液力變矩器的應用與發展分析

關鍵字：

液力變矩器具有的優良特性，自動適應性、無級變速、良好穩定的低速性能、減振隔振及無機械磨損等，是其它傳動元件無可替代的。歷經百年的發展，液力變矩器的應用不斷擴大，從汽車、工程機械、軍用車輛到石油、化工、礦山、冶金機械等領域都得到了廣泛的應用。液力變矩器的流場理論、設計和制造、實驗等研究工作，近年來，也得到了突飛猛進的發展。  

1．液力變矩器的應用  

國外已普遍將液力傳動用于轎車、公共汽車、豪華型大客車、重型汽車、某些牽引車及工程機械和軍用車輛等。以美國為例，自70年代起,每年液力變矩器在轎車上的裝備率都在90%以上，產量在800萬臺以上，在市區的公共汽車上，液力變矩器的裝備率近于100%，在重 型汽車方面，載貨量30-80t的重型礦用自卸車幾乎全部采用了液力傳動。迄今為止，在功率超過735kW，載貨量超過100t的重型汽車上，液力傳動也得到了應用。如阿里森(ALLISON)的CLBT9680系列液力機械變速器就應用于功率為882.6kW、裝載量為108t的礦用自卸車上，在某些非公路車輛上，在大部分坦克及軍用車輛上也裝備了液力傳動。在歐洲和日本，近年來裝備液力傳動的車輛也有顯著增加。國外較大噸位的裝載機、推土機等工程機械多數都采用了液力傳動。  

我國在50年代就將液力變矩器應用到紅旗牌高級轎車上，70年代又將液力變矩器應用于重型礦用汽車上。目前，我國車輛液力變矩器主要應用于列車機車、一些工程機械和新一代的主戰坦克及步兵戰車等車輛上。液力傳動在國內工程機械上的應用始于60年代，由天津工程機械研究所和廈門工程機械廠共同研制的ZL435裝載機上的液力傳動開始的。80年代由天津工程機械研究所研制開發了"YJ單級向心渦輪液力變矩器葉柵系統"和"YJSW雙渦輪液力變矩器系列"。

兩大系列目前已成為我國國內工程機械企業的液力變矩器的主要產品。其產品的主要性能指標已達到國外同類產品的先進水平。80年代北京理工大學為軍用車輛研制開發了Ch300、Ch400、Ch700、Ch1000系列液力變矩器，突破大功率、高能容、高轉速液力變矩器的設計與制造關鍵技術，達到國際先進水平，滿足了軍用車輛的使用要求。一些合資企業生產的轎車和重型載重車等也應用了進口的液力變矩器。同國外相比，我國車輛應用液力變矩器雖然有了一定基礎，但應用范圍窄，數量較小，在中型載貨汽車、公共汽車、越野汽車等車輛上沒有應用或應用極少。西部大開發和我國經濟的大發展，交通運輸、水利水電、建筑業、能源等領域將是發展重點，因此液力變矩器在我國有廣闊的市場。  

2．液力變矩器技術的發展  

目前廣泛使用的液力變矩器主要有下列幾種形式：  

1) 普通三工作輪閉鎖式液力變矩器,如圖1。結構簡單，車輛起動和低速行使時，主要利用變矩器的增矩性能，換檔時利用變矩器的緩沖性能，高速時將變矩器閉鎖，充分利用機械傳動的高效性能。   

2) 多工作輪液力變矩器，如圖2。主要用于需要起動轉矩大的工程機械和車輛，和需要液力變矩器多工況工作的機械上。  

3) 可調（導葉）式液力變矩器，如圖3。當負載需作雙向運動，對動力性能具有恒速或恒力等特殊牽引特性要求時，液力變矩器必須具有可調節反饋控制的功能，并在動態指標方面滿足一定的要求。主要應用領域是，具有特種牽引要求的各種軍、民用機械，如空中加油軟管曳繞卷盤機械，主被動雙向運動恒力加載試驗機械，大型固定式提升機械，陸基或船基水下物件曳繞機械等。  

4) 牽引-制動型液力變矩器，如圖4。在保證牽引能力的同時，充分利用液力變矩器的減速制動性能。俄羅斯研制了一種牽引-制動型液力變矩器。  

國內的研究人員曾對液力變矩器的制動工況做過一些研究和探索，但是并沒有形成系統的完善的理論，沒有結合具體的車輛設計出具體結構。北京理工大學正在研究牽引-制動型液力變矩器，已完成了工作原理和設計理論的研究，在2~3年內可研制出產品樣機。  

