液力缓速器研究进展

林彩霞，赵旭飞

(华南农业大学工程学院，广东广州510640)

液力减速器为液力偶合器的一个分支，具有制动扭矩大、持续制动能力强、过程平稳、制动件的磨损极小、散热性能好、不会产生制动热衰退问题等优点［1］，因此，随着技术的不断发展，液力缓速器得到了广泛的应用，特别在重载、高速运行的汽车上其应用更为广泛，液力缓速器的重要性日益突出。

1 国外研究进展

国外对液力缓速器研究和应用较早，液力缓速器在大型公共汽车、旅游车、载货车以及军用车辆、坦克等车辆上已经得到较为普遍的应用。国外的液力缓速器技术成熟，结构类型多样化，随着其应用的广泛性，出现了很多生产液力缓速器的公司。德国采埃孚公司、德国福伊特公司、美国通用汽车公司等公司的产品以其成熟的技术及适用于各种车型，成为当今汽车液力缓速器行业发展水平的代表。由于各公司对技术的保密，国外关于液力缓速器的研究文献很少，国外的文献主要是对液力缓速器的工作原理、结构和维修进行介绍。如Helmut SCHRECK 等［2］对液力缓速器商用车的应用进行了介绍，BERGMANN 等［3］分析了液力缓速器在商用车制动的发展前景。

2 国内研究进展

2.1 液力缓速器专利

国内检索到的液力缓速器多数为应用型装置，国家专利局颁布有关液力缓速器装置和机构的专利情况如下［4］:

一种能消除泵气损失的液力缓速器结构，专利号:200810020498，特征:在车辆正常行驶不需要制动时，采用离合器使液力缓速器转子处于静止状态，不会形成气流，彻底消除泵气损失。

液力缓速器的发电方法及装置，专利号:201010145781，特征:实现汽车制动能量回收和再生，达到汽车节能的目的。

液力减速制动器，专利号:02278294，特征:具有减小空气阻力损失装置。

开式前倾叶片双腔液力缓速器，专利号:201210243755，特征:双腔型，适用于公路客车和大吨位载货汽车。

液力缓速器用换热器，专利号:201220226807，特征:把原有的钎焊板式换热器单边进出拓展为对角进出。

矿车用液力减速器，专利号:201220076767。

一种可以恒速控制车辆的液力缓速器，专利号:200820216110，特征:能实现车辆的分级控制，而且可恒速控制。

液力缓速器，专利号:200720120163。

液力缓速器油道，专利号:200720120166。

液力缓速器，专利号:201220174714。

这4 种液力缓速器基本上是仿制福伊特设计生产的，目前市面上还没有成熟的产品在使用。

2.2 液力缓速器研究方法

2.2.1 基于逆向工程的设计研究

基于逆向工程的设计方法是对某一样机进行快速仿形测绘，反求设计参数，采用曲面重构的方法实现逆向设计。江苏大学刘凯等人［5］结合液力缓速器关键零部件叶轮的结构特点，利用精密光学三坐标测量仪对其进行扫描，并利用CATIA 软件进行数据处理和模型构建，得到零件的三维模型和设计图纸，进而通过流场分析软件Fluent 对液力缓速器内流场进行分析，这大大缩短了液力缓速器的设计开发周期，提高了设计效率。基于逆向工程的设计方法为以后的产品改型提供了很大便利，可以加快液力缓速器的国产化进程，尽快打破国外对于液力缓速器技术的垄断。

