果和最终尺寸填在下表：表4-2 泵轮叶片的最终尺寸元线外 环内 环序号轴向距离/mm半径/mm叶片偏移量/mm轴向距离/mm半径/mm叶片偏移量/mm068.8186.0032.0021.61103.3621.00171.0598.5331.2125.36106.3018.69273.56110.6530.5630.56111.3216.32374.34122.3126.8932.78117.2415.21473.78133.7422.3533.13123.1113.68562.42142.7218.4932.35128.6111.29652.42152.1915.9129.19134.349.63746.12163.6213.9326.56139.307.29835.53171.5910.3618.36143.215.93915.31175.035.598.51146.562.67100.00179.560.000.00147.000.00注：内外环轮廓相对位置应保证叶片垂直于外环。4.3涡轮叶片设计进口角：=42°出口角：=142°涡轮叶片计算与泵轮叶片计算顺序相似4.2 涡轮叶片设计图根据前期循环圆的确定，在泵轮转矩方程中的 项是确定泵轮动量矩变化的一个因数，经计算测量得出泵轮进口半径外环为95mm，内环为123.5mm；出口半径外环为196mm，内环为167mm这样转速比为0.5，在2200r/min时输出转矩为71N·m13。则根据公式：计算出循环轴面流速为9.632m/s对泵轮带入这些数值 所得数值为:0.802类似的，在出口处 所得数值为：3.1865 则改变量，即-得：3.1865-0.802=2.3845表4-3 变矩器涡轮角度计算参数元线序号cot设计流线上的外环上的内环上的进口00.364911411311810.3726115113°28117°2620.3735115°8114°46116°7830.3776115°25115°26115°2640.2818115°50106°15115°2850.2857106°2107°17115°5660.2878106°15108°56115°7870.2996107°47109°78116°2380.3127108°50110°18116°4690.3468108°53111°58117°49出口100.3547110°112°08118°37图4.3 典型液力变矩器结构图表4-4 涡轮叶片最终尺寸元线外 环内 环序号轴向距离/mm半径/mm叶片偏移量/mm轴向距离/mm半径/mm叶片偏移量/mm025.3475.00-12.3511.6491.2815.26130.2186.565.3315.1894.1619.16233.3995.2620.8918.4897.3623.48338.82104.3931.1521.38100.1626.78433.25116.8636.1623.28117.2833.17525.38124.3143.5624.59122.3438.47618.25137.6543.1922.37128.4638.89715.39145.