Ontwerp en ontleding van Hidrodinamiese Wringomsetters

 

 

F. H. Groiss^I; L. Pretorius^II

^INagraadse student, Meganiese Ingenieurswese aan die Randse Afrikaanse Universiteit
^IIProfessor in Meganiese Ingenieurswese aan die Randse Afrikaanse Universiteit

 

 

---

OPSOMMING

The one-dimensional torque converter analysis program as developed by Lamprecht [5] has been adapted and applied to a torque converter with known characteristic and geometry. The model was further used as the primary design tool to develop five torque converter elements, all of which were tested on a test bench to determine the performance characteristic thereof The experimental results are compared with the analytical results.

---

 

 

Inleiding

Die ingénieur by voertuigaandrywing betrokke, word dikwels met 'n beperkte reeks van aandrywingskomponente gekonfronteer waarvan die kombinasie kan lei na 'n ontwerp wat nie optimaal is, uit die oogpunt van algehele werkverrigting van 'n voertuig nie.

As gevolg van die noue interaksie tussen die aandrywingsbron en die wringomsetter van 'n voertuig wat van 'n outomatiese transmissie gebruik maak, het 'n behoefte ontstaan om die vermoë te ontwikkel om die wringomsetter te kan ontwerp of te modifiseer om meer optimale interaksie tussen die aandrywingsbron en wringomsetter te verkry.

In die artikel word die aandag toegespits op die modellering en ontwerpsaspekte van wringomsetters met twee radiale vloei turbinestadia, met 'n enkele radiale vloei leiwiel en 'n sentrifugale pompwiel. 'n Aanpassing van die rekenaarmodel, soos deur Lamprecht [5] ontwikkel, is gebruik om die karakteristieke van die laasgenoemde konfigurasie van hidrodinamiese wringomsetters teoreties te analiseer.

Die teoretiese metode is teenoor 'n wringomsetter, waarvan die karakteristieke gepubliseer is geëvalueer. Die analitiese model is verder geëvalueer deur dit as die primêre hulpmiddel te gebruik tydens die ontwikkeling van vyf wringomsetterelemente met verskillende geometrieë as die wringomsetter hierbo beskryf.

 

Definisie van terminologie

Die volgende terminologie is by hidrodinamiese wringomsetters van toepassing^[10]:

- Element: 'n Element bestaan uit 'n enkele ry vloeigeleidende lemme.

- Pompwiel: Die pompwiel is die aangedrewe element van 'n wringomsetter en word gewoonlik direk aan die aandrywingsbron gekoppel.

- Turbine: Die turbine is die aandrywingselement van 'n wringomsetter en word gewoonlik direk aan die insetas van die skakelratkas in 'n voertuigtoepassing gekoppel.

- Leiwiel: Die leiwiel vorm die reaksie-element van 'n wringomsetter, wat dit moontlik maak om 'n ongelyke wringmoment oor die wringomsetter te realiseer.

- Spoedverhouding: Die spoedverhouding word as die turbinespoed, gedeel deur die pompwielspoed gedefinieer en wissel vanaf 'n waarde van 0 as die turbine stilstaan, tot 'n waarde van 1 as die pompwiel en turbine teen dieselfde omwentelingsnelheid beweeg.

- Wringverhouding: Die wringverhouding word as die turbinewringmoment, gedeel deur die pompwielwring-moment gedefinieer.

- Stoltoestand: Die stoltoestand is die bedryfstoestand waarby die spoedverhouding 'n waarde van 0 het.

- Koppelingtoestand: Die koppelingtoestand is die bedryfstoestand waarby die wringverhouding 'n waarde van 1 het.

- Algehele effektiwiteit: Die algehele effektiwiteit van 'n wringomsetter is van die spesifieke bedryfstoestande afhanklik en word as die turbinedrywing, gedeel deur die pompwieldrywing gedefinieer. Die effektiwiteit van 'n wringomsetter word gewoonlik as 'n persentasie uitgedruk.

