液力緩速器研究進展

林彩霞，趙旭飛

(華南農業大學工程學院，廣東廣州510640)

液力減速器為液力偶合器的一個分支，具有制動扭矩大、持續制動能力強、過程平穩、制動件的磨損極小、散熱性能好、不會產生制動熱衰退問題等優點［1］，因此，隨著技術的不斷發展，液力緩速器得到了廣泛的應用，特別在重載、高速運行的汽車上其應用更為廣泛，液力緩速器的重要性日益突出。

1 國外研究進展

國外對液力緩速器研究和應用較早，液力緩速器在大型公共汽車、旅游車、載貨車以及軍用車輛、坦克等車輛上已經得到較為普遍的應用。國外的液力緩速器技術成熟，結構類型多樣化，隨著其應用的廣泛性，出現了很多生產液力緩速器的公司。德國采埃孚公司、德國福伊特公司、美國通用汽車公司等公司的產品以其成熟的技術及適用于各種車型，成為當今汽車液力緩速器行業發展水平的代表。由于各公司對技術的保密，國外關于液力緩速器的研究文獻很少，國外的文獻主要是對液力緩速器的工作原理、結構和維修進行介紹。如Helmut SCHRECK 等［2］對液力緩速器商用車的應用進行了介紹，BERGMANN 等［3］分析了液力緩速器在商用車制動的發展前景。

2 國內研究進展

2.1 液力緩速器專利

國內檢索到的液力緩速器多數為應用型裝置，國家專利局頒布有關液力緩速器裝置和機構的專利情況如下［4］:

一種能消除泵氣損失的液力緩速器結構，專利號:200810020498，特征:在車輛正常行駛不需要制動時，采用離合器使液力緩速器轉子處于靜止狀態，不會形成氣流，徹底消除泵氣損失。

液力緩速器的發電方法及裝置，專利號:201010145781，特征:實現汽車制動能量回收和再生，達到汽車節能的目的。

液力減速制動器，專利號:02278294，特征:具有減小空氣阻力損失裝置。

開式前傾葉片雙腔液力緩速器，專利號:201210243755，特征:雙腔型，適用于公路客車和大噸位載貨汽車。

液力緩速器用換熱器，專利號:201220226807，特征:把原有的釬焊板式換熱器單邊進出拓展為對角進出。

礦車用液力減速器，專利號:201220076767。

一種可以恒速控制車輛的液力緩速器，專利號:200820216110，特征:能實現車輛的分級控制，而且可恒速控制。

液力緩速器，專利號:200720120163。

液力緩速器油道，專利號:200720120166。

液力緩速器，專利號:201220174714。

這4 種液力緩速器基本上是仿制福伊特設計生產的，目前市面上還沒有成熟的產品在使用。

2.2 液力緩速器研究方法

2.2.1 基于逆向工程的設計研究

基于逆向工程的設計方法是對某一樣機進行快速仿形測繪，反求設計參數，采用曲面重構的方法實現逆向設計。江蘇大學劉凱等人［5］結合液力緩速器關鍵零部件葉輪的結構特點，利用精密光學三坐標測量儀對其進行掃描，并利用CATIA 軟件進行數據處理和模型構建，得到零件的三維模型和設計圖紙，進而通過流場分析軟件Fluent 對液力緩速器內流場進行分析，這大大縮短了液力緩速器的設計開發周期，提高了設計效率。基于逆向工程的設計方法為以后的產品改型提供了很大便利，可以加快液力緩速器的國產化進程，盡快打破國外對于液力緩速器技術的壟斷。

