液力緩速器研究進(jìn)展

林彩霞，趙旭飛

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)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(xù)制動能力強(qiáng)、過程平穩(wěn)、制動件的磨損極小、散熱性能好、不會產(chǎn)生制動熱衰退問題等優(yōu)點(diǎn)［1］，因此，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，液力緩速器得到了廣泛的應(yīng)用，特別在重載、高速運(yùn)行的汽車上其應(yīng)用更為廣泛，液力緩速器的重要性日益突出。

1 國外研究進(jìn)展

國外對液力緩速器研究和應(yīng)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(jīng)得到較為普遍的應(yīng)用。國外的液力緩速器技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)類型多樣化，隨著其應(yīng)用的廣泛性，出現(xiàn)了很多生產(chǎn)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(chǎn)品以其成熟的技術(shù)及適用于各種車型，成為當(dāng)今汽車液力緩速器行業(yè)發(fā)展水平的代表。由于各公司對技術(shù)的保密，國外關(guān)于液力緩速器的研究文獻(xiàn)很少，國外的文獻(xiàn)主要是對液力緩速器的工作原理、結(jié)構(gòu)和維修進(jìn)行介紹。如Helmut SCHRECK 等［2］對液力緩速器商用車的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，BERGMANN 等［3］分析了液力緩速器在商用車制動的發(fā)展前景。

2 國內(nèi)研究進(jìn)展

2.1 液力緩速器專利

國內(nèi)檢索到的液力緩速器多數(shù)為應(yīng)用型裝置，國家專利局頒布有關(guān)液力緩速器裝置和機(jī)構(gòu)的專利情況如下［4］:

一種能消除泵氣損失的液力緩速器結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)子處于靜止?fàn)顟B(tài)，不會形成氣流，徹底消除泵氣損失。

液力緩速器的發(fā)電方法及裝置，專利號:201010145781，特征:實(shí)現(xiàn)汽車制動能量回收和再生，達(dá)到汽車節(jié)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(jìn)出拓展為對角進(jìn)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(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)生產(chǎn)的，目前市面上還沒有成熟的產(chǎn)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(shè)計(jì)研究

基于逆向工程的設(shè)計(jì)方法是對某一樣機(jī)進(jìn)行快速仿形測繪，反求設(shè)計(jì)參數(shù)，采用曲面重構(gòu)的方法實(shí)現(xiàn)逆向設(shè)計(jì)。江蘇大學(xué)劉凱等人［5］結(jié)合液力緩速器關(guān)鍵零部件葉輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用精密光學(xué)三坐標(biāo)測量儀對其進(jìn)行掃描，并利用CATIA 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和模型構(gòu)建，得到零件的三維模型和設(shè)計(jì)圖紙，進(jìn)而通過流場分析軟件Fluent 對液力緩速器內(nèi)流場進(jìn)行分析，這大大縮短了液力緩速器的設(shè)計(jì)開發(fā)周期，提高了設(shè)計(jì)效率。基于逆向工程的設(shè)計(jì)方法為以后的產(chǎn)品改型提供了很大便利，可以加快液力緩速器的國產(chǎn)化進(jìn)程，盡快打破國外對于液力緩速器技術(shù)的壟斷。

2.2.2 基于一維束流理論的理論計(jì)算研究

工作介質(zhì)在液力緩速器內(nèi)部的流動是一種在復(fù)雜空間的三維黏性流動，在分析工作介質(zhì)在流道中的流動狀況時，必須引入一些假設(shè)，把三維流動簡化為二維流動或者一維流動，再用實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行修正，以解決液力緩速器流道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算問題。目前對于葉片式機(jī)械，廣泛應(yīng)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(tǒng)設(shè)計(jì)方法的主要理論依據(jù)，為簡化流場、便于研究，朱經(jīng)昌等［6］通過理論計(jì)算的方法探討了如何選擇液力緩速器的設(shè)計(jì)功率與布置位置問題。長安大學(xué)趙鵬［7］、施凱男［8］基于該方法對液力緩速器進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算。北京理工大學(xué)楊凱華等［9］基于束流理論建立了液力緩速器設(shè)計(jì)計(jì)算的數(shù)學(xué)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(tǒng)的動力學(xué)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(wěn)態(tài)工況制動扭矩計(jì)算的3 種方法，并通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比，闡述了各種方法的優(yōu)、缺點(diǎn)和適用性。姚壽文等［11］在經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合一維束流理論和多島遺傳算法進(jìn)行了葉柵系統(tǒng)的優(yōu)化，開發(fā)了虛擬樣機(jī)。閆清東等［12］分別基于兩種液力緩速器內(nèi)腔氣液兩相流動假設(shè)，采用均勻密度法和氣液分層法建立了相應(yīng)的液力緩速器部分充液工況制動轉(zhuǎn)矩液力計(jì)算數(shù)學(xué)模型。嚴(yán)軍等人［13］在600 r/min 以下的速度范圍內(nèi)對液力緩速器流動速度與壓降分布進(jìn)行試驗(yàn)測定，并基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了內(nèi)腔壓力模型，該模型較為正確地外推高轉(zhuǎn)速、高制動扭矩工況下的內(nèi)腔壓力走勢與數(shù)值。