- Torus: Die torus is die fisiese grense wat deur 'n buitenste dop en 'n binneste kern gevorm word, waarin die vloeier in 'n geslote baan van element na element her-sirkuleer word.

- Ontwerppad: Die ontwerppad is die pad van aanvaarde gemene vloei en word by die definisie van lemhoeke, inlaat- en uitlaatradii, ens. gebruik.

 

Funksie van 'n vierelement wringomsetter [1] [10]

Met verwysing na figuur 1, bestaan 'n tipiese vierelement wringomsetter uit 'n pompwiel, 'n leiwiel en 'n tweestadium turbine. Die twee turbinestadia is meganies aan mekaar en aan die uitsetas van die wringomsetter gekoppel en roteer dus teen dieselfde snelheid. Die leiwiel is tussen die turbinestadia geposisioneer en word met 'n meganiese rem staties gehou.

 

 

Die pompwiel word deur 'n aandrywingsbron aange-dryf en lewer die druk benodig om die vloeier deur die vloeierkringloop van die wringomsetter te hersirkuleer. Die pompwiel, turbine en leiwiel word deur die eksterne dop en die interne kern waarin die werkende vloeier van element na element gehersirkuleer word, omhuls.

Die werkende vloeier word vanaf die inlaat van die pompwiel by punt A na die uitlaat van die pompwiel by punt B gepomp. Die vloeier het by die uitlaat van die pompwiel 'n bepaalde vloeitempo en vloeirigting. Die vloeier word vervolgens deur die eerste turbinestadium na punt D gekanaliseer, wat die vloeier na 'n alternatiewe vloeitempo en vloeirigting deflekteer. Die netto vloeide-fleksie oor die turbinestadium lei tot 'n verandering in vloeimomentum, wat 'n reaktiewe krag op die turbinestadium se lemme tot gevolg het. Die tangensiale komponent van hierdie krag word as 'n wringmoment na die uitsetas van die wringomsetter oorgedra.

Op dieselfde beginsel word die vloeier deur die leiwiel na punt F gekanaliseer, wat 'n reaktiewe wringmoment op die lemme van die leiwiel induseer, wat via 'n meganiese rem aan die huls van die statiese ratkas oordra. Na die leiwiel word die vloeier deur die tweede turbinestadium na punt H, wat 'n addisionele wringmoment op die uitsetas van die wringomsetter induseer, gekanaliseer.

Die vloeier wat die tweede turbinestadium by punt H verlaat, voltooi die hersirkulerende kringloop by punt A waar dit weer deur die inlaat van die pompwiel vloei. On-der gestadigde toestande is die som van die indiwiduele elementwringmomente gelyk aan nul, wat aandui dat die insetwringmoment (pompwiel) van die uitsetwringmo-mente (turbinestadia) verskil indien die wringmoment van die leiwiel nie aan nul gelyk is nie. Die wringverhou-ding is dus groter of kleiner as een wat 'n wringomsetter van 'n vloeierkoppeling onderskei wat nie 'n leiwiel het nie en dus geen wringmoment omsettingsvermoë het nie.

 

Die model

'n Skematiese snitseksie van die wringomsetterkonfigura-sie wat die onderwerp van hierdie artikel vorm, word in figuur 2 getoon.

 

 

Aannames

Die volgende aannames word in die modelontwikkeling gemaak:

- Die gemene stroomlynmetode [1], [10] vir die vloei in die kringloop van die hidrodinamiese wringomsetter word gebruik. Die model is dus een-dimensioneel van aard.

- Die wringomsetter het twee radiale vloei turbinestadia.

- Die leiwiel is staties oor die bereik van modellering.

- Gestadigde toestande bestaan in die vloeierkringloop onder alle spoed- en lastoestande.

- Die wringmoment wat na die wände van die elemente

van die wringomsetter oorgedra word, word as nalaat-baar klein aanvaar.

- Die vloeier word as onsamedrukbaar aanvaar.

