JP3188128B2 - 車輌用トルクコンバータのステータ - Google Patents
車輌用トルクコンバータのステータInfo
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Description
タに係り、特にトルクコンバータがトルク変換作動を実
質的に完了したフルードカップリング状態及びその近傍
にあるときステータベーンの表面から流体流が剥離する
ことを抑制するようステータ翼列をなすステータベーン
の翼型及び翼配列を最適化することにより、車輌用トル
クコンバータの全作動時間中の主要部を占めるフルード
カップリング状態及びその近傍でのトルクコンバータに
於ける動力損失を低減し、車輌の燃費を改善することに
係る。
通って流体が循環する流体流循環系を備えたトルクコン
バータ(流体式トルクコンバータ)に於ては、周知の通
りタービンより吐出された流体流はステータにて偏向さ
れてポンプへ戻され、その際ポンプとタービンの間の回
転速度比に応じてポンプを入力軸とし又タービンを出力
軸とするトルク変換手段のトルク比が所定の最大拡大比
より1に近い値迄連続的に変えられるようになってい
る。かかる流体式トルクコンバータであって特に車輌の
駆動系中に組込まれる所謂車輌用トルクコンバータに於
ては、トルクコンバータは車輌の発進時には勿論そのト
ルク比が最大値より徐々に減小する無段変速作用を行
い、車輌の滑らかな発進に寄与するが、車速が或る速度
以上に達すると、トルクコンバータのトルク変換作動は
実質的に完了し、タービンは、トルクコンバータに於て
不可避であり且つ各トルクコンバータに固有の滑り回転
数だけ、ポンプの回転速度に比して低い回転速度にて回
転し、ステータはポンプとタービンの両者に連れ回りす
るフルードカップリング状態が生ずる。
タは、通常その作動時間の大半に於てかかるフルードカ
ップリング状態又はその近傍にて作動される。そこで、
車輌用トルクコンバータがフルードカップリング状態及
びその近傍にて作動しているときのトルクコンバータに
於ける動力損失を可及的に低減すれば、車輌の燃費を大
きく改善することが期待できる。
るステータベーンの翼型及び翼配列の一般的な例と、ト
ルクコンバータがフルードカップリング状態及びその近
傍にあるときのステータ翼列を横切る流体流の一般的な
態様が、図1に示されている。図1に於て、ステータ1
0はステータベーン12、14、16等を含んでおり、
図にて18により解図的に示されているタービン翼列と
図にて20により解図的に示されているポンプ翼列の間
に配置され、タービン翼列18を経て排出された流体の
流れを偏向させてポンプ翼列20へ導入するようになっ
ている。タービン翼列18の出口端近傍よりステータ1
0へ向かう流体の流れには翼列に沿う方向に幾分かの乱
れがあり、又ステータ10を出てポンプ20の入口部へ
向けて流れる流体の流れにも翼列方向に幾分かの乱れが
あるが、ステータ10に於ける各ベーンについて見る
と、各ベーンに対する流体の流入流線及び各ベーンから
の流体の流出流線は概して一定の状態に維持されてお
り、それらは図1に於てベーン12、14、16につい
てそれぞれ22、24、26にて示されている如き流入
流線と、28、30、32にて示されている如き流出流
線とによって表わされ、従ってまた互いに隣接する二つ
のベーン、例えばベーン12と14の間を通って流れる
流体の流れは、斜線を施された部分に相当する流体流3
2として取扱われてよい。
流体流に於ける流体がベーン12と14の間を通って流
れる際に、ベーンの表面から流体流が剥離することによ
り動力損失が生ずる虞れのある部分は、ベーン12の前
端近傍に於ける正圧側表面であって隣接するベーン14
による剥離抑制作用が及び難い表面部分34と、ベーン
14の後端近傍に於ける負圧側表面であって隣接するベ
ーン12による剥離抑制作用が及び難い表面部分36で
ある。
ベーン表面からの流体流の剥離が生ずるが否かは、ベー
ン12の前端近傍に於ける正圧面が流体流32に対する
流路幅に及ぼす変化と流体流に対し表面部分34がなす
角度とにより影響され、また表面部分36からの流体流
