冲焊型液力变矩器叶片回弹规律及抑制技术_刘城.pdf

冲焊型液力变矩器叶片回弹规律及抑制技术刘城1,2，陈勃含1，穆洪斌3，闫清东1,4，魏巍1,5（1.北京理工大学 机械与车辆学院，北京100081；2.北京理工大学 车辆传动重点实验室，北京100081；3.北京宇航系统工程研究所，北京100076；4.北京理工大学前沿技术研究院，山东，济南250300；5.北京理工大学重庆创新中心，重庆401122）摘 要：冲压焊接型液力变矩器由于便于量产而被广泛应用于汽车，其是自动变速箱的核心部件.液力变矩器性能直接由叶片形状决定，由于叶片在冲压过程中存在回弹变形，因此针对叶片冲压回弹规律及其对性能的影响开展研究.首先利用有限元方法对冲压过程及回弹变形进行仿真，并采用流场数值模拟研究了不同回弹程度对变矩器外特性的影响规律，然后通过在叶片中间流线处开设拉延筋抑制叶片冲压起皱和回弹现象，最后制造叶片样件验证回弹抑制有效性，并通过液力变矩器样机试验验证流场数值模型计算精度.研究结果表明涡轮出口回弹对变矩器性能影响显著，最高效率和起动泵轮能容分别增大了 0.067%、8.18%，起动变矩比减小了 1.41%.样机实验验证表明冲压回弹仿真模型与计算流体动力学模型准确度高，其计算结果与实际结果吻合度较好，拉延筋结构可以较好的抑制叶片最大回弹偏差并改善回弹分布.关键词：流体传动与控制；冲焊型液力变矩器；回弹；数值模拟；外特性中图分类号：TH137.332 文献标志码：A 文章编号：1001-0645(2023)03-0274-09DOI：10.15918/j.tbit1001-0645.2022.055Springback Characteristics of Stamped Torque Converter Blades andIts Suppression TechniqueLIU Cheng1,2，CHEN Bohan1，MU Hongbin3，YAN Qingdong1,4，WEI Wei1,5（1.School of Mechanical Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;2.Key Laboratory of VehicularTransmission,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;3.Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering,Beijing 100076,China;4.Beijing Institute of Technology,Institute of Advanced Technology,Jinan,Shandong 250300,China;5.Beijing Institute of Technology Chongqing Innovation Center,Chongqing 401122,China）Abstract：Stamping welded hydrodynamic torque converter,the core part of automatic transmission,is widelyused in automobiles because of easy to mass-produce.Its performance is directly determined by the shape of theblade.Because the blade occurs springback deformation in the stamping process,this article focuses on the bladestamping springback rule and its effect on performance.First,the stamping process and springback deviationwere simulated by finite element method and the influence of different springback deviations on torque convert-er external characteristic was studied by numerical simulation of flow field.Then the blade wrinkling and spring-back were inhibited by setting draw-beads in the middle streamline of the blade.Finally,the blade sample wasmanufactured to verify the effectiveness of springback suppression,and the calculation accuracy of flow field nu-merical model was verified by the hydraulic torque converter prototype test.The results show that,the turbineoutlet springback has a significant effect on the performance of torque converter.The maximum efficiency andthe stall pump capacity increase by 0.067%and 8.18%respectively,and stall torque ratio decreases by 1.41%.