- Elke element bestaan uit 'n gelemde en nie-gelemde gedeelte. Dit word aanvaar dat die gelemde en nie-gelemde gedeelte van 'n element saam roteer.

- Die invloed van temperatuur op die digtheid en kinematiese viskositeit van die vloeier word in ag geneem. Die spesifieke warmtekapasiteit van die vloeier word egter as konstant aanvaar.

- Werk deur die vloeier gedoen, word as positiewe werk gedefinieer.

- Kontinuïteit word oor die gelemde en nie-gelemde gedeeltes van die onderskeie elemente aanvaar. Algehele kontinuïteit word nie oor die totale vloeierkringloop aanvaar nie as gevolg van die verlies aan vloeier tussen die roterende elemente.

- Die vloeier word perfek deur die turbinestadia en lei-wiel gelei. Die relatiewe vloeieruitlaathoek is dus gelyk aan die lemuitlaathoek van die genoemde elemente. Die vloeieruitlaathoek van die pompwiel kan egter van die lemuitlaathoek verskil as gevolg van die verskynsel van glip by die uitlaat van sentrifugale pompwiele.

- Voorsiening word vir die verlies aan vloeier tussen elemente of gedeeltes daarvan gemaak waar relatiewe rotasie plaasvind; die verband tussen lokale geometrie van die wringomsetter en volumetriese effektiwiteit ontbreek egter nog in hierdie werk.

- Die turbinestadia is meganies gekoppel.

 

Ontwikkeling van die teoretiese model

Met verwysing na figuur 3 word dit aanvaar dat die dop en kern die vloeier in die gelemde en nie-gelemde gedeelte van 'n element heeltemal omsluit. Dus volg dit uit die wet van kontinuïteit:

 

 

 

Figuur 3 toon die model wat aanvaar word vir die verlies van vloeier by die punte van relatiewe rotasie. Die mate van lekkasie word met behulp van die element volumetriese effektiwiteit uitgedruk en word deur Fluid Mechanics with Engineering Applications [2] soos volg gedefinieer (met j = k-1):

'n Verband tussen die volumetriese effektiwiteit en lokale wringomsetter géométrie ontbreuk tans nog in hierdie model, 'n Waarde van 1 is voorlopig vir e aanvaar.

Indien aanvaar word dat daar geen wringmoment aan die wände van die wringomsetter elemente oorgedra word, kan Euler [2] se vergelyking vir onsamedrukbare vloei oor die gelemde en nie gelemde gedeeltes, soos volg toegepas word:

Met verwysing na figuur 4 sien die vloeisnelheidsvergely-kings van die k-de element soos volg daaruit:

 

 

 

Die glipfaktor van die pompwiel is 'n empiriese faktor wat die afwykings in vloeierrigting by die uitlaat van die pompwiel bepaal. Lamprecht [5] verwys na twee empiriese metodes om die glipfaktor vir 'n spesifieke pompwiel vir bepaalde bedryfstoestande te bepaal. Die glipfaktor G word hier gedefinieer [3] as:

waar C_t10(t) die teoretiese tangensiale vloeisnelheid by die impeller uitlaat.

C_t10 die werklike tangensiale vloeisnelheid by die impeller uitlaat.

U₁₀ impeller lemsnelheid by die uitlaat.

Hieruit kan die werklike vloeieruitlaathoek b_G1 i.t.v. die teoretiese vloeieruitlaathoek b₁ bereken word:

Die hoek b_G1 word dan verder in die berekening van wringmomente, ens gebruik. Algehele wringmomentbalans onder gestadigde toestande bepaal dat die som van die element wringmomente gelyk is aan nul. Dus volg dat:

Die drywingsverliese in die kringloop van 'n hidrodina-miese wringomsetter kan aan vier basiese kategoriee van Verliese, nl. skokverliese, wandwrywingsverliese, profielverliese en sekundere verliese toegeskryf word [1,6, 7, 8,9]. Laasgenoemde bepaal hoofsaaklik empiriese verlieskoeffisiente waar 'n verlieskoeffisient as die totale of stagnasie drukval oor 'n element of gedeelte daarvan gedefinieer word.