の剥離が生ずるか否かは、ベーン14の後端近傍の負圧
側表面が流体流32の流路幅に及ぼす変化と流体流に対
し表面部36がなす角度とにより影響されると考えられ
る。
ベーンの前端近傍に於ける正圧側表面と後端近傍に於け
る負圧側表面とに生ずる虞れのあるベーン表面からの流
体流の剥離を抑制するための条件を求めることによっ
て、そのような剥離を抑制するよう最適化された翼型及
び翼配列を有する車輌用トルクコンバータのステータを
提供することを課題としている。
め、発明者らは、車輌用トルクコンバータのステータに
於けるステータベーンの一般的な翼型及び翼配列に対し
て図2に示す如き諸元を設定し、かかる諸元に基づいて
ステータベーンに於けるベーン表面からの流体流の剥離
の発生を抑制するためのステータベーンの翼型及び翼配
列の最適化の条件が一義的に得られるか否かを解析と実
験とにより検討した。
圧側表面に生ずる虞れのあるベーン表面から流体流の剥
離については、トルクコンバータがフルードカップリン
グ状態及びその近傍にあるとき、ステータベーンの翼型
及び翼配列が、第一のステータベーン(V1)の前端
(L1)の近傍の正圧側表面と流体流に沿って前記第一
のステータベーンの後に続く第二のステータベーン(V
2)の前端(L2)に至る流入流線(Fa)との両者に接
する円の直径(DL)の変化で見て、前記第一のステー
タベーンの前端(L1)より前記流入流線(Fa)に立て
た垂線と該流入流線との交点(M)よりXL=0.08
SLの点を通る円から前記第二のステータベーンの前端
(L2)を通る円に至る間であって(D L −D LMIN )/D
LSL が0となるX L /S L よりも大きいX L /S L の領域で
あり、かつX L /S L に対する(D L −D LMIN )/D LSL の
変化の勾配が正となるX L /S L の領域において実質的に
下記の条件を満足するよう定められているときそれが効
果的に抑制されることが分った。
れのあるベーン表面からの流体流の剥離については、ト
ルクコンバータがフルードカップリング状態及びその近
傍にあるとき、ステータベーンの翼型及び翼配列が、第
一のステータベーン(V1)の後端(T1)より発する流
出流線(Fb)と流体流に沿って前記第一のステータベ
ーンの後に続く第二のステータベーン(V2)の負圧側
表面との両者に接する円の直径(DT)の変化で見て、
前記第一のステータベーンの後端(T1)よりXT=0.
45STの点を通る円から前記第二のステータベーンの
後端(T2)より前記流出流線(Fb)に立てた垂線と該
流出流線との交点(N)を通る円に至る間であって(D
T−DTMIN)/DTSTが0となるXT/STよりも大きいX
T/STの領域であり、かつXT/STに対する(DT−D
TMIN)/DTSTの変化の勾配が正となるXT/STの領域
において実質的に下記の条件を満たすよう定められてい
るときそれが効果的に抑制されることが見出された。
の距離 XT :後端T1 より流出流線Fb に沿う距離変数 DT :XT の位置にて流出流線Fb に接する上記定義に
よる円の直径 DTMIN:DT の最小値 DTST :XT =ST の位置(即ち交点N)にて流出流線
Fb に接する上記定義による円の直径 従って、本発明は、車輌用トルクコンバータのステータ
を、上記の如きステータベーンの前端近傍の正圧側表面
に関する条件とステータベーンの後端近傍の負圧側表面
に関する条件の少なくともいずれか一方を満たす状態の
ものとして提供するものである。
れる幾つかの互いに異る翼型及び翼配列を有するステー
タについての解析と実験の結果より理解される通り、上
記の如きステータベーンの前端近傍に於ける正圧側表面
及び後端近傍に於ける負圧側表面に関するそれぞれの条
件が満たされるときには、トルクコンバータがフルード
カップリング状態及びその近傍にあるときステータベー
ンの正圧側に於けるベーン表面からの流体流の剥離及び
負圧側に於けるベーン表面からの流体流の剥離はそれぞ
れ効果的に抑制され、これによってトルクコンバータの
フルードカップリング状態及びその近傍に於けるステー
タでの動力損失の低減と容量係数の増大とが効果的に達