收稿日期：2022 02 22基金项目：国家自然科学基金资助项目（51805027），国防科工局重点项目（202020329440）作者简介：刘城（1986），男，博士，特别副研究员，E-mail：.通信作者：陈勃含（1986），男，博士生，E-mail：.第 43 卷第 3 期北 京 理 工 大 学 学 报Vol.43No.32023 年 3 月Transactions of Beijing Institute of TechnologyMar.2023The prototype experiment shows that the accuracy of simulation model and the computational fluid dynamicsmodel is higher,and the calculated results have high coincidence degree with the actual results.The draw-beadcan better inhibit the maximum springback deviation of blades and improve the springback distribution.Key words：fluid power transmission and control；stamping welded hydrodynamic torque converter；springback；numerical simulation；external characteristics 液力变矩器利用流体作为介质，通过液体动能的变化传递和转换能量1，以其卓越的自动适应性、可靠性和无级调速性能，自发明以来就被广泛应用于汽车、客车、工程机械、机车、船舶以及各种军用和民用机械2 3.液力变矩器根据制造方式可分为冲焊型和铸造型，其中冲焊型液力变矩器的泵轮和涡轮为金属板料冲压后组装而成，液力变矩器叶片具有空间大扭曲特点，叶片板料冲压后由于弹性而导致残余应力释放，从而发生回弹4，造成冲压叶片与设计叶片存在偏差，使得制造的变矩器无法达到设计性能5.对于简单的纯弯曲、V 形弯曲、U 形弯曲及拉弯成形回弹问题，可以采用解析法、简单数值法和经验法进行分析，但对于像液力变矩器这种空间三维大扭曲叶片的回弹分析，大部分研究者则利用有限元仿真模拟.随着计算机、有限元技术和弹塑形理论研究的发展，有限元法在 20 世纪 90 年代得到突破性进展，并用于实用；但由于板料成形回弹过程中包含了许多强非线性问题6，尽管学者们在提高预测回弹精度上进行了大量研究，其预测精度仍比较低；同时传统的回弹抑制主要通过试错法不断对模具修改、调试7，极大程度上依赖于人们的经验，需要耗费大量的时间、人力及物力.现在研究人员多通过仿真软件模拟冲压回弹以及实现回弹补偿，如 DYNAFORM等8、ABAQUS 等9；但对于数值模拟结果的可靠性往往被忽略，由于预测精度的限制，采用有限元进行回弹补偿计算前应通过试验确定其模型及计算结果是否满足要求.且对于回弹偏差对变矩器外特性的影响没有系统的研究.文中针对液力变矩器的泵轮和涡轮叶片，建立叶片冲压成形及回弹仿真模型并进行数值模拟计算，结合冲焊型液力变矩器三维流场分析，研究了不同位置、不同回弹程度对液力变矩器性能的影响规律；通过加设拉延筋结构对回弹进行抑制，并制造了叶片样件及液力变矩器样机，结合三维扫描及液力性能试验方法，验证冲压回弹模型的准确性以及数值模拟结果的可靠性.1 叶片冲压回弹仿真计算有限元分析模拟冲压过程是根据材料的本构关系、相关力学原理、各种简化假设等，形成求解的数学模型，计算出零件冲压过程中产生的应力、应变及位移分布，为之后预测回弹提供数值依据.1.1 叶片冲压成形仿真模型在三维软件中提取各叶轮叶片压力面作为冲压凹模，以 IGES 数据接口输入至 Dynaform 仿真软件；凸模由凹模偏置得到；板料由凹模展开得到，文中采用 Dynaform 软件中的坯料工程(BSE)模块展开叶片，求解器为有限元逆算法（MSTEP），如图 1 所示；板料厚度为 1.4 mm，材料采用 DD11，求解精度选择 110.(a)泵轮叶片板料(b)涡轮叶片板料图 1 叶片板料模型Fig.1 Blank model of blade 凹模和凸模在冲压成形过程中视为刚体，无变形，网格大小为 2 mm；板料视为变形体进行网格划分，网格大小为 1 mm，网格尽量为形状均匀的正方形单元，可以使用三角形单元在边缘处进行贴合，不能有重叠崩溃的单元11.划分网格后的叶片冲压成形模型如图 2 所示.凸模凹模板料凸模凹模板料(a)泵轮叶片冲压模型(b)泵轮叶片模型网格(c)涡轮叶片冲压模型(d)涡轮叶片模型网格图 2 叶片冲压成形模型Fig.2 Blade model of stamping forming第 3 期刘城等：冲焊型液力变矩器叶片回弹规律及抑制技术275 1.2 叶片冲压回弹仿真计算 1.2.1 叶片冲压成形计算叶片冲压成形选择动力显示算法12 13，采用无压边形式的单动成形工艺模拟14，凸模向下运动，直至与凹模完全闭合；摩擦系数为 0.125；模具间隙为1.1 倍板料厚度.根据叶片成形极限图（图 3（a）、图 4（a），叶片冲压过程中无破裂，但是叶片部分区域存在起皱趋势，大部分区域处于灰色未完全变形状态，可能产生较大的回弹偏差.叶片成形后厚度及减薄率分布见图 3（b）、图 4（b），大部分厚度在 1.3901.410 mm 之间，减薄率在0.750%0.742%之间，成形厚度分布均匀，整体叶片成形平稳，无应力应变突变.综合以上，叶片冲压满足成形要求，但易发生回弹现象.(a)叶片成形极限(b)厚度及减薄率分布CRACKSAFEWRINKLETENDENCYWRINKLESEVERETENDENCYINSUFFICIENTSTRETCH1.3481.3671.3861.4051.4231.4421.4611.4801.4981