2.1流場理論的發展現狀  

液力變矩器是葉輪機械的一種。液體在液力變矩器工作輪流道中的流動是粘性、不可壓縮的三維不穩定流動。  

基于建模和計算的復雜性和液力變矩器流場的特殊性，長期以來在工程中采用的是一維流動理論，即束流理論。由于它的簡便性和一定的合理性，因而具有工程實用價值，目前得到廣泛應用的液力變矩器的設計理論仍是束流理論。一元束流理論的優點是物理概念簡單，設計計算工作大為簡化和易于掌握等。但由于其諸多假設與變矩器內流場有很大差別，所以用一維束流理論設計出來的變矩器往往不能達到預期的性能指標，而要經過反復的試驗和改進，這就大大地增加了試驗量和研制周期。隨著車輛、工程機械等行業對液力變矩器性能和研制周期要求的不斷提高，給液力變矩器的研究提出了新的課題，研究人員在液力變矩器流場理論的研究上付出了很多努力，取得了一定進展。   

在一元束流理論的基礎上發展了二維流動理論。它將工作輪中的流動簡化為過旋轉軸心的一組平行軸面內的平面流動，每個平面內的速度分布和壓力分布都是相同的。在給定了葉片的邊界形態和流量后，即可用數學方程求出該平面上任一點的流動參數。在二維流動理論基礎上建立起來的二維或準二維性能預測和葉柵設計方法，把原來由中間平均流線所代表的進、出口速度和葉片參數改為沿進出口邊或沿內外環具有某種變化規律的分布。應用二維流動理論，人們對液力變矩器的性能預測、葉性設計及繪制方法等進行了大量研究，得到了較好的效果。   

總的來說，用二維流動理論描述純離心式或軸流式工作輪中的流動情況與實際較為接近，而描述常用的向心式或一般的混流式工作輪，則與實際差別較大。  

液力變矩器設計計算方法的發展方向是三維流動理論，描述粘性流體三維流動的運動方程是 納維-斯托克斯（Navier-Stokes）方程，簡稱N-S方程。由于N-S方程和歐拉方程的復雜性，直接求數值解非常困難，特別是N-S方程，到目前為止尚無法直接求解。近十多年來，人們多用有限元法和有限差分法求三維流動的微分方程或變分方程。  

盡管人們對液力變矩器內流場的研究已經取得了一定的進展，但是由于液力變矩器內流場的特殊性和復雜性，完全拋開一維束流理論來進行液力變矩器設計計算的條件尚不成熟，能準確地反映液力變矩器內流場狀況的理論尚未形成，液力變矩器的研究設計方法并沒有從根本上得到改善，對液力變矩器還不可能進行一步到位的設計，往往要有多次反復，需要做大量的實驗。  

2.2設計方法的發展現狀  

液力變矩器的設計主要內容有葉柵系統入、出口參數設計、液流道設計、特性計算、整體結構設計及供油系統設計。  

葉柵系統入、出口參數設計是指根據給定的性能指標確定最佳的葉柵系統入、出口參數，包括流道的入、出口寬度和半徑及葉片的入、出口角度和厚度。目前采用的設計方法有三種：基型設計、統計設計和基于流場理論的設計。  

基型設計：選擇性能與設計要求接近的液力變矩器作為設計基型，循環圓的形狀，葉輪的布置，葉片的形狀，葉片的數目，各種計算系數均參考基型選擇，幾何尺寸按相似原理進行確定。  

統計設計：根據現有液力變矩器的種類和性能指標，有針對性地進行綜合分析，統計出液力變矩器的性能和工況、葉輪尺寸及葉片角度的關系，制定出圖表或解析式作為設計的參考。設計時根據性能要求選定一些參數作為設計計算的初始點，根據統計圖表或解析式確定所設計的液力變矩器的各項參數，從而確定葉柵系統入、出口參數。  

基于流場理論的設計：目前葉柵系統入、出口參數設計的理論基礎仍然是一元束流理論。根據束流理論及能量守衡定律建立葉柵系統入、出口參數設計計算的基本數學關系式，根據設計性能要求及制造工藝條件建立約束方程，然后，通過選擇合適的優化目標函數、優化計算方法及初始參數進行設計計算。可以使用的方法有，漸次逼近法，采用單或多目標優化計算方法來計算最佳葉柵系統入、出口參數。  

液流流道是由循環圓內、外環曲面及葉片曲面組成的，其設計包括循環圓設計和葉形設計。  

循環圓設計是確定循環圓的外環形狀、內環形狀、設計流線形狀及葉片的入、出口邊的軸面位置及形狀。設計方法有兩種：基型設計及基于統計結果和流場理論的設計。  

葉片設計是在循環圓設計和葉柵系統入、出口參數設計基礎上進行的，葉片的形狀直接影響液流流道的形狀及葉輪的制造。液力變矩器的葉片可以分為兩類：可展曲面葉片和不可展曲面葉片。  

葉片設計的方法可分為三種：三維設計、準三維設計和二維設計。由于流場理論研究的制約，直接進行葉片的三維曲面設計和準三維設計困難較大，而且，優勢不是很明顯。目前應用的葉片設計方法仍是投影于多圓柱面的等角射影原理的流線法，對此方法的研究也較深入和廣泛，積累了不少經驗。  