成され、かかる車輌用トルクコンバータを搭載した車輌
の燃費がそれに相当して改善される。
バータのステータに、ベーンの翼型と翼配列との組合せ
に於て互いに異なる幾つかのベーン翼列を組込んだ実施
例について、図2に示す諸元に基づく各ステータの翼列
形状特性に対する流体流剥離抑制特性の関係を説明し、
それより上記の如きステータベーンの正圧側表面部及び
負圧側表面部に於ける流体流剥離抑制のための条件が導
かれることを説明する。
カップリング状態及びその近傍にあるときのステータの
翼列形状特性を表わすための諸元は、上述の如く図2に
示す通りである。即ち、一連のステータベーンのうちの
任意の互いに隣接るす二つのステータベーンをとり、ト
ルクコンバータの中心軸線を中心軸線としステータ翼の
根元と先端の間の中点を通る円筒面にてステータ翼列を
切断した断面を平面上に展開したとして、そのうちのス
テータを横切って流れる流体流に沿って見て上流側に位
置するステータベーンをV1 とし、下流側に位置するス
テータベーンをV2 とすると、ベーンV1 の前端L1 よ
りベーンV2 からベーンV2 の前端L2に至る流入流線
Fa に立てた垂線と該流入流線との交点をMとして、交
点MとベーンV2 の前端L2 との間の流入流線Fa に沿
う距離がSL と定義され、また交点Mより流入流線Fa
に沿って前端L2 に至る迄の途中の任意の点迄の距離が
変数XL にて表わされる。そして流入流線Fa を変数X
L の座標軸と見立てて座標値XL に中心を有する円であ
ってベーンV1 の正圧側表面と流入流線Fa との両者に
接する円の直径がDL にて表わされる。図示の例に於け
る流入流の流入角θi は約60°であり、これはこの種
のトルクコンバータに於ける典型的な値である。
流出流線Fb に対しベーンV2 の後端T2 から立てた垂
線が該流出流線Fb と交わる交点をNとして、ベーンV
1 の後端T1 と交点Nとの間の流出流線Fb に沿う距離
がST と定義され、後端T1より流出流線Fb に沿って
交点Nに至る途中の任意の位置迄の距離が変数XT にて
表わされ、流出流線Fb を変数XT の座標軸と見立てて
座標位置XT に中心を有する円であって流出流線Fb と
ベーンV2 の負圧側表面との両者に接する円の直径がD
T にて表わされる。流出流線の流出角θ0 は実験的に求
まるが、アインレイの式として知られている下記の式に
より計算によっても推定される。
ベーンV1 とV2 の間のピッチであり、θ0 の単位は度
(°)である。
V1 及びV2 がそれぞれ単独にては同一の翼型断面を有
する場合にも、翼間距離が異ればSL 及びST はそれぞ
れ変化し、またXL /SL に対するDL の変化の態様及
びXT /ST に対するDT の変化の態様も異なってく
る。その変化の例が図3、図4、図5に示されている。
これらの図3〜図5に於ける各ベーンの翼型断面形状は
何れも互いに同一であるが、図3に示されている翼列に
於けるベーン間の距離は、図4及び図5に示されている
ベーン間の距離より大きく、図4に示されている翼列に
於けるベーン間の距離は、図3に示されている翼列に於
けるそれより小さいが図5に示されている翼列に於ける
それより大きい。これらの図より、これら三つの翼列に
関するDL対XL /SL の関係及びDT 対XT /ST の
関係は互いに異ることが理解されよう。
列を示す図1と同様の解図的断面図である。図6、図
7、図8にそれぞれ示されている翼列A1、A2、A3
は、何れもベーン自身の断面形状及び傾きは互いに同一
であるが、ベーン間隔が翼列A1より翼列A2を経て翼
列A3へ向けて順に小さくなっている。同様に図9、図
10、図11にそれぞれ示されている翼列B1、B2、
B3は、何れも互いに同一の断面形状を有し且つ互いに
同一の角度に配列されたベーンよりなっているが、ベー
ン間隔が翼列B1より翼列B2を経て翼列B3へ向けて
順に減少している。更に又図12、図13にそれぞれ示
されている翼列C1、C2も互いに同一の断面形状と傾
きを有するベーンよりなっているが、翼列C1に於ける
ベーン間隔は翼列C2に於けるベーン間隔より大きい。
図14に示されている翼列D1及び図15に示されてい