2.2.2 基于一維束流理論的理論計算研究

工作介質在液力緩速器內部的流動是一種在復雜空間的三維黏性流動，在分析工作介質在流道中的流動狀況時，必須引入一些假設，把三維流動簡化為二維流動或者一維流動，再用實驗的方法進行修正，以解決液力緩速器流道結構的設計計算問題。目前對于葉片式機械，廣泛應用的是一維束流理論，即歐拉束流理論。歐拉束流理論是傳統設計方法的主要理論依據，為簡化流場、便于研究，朱經昌等［6］通過理論計算的方法探討了如何選擇液力緩速器的設計功率與布置位置問題。長安大學趙鵬［7］、施凱男［8］基于該方法對液力緩速器進行了設計計算。北京理工大學楊凱華等［9］基于束流理論建立了液力緩速器設計計算的數學模型，用MATLAB 作為仿真工具，建立了液力緩速器和車輛傳動系統的動力學仿真模型。王峰等人［10］基于束流理論歸納分析了液力緩速器穩態工況制動扭矩計算的3 種方法，并通過與實驗結果的對比，闡述了各種方法的優、缺點和適用性。姚壽文等［11］在經驗設計的基礎上，結合一維束流理論和多島遺傳算法進行了葉柵系統的優化，開發了虛擬樣機。閆清東等［12］分別基于兩種液力緩速器內腔氣液兩相流動假設，采用均勻密度法和氣液分層法建立了相應的液力緩速器部分充液工況制動轉矩液力計算數學模型。嚴軍等人［13］在600 r/min 以下的速度范圍內對液力緩速器流動速度與壓降分布進行試驗測定，并基于神經網絡建立了內腔壓力模型，該模型較為正確地外推高轉速、高制動扭矩工況下的內腔壓力走勢與數值。

一維束流理論具有物理概念明確、參數調節簡單的優點，在液力傳動元件的設計研發中得到廣泛應用。但實際上，工作液體在液力元件工作葉輪中的流動呈黏性、三維、不可壓縮、非穩定的復雜流動，顯然基于一維束流理論并包含有很多經驗系數的設計計算方法無法計算其內部流動，并且在葉片和流道設計以及對外特性預測中存在很大誤差。20世紀80年代末至90年代初提出了液力傳動二維流動理論和基于S1、S2流面的準三維流動理論，但因條件限制并未發展成為指導液力元件設計的成熟理論和方法。近年來，隨著計算機技術、計算流體動力學(CFD)及其商業理論與方法研究和流動測量技術的飛速發展，對液力傳動的研究又有了新的突破，同時也帶動了液力傳動理論與實際應用的長足發展。

2.2.3 基于CFD 技術的數值研究

液力減速器葉柵系統葉片一般采用傾斜、等厚直葉片，結構相對于液力變矩器簡單，葉片角度和葉片數目的確定一直是葉柵系統設計的重點。

華南農業大學的學者們在試驗研究福伊特原型機的基礎上，研制了液力緩速器樣機，結合理論計算和數值模擬分析，并進行試驗驗證，取得了一定的研究成果。如沈文浩［14］采用單流道、滿充液狀態以及工作介質性質為常量，進行數值模擬分析，討論了液力緩速器整機性能以及定輪、動輪機構內部流場分布特性，并進行了試驗驗證。黃俊剛等［15］研究了全流道滿充液狀態下，工作介質性質同樣為常量，液力緩速器內部流場的壓力和速度分布，以及對液力緩速器的結構參數如:循環圓的直徑、幾何形狀、葉片傾角、進油口的分布等進行了數值分析。

吉林大學李雪松等［16］研究了全流道在部分和滿充液狀態下穩態和非穩態時液力緩速器內部流場的壓力和速度分布;采用大渦模擬法求解液力緩速器三維流動控制方程，對液力緩速器油氣混合現象進行分析;并對液力緩速器結構參數的選擇進行了數值模擬分析。

北京理工大學李慧淵［17］基于三維流場理論對液力緩速器的設計進行了研究。魏巍等人［18］對于無內環的液力元件采用混合入、出口的邊界條件處理方法，對充液率分別為100%、80%、60%、40% 及20%時的工況分別進行CFD 液力減速器內流場數值模擬，獲取不同充液率和不同轉速下的制動性能曲線，并得到對應不同工況的速度和壓力場分布特性。閆清東等［19］基于瞬態流場計算方法，建立了某型液力減速器相應的仿真模型。結合實際車用工況確定了入、出油口的流速，設置了精確的初始流場作為邊界和初始條件，運用CFD 技術對液力減速器緊急制動工況的充液過程進行流場分析及制動外特性仿真計算。

江蘇大學何仁等人［20－21］利用Fluent 軟件基于標準k－ε 模型和SIMPLEC 算法，對液力減速器在不同葉片數下，傾角為50°、55°、60°時循環圓形狀和半徑不同時的內流場進行數值模擬，揭示了不同葉片數、不同葉片傾角和不同循環圓下葉輪內流動速度分布、壓力分布的變化規律，從流道內湍流流動的速度分布、壓力分布和湍動能分布規律3 個方面分析該型葉輪流動的特點。