一維束流理論具有物理概念明確、參數(shù)調(diào)節(jié)簡單的優(yōu)點(diǎn)，在液力傳動元件的設(shè)計(jì)研發(fā)中得到廣泛應(yīng)用。但實(shí)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(wěn)定的復(fù)雜流動，顯然基于一維束流理論并包含有很多經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法無法計(jì)算其內(nèi)部流動，并且在葉片和流道設(shè)計(jì)以及對外特性預(yù)測中存在很大誤差。20世紀(jì)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(zhǔn)三維流動理論，但因條件限制并未發(fā)展成為指導(dǎo)液力元件設(shè)計(jì)的成熟理論和方法。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)及其商業(yè)理論與方法研究和流動測量技術(shù)的飛速發(fā)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(shí)際應(yīng)用的長足發(fā)展。

2.2.3 基于CFD 技術(shù)的數(shù)值研究

液力減速器葉柵系統(tǒng)葉片一般采用傾斜、等厚直葉片，結(jié)構(gòu)相對于液力變矩器簡單，葉片角度和葉片數(shù)目的確定一直是葉柵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的學(xué)者們在試驗(yàn)研究福伊特原型機(jī)的基礎(chǔ)上，研制了液力緩速器樣機(jī)，結(jié)合理論計(jì)算和數(shù)值模擬分析，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)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(tài)以及工作介質(zhì)性質(zhì)為常量，進(jìn)行數(shù)值模擬分析，討論了液力緩速器整機(jī)性能以及定輪、動輪機(jī)構(gòu)內(nèi)部流場分布特性，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。黃俊剛等［15］研究了全流道滿充液狀態(tài)下，工作介質(zhì)性質(zhì)同樣為常量，液力緩速器內(nèi)部流場的壓力和速度分布，以及對液力緩速器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如:循環(huán)圓的直徑、幾何形狀、葉片傾角、進(jìn)油口的分布等進(jìn)行了數(shù)值分析。

吉林大學(xué)李雪松等［16］研究了全流道在部分和滿充液狀態(tài)下穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)時液力緩速器內(nèi)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(xiàn)象進(jìn)行分析;并對液力緩速器結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。

北京理工大學(xué)李慧淵［17］基于三維流場理論對液力緩速器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。魏巍等人［18］對于無內(nèi)環(huán)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(jìn)行CFD 液力減速器內(nèi)流場數(shù)值模擬，獲取不同充液率和不同轉(zhuǎn)速下的制動性能曲線，并得到對應(yīng)不同工況的速度和壓力場分布特性。閆清東等［19］基于瞬態(tài)流場計(jì)算方法，建立了某型液力減速器相應(yīng)的仿真模型。結(jié)合實(shí)際車用工況確定了入、出油口的流速，設(shè)置了精確的初始流場作為邊界和初始條件，運(yùn)用CFD 技術(shù)對液力減速器緊急制動工況的充液過程進(jìn)行流場分析及制動外特性仿真計(jì)算。

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

武漢理工大學(xué)馮宜彬等［22］應(yīng)用CFD 數(shù)值模擬技術(shù)，采用Fluent 軟件對液力緩速器內(nèi)部流場進(jìn)行研究，得到了不同工況下液力緩速器內(nèi)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(jì)算模型，利用CFD軟件對液力緩速器原始特性進(jìn)行仿真，分析得出增加動輪出口和改變?nèi)~片角度對液力緩速器的制動性能和降低空轉(zhuǎn)功率損失的影響。