る翼列Eは、何れも他の翼列に比してベーンの断面形状
に於て異っている。
の正圧側表面及び負圧側表面について、前端近傍の正圧
側表面に於けるXL /SL に対するDL の変化の態様及
び後端近傍の負圧側表面に於けるXT /ST に対するD
T の変化の態様を、図16及び図17に示す。尚、図1
6に於ては、DT の変化の態様をより明瞭にするため、
縦軸の値は、DL の最小値をDLNINとし又XL がSL で
あるときのDL の値をDLSL として、(DL −DLMIN)
/DLSL にて表わされており、同様に図17に於ては、
DT の変化の態様を示す縦軸の値は、DT の最小値をD
TMINとし又XTがST であるときのDT の値をDTST と
して、(DT −DTMIN)/DTST にて表わされている。
面からの流体流の剥離が生じた否かが○又はXにて示さ
れており、○はベーン表面からの流体流の剥離が生じな
かったことを示し、Xはベーン表面からの流体流の剥離
が生じたことを示す。即ち、前端近傍に於ける正圧側表
面について見ると、翼列A1、C1、C2、D、Eに於
ては剥離が生じており、翼列A2、A3、B1、B2、
B3に於てはそのような剥離は生じない。図1に示す如
き翼列と流体流との関係から流体力学的に推測されるベ
ーンの前端近傍に於ける正圧側表面での流体流の剥離の
発生原因と、図2に示す如き諸元の設定とに鑑みて、図
16の実験結果を吟味すると、前端近傍での正圧側表面
に於ける流体流の剥離の発生は、XL /SL に対する
(DL −DLMIN)/DLSL の増大がXL /SL が0.0
8に達する以後に起り、又XL /SL が0.08より
0.8程度迄増大する間に於て(DL −DLMIN)/D
LSL の増大値が翼列A2に於て定まる値以下であれば、
回避されると理解される。かかる剥離抑制のための条件
は、図16より以下の通り求められる。
の距離 XL :交点Mより流入流線Fa に沿う距離変数 DL :XL の位置にて流入流線Fa に接する上記定義に
よる円の直径 DLMIN:DL の最小値 DLSL :XL =SL の位置(即ち前端L2 )にて流入流
線Fa に接する上記定義による円の直径 図16に於て、各特性曲線の勾配が負の領域は、翼間流
路が狭くなる領域であり、流体流の流速が増大し、流体
の静圧は流体の流れ方向に沿って次第に低下する順勾配
を呈するので、いずれの場合にも流体流の剥離が生じに
くい領域である。これに対し各特性曲線の勾配が正の領
域は、翼間流路が広くなる領域であり、流体流の流速が
減小し、流体の動圧より静圧が回復される領域である
が、かかる領域では流体の静圧は流体の流れ方向に沿っ
て次第に上昇する逆勾配を呈するので、流体流中に部分
的な逆流が生じようとし、特にベーンの翼面に沿って流
れる流体部分には流れに逆らう方向の抵抗も作用してい
ることから、ベーンの翼面に沿う流体部分より始まって
流体流中の剥離が生じやすくなる。
見て、上記の数1にて表わされる如き条件が満されるか
否かによってベーンの前端付近に於ける正圧側表面の剥
離が起るか否かの限界を知ることができる。
L の増大に対する(DL −DLMIN)/DLSL の増大の経
過がXL /SL の大きい領域にてはかなり低く且その勾
配が負に反転するような場合にも、XL /SL が比較的
小さい領域に於てその特性曲線の勾配が上記式1の条件
を一度大きく逸脱する部分があると、そこで生じた流体
流の剥離が種となってその後も剥離が進行するので、結
局全体としての抗剥離性能は低下する。
側表面からの流体流の剥離は翼列B1、D、Eにては生
じるがその他の翼列に於ては生じないことと、図1に示
す如き翼列と流体流との関係から流体力学的に推測され
るベーン表面からの流体流の剥離発生の原因と、図2に
示す如き諸元の設定とに鑑みて、図17に現われた実験
結果を吟味すると、ベーン後端近傍の負圧側表面に於け
る流体流剥離の発生を回避するためには、XT /ST の
増大に対し(DT −DTMIN)/DTST の増大がXT /S
T が0.45を越える迄は起らず、XT /ST に対する
(DT −DTMIN)/DTST の増大値がXT /ST が0.
