CN110145583A - 一种基于nasa翼型体系的液力变矩器叶片设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于NASA翼型体系的液力变矩器叶片设计方法，包括步骤1：给定液力变矩器的循环圆，包括循环圆的内环与外环及叶片的进出口边；步骤2：构造液力变矩器叶片的内环与外环型线；步骤3：将二维型线所在平面为xy平面，令液力变矩器轴向为z方向，将其中心置于xy坐标系的原点，将内外环二维型线沿z方向分别投影到液力变矩器的内外环上，获得叶片的三维内外环曲线。本发明二维型线可参数化描述，三维曲线可通过二维型线直接投影到液力变矩器内外环上获得，避免传统叶片设计过程中的繁琐、误差大等缺陷，应用此方法设计的叶片造型合理，叶形修改方便，相比传统的液力变矩器叶片设计方法更加高效。

Description

一种基于NASA翼型体系的液力变矩器叶片设计方法

技术领域

本发明涉及一种液力变矩器技术领域，具体涉及一种基于NASA翼型体系的液力变矩器叶片设计方法。

技术背景

液力变矩器(Fluid Torque Converter)由泵轮、涡轮、导轮组成的液力元件。安装在发动机和变速器之间，以液压油(ATF)为工作介质，起传递转矩、变矩、变速及离合的作用。液力变矩器以液体为工作介质的一种非刚性扭矩变换器，是液力传动的形式之一。它有一个密闭工作腔，液体在腔内循环流动，其中泵轮、涡轮和导轮分别与输入轴、输出轴和壳体相连。动力机(内燃机、电动机等)带动输入轴旋转时，液体从离心式泵轮流出，顺次经过涡轮、导轮再返回泵轮，周而复始地循环流动。泵轮将输入轴的机械能传递给液体。高速液体推动涡轮旋转，将能量传给输出轴。液力变矩器靠液体与叶片相互作用产生动量矩的变化来传递扭矩。液力变矩器的开发设计，主要是叶栅的设计，叶栅设计一直都是液力变矩器设计的重点与难点。

目前，叶片设计中很大程度上还依赖经验和试验统计规律。叶片的设计主要有两种方法，即环量分配法与保角变换法。环量分配法是以束流理论为理论基础，认为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，以此来确定叶片的空间坐标。此种方法设计出的叶片在叶片曲率变化较大时，易出现较大扭曲，不利于后续的叶片加工。保角变换法是将空间的叶片展开到平面进行形状的设计，然后再将二维的叶形映射到三维空间中，保角变换法实际上是通过两次近似的保角变换，将平面数据和空间数据相互转换的过程。此方法在叶片的设计过程中采用取点的方式，测绘过程中的测绘误差比较大，既繁琐又不易得出好的结果。

发明内容

本发明为了解决传统叶片设计中存在的设计过程繁琐、误差大等问题，提供一种新型叶片设计方法，该方法在设计过程中应用NASA翼型构造叶片的二维型线，可以通过弯度、厚度等设计参数表示出完整的型线方程，二维型线通过空间投影直接生成三维曲线，此种叶片设计方法相比传统叶片设计方法更加高效，可大大缩短设计周期。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种基于NASA翼型体系的液力变矩器叶片设计方法，包括以下步骤：

步骤1：给定液力变矩器的循环圆，包括循环圆的内环与外环及叶片的进出口边；

步骤2：构造液力变矩器叶片的内环与外环型线；

步骤3：此时内外环二维型线已确定，二维型线所在平面为xy平面，令液力变矩器轴向为z方向，并将其中心置于xy坐标系的原点，将内外环二维型线沿z方向分别投影到液力变矩器的内外环上，获得叶片的三维内外环曲线。

进一步地，步骤2中液力变矩器叶片的内环和外环型线的构造方法为：

S1、建立平面直角坐标系(x，y)，其中型线的弦向为x轴方向，型线的高度方向为y轴方向；

S2、弦向长度为1的NASA翼型的骨线方程为：

y_f＝b₀+b₁x+b₂x² (1)

S3、上下型线与叶片骨线间的距离即厚度分布为：

公式(1)、(3)中的b₀、b₁、b₂、a₀、a₁、a₂、a₃、a₄均为待定系数；

S4、骨线与水平x轴之间夹角为：

由此，上型线的参数方程为：

下型线参数方程为：

S5、由以上得到的型线为弦长为1的单位型线，故需要对此型线进行放大，若实际型线的弦长为b，则弦长为b的型线的参数方程为：

上型线参数方程：

下型线参数方程：

S6、进而可得到二维型线的坐标，因液力变矩器叶片与循环圆径向之间有一定角度，故需将叶片旋转β以满足要求，型线旋转β之后方程为：

进一步地，上述的基于NASA翼型体系的液力变矩器叶片设计方法，S2中，当满足yf(0)＝0，yf(1)＝0且x＝p为骨线最高点的弦向位置时，骨线方程为：

进一步地，上述的基于NASA翼型体系的液力变矩器叶片设计方法，S3中，当满足yt(0.1)＝0.078，yt(0.3)＝0.1，yt'(0.3)＝0，yt'(1)＝-0.234，yt(1)＝0.002，并引入表示厚度的参数c，可确定上下型线与叶片骨线间的厚度分布的方程为：