2.2.4 基于流固耦合技術(shù)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究

對液力緩速器的結(jié)構(gòu)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(shù)，將三維流場分析和有限元結(jié)構(gòu)分析相結(jié)合，對不同壓力場下液力元件葉柵及工作輪的應(yīng)力分布以及形變位移進(jìn)行求解分析。北京理工大學(xué)王峰等人［24］對某型液力減速器內(nèi)流場，采用CFD 數(shù)值模擬技術(shù)獲得其流道內(nèi)部壓力場，運(yùn)用坐標(biāo)變換、曲面擬合等方法，得到葉片表面的壓力隨局部坐標(biāo)變化的二元函數(shù);利用ANSYS 軟件的APDL 程序?qū)⑷~片的壓力載荷加載到有限元分析模型中，實(shí)現(xiàn)了流體壓力作用下的葉片強(qiáng)度問題較為精確的液力減速器葉片強(qiáng)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(jìn)行強(qiáng)度和模態(tài)分析。ZHAO 等［26］利用有限元對液力緩速器的殼體進(jìn)行了震動分析并進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)研究

液力緩速器的傳動外特性、制動特性性能測試試驗(yàn)方面，一般是通過搭建傳動試驗(yàn)臺進(jìn)行測試。北京理工大學(xué)荊崇波等［27］對某型液力減速器進(jìn)行了制動性能試驗(yàn)研究，分別對液力減速器不同轉(zhuǎn)速、不同充液率工況下的基本特性和制動特性進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該液力減速器在高轉(zhuǎn)速和大充油量的條件下制動效果較好。武漢理工大學(xué)過學(xué)迅等［28］進(jìn)行了臺架試驗(yàn)，對液力減速器空氣鼓風(fēng)損失進(jìn)行了研究，通過鼓風(fēng)損失理論計(jì)算設(shè)計(jì)出新的減損結(jié)構(gòu)閥片，將液力減速器安裝閥片和不安裝閥片的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，表明所設(shè)計(jì)的液力減速器減損結(jié)構(gòu)措施具有理想的效果，且實(shí)驗(yàn)值和理論計(jì)算值基本吻合。

隨著流動測試技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，1996年以來，在液力變矩器內(nèi)流場的測量方面取得了很多成果，主要體現(xiàn)在對各葉輪流道內(nèi)及葉片上速度和壓力的測量，測量速度的較多。吉林大學(xué)于清海等［29］采用PIV 技術(shù)對YJ380 有機(jī)玻璃變矩器樣機(jī)進(jìn)行了流動測試研究，實(shí)現(xiàn)了液力變矩器內(nèi)部流動可視化，并對測試結(jié)果進(jìn)行了量化處理和分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析吻合，證明了此實(shí)驗(yàn)方法的可行性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。因此，將PIV 與CT 技術(shù)相結(jié)合，是對液力緩速器內(nèi)部流場進(jìn)行研究的主要測試手段，是今后促進(jìn)液力緩速器發(fā)展的主要手段之一。

4 結(jié)論

(1)國外的液力緩速器技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)類型多樣化。國內(nèi)液力緩速器的研究較晚，技術(shù)比較落后，因此，基于逆向工程的設(shè)計(jì)方法為以后的產(chǎn)品改型提供了很大便利，可以加快液力緩速器的國產(chǎn)化進(jìn)程，盡快打破國外對于液力緩速器技術(shù)的壟斷。

(2)一維束流理論具有物理概念明確、參數(shù)調(diào)節(jié)簡單的優(yōu)點(diǎn)，簡化流場便于研究。

(3)在概念設(shè)計(jì)階段，通過CFD 這種虛擬設(shè)計(jì)對液力緩速器進(jìn)行研究，可以獲得大量的流動和換熱的細(xì)節(jié)數(shù)據(jù);利用計(jì)算數(shù)據(jù)對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評價，選擇優(yōu)化方案。但是還需要通過樣機(jī)制造及對原型機(jī)和樣機(jī)的試驗(yàn)分析，對CFD 計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，從而對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行修正。

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

(5)通過理論計(jì)算的方法描述液力緩速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能難度較大、并且精度較低，所以采取先進(jìn)的流動測試技術(shù)對液力緩速器進(jìn)行試驗(yàn)研究，是研究液力緩速器性能、探索其內(nèi)部流動規(guī)律非常有效的方法。

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