Profiel- en sekondere verlieskoeffisiente Y is uit Ainley en Mathieson, Dixon [3] en Dunham en Came, Dixon [3] verwerk. In hierdie werk is gebruik gemaak van vierde orde polinome^[4] om verliesfaktore by 'n verwysings Reynoldsgetal te bereken, waarna die waardes vir Reynoldsgetal, volgens die verwantskap

aangepas is.

Wandwrywingsverlieskoeffisiente is ook as 'n funksie van Reynoldsgetal bereken.

Vir onsamedrukbare vloei kan die drywingsverliese as die produk van die stagnasiedrukval en die vloeitempo uitgedruk word, wat na vereenvoudiging die volgende lewer:

Die verliese word na die werksvloeier in die vorm van hitte-energie oorgedra, wat tot die styging in temperatuur van die vloeier in 'n element of gedeelte daarvan aanlei-ding gee. Indien die spesifieke warmtekapasiteit van die vloeier konstant aanvaar word, lewer 'n energiebalans oor die gedeeltes van die demente die volgende verband:

'n Algehele drywingsbalans onder gestadigde toestande bepaal dat die som van die elementdrywings en die gesa-mentlike verliese gelyk is aan nul. Dus volg dat:

 

Rekenaarsimulasie

Bogenoemde vergelykings bevat afhanklike veranderli-kes (bv. W_k, U_k, ens.) onafhanklike veranderlikes (bv. r_k, a_k, ens.) en empiriese waardes (bv. Y_kb, Y_ku, ens.). Die

verwantskappe tussen die aihankike veranderlikes, onafhanklike veranderlikes en die empiriese waardes kan verkry word, soos deur Groiss [4] beskryf. Bogenoemde vergelykings kan dan opgelos word vir die onafhanklike veranderlikes om 'n oplossing te bepaal wat voldoen aan die vereistes, soos in vergelykings (20) t.e.m. (28) uiteengesit.

Vergelykings 20 t.e.m. 28 word in die rekenaarmodel Groiss^[4] op 'n iteratiewe wyse opgelos. Daar word van iterasie deur 'n intervalhalveringsmetode op rh, die massavloeitempo by die impellerinlaat gebruik gemaak, totdat 'n drywingsbalans (vergelyking 28) binne gespesifï-seerde toleranse bereik word. In die proses word temperature van die vloeier deurentyd m.b.v. vergelykings soos 26 en 27 bereken. Hiermee word nuwe vloeier-eienskappe bv. digtheid en kinematiese viskositeit bereken wat op sy beurt die oplossing van die drywings-vergelyking, kontinuïteitsvergelyking en Reynoldsgetal tipe vergelyking soos (23) beïnvloed.

'n Aanpassing van die rekenaarmodel soos ontwikkel deur Lamprecht is gebruik om die bogenoemde vergelykings vir die spesifieke konfigurasie van wringomsetter op te los. Die program kan die praktiese probleem van lekkasie tussen roterende elemente en die invloed van temperatuureffekte op die kinematiese viskositeit en digtheid van die werkende vloeistof simuleer. Op dié stadium moet volumetriese effektiwiteite nog ekstern toegevoeg word. 'n Model wat effektiwiteit as 'n funksie van geometrie beskryf, is nog nie beskikbaar nie.

Vir die doeleindes van illustrasie en aangesien daardeur die bedryfskarakteristieke van 'n standaard wringomsetter redelik getrou gemodelleer kon word, is 'n volumetriese effektiwiteit van 1, 'n skokverlies van 0,55 en 'n glipfak-tor van 0,79 verder aan in die artikel aanvaar.

 

Evaluering

Die analitiese model soos hier beskryf, is geevalueer deur die resultate daarvan met die toetsresultate van ses wring-omsetters van die bogenoemde konfigurasie te vergelyk. Die géométrie van die bestaande standaard wringomsetter wat gemodelleer is, word in tabelle 1 en 2 getoon.

