液力变矩器研究现状与发展趋势

液力变矩器研究现状与发展趋势摘要：综述目前国内外液力变矩器设计分析理论的发展过程，内流场分析方法和液力变矩器关键部件设计方法的研究现状，对所使用的理论计算方法、实验方法进行了分类、介绍和评价，总结了相应的研究进展和取得的成果，并在前人研究成果的基础上，探讨了液力变矩器研究的发展趋势。

关键词：液力变矩器；流场分析；三维流动；设计前言液力变矩器是以液体为介质，利用液体的相互作用引起机械能与液体动能之间的相互转换，通过液体动量矩的变化来改变传递转矩的传动装置。

液力变矩器具有自动适应性、无级变速、良好稳定的低速性能、减振隔振及无机械磨损等优良特性，延长了动力传动装置的使用寿命，提高了乘坐的舒适性、安全性及通过性，因此广泛应用于汽车、军用车辆、工程机械、石油、冶金、矿山及化工机械等领域，是车辆自动变速系统的主要部件。

液力变矩器主要包括泵轮、涡轮和导轮三个部件，如图1所示。

泵轮由发动机驱动；涡轮与变速器输入轴相连，导轮则通过单向离合器安装在变速器壳体上。

工作液在各工作轮组成的闭合循环道内流动，通过动能的变化来传递扭矩。

图1液力变矩器基本组成1液力变矩器设计方法液力变矩器的设计主要是指变矩器的循环圆设计、叶片设计、特性计算、整体结构设计以及一些关键零部件的设计，由于叶片参数直接影响到变矩器的性能，因而是液力变矩器的设计的关键是叶片设计。

循环圆和叶片的设计方法通常有经验设计法、相似设计法和理论设计法三种。

在实际的设计过程中，这三种方法是综合应用的，主要分为两个环节：一是基于束流理论的参数设计。

二是在试制产品试验结果的基础上根据经验规律进行改进。

其中，试验改进环节消耗大量的成本和时间，几乎占据整个设计过程的80%以上。

而且众多环节需要经验确定，使得设计具有很大的不确定性。

基于建模和计算的复杂性和液力变矩器流场的特殊性，液力变矩器叶片设计的理论基础已由一维流动理论、二维流动理论发展到三维流动理论。

（1）一维流动理论：将工作轮中的总液流假设成由许多流束组成，认为叶片数无穷多，厚度无限薄，忽略粘性对流场的影响，简化很大，具有一定的工程实用价值，能反映流体作用的宏观效果，但不能正确反映宏观效果的微观原因，与液力变矩器实际内流场差别较大。

（2）二维流动理论：在束流理论的基础上，认为工作轮中的液体只在垂直于旋转轴线的一组平行轴面内的平面流动，且其中每一平面的速度分布和压力分布都是相同的，即流动参数是两个空间坐标的函数。

在给定了叶片的边界形态和流量后，即可用数学物理方程求出该平面上任一点的流动参数分布。

该简化对纯离心式或轴流式工作轮中的实际流动情况，较为接近；对常用的向心式涡轮液力变矩器来说，与实际流动的差别仍然很大。

（3）三维流动理论：液力变矩器是流道封闭的多级透平机械，流道内为复杂的三维粘性流动。

由于流道的曲率变化非常大，叶片的形状也是三维的，这就造成液流沿着流线方向、圆周方向以及从内环到外环都是变化的。

另外，油液是有粘性的，这就必然会在流道壁面上出现附面层，由此还会引起“二次流动”和“脱流”、“旋涡”等。

要想的到准确的流场计算结果，必须对变矩器内部流场进行三维粘性流动计算，直接对N-S 方程求解。

液力变矩器采用计算流体动力学数值模拟技术研究液力变矩器内部的流动形态，但能反映变矩器内部真实流动的数学模型还不完善，有待进一步研究和发展。

随着计算流体力学的发展和计算机计算能力的飞速发展，在三维流动理论、先进的实验手段以及专用软件逐渐完善的基础上对液力变矩器进行三维理论设计，增加设计的成功率，同时提高液力变矩器的各项性能。

