液力变矩器叶栅系统的改型设计方法
【专利摘要】本发明公开一种液力变矩器叶栅系统的改型设计方法，包括如下的步骤：选定逆向设计的液力变矩器，建立叶栅系统的三维实体模型，将叶栅系统的三维实体模型转换为二维模型；对叶栅系统进行改型设计；将改型设计后的二维模型转换为三维模型并以IGES格式输出，读入叶栅系统改型后的设计基线并建立液力变矩器叶栅系统的三维实体模型。本发明的优点是整个设计过程可以根据设计需要调整叶栅系统设计基线，大大缩短了产品的设计研发周期，提高了生产效率，降低了产品研发成本。
【专利说明】
液力变矩器叶栅系统的改型设计方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种汽车变矩器的技术领域，特别设及一种液力变矩器叶栅系统的改 型设计方法。
【背景技术】
[0002] 液力变矩器是液力机械式自动变速器W及部分无极变速器中用于发动机与变速 器之间传递动力的装置。装备有液力变矩器的车辆具有自适应性强，低速行驶通过性高与 稳定性好等优点，并提高了汽车的乘坐舒适性W及车辆使用寿命，因此，进行液力变矩器的 研究开发具有现实和长远的意义。
[0003] 传统的直接开模制造试验再生产的方法，产品的研发周期长，且制造的叶轮若不 符合设计要求，则需要重新计算修正叶栅的数据，必须重新制造模具，但制造模具的费用高 昂，大大增加了研发成本。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是要提供一种缩短研发周期，提高生产效率，降低研 发成本的液力变矩器叶栅系统的改型设计方法。
[0005] 为了解决W上的技术问题，本发明提供了一种液力变矩器叶栅系统的改型设计方 法，包括如下的步骤：
[0006] 步骤①、选定逆向设计的液力变矩器，建立叶栅系统的=维实体模型，将叶栅系统 的=维实体模型转换为二维模型;从=维实体模型中提取叶栅系统设计基线并将设计基线 W NURBS方式表示，通过IGES格式输出；
[0007] 结合matlab软件，在多圆柱等角射影法的基础上对S维实体模型进行逆向设计， 将=维实体模型变换为二维模型，便于叶栅系统的改型设计；
[000引步骤②、对叶栅系统进行改型设计；
[0009] 根据液力变矩器设计需求对叶栅系统基线二维模型进行改型设计；
[0010] 步骤③、将改型设计后的二维模型转换为S维模型并WIGES格式输出，读入叶栅 系统改型后的设计基线并建立液力变矩器叶栅系统的=维实体模型；
[0011] 将改型设计后的二维模型依据多圆柱等角射影原理变换为S维模型并WIGES格 式输出；在=维设计环境中读入叶栅系统改型后设计基线并建立液力变矩器叶栅系统的= 维实体模型。
[0012] 所述步骤①包括具体的步骤如下：
[0013] 1)选定液力变矩器原型；
[0014] 2)建立叶栅系统的S维实体模型；
[0015] 3)提取叶栅系统内外环的设计基线；
[0016] 4)将设计基线WNURBS方式表示，并通过IGES格式输出；
[0017]是指将液力变矩器叶栅系统设计基线根据指定的节点矢量和次数，WNURBS方式 表示出来，并通过IGES格式输出。
[0018] 5)在IGES格式文件中提取设计参数信息；
[0019] 6)将设计基线=维模型变换为二维模型；
[0020] 所述将设计基线=维模型变换为二维模型，是指W投影于多圆柱面展开的等角射 影法为基础，利用提取的文件参数，将=维模型转换为二维模型。
[0021] 叶片投影于多圆柱面线不仅保持叶片倾斜角与曲面上曲线的倾斜角相等，并且长 度也相等，从而可W在等角射影图上直接加厚叶片，设计更加便利。
[0022] 所述步骤②，是指运用NURBS方法对叶片进行改型设计，通过调整NURBS曲线的各 控制顶点W及修改各控制顶点权重值来实现对叶片角变化规律的调整。此方法进行叶片改 型设计更加灵活方便。
[0023] 本发明的优越功效在于：
[0024] 1)本发明的整个设计过程可W根据设计需要调整叶栅系统设计基线，大大缩短了 产品的设计研发周期，提高了生产效率，降低了产品研发成本；
[0025] 2)NURBS方法在液力变矩器叶栅系统基线设计中的应用。非均匀性有理B样条 (NURBS)能精确的表示工程中常用的直线、二次曲线平面，二次曲面等，可W通过修改 NURBS曲线控制顶点和节点矢量来修改曲线，具有更大的灵活性；
[0026] 3HGES格式文件信息的提取在液力变矩器叶栅系统计中的应用。与之前的直接输 入设计所需信息相比，本发明方法直接在文件中提取设计所需信息，缩短了设计周期，进一 步提局了设计效率；