2.2.2 基于一维束流理论的理论计算研究

工作介质在液力缓速器内部的流动是一种在复杂空间的三维黏性流动，在分析工作介质在流道中的流动状况时，必须引入一些假设，把三维流动简化为二维流动或者一维流动，再用实验的方法进行修正，以解决液力缓速器流道结构的设计计算问题。目前对于叶片式机械，广泛应用的是一维束流理论，即欧拉束流理论。欧拉束流理论是传统设计方法的主要理论依据，为简化流场、便于研究，朱经昌等［6］通过理论计算的方法探讨了如何选择液力缓速器的设计功率与布置位置问题。长安大学赵鹏［7］、施凯男［8］基于该方法对液力缓速器进行了设计计算。北京理工大学杨凯华等［9］基于束流理论建立了液力缓速器设计计算的数学模型，用MATLAB 作为仿真工具，建立了液力缓速器和车辆传动系统的动力学仿真模型。王峰等人［10］基于束流理论归纳分析了液力缓速器稳态工况制动扭矩计算的3 种方法，并通过与实验结果的对比，阐述了各种方法的优、缺点和适用性。姚寿文等［11］在经验设计的基础上，结合一维束流理论和多岛遗传算法进行了叶栅系统的优化，开发了虚拟样机。闫清东等［12］分别基于两种液力缓速器内腔气液两相流动假设，采用均匀密度法和气液分层法建立了相应的液力缓速器部分充液工况制动转矩液力计算数学模型。严军等人［13］在600 r/min 以下的速度范围内对液力缓速器流动速度与压降分布进行试验测定，并基于神经网络建立了内腔压力模型，该模型较为正确地外推高转速、高制动扭矩工况下的内腔压力走势与数值。

一维束流理论具有物理概念明确、参数调节简单的优点，在液力传动元件的设计研发中得到广泛应用。但实际上，工作液体在液力元件工作叶轮中的流动呈黏性、三维、不可压缩、非稳定的复杂流动，显然基于一维束流理论并包含有很多经验系数的设计计算方法无法计算其内部流动，并且在叶片和流道设计以及对外特性预测中存在很大误差。20世纪80年代末至90年代初提出了液力传动二维流动理论和基于S1、S2流面的准三维流动理论，但因条件限制并未发展成为指导液力元件设计的成熟理论和方法。近年来，随着计算机技术、计算流体动力学(CFD)及其商业理论与方法研究和流动测量技术的飞速发展，对液力传动的研究又有了新的突破，同时也带动了液力传动理论与实际应用的长足发展。

2.2.3 基于CFD 技术的数值研究

液力减速器叶栅系统叶片一般采用倾斜、等厚直叶片，结构相对于液力变矩器简单，叶片角度和叶片数目的确定一直是叶栅系统设计的重点。

华南农业大学的学者们在试验研究福伊特原型机的基础上，研制了液力缓速器样机，结合理论计算和数值模拟分析，并进行试验验证，取得了一定的研究成果。如沈文浩［14］采用单流道、满充液状态以及工作介质性质为常量，进行数值模拟分析，讨论了液力缓速器整机性能以及定轮、动轮机构内部流场分布特性，并进行了试验验证。黄俊刚等［15］研究了全流道满充液状态下，工作介质性质同样为常量，液力缓速器内部流场的压力和速度分布，以及对液力缓速器的结构参数如:循环圆的直径、几何形状、叶片倾角、进油口的分布等进行了数值分析。

吉林大学李雪松等［16］研究了全流道在部分和满充液状态下稳态和非稳态时液力缓速器内部流场的压力和速度分布;采用大涡模拟法求解液力缓速器三维流动控制方程，对液力缓速器油气混合现象进行分析;并对液力缓速器结构参数的选择进行了数值模拟分析。

北京理工大学李慧渊［17］基于三维流场理论对液力缓速器的设计进行了研究。魏巍等人［18］对于无内环的液力元件采用混合入、出口的边界条件处理方法，对充液率分别为100%、80%、60%、40% 及20%时的工况分别进行CFD 液力减速器内流场数值模拟，获取不同充液率和不同转速下的制动性能曲线，并得到对应不同工况的速度和压力场分布特性。闫清东等［19］基于瞬态流场计算方法，建立了某型液力减速器相应的仿真模型。结合实际车用工况确定了入、出油口的流速，设置了精确的初始流场作为边界和初始条件，运用CFD 技术对液力减速器紧急制动工况的充液过程进行流场分析及制动外特性仿真计算。

江苏大学何仁等人［20－21］利用Fluent 软件基于标准k－ε 模型和SIMPLEC 算法，对液力减速器在不同叶片数下，倾角为50°、55°、60°时循环圆形状和半径不同时的内流场进行数值模拟，揭示了不同叶片数、不同叶片倾角和不同循环圆下叶轮内流动速度分布、压力分布的变化规律，从流道内湍流流动的速度分布、压力分布和湍动能分布规律3 个方面分析该型叶轮流动的特点。