Die karakteristiek van die vloeier is oor 'n wye bereik van temperatuur getoets en in die model ingevoer om realistiese temperatuur/vloeierkarakteristieke te simuleer. Die eksperimentele toetsmetode is funksioneel analoog aan die analitiese model in die opsig dat die wringomset-terkarakteristieke teen 'n konstante pompwielspoed oor die voile bereik van spoedverhouding getoets is. Die olieinlaattemperatuur van die wringomsetter is op 'n vaste temperatuur beheer, soos in die analitiese metode gemodelleer. Die algehele verliese is op die toetsopstelling geverifieer deur 'n hittebalans oor die verkoelers van die opstelling te monitor.

Die analitiese model is verder geevalueer deur dit as die primêre hulpmiddel tydens die ontwikkeling van vyf wringomsetterelemente, gebaseer op die géométrie van die bestaande wringomsetter te gebruik.

Die volgende aannames is vir die ontwerp van die vyf wringomsetterelemente gemaak:

- die konsepte word nominaal op die MS74 0.93 geométrie [4] gebaseer;

- die aantal lemme in die elemente bly onveranderd;

- die dikte tot koordverhoudings is ooreenstemmend met die standaard waardes;

- lemhoogtes bly onveranderd;

- hulsgeometrie bly onveranderd;

- wringomsetterelemente moet met standaard elemente uitruilbaar wees;

- lemkonstruksie is soortgelyk aan standaard lemme;

- die radius van die lemleikante verander nie.

Gegrond op bogenoemde aannames/beperkinge is die in-uitlaatlemhoeke van verskillende elemente met nominaal 10° verhoog of verlaag, wat die volgende konsepte tot gevolg gehad het:

(i) SAC5 - die impelleruitlaatlemhoek is verlaag;

(ii) SAC8 - die impellerinlaatlemhoek is verlaag;

(iii) SAC 10 - die inlaatlemhoek vir turbine stadium 1 is verhoog;

(iv) SAC 14 - die inlaatlemhoek op die stator is verlaag;

(v) SAC 18 - die inlaatlemhoek op die turbinestadium 2 is verlaag.

Die detailontwerpe van die wringomsetterelemente word deur Groiss [4] beskryf. Hierdie elemente is vervaardig en onderworpe aan dieselfde toetsprosedure as die standaard wringomsetter.

In die simulasie van die alternatiewe ontwerpe is deu-rentyd van dieselfde verlieskoëffisiënte en glipfaktore gebruik gemaak as vir die bestaande wringomsetter.

 

Resultate

Die eksperimentele en gepubliseerde wringomsetterkarakteristieke van 'n standaard wringomsetter en vyf van die alternatiewe ontwerpe word onderskeidelik in figure 5 t.e.m. 11 getoon. Die pompwielspoed is in alle gevalle 'n konstante 1 000 r/min, met 'n olieinlaattemperatuur van 90 °C. Die olietipe is SAE 10W enjinolie. Die teoretiese resultate van bogenoemde wringomsetters teen soortgely-ke gesimuleerde bedryfstoestande word ook onderskeidelik in figure 5 en 7 t.e.m. 11 getoon.

 

 

 

 

 

 

Uit bogemelde figure blyk dat die eksperimentele en teoretiese voorspelde wringomsetter karakteristiek goed korreleer oor die hele bereik van spoedverhouding. Die resultate van die ander wringomsetters was soortgelyk met 'n 3% akkuraatheid op wringverhouding en 4.5% op wringmomente.

So kan bv. uit figure 7 t.e.m. 11 afgelei word dat die voorspelde stol wringverhouding varieer vanaf 3,2% hoer (SAC8) tot 7,5% hoer (SAC18) as die gemete waardes.