其中参数f、p、c，均为给定值，参数f、p、c，共同决定二维型线的形状，可通过调整各个参数值获得不同形状的型线，f表示骨线的弯度，为弦长的百分数，f越大则叶片的弯曲程度越大，反之则弯曲程度越小，p表示骨线最高点的弦向位置，为弦长的十分数，c表示叶片二维型线的厚度，为弦长的百分数，c越大则二维型线越厚，反之则二维型线越薄。

进一步地，上述的基于NASA翼型体系的液力变矩器叶片设计方法，当液力变矩器叶片为泵轮叶片时，S6中c的取值范围为0.05～0.15，f的取值范围为0.05～0.2，p的取值范围为0.3～0.7，β的取值范围为0～20。

进一步地，上述的基于NASA翼型体系的液力变矩器叶片设计方法，步骤3中变矩器循环圆所在平面为zy平面，若叶片的循环圆内外环用y＝k_i(z)来表示，i＝1为循环圆内环，i＝2为循环圆外环，则内外环三维曲线的方程为：

进一步地，上述的基于NASA翼型体系的液力变矩器叶片设计方法，还包括步骤4：将内外环曲线之间用直线扫掠，构造直纹面，获得叶片的三维实体。

与现有技术相比，本发明的技术效果为：

本发明提供的基于NASA翼型体系的液力变矩器叶片设计方法，二维型线可参数化描述，三维曲线可通过二维型线直接投影到液力变矩器内外环上获得，避免了传统叶片设计过程中的繁琐、误差大等缺陷，应用此方法设计的叶片造型合理，叶形修改方便，相比传统的液力变矩器叶片设计方法更加高效。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的型线厚度分布图；

图2为本发明的单位型线图；

图3为本发明的旋转后的型线图；

图4为本发明的投影后的三维曲线图；

图5为本发明的叶片实体图；

图6为本发明的改型后与原型液力变矩器原始特性对比图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图以液力变矩器的泵轮叶片设计为例对本发明作进一步的详细介绍。未经特殊说明，本发明所采用的原材料均为市售产品。

本发明的基于NASA翼型体系的液力变矩器叶片设计方法，包括以下步骤：

步骤1：首先给定液力变矩器的循环圆，包括循环圆的内环与外环以及叶片的进出口边。

步骤2：构造液力变矩器叶片的内环与外环型线：

S1：建立平面直角坐标系(x，y)，其中型线的弦向为x轴方向，型线的高度方向为y轴方向。

S2：弦向长度为1的NASA翼型的型线的骨线方程为：

y_f＝b₀+b₁x+b₂x² (1)

当满足y_f(0)＝0，y_f(1)＝0且x＝p为骨线最高点的弦向位置时，骨线方程为：

骨线由两段抛物线组合而成，两段抛物线在骨线最高点相切，保证了叶片曲率连续。

S3：上下型线与叶片骨线间的距离即厚度分布为：

当满足yt(0.1)＝0.078，yt(0.3)＝0.1，yt'(0.3)＝0，yt'(1)＝-0.234，yt(1)＝0.002，并引入表示厚度的参数c，可确定上下型线与叶片骨线间的厚度分布的方程为：

其中参数f、p、c，均为给定值，参数f、p、c，共同决定二维型线的形状，可通过调整各个参数值获得不同形状的型线，f表示骨线的弯度，为弦长的百分数，f越大则叶片的弯曲程度越大，反之则弯曲程度越小，p表示骨线最高点的弦向位置，为弦长的十分数，c表示叶片二维型线的厚度，为弦长的百分数，c越大则二维型线越厚，反之则二维型线越薄。

S4：先做出骨线，再由厚度分布对骨线两侧进行加厚就可以得到完整的二维型线。如图1所示，骨线与水平x轴之间夹角：

骨线的法线与竖直方向的夹角也为θ，故上型线的横坐标为x-ytsinθ，纵坐标为yf+ytcosθ。同理可得下型线的坐标。

由此，上型线的参数方程为：

下型线参数方程为：

图2即为单位型线

S5：由以上得到的型线为弦长为1的单位型线，故需要对此型线进行放大，若实际型线的弦长为b，则弦长为b的型线的参数方程为：

上型线参数方程：

下型线参数方程：

S6：进而可得到二维型线的坐标(δ，ε)，因液力变矩器叶片与液力变矩器径向之间有一定角度，故需将叶片旋转β以满足要求，型线旋转β之后的方程为：

图3为单位型线经过旋转后的型线图,此时内外环二维型线已确定，对大量现有液力变矩器泵轮叶片进行分析后，确定各参数的取值范围为：c的取值范围为0.05～0.15，f的取值范围为0.05～0.2，p的取值范围为0.3～0.7，β的取值范围为0～20。