2.3制造方法的發展現狀  

液力變矩器的制造，隨著液力變矩器的結構形式及應用場合不同而有所不同。葉輪的制造可以分為兩大類：組裝式和整體鑄造式。前者葉輪的內環、外環及葉片分別采用金屬板沖壓或銑制而成，然后，用焊接、鉚接的方法，將三部分組裝成完整的葉輪，該方法具有單件成本低，加工精度和流道的表面粗糙度高的優點，但工裝成本高。后者葉輪的內環、外環及葉片直接由模具澆注成一體，一般是鋁鑄件。根據形成流道的型芯的制法不同，工作輪的鑄造方法分為整體型芯法和組合型芯法，適合于具有空間曲面形狀且不等厚度的葉片的葉輪的制造。根據形成鑄型型腔材料的不同，工作輪的鑄造方法又可分為砂型鑄造和金屬型鑄造。采用金屬型、石膏芯復合鑄造工藝生產液力變矩器鋁葉輪的方法，可以提高鑄件的表面粗糙度，保障尺寸精度，并能鑄造出葉片根部的圓角。   

3.計算機在液力變矩器設計制造中的應用  

3.1 CAD/CAM技術的發展現狀  

CAD/CAM技術是隨著信息技術的發展而形成的一門新技術，它的應用和發展引起了社會和生產的巨大變革，因此CAD/CAM技術被視為20世紀最杰出的工程成就之一。目前，CAD/CAM技術廣泛應用于機械、電子、航空、航天、汽車、船舶等各個領域。   

CAD/CAM系統對硬件的主要要求有：強大的圖形處理和人機交互功能；相當大的外存容量；良好的通訊聯網功能。近年來，由微機組成的CAD/CAM系統越來越受到用戶的歡迎。顯示器是CAD/CAM系統重要輸出設備之一。自80年代以來，為增強圖形顯示功能，出現了帶有圖形處理功能的顯示卡。這種卡即有高分辨的顯示控制能力，又有高性能2D/3D圖形處理功能，使顯示器圖形處理功能大為增強。另外一些優秀的CAD/CAM軟件功能提高迅速，如：PTC公司的Pro/Engineer、EDS公司的UG.II、Solidworks公司的Solidworks等等。  

3.2 計算機在液力變矩器設計制造中的應用  

北京理工大學在液力變矩器的計算機輔助設計與制造等方面進行了系統深入的研究，開發了液力變矩器計算機輔助設計、制造一體化系統，該系統包含了計算機輔助設計、計算機輔助制造、計算機輔助測繪、三元流流場分析和工程數據庫管理系統等模塊；建立了高起點的軟、硬件開發環境及系統軟件總體結構。實現了液力變矩器循環園、葉片及工作輪鑄造模具的CAD/CAM。提高了葉輪的制造精度，縮短了研制周期，降低了成本。  

3.3計算機在液力變矩器流場理論研究中的應用  

根據當前流場理論的研究成果，許多大型軟件公司將這些理論溶入其CAE軟件之中，并且在工程實踐和理論研究中取得了重要成果和應用。  

流場計算主要應用到的學科是CFD，即計算流體動力學。目前已經出現一大批用于CFD計算的商業及非商業軟件。主要利用的數值計算方法為有限體法、有限元法和差分法等。而商業元件憑借其廣泛的適用性受到了各個層次研究人員的歡迎，其中主要有FLUENT、ANSYS/FLOTRAN等計算流體動力學軟件。  

在這里，我們采用ANSYS/FLOTRAN作為工具對液力變矩器流場分布進行計算。它是一個用于分析二維及三維流體流動的先進的工具，可以對如下問題進行分析：層流或湍流、傳熱或絕熱、可壓縮或不可壓縮、牛頓流或非牛頓流、多組份傳輸等，而同時這些分析互相并不抵觸。我們認為所分析對象為湍流、絕熱、不可壓牛頓流體。同時FLOTRAN提供了多種湍流模式進行湍流計算，一般我們采用在工程中應用比較成熟的二維方程湍流k-e模型及其改進模型如RNG模型和NKE模型等。它們不僅能對常規流動問題進行較為準確的求解，同時也還可以進行網格局部細分，計算二維表面張力效應、自由表面、流體輻射、表面張力效應、計算ALE - CFD分析的任意歐拉－拉格朗日列式以及進行流體-固體耦合場分析和流場優化設計。  

4.展望  

綜上所述，液力變矩器在我國有廣闊的市場，入世以后，我國液力變矩器的制造業正面臨著前所未有的挑戰。另一方面，無論是液力變矩器的設計方法，還是其制造方法仍有許多工作值得去做。要積極推廣變矩器的使用，開發新型液力變矩器，并不斷地改善其性能。液力變矩器的研究工作對我國工業水平的提高，對國防事業的發展都存在深遠的意義。