武汉理工大学冯宜彬等［22］应用CFD 数值模拟技术，采用Fluent 软件对液力缓速器内部流场进行研究，得到了不同工况下液力缓速器内流场的压力和速度分布特性与制动扭矩的大小。北方车辆研究所郭刘洋等［23］通过建立多个三维CFD 计算模型，利用CFD软件对液力缓速器原始特性进行仿真，分析得出增加动轮出口和改变叶片角度对液力缓速器的制动性能和降低空转功率损失的影响。

2.2.4 基于流固耦合技术的结构强度研究

对液力缓速器的结构分析不再限定于单纯的有限元分析，必将基于流固耦合技术，将三维流场分析和有限元结构分析相结合，对不同压力场下液力元件叶栅及工作轮的应力分布以及形变位移进行求解分析。北京理工大学王峰等人［24］对某型液力减速器内流场，采用CFD 数值模拟技术获得其流道内部压力场，运用坐标变换、曲面拟合等方法，得到叶片表面的压力随局部坐标变化的二元函数;利用ANSYS 软件的APDL 程序将叶片的压力载荷加载到有限元分析模型中，实现了流体压力作用下的叶片强度问题较为精确的液力减速器叶片强度分析。杨涛［25］利用有限元软件ANSYS 对液力缓速器动轮和定轮进行强度和模态分析。ZHAO 等［26］利用有限元对液力缓速器的壳体进行了震动分析并进行了相应的试验。

3 试验研究

液力缓速器的传动外特性、制动特性性能测试试验方面，一般是通过搭建传动试验台进行测试。北京理工大学荆崇波等［27］对某型液力减速器进行了制动性能试验研究，分别对液力减速器不同转速、不同充液率工况下的基本特性和制动特性进行了试验。试验结果表明，该液力减速器在高转速和大充油量的条件下制动效果较好。武汉理工大学过学迅等［28］进行了台架试验，对液力减速器空气鼓风损失进行了研究，通过鼓风损失理论计算设计出新的减损结构阀片，将液力减速器安装阀片和不安装阀片的试验结果进行对比，表明所设计的液力减速器减损结构措施具有理想的效果，且实验值和理论计算值基本吻合。

随着流动测试技术和计算机技术的发展，1996年以来，在液力变矩器内流场的测量方面取得了很多成果，主要体现在对各叶轮流道内及叶片上速度和压力的测量，测量速度的较多。吉林大学于清海等［29］采用PIV 技术对YJ380 有机玻璃变矩器样机进行了流动测试研究，实现了液力变矩器内部流动可视化，并对测试结果进行了量化处理和分析，实验结果与理论分析吻合，证明了此实验方法的可行性和实验结果的正确性。因此，将PIV 与CT 技术相结合，是对液力缓速器内部流场进行研究的主要测试手段，是今后促进液力缓速器发展的主要手段之一。

4 结论

(1)国外的液力缓速器技术成熟，结构类型多样化。国内液力缓速器的研究较晚，技术比较落后，因此，基于逆向工程的设计方法为以后的产品改型提供了很大便利，可以加快液力缓速器的国产化进程，尽快打破国外对于液力缓速器技术的垄断。

(2)一维束流理论具有物理概念明确、参数调节简单的优点，简化流场便于研究。

(3)在概念设计阶段，通过CFD 这种虚拟设计对液力缓速器进行研究，可以获得大量的流动和换热的细节数据;利用计算数据对设计方案进行评价，选择优化方案。但是还需要通过样机制造及对原型机和样机的试验分析，对CFD 计算的结果进行验证，从而对设计结果进行修正。

(4)基于流固耦合技术，将三维流场分析和有限元结构分析相结合，对不同压力场下液力元件叶栅及工作轮的应力分布以及形变位移进行求解分析，对使用在不同环境下的液力缓速器的结构强度分析是非常有必要的。

(5)通过理论计算的方法描述液力缓速器结构设计及性能难度较大、并且精度较低，所以采取先进的流动测试技术对液力缓速器进行试验研究，是研究液力缓速器性能、探索其内部流动规律非常有效的方法。

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