步骤3：二维型线所在平面为xy平面，令液力变矩器轴向为z方向，并将其中心置于xy坐标系的原点，将内外环二维型线沿z方向分别投影到液力变矩器的内外环上。变矩器循环圆所在平面为zy平面，若叶片的循环圆内外环用y＝k_i(z)来表示，i＝1为循环圆内环，i＝2为循环圆外环，则内外环三维曲线的方程为:

此时就可获得叶片的三维内外环曲线，如图4所示。

步骤4：将内外环曲线之间用直线扫掠，构造直纹面，就可获得叶片的三维实体，图5为叶片的三维实体图。

图6为泵轮叶片经改型、优化后的液力变矩器与原型液力变矩器的原始特性对比，从图中可以看出改型后虽然泵轮转矩系数有所下降，但启动变矩比及最高效率都有所提升，由此证明此种叶片设计方法合理、有效。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (7)

1.一种基于NASA翼型体系的液力变矩器叶片设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：给定液力变矩器的循环圆，包括循环圆的内环与外环及叶片的进出口边；

步骤2：构造液力变矩器叶片的内环与外环型线；

步骤3：此时内外环二维型线已确定，二维型线所在平面为xy平面，令液力变矩器轴向为z方向，并将其中心置于xy坐标系的原点，将内外环二维型线沿z方向分别投影到液力变矩器的内外环上，获得叶片的三维内外环曲线。

2.根据权利要求1所述的基于NASA翼型体系的液力变矩器叶片设计方法，其特征在于，步骤2中液力变矩器叶片的内环和外环型线的构造方法为：

S1、建立平面直角坐标系(x，y)，其中型线的弦向为x轴方向，型线的高度方向为y轴方向；

S2、弦向长度为1的NASA翼型的骨线方程为：

y_f＝b₀+b₁x+b₂x² (1)

S3、上下型线与叶片骨线间的距离即厚度分布为：

公式(1)、(2)中的b₀、b₁、b₂、a₀、a₁、a₂、a₃、a₄均为待定系数；

S4、骨线与水平x轴之间夹角为：

由此，上型线的参数方程为：

下型线参数方程为：

S5、由以上得到的型线为弦长为1的单位型线，故需要对此型线进行放大，若实际型线的弦长为b，则弦长为b的型线的参数方程为：

上型线参数方程：

下型线参数方程：

S6、进而可得到二维型线的坐标，因液力变矩器叶片与循环圆径向之间有一定角度，故需将叶片旋转β以满足要求，型线旋转β之后方程为：

3.根据权利要求2所述的基于NASA翼型体系的液力变矩器叶片设计方法，其特征在于，S2中，当满足yf(0)＝0，yf(1)＝0且x＝p为骨线最高点的弦向位置时，骨线方程为：

4.根据权利要求2所述的基于NASA翼型体系的液力变矩器叶片设计方法，其特征在于，S3中，当满足yt(0.1)＝0.078，yt(0.3)＝0.1，yt′(0.3)＝0，yt′(1)＝-0.234，yt(1)＝0.002，并引入表示厚度的参数c，可确定上下型线与叶片骨线间的厚度分布的方程为：

其中参数f、p、c，均为给定值，参数f、p、c，共同决定二维型线的形状，可通过调整各个参数值获得不同形状的型线，f表示骨线的弯度，为弦长的百分数，f越大则叶片的弯曲程度越大，反之则弯曲程度越小，p表示骨线最高点的弦向位置，为弦长的十分数，c表示叶片二维型线的厚度，为弦长的百分数，c越大则二维型线越厚，反之则二维型线越薄。

5.根据权利要求2所述的基于NASA翼型体系的液力变矩器叶片设计方法，其特征在于，当液力变矩器叶片为泵轮叶片时，S6中c的取值范围为0.05～0.15，f的取值范围为0.05～0.2，p的取值范围为0.3～0.7，β的取值范围为0～20。

6.根据权利要求1所述的基于NASA翼型体系的液力变矩器叶片设计方法，其特征在于，步骤3中变矩器循环圆所在平面为zy平面，若叶片的循环圆内外环用y＝ki(z)来表示，i＝1为循环圆内环，i＝2为循环圆外环，则内外环三维曲线的方程为：

7.根据权利要求1-6任一项所述的基于NASA翼型体系的液力变矩器叶片设计方法，其特征在于，还包括步骤4：将内外环曲线之间用直线扫掠，构造直纹面，获得叶片的三维实体。