武漢理工大學馮宜彬等［22］應用CFD 數值模擬技術，采用Fluent 軟件對液力緩速器內部流場進行研究，得到了不同工況下液力緩速器內流場的壓力和速度分布特性與制動扭矩的大小。北方車輛研究所郭劉洋等［23］通過建立多個三維CFD 計算模型，利用CFD軟件對液力緩速器原始特性進行仿真，分析得出增加動輪出口和改變葉片角度對液力緩速器的制動性能和降低空轉功率損失的影響。

2.2.4 基于流固耦合技術的結構強度研究

對液力緩速器的結構分析不再限定于單純的有限元分析，必將基于流固耦合技術，將三維流場分析和有限元結構分析相結合，對不同壓力場下液力元件葉柵及工作輪的應力分布以及形變位移進行求解分析。北京理工大學王峰等人［24］對某型液力減速器內流場，采用CFD 數值模擬技術獲得其流道內部壓力場，運用坐標變換、曲面擬合等方法，得到葉片表面的壓力隨局部坐標變化的二元函數;利用ANSYS 軟件的APDL 程序將葉片的壓力載荷加載到有限元分析模型中，實現了流體壓力作用下的葉片強度問題較為精確的液力減速器葉片強度分析。楊濤［25］利用有限元軟件ANSYS 對液力緩速器動輪和定輪進行強度和模態分析。ZHAO 等［26］利用有限元對液力緩速器的殼體進行了震動分析并進行了相應的試驗。

3 試驗研究

液力緩速器的傳動外特性、制動特性性能測試試驗方面，一般是通過搭建傳動試驗臺進行測試。北京理工大學荊崇波等［27］對某型液力減速器進行了制動性能試驗研究，分別對液力減速器不同轉速、不同充液率工況下的基本特性和制動特性進行了試驗。試驗結果表明，該液力減速器在高轉速和大充油量的條件下制動效果較好。武漢理工大學過學迅等［28］進行了臺架試驗，對液力減速器空氣鼓風損失進行了研究，通過鼓風損失理論計算設計出新的減損結構閥片，將液力減速器安裝閥片和不安裝閥片的試驗結果進行對比，表明所設計的液力減速器減損結構措施具有理想的效果，且實驗值和理論計算值基本吻合。

隨著流動測試技術和計算機技術的發展，1996年以來，在液力變矩器內流場的測量方面取得了很多成果，主要體現在對各葉輪流道內及葉片上速度和壓力的測量，測量速度的較多。吉林大學于清海等［29］采用PIV 技術對YJ380 有機玻璃變矩器樣機進行了流動測試研究，實現了液力變矩器內部流動可視化，并對測試結果進行了量化處理和分析，實驗結果與理論分析吻合，證明了此實驗方法的可行性和實驗結果的正確性。因此，將PIV 與CT 技術相結合，是對液力緩速器內部流場進行研究的主要測試手段，是今后促進液力緩速器發展的主要手段之一。

4 結論

(1)國外的液力緩速器技術成熟，結構類型多樣化。國內液力緩速器的研究較晚，技術比較落后，因此，基于逆向工程的設計方法為以后的產品改型提供了很大便利，可以加快液力緩速器的國產化進程，盡快打破國外對于液力緩速器技術的壟斷。

(2)一維束流理論具有物理概念明確、參數調節簡單的優點，簡化流場便于研究。

(3)在概念設計階段，通過CFD 這種虛擬設計對液力緩速器進行研究，可以獲得大量的流動和換熱的細節數據;利用計算數據對設計方案進行評價，選擇優化方案。但是還需要通過樣機制造及對原型機和樣機的試驗分析，對CFD 計算的結果進行驗證，從而對設計結果進行修正。

(4)基于流固耦合技術，將三維流場分析和有限元結構分析相結合，對不同壓力場下液力元件葉柵及工作輪的應力分布以及形變位移進行求解分析，對使用在不同環境下的液力緩速器的結構強度分析是非常有必要的。

(5)通過理論計算的方法描述液力緩速器結構設計及性能難度較大、并且精度較低，所以采取先進的流動測試技術對液力緩速器進行試驗研究，是研究液力緩速器性能、探索其內部流動規律非常有效的方法。

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