[0027] 4) Wmatlab为辅助进行液力变矩器叶栅系统设计相应程序的编写。将叶栅系统设 计部分流程编写为程序形成软件平台，进一步提高了设计效率；
[0028] 5)投影于多圆柱面展开的等角射影法在液力变矩器叶栅系统中的应用。与投影于 单圆柱面展开的等角射影法相比，叶片投影于多圆柱面线不仅保持叶片倾斜角与曲面上曲 线的倾斜角相等，并且长度也相等，从而可W在等角射影图上直接加厚叶片，设计更加便 利；
[0029] 6)运用NURBS方法对叶片进行改型设计。通过调整NURBS曲线的各控制顶点W及修 改各控制顶点权重值来实现对叶片角变化规律的调整，此方法进行叶片改型设计更加灵活 方便；
[0030] 7)将改型后设计基线Wmatlab为辅助编写程序直接输出IGES格式模型。可W直接 在=维设计环境中读入改型后设计基线，提高了设计研发效率。
【附图说明】
[0031] 构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示 意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0032] 图1为液力变矩器结构及工作原理示意图；
[0033] 图2为本发明的流程图；
[0034] 图3为本发明提取液力变矩器叶片内外环设计基线图；
[0035] 图4为本发明提取液力变矩器循环圆的设计基线图；
[0036] 图5为本发明NURBS曲线示意图；
[0037]图6为本发明NURBS基函数递推规律示意图；
[003引图7为本发明IGES文件的起始部分；
[0039] 图8为本发明IGES文件的全局部分；
[0040] 图9为本发明IGES文件的目录部分；
[0041] 图10为本发明IGES文件的结束部分；
[0042] 图11为等角射影法原理示意图；
[0043] 图12a、12b为累轮叶片内外环设计基线改型前后对比示意图；
[0044] 图中标号说明
[0045] 1-输入轴； 2-变矩器壳；
[0046] 3-满轮； 4-累轮；
[0047] 5-导轮； 6-输出轴；
[004引7-导轮固定套管；
[0049] 11、12-满轮叶片外环内环设计基线；
[0050] 13、14一导轮叶片外环内环设计基线；
[0051 ] 15、16-累轮叶片内环外环设计基线；
[0052] 21、22-累轮循环圆外环内环设计基线；
[0053] 23、24-导轮循环圆外环内环设计基线；
[0化4] 25、26-满轮叶片内环外环设计基线。
【具体实施方式】
[0055] W下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可W由权利要求限定 和覆盖的多种不同方式实施。
[0056] 下面结合附图详细说明本发明的实施例。
[0057] 本发明方法W单级、=工作轮的液力变矩器为研究对象，但不局限于此应用范围。 液力变矩器的主要工作构件是=个工作轮:累轮、满轮及导轮，各工作轮中均有沿圆周均匀 分布的空间曲面形状的叶片。图1为液力变矩器机构及工作原理示意图，输入轴1与变矩器 壳2固结在一起，变矩器壳2与累轮4固结在一起，满轮与输出轴6固结在一起，导轮5固结在 导轮固定套管6上;发动机通过输入轴1及变矩器壳2,带动累轮4旋转，位于累轮内的工作 液体受到累轮叶片的作用而向外缘流动(沿图中所示箭头方向流动），因而工作液体的速度 和压力增大。即累轮把发动机传来的机械能，转变为工作液体的动能和压能。由累4轮流出 的工作液体，经过一小段无叶片区的流道后，直接进入满轮3,并冲击满轮叶片，使满轮3及 与其相连的输出轴6旋转。工作液体通过满轮3后，速度减小，能量减小，液体的能量通过满 轮3转变为输出轴6上的机械能；由满轮3流出的工作液体经一小段无叶片区的流道进入导 轮5,但导轮5与导轮固定套管7固定在一起不能旋转，而迫使工作液体仅能沿导轮叶片方向 流动；导轮5流出的工作液体经一小段无叶片区又进入累轮4;在液力变矩器内的工作液体 连续不断地从累轮吸收机械能并转换为液能，在满轮处把液能转换成机械能，从而将发动 机传来的机械能，传给液力变矩器后面的工作装置。
[005引如图2所示，本发明提供了一种液力变矩器叶栅系统的改型设计方法，包括如下的 步骤：
[0059] 步骤①、选定逆向设计的液力变矩器，建立叶栅系统的=维实体模型；