目前已经取得了一定的成果：国外，Norihiko Watanabe[1]将计算结果与CFD技术相结合进行变矩器的设计，结果证明此方法较以往设计方法缩短了设计周期，优化了产品的性能。

Sehyun Shin和Hyukjae Chang[2]在混合平面理论基础上进行三维分析，利用CFD-CAE工具，采用改正的SIMPLE-C算法，分析之后，并利用数值仿真对比了泵轮和涡轮在不同叶片卷曲角下液力变矩器的性能，提出在设计过程中优化卷角可提高液力变矩器性能。

Giwoo Kim[3]等人认为适应液力变矩器扁平化的一个重要设计手段就是修改导轮的几何尺寸，因为导轮对整体性能的影响明显，因此作者分析了原型和修改了关键结构参数的两种导轮，得出通过修改导轮的形状可以很好的提高能容系数的结论。

国内：陆肇达、闫国军[4]等人在液力变矩器叶形设计和动态特性方面做了很多工作北京理工大学闫清东[5]、项昌乐等人针对液力变矩器从设计到制造、实验的过程进行了较为系统的研究。

雷雨龙[6]等在液力变矩器三元流场数值计算和分析的基础上，对原液力变矩器进行改型设计，改进了叶型进出口角、骨线形状和厚度分布等参数。

魏巍[7]等开发了一套包含束流初值搜索、循环圆与叶形的参数化设计、网格划分、流场分析、试验设计和优化算法在内的三维优化设计系统，初步实现了液力变矩器叶栅系统的完全三维设计及其优化。

吴光强[8]等开展了液力变矩器现代设计与分析方法研究，开发了液力变矩器设计与分析系列软件，实现了变矩器设计与分析的有机集成。

葛安林[9]基于W305型液力变矩器的开发，对液力变矩器的三维理论设计方法进行了研究,建立了新的开发流程，新的流程在CAD/CAM一体化设计的基础上整合了CFD分析方法,使得新的设计方法能够实现完全的虚拟设计，并能够在虚拟设计过程中融入性能因素的考虑, 使得整个开发流程形成闭环结构设计，从而更容易得到理想的液力变矩器。

如图2所示。

图2现代液力变矩器的开发流程2.液力变矩器内流场分析液力变矩器是一个高度复杂的多级透平流体透平机械，结构参数众多，其内部的流动为复杂的三维湍流，人们至今还没有完全掌握流动机理，基于束流理论的传统设计方法不能反映其内部真实流动，使得开发的产品的性能不是很理想。

流场分析将试验结论和数值计算结果相互验证、对比，通过流场分析，准确获取液力变矩器内部流动特性，能为液力变矩器的性能预测、合理设计提供科学的理论，分析液力损失的原因，并为性能优化和结构设计提供依据。

目前对流场的分析主要包括试验测量和数值模拟两个方面2.1数值模拟研究与试验方法相比，数值模拟具有成本低和周期短的特点。

随着计算机技术、计算流体动力学及其商业软件的迅速发展，全三维粘性流动分析技术趋于成熟，使得精确求解变矩器内部复杂流动成为可能，它能比较正确地计算模拟流体的真实流动，能比较正确地预测其中流场的涡旋、脱流、分离、尾迹和损失等流动现象，精确地预测流体机械的性能。

更重要的是数值模拟可以修改计算模型，对于研究系统参数对性能的影响和优化方面有其独到的优势。

目前液力变矩器流场数值模拟技术日益成熟，主要采用有限体积和有限元的算法，并采用标准k－ε模型、RSM模型来模拟湍流，SIMPLE及其改进的SIMPLEC等算法被用于求解速度压力耦合，同时采用一阶和二阶的迎风格式来处理对流扩散问题，采用混合平面理论在单流道模型下满足质量流量守恒。

近年来，国外学者在利用CFD技术和数值模拟计算方面进行了大量的研究，根据流场计算结果预测变矩器的性能，改进了传统的液力变矩器设计方法，为液力变矩器的研制和改进提供了可靠依据。