 

 

 

 

 

 

 

 

Gevolgtrekking & aanbeveling

Die hidrodinamiese eienskappe van die wringomsetters kan oor die voile bedryfsbereik redelik goed met die analitiese model bepaal word. Die analitiese model kan verder vir die spesifieke konfigurasie in hierdie artikel beskryf, gebruik word om teen 'n hoe vertrouensvlak modifikasies op bestaande ontwerpe te doen.

Die nut van rekenaarmodelle, soos die van Groiss [4] en Lamprecht [5] om duur iterasies tydens die ontwerp en vervaardiging van wringomsetters te probeer beperk, is hopelik weer eens geillustreer.

'n Verdere toepassing van die rekenaarmodel is die klassifikasie van parameters volgens sensitiwiteit t.o.v. al-gehele werkverrigting van 'n spesifieke wringomsetter, soos deur Groiss [4] beskryf. Hierdie inligting kan dan gedurende die ontwerp en vervaardiging van die spesifieke wringomsetter toegepas word.

Ten slotte sou 'n mens nou aanbeveel dat verdere werk gedoen kan word om volumetriese effektiwiteitsmodelle vir wringomsetters meer geredelik beskikbaar te maak.

Simbolelys

Algemeen

a Vloeioppervlakte

d Vloeierdigtheid

e Volumetriese effektiwiteit

m Massavloei

p Druk

r Radius

w Omwentelingsnelheid

C Absolute vloeisnelheid

G Glipfaktor

P Drywing

T Wringmoment

U Lemsnelheid

V Verliesdrywing

W Relatiewe vloeisnelheid

Y Verlieskoëffisiënt

Hoeke

a Inlaatlemhoek

b Uitlaatlemhoek

Voetskrifte

ki Inlaat van die k-de element

ko Uitlaat van die gelemde gedeelte van die k-element

ke Uitlaat van die k-element

kb Gelemde gedeelte van die k-element

ku Nie-gelemde gedeelte van die k-element

k = 1 Pompwiel

k = 2 Eerste turbienstadium

k = 3 Leiwiel

k = 4 Tweede turbienstadium

m Meriodionale komponent van snelheid

s verwys na stagnasiedruk

 

Verwysings

1. Adrian, dr. F. W.; "Stromungsuntersuchungen und Analyse in Kreislauf Hydrodynamischer Wandler". Doktorale proefskrif, Ruhr University, Bochum, 1985.         [ Links ]

2. Daugherty, R. L. and J. B. Franzini.; "Fluid Mechanics with Engineering Applications", 7de uitgawe, McGraw Hill, 1982

3. Dixon S. L.; "Fluid Mechanics, Thermodynamics of Turbomachinery", University of Liverpool, 3de uitgawe, Pergamon International Library, 1984.

4. Groiss, F. H.; "An Analysis of Hydrodynamic Torque Converters for Design Applications in Heavy Vehicles", Magistergraad verhandeling, Randse Afrikaan-se Universiteit, Junie 1991.         [ Links ]

5. Lamprecht, J.; "Die ontwerp van 'n Hidrouliese Wringomsetter", Magistergraad verhandeling, Universiteit van Pretoria, Desember 1983.         [ Links ]

6. Numazawa, A., Ushijima F., and Fukumura, K.; "An Experimental Analysis of Fluid Flow in a Torque Converter", Toyota Motor Corporation, (Japan), International Congress and Exposition, Detroit, Michigan, 1983.

7. Schlichting, H.; "Boundary Layer Theory", 6de uitgawe, McGraw Hill, 1968.

8. Von Backstrom, T. W.; and Reynaud, F. P.; "Torque Converter One-dimensional Computer Program", Buro van Meganiese Ingenieurswese, Universiteit van Stellenbosch, November 1986.

9. White, F. M.; "Viscious Fluid Flow", McGraw-Hill, 1974.

10. Whitfield, A., Wallace, F. J., and Patel, A.; "Performance Prediction of Multi Element Torque Converters", International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 25, Nr 2, pp 77-85, 1983.         [ Links ]

 

 

First received September 1991
Final Form April 1992