[0060] 根据所需开发的液力变矩器新产品选定要进行逆向设计的液力变矩器原型，采用 自动定位=维扫描仪建立叶栅系统的=维实体模型，在=维设计环境中提取叶栅系统内、 外环设计基线，图3为提取的叶片内外环设计基线，11、12为满轮叶片外环内环设计基线， 13、14为导轮叶片外环内环设计基线，15、16为累轮叶片内环外环设计基线。
[0061] 同样的方法提取液力变矩器循环圆的设计基线，如图4所示，21、22为累轮循环圆 外环内环设计基线，23、24为导轮循环圆外环内环设计基线，25、26为满轮叶片内环外环设 计基线。
[0062] 将液力变矩器累轮、满轮及导轮的叶栅系统设计基线WNURBS(非均匀有理B样条） 方式表示并通过IGES格式输出。
[0063] 图5为NURBS曲线示意图，P次NURBS曲线的有理分式形式如下：
[0064]
Cl)
[00化]式中；
[0066] Q--NURBS曲线上的型值点，Cq为型值点的坐标值；
[0067 ] n+1--控制顶点个数；
[006引 m+1--参变量节点个数；
[0069] Pi--巧制顶点，为巧制顶点的坐标值；
[0070] Wi--控制顶点权重因子；
[0071] Ni,P(U)-P次B样条基函数；
[0072] Ui--参变量节点，构成节点向量{7 =[化。，i/|，...,W,,,]I，并且满足u〇《ui《Um。
[0073] P次B样条基函数的递推表达式为：
[0074] ")
[0075] (3)
[0076] 出了化驻凹效的疋乂T兀叶歩里T巧的斤化，yuui+i = Ui，则会导致式（1)中分母 为0，因此，规定0/0 = 0。当U = Ui+i = Ui时，等式右边第一项为（11-山=0)八111+：1-111 = 0)(扣,〇 (U) = 0) = 0,而当u<ui 或u>ui+i 时，等式右边第一项为(11-化）/(化+1-111 = 0)(扣,〇(11)=0)= 0。
[0077] 根据式(3)计算P次B样条基函数时，需要首先计算Ni,O(U),然后依次计算更高阶次 基函数。图6为P次B样条基函数的计算过程示意图，由此可W归纳出NURBS曲线次数P，控制 顶点数n+1W及节点数m+1之间应满足关系式m = p+n+1。
[007引理解了 NURBS拟合曲线的原理后，将液力变矩器叶栅系统设计基线根据指定的节 点矢量和次数P，WNURBS方式表示出来，并通过IGES格式输出。
[0079]利用Matlab软件辅助读取IGES格式文件，从中获取所需设计参数信息。
[0080] IGESQnitial Gra地ics Exchange Specification)是美国的一个图形规范，已 被转换成国家标准GB/T14213, IGES文件是由任意行数组成的一个顺序文件，每行80个字 符，每个文件由五部分组成。在文件中每一行的第73个字符是各部分的标志:起始部分(S)、 全局部分(G)目录部分(D)、参数部分(P)和终止部分(T)。起始部分可有文件的生成人对该 文件进行说明，该部分不是必需的/'START RECO畑GO皿RE."是说明，"S"是起始部分的标 志，"r则是该部分的行号。
[0081] 全局部分提供处理IGES文件所需的各种信息，包括文件名，产生此文件的软件系 统名称，版本号，IGES标准版本号，单位，文件产生的日期、时间、作者、组织等，本发明液力 变矩器叶片基线信息如图8所示，如"space. igs"为文件名，"Version 5"为标准版本号等信 息描述。
[0082] 目录部分是文件中实体部分描述的索引，指明实体的有关属性;如图9为截取的部 分信息，"126"为实体号，代表实体类型为有理B样条曲线，其余部分代表位置序号、线型等 信息。
[0083] 参数部分给出每个实体除目录部分给出的信息W外的所有信息，与目录部分相对 应的，包括类型号，x、y、z坐标值，文本内容，文本大小，角度等信息，本发明示例数据较多， 不再详细说明。
[0084] 结束部分说明各部分行数，如图10所示，起始部分1行，全局部分4行，目录部分58 行，参数部分206行，结束部分1行。
[00财 WMatlab软件为辅助，编写IGES格式文件信息提取程序，获取所需的参数信息，为 进一步的叶栅系统改型设计提供了数据基础。
[0086] W投影于多圆柱面展开的等角射影法为基础，利用提取的文件参数，将=维模型 转换为二维模型，便于对叶栅系统进行改型设计。
[0087] 步骤②、对叶栅系统进行改型设计；
[0088] 为了将=维空间上复杂的叶片映射到设计平面，需要经过等角射影。等角射影法 可W保证叶片角在映射前后保持一致，图11为等角射影法的原理示意图。设计平面与=维 空间之间存在如下关系