45より0.9程度迄増大する間に翼列B2に於ける値
以下であればよい、と理解される。この流体流剥離回避
のための条件は、以下の通り求められる。
の距離 XT :後端T1 より流出流線Fb に沿う距離変数 DT :XT の位置にて流出流線Fb に接する上記定義に
よる円の直径 DTMIN:DT の最小値 DTST :XT =ST の位置(即ち交点N)にて流出流線
Fb に接する上記定義による円の直径 図16と図17とを比較すると、図17即ち翼後端部の
負圧面に於ける流体流剥離発生を回避する範囲で許され
る特性曲線の正勾配の値が図16即ち翼前端部の正圧面
に於ける流体流剥離発生を回避する範囲で許される特性
曲線の正勾配の値に比してかなり小さいことが分る。こ
れは、翼前端部の正圧面の領域にはそれに続いて勾配が
零となって更に負に反転する翼中央部〜翼後端部入口部
が連なっているからである。
発生の有無に関する解析と実験に於ては、ステータベー
ンの翼型と翼配列のみがパラメータとなっている。ステ
ータベーンに於ける剥離の発生には、勿論、翼列の寸
法、翼列を横切って流れる流体の速度及び流体の粘性が
影響し、これらを代表するレイノルズ数の如きパラメー
タがこれに関与する筈であるが、本発明は特に車輌用ト
ルクコンバータのステータを対象とし且つ車輌用トルク
コンバータがフルードカップリング状態及びその近傍に
て作動しているときのステータに於けるステータベーン
の表面からの流体流の剥離の抑制を対象とするものであ
り、このような前提条件から、ステータの概略寸法、ス
テータを横切る流体の流速及び流体の粘性は、通常或る
比較的狭い一般的実用値の範囲内にあるものとされてよ
いものである。従ってそのような一般的実用条件を前提
として行われた本発明に於ける解析と実験の結果は、そ
れが対象とする限られた用途に於てこのまま有効に適用
されてよいものであると思われる。
切る流体の流れ状態をトルクコンバータのフルードカッ
プリング状態及びその近傍に於て一般的に示す概略図。
の設定を示す概略図。
T の円がXL 及びXT の値に応じて変化する状態を一つ
の翼列について示す概略図。
ン間隔が図3に於ける値より幾分縮小されたときの同様
の円の変化の態様を示す概略図。
型のベーン間隔が更に縮小されたときの同様の円の変化
の態様を示す概略図。
一つを示す概略図。
他の一つを示す概略図。
他の一つを示す概略図。
他の一つを示す概略図。
の他の一つを示す概略図。
の他の一つを示す概略図。
の他の一つを示す概略図。
の他の一つを示す概略図。
の他の一つを示す概略図。
の他の一つを示す概略図。
端近傍に於ける正圧側表面について、XL /SL に対す
るDL の変化の経過を偏差の無次限値にて示すと同時
に、流体流剥離に関する実験結果を示すグラフ。
端近傍に於ける負圧側表面について、XT /ST に対す
るDT の変化の経過を偏差の無次限値にて示すと同時
に、流体流剥離に関する実験結果を示すグラフ。
Claims (3)
- 【請求項1】車輌用トルクコンバータのステータにし
て、トルク変換作動が実質的に完了したフルードカップ
リング状態及びその近傍に於てステータベーンの表面か
ら流体流が剥離することを抑制する目的で、ステータベ
ーンの翼型及び翼配列が、ステータベーンの前端の近傍
の正圧側表面について、第一のステータベーン(V1)
の前端(L1)の近傍の正圧側表面と流体流に沿って前
記第一のステータベーンの後に続く第二のステータベー
ン(V2)の前端(L2)に至る流入流線(Fa)との両
者に接する円の直径(DL)の変化で見て、前記第一の
ステータベーンの前端(L1)より前記流入流線(Fa)
に立てた垂線と該流入流線との交点(M)よりXL=
0.08SLの点を通る円から前記第二のステータベー
ンの前端(L2)を通る円に至る間であって(D L −D