H Schulz.，R.Greim和V olgmann W.[10]等针对液力变矩器叶栅流道几何形状复杂和叶轮旋转的特点，对有限体积法计算程序作了进一步改进和发展。

他们采用三维非正交曲线实体坐标系来适应叶片复杂的几何形状，同时该坐标系为旋转的相对坐标系。

为了考虑以不同角速度旋转的各叶轮流场之间的相互影响，程序中应用了块处理和块耦合算法。

Denton[11] 在CFD数值分析上提出了混合平面理论，将随时间而改变的各元件之间的滑动交界面，采用混合平面代替，并通过周向平均的方法将时变性去除以进行稳态计算，为提高流场的计算精度提供了新的方法和途径。

Tsujita[12]等研究了泵轮内流场流体流动速度和泵轮转速对二次流动的影响，发现由流道弯曲引起的离心力和由转动引起的科氏力两者比值对二次流动有显著影响。

安部浩也、名井信雄等针对一种汽车液力变矩器采用有限差分法求解了三维N-S方程组，得到了流场数值解。

Ejiri[13]使用STAR-CD 进行了粘性计算，并且修改了液力变矩器来提高效率。

计算结果很好地预计了实际的流场类型。

结果表明在流道中间的吸入面和在出口的核心面上上有更多的最低rothalpy。

他们也研究了汽车液力变矩器的扁平率对液力性能的影响，使用实验的和计算的方法。

计算结果表明性能恶化的主要原因是由于扁平率的增加导致了泵轮效率的减少。

这可归于在入口区域的冲击损失的增加，前半部门区域的分离损失和出口区域的摩擦损失。

他们认为涡轮偏角和泵轮流道的收缩率有一个能使整个变矩器效率最大的最优值。

目前，在国内主要有吉林大学、同济大学、哈尔滨工业大学和北京理工大学对此研究开展的较早而且研究的比较深入，主要研究方法是应用CFD软件进行变矩器流场的模拟计算和流场分析。

吉林大学赵志新[14]使用通用的流体分析软件STAR-CD对越野车用液力变矩器内部流场进行了分析研究；田华[15]等对液力变矩器内部流场进行了数值计算，重点分析了泵轮内流场的特性，对泵轮进出口平面的速度和压力分布进行了研究。

同济大学吴光强[16]、严鹏在变矩器现代设计方法上进行研究和探索，对TC229液力变矩器进行了数值模拟计算和内流场分析并提出了结构参数对整体性能的影响；吴晓栋[17]在分析了液力变矩器内部流场数值模拟存在困难的基础上，对液力变矩器的内部流场给出了几个比较合理的假设，建立了计算模型，提出了有效的模拟计算的解决方案，利用现有的CFD 技术分别对液力变矩器各叶轮内部流场进行数值模拟计算。

他计算了一种轿车液力变矩器，通过分析流场分布情况，发现了该变矩器存在的几何形状问题。

2 试验测试研究在当前液力变矩器内流场数值模拟技术还不算完全成熟时，流场试验研究是了解流场特性和验证数值计算可靠性的重要手段。

试验测试不仅能了解液力变矩器流场基本流动过程、模化流动物理量和发展相关设计、计算方法，同时也为数值计算提供了边界条件，并对数值计算的可靠性、结果的准确性进行验证。

大量的试验不仅能够检验产品性能，还可以为完善理论方法提供依据。

对试验测量液力变矩器内流场的研究始于20世纪80年代中后期，这一时期的试验研究，是利用各种试验设备测量了液力变矩器各个叶轮内部和交界面稳态的、瞬态的速度和压力分布情况。

由于液力变矩器内流场处于封闭的腔体内，各个工作轮以不同的转速做高速旋转，对其内流场的测量具有一定的难度。

液力变矩器流场测试技术可归纳为非侵入式试验测试和侵入式试验测试。

2.1非侵入式试验测试非侵入式测试采取在工作介质中加入特殊的粒子，利用高速发展的计算机图像处理技术对流场显示进行定量化测量，从而实现对瞬态流场的测试。