[0089]
、4)
[0090] 式中；
[0091] dl3--曲线微元对柱坐标轴面投影的弧长，m;
[0092] dz3一一曲线微元对柱坐标轴面投影沿轴向的弧长分量，m;
[0093] 化3-一曲线微元对柱坐标轴面投影沿径向的弧长分量，m;
[0094] 血3-一曲线微元对柱坐标正面投影沿周向的弧长分量，m;
[00M] dl2--曲线微元对设计平面投影沿L轴的弧长分量，m;
[0096] dm-一曲线微元对设计平面投影沿N轴的弧长分量，m;
[0097] 故--叶片角，°。
[0098] 与投影于单圆柱面展开的等角射影法相比，叶片投影于多圆柱面线不仅保持叶片 倾斜角与曲面上曲线的倾斜角相等，并且长度也相等。
[0099] Wmatlab软件为辅助将叶栅系统S维模型转为二维模型……
[0100] 根据液力变矩器设计需求对叶栅系统基线二维模型进行改型设计。
[0101] 对平面化的叶栅系统进行改型设计。运用反求NURBS曲线控制顶点的方法，求得叶 片角设计线的NURBS表示，运样便能够通过调整NURBS曲线的各控制顶点W及修改各控制顶 点权重值来实现对叶片角变化规律的调整。
[0102] 在确定各形值点所对应的参变量1^时，应考虑各形值点间的疏密程度，由于叶片 轮廓曲率变化大，因此采用
[0103] 化）
[0104]
[0105]
[0106] (6)
[01 07] 二...二Up 二 0 , Um-p 二...二Um二 1。
[010引假设需要用P次B样条曲线插值形值点Qk,其中k = 0,......，n，并且各形值点对应 节点轴上的参变量％ W及节点向量J巧经确定，贝阿W通过求解线性方程 组计算得到控制顶点Pk,即
[0109]
巧)
[0110] 图12为累轮内外环设计基线改型前后叶片角对比图。 步骤③、将改型设计后的二维模型转换为S维模型并WIGES格式输出，读入叶栅系统 改型后的设计基线并建立液力变矩器叶栅系统的=维实体模型；
[0111] 将改型后的设计基线通过等角射影法转换为S维设计基线并通过IGES格式输出； 在=维设计环境中读入改型后的设计基线;为了便于制造时制模及生产，目前液力变矩器 叶片多由直纹面构成，即通过内、外环上两条设计基线可W完全确定叶片曲面的空间形状。
[0112] W上所述仅为本发明的优先实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技 术人员来说，本发明可W有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种液力变矩器叶栅系统的改型设计方法，包括如下的步骤： 步骤①、选定逆向设计的液力变矩器，建立叶栅系统的三维实体模型，将叶栅系统的三 维实体模型转换为二维模型； 步骤②、对叶栅系统进行改型设计； 步骤③、将改型设计后的二维模型转换为三维模型并以IGES格式输出，读入叶栅系统 改型后的设计基线并建立液力变矩器叶栅系统的三维实体模型。2. 根据权利要求1所述的液力变矩器叶栅系统的改型设计方法，其特征在于:所述步骤 ① 包括具体的步骤如下： 7) 选定液力变矩器原型； 8) 建立叶栅系统的三维实体模型； 9) 提取叶栅系统内外环的设计基线； 10) 将设计基线以NURBS方式表示，并通过IGES格式输出； 11) 在IGES格式文件中提取设计参数信息； 12) 将设计基线三维模型变换为二维模型。3. 根据权利要求2所述的液力变矩器叶栅系统的改型设计方法，其特征在于:所述步骤 4)，是指将液力变矩器叶栅系统设计基线根据指定的节点矢量和次数，以NURBS方式表示出 来，并通过IGES格式输出。4. 根据权利要求2所述的液力变矩器叶栅系统的改型设计方法，其特征在于:所述将设 计基线三维模型变换为二维模型，是指以投影于多圆柱面展开的等角射影法为基础，利用 提取的文件参数，将三维模型转换为二维模型。5. 根据权利要求1所述的液力变矩器叶栅系统的改型设计方法，其特征在于:所述步骤 ② ，是指运用NURBS方法对叶片进行改型设计，通过调整NURBS曲线的各控制顶点以及修改 各控制顶点权重值来实现对叶片角变化规律的调整。
【文档编号】G06F17/50GK106021804SQ201610394059
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月6日
【发明人】吴光强, 陈洁, 陈达观, 张博文, 陈祥, 邹玉国, 张春祖, 王立军
【申请人】同济大学, 上海萨克斯动力总成部件系统有限公司