LMIN )/D LSL が0となるX L /S L よりも大きいX L /S
L の領域であり、かつX L /S L に対する(D L −D LMIN )
/D LSL の変化の勾配が正となるX L /S L の領域におい
て実質的に下記の条件を満たすよう定められていること
を特徴とするステータ。 【数1】 (DL−DLMIN)/DLSL≦0.38(XL/SL−0.08)1.7 但し、SL:交点Mより流入流線Faに沿う前端L2迄の距離 XL:交点Mより流入流線Faに沿う距離変数 DL:XLの位置にて流入流線Faに接する上記定義による円の直径 DLMIN:DLの最小値 DLSL:XL=SLの位置(即ち前端L2)にて流入流線Faに接する 上記定義による円の直径 - 【請求項2】車輌用トルクコンバータのステータにし
て、トルク変換作動が実質的に完了したフルードカップ
リング状態及びその近傍に於てステータベーンの表面か
ら流体流が剥離することを抑制する目的で、ステータベ
ーンの翼型及び翼配列が、ステータベーンの後端の近傍
の負圧側表面について、第一のステータベーン(V1)
の後端(T1)より発する流出流線(Fb)と流体流に沿
って前記第一のステータベーンの後に続く第二のステー
タベーン(V2)の負圧側表面との両者に接する円の直
径(DT)の変化で見て、前記第一のステータベーンの
後端(T1)よりXT=0.45STの点を通る円から前
記第二のステータベーンの後端(T2)より前記流出流
線(Fb)に立てた垂線と該流出流線との交点(N)を
通る円に至る間であって(DT−DTMIN)/DTSTが0と
なるXT/STよりも大きいXT/STの領域であり、かつ
XT/STに対する(DT−DTMIN)/DTSTの変化の勾配
が正となるXT/STの領域において実質的に下記の条件
を満たすよう定められていることを特徴とするステー
タ。 【数2】 (DT−DTMIN)/DTST≦0.36(XT/ST−0.45)1.7 但し、ST:後端T1より流出流線Fbに沿う交点N迄の距離 XT:後端T1より流出流線Fbに沿う距離変数 DT:XTの位置にて流出流線Fbに接する上記定義による円の直径 DTMIN:DTの最小値 DTST:XT=STの位置(即ち交点N)にて流出流線Fbに接する 上記定義による円の直径 - 【請求項3】請求項1による車輌用トルクコンバータの
ステータにして、ステータベーンの翼型及び翼配列が、
ステータベーンの後端の近傍の負圧側表面について、第
一のステータベーン(V1)の後端(T1)より発する流
出流線(Fb)と流体流に沿って前記第一のステータベ
ーンの後に続く第二のステータベーン(V2)の負圧側
表面との両者に接する円の直径(DT)の変化で見て、
前記第一のステータベーンの後端(T1)よりXT=0.
45STの点を通る円から前記第二のステータベーンの後
端(T2)より前記流出流線(Fb)に立てた垂線と該流
出流線との交点(N)を通る円に至る間であって(DT
−DTMIN)/DTSTが0となるXT/STよりも大きいXT
/STの領域であり、かつXT/STに対する(DT−D
TMIN)/DTSTの変化の勾配が正となるXT/STの領域
において実質的に下記の条件を満たすよう定められてい
ることを特徴とするステータ。 【数2】 (DT−DTMIN)/DTST≦0.36(XT/ST−0.45)1.7 但し、ST:後端T1より流出流線Fbに沿う交点N迄の距離 XT:後端T1より流出流線Fbに沿う距離変数 DT:XTの位置にて流出流線Fbに接する上記定義による円の直径 DTMIN:DTの最小値 DTST:XT=STの位置(即ち交点N)にて流出流線Fbに接する 上記定義による円の直径
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