液力变矩器的应用与发展

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液力变矩器具有的优良特性，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，是其它传动元件无可替代的。历经百年的发展，液力变矩器的应用不断扩大，从汽车、工程机械、军用车辆到石油、化工、矿山、冶金机械等领域都得到了广泛的应用。液力变矩器的流场理论、设计和制造、实验等研究工作，近年来，也得到了突飞猛进的发展。
1．液力变矩器的应用
　　国外已普遍将液力传动用于轿车、公共汽车、豪华型大客车、重型汽车、某些牵引车及工程机械和军用车辆等。以美国为例，自70年代起,每年液力变矩器在轿车上的装备率都在90%以上，产量在800万台以上，在市区的公共汽车上，液力变矩器的装备率近于100%，在重 型汽车方面，载货量30-80t的重型矿用自卸车几乎全部采用了液力传动。迄今为止，在功率超过735kW，载货量超过100t的重型汽车上，液力传动也得到了应用。如阿里森(ALLISON)的CLBT9680系列液力机械变速器就应用于功率为882.6kW、装载量为108t的矿用自卸车上，在某些非公路车辆上，在大部分坦克及军用车辆上也装备了液力传动。在欧洲和日本，近年来装备液力传动的车辆也有显著增加。国外较大吨位的装载机、推土机等工程机械多数都采用了液力传动。
4 S5 V9 }* j7 z6 f! y. @; A2 \　　我国在50年代就将液力变矩器应用到红旗牌高级轿车上，70年代又将液力变矩器应用于重型矿用汽车上。目前，我国车辆液力变矩器主要应用于列车机车、一些工程机械和新一代的主战坦克及步兵战车等车辆上。液力传动在国内工程机械上的应用始于60年代，由天津工程机械研究所和厦门工程机械厂共同研制的ZL435装载机上的液力传动开始的。80年代由天津工程机械研究所研制开发了"YJ单级向心涡轮液力变矩器叶栅系统"和"YJSW双涡轮液力变矩器系列"。两大系列目前已成为我国国内工程机械企业的液力变矩器的主要产品。其产品的主要性能指标已达到国外同类产品的先进水平。80年代北京理工大学为军用车辆研制开发了Ch300、Ch400、Ch700、Ch1000系列液力变矩器，突破大功率、高能容、高转速液力变矩器的设计与制造关键技术，达到国际先进水平，满足了军用车辆的使用要求。一些合资企业生产的轿车和重型载重车等也应用了进口的液力变矩器。同国外相比，我国车辆应用液力变矩器虽然有了一定基础，但应用范围窄，数量较小，在中型载货汽车、公共汽车、越野汽车等车辆上没有应用或应用极少。西部大开发和我国经济的大发展，交通运输、水利水电、建筑业、能源等领域将是发展重点，因此液力变矩器在我国有广阔的市场。
* \% _( ^+ u7 c6 N/ K0 Y) w7 |2．液力变矩器技术的发展
　　目前广泛使用的液力变矩器主要有下列几种形式：
4 \9 ?- r9 g4 u& b　　1) 普通三工作轮闭锁式液力变矩器,如图1。结构简单，车辆起动和低速行使时，主要利用变矩器的增矩性能，换档时利用变矩器的缓冲性能，高速时将变矩器闭锁，充分利用机械传动的高效性能。
9 m+ ^/ b$ i. c! d$ a) `　　2) 多工作轮液力变矩器，如图2。主要用于需要起动转矩大的工程机械和车辆，和需要液力变矩器多工况工作的机械上。
　　3) 可调（导叶）式液力变矩器，如图3。当负载需作双向运动，对动力性能具有恒速或恒力等特殊牵引特性要求时，液力变矩器必须具有可调节反馈控制的功能，并在动态指标方面满足一定的要求。主要应用领域是，具有特种牵引要求的各种军、民用机械，如空中加油软管曳绕卷盘机械，主被动双向运动恒力加载试验机械，大型固定式提升机械，陆基或船基水下物件曳绕机械等。
　　4) 牵引-制动型液力变矩器，如图4。在保证牵引能力的同时，充分利用液力变矩器的减速制动性能。俄罗斯研制了一种牵引-制动型液力变矩器。
　　国内的研究人员曾对液力变矩器的制动工况做过一些研究和探索，但是并没有形成系统的完善的理论，没有结合具体的车辆设计出具体结构。北京理工大学正在研究牵引-制动型液力变矩器，已完成了工作原理和设计理论的研究，在2~3年内可研制出产品样机。
2.1流场理论的发展现状
　　液力变矩器是叶轮机械的一种。液体在液力变矩器工作轮流道中的流动是粘性、不可压缩的三维不稳定流动。
　　基于建模和计算的复杂性和液力变矩器流场的特殊性，长期以来在工程中采用的是一维流动理论，即束流理论。由于它的简便性和一定的合理性，因而具有工程实用价值，目前得到广泛应用的液力变矩器的设计理论仍是束流理论。一元束流理论的优点是物理概念简单，设计计算工作大为简化和易于掌握等。但由于其诸多假设与变矩器内流场有很大差别，所以用一维束流理论设计出来的变矩器往往不能达到预期的性能指标，而要经过反复的试验和改进，这就大大地增加了试验量和研制周期。随着车辆、工程机械等行业对液力变矩器性能和研制周期要求的不断提高，给液力变矩器的研究提出了新的课题，研究人员在液力变矩器流场理论的研究上付出了很多努力，取得了一定进展。
  I; P1 M8 G+ t  n4 u　　在一元束流理论的基础上发展了二维流动理论。它将工作轮中的流动简化为过旋转轴心的一组平行轴面内的平面流动，每个平面内的速度分布和压力分布都是相同的。在给定了叶片的边界形态和流量后，即可用数学方程求出该平面上任一点的流动参数。在二维流动理论基础上建立起来的二维或准二维性能预测和叶栅设计方法，把原来由中间平均流线所代表的进、出口速度和叶片参数改为沿进出口边或沿内外环具有某种变化规律的分布。应用二维流动理论，人们对液力变矩器的性能预测、叶性设计及绘制方法等进行了大量研究，得到了较好的效果。
　　总的来说，用二维流动理论描述纯离心式或轴流式工作轮中的流动情况与实际较为接近，而描述常用的向心式或一般的混流式工作轮，则与实际差别较大。
/ p9 N; }# J& y: S% n　　液力变矩器设计计算方法的发展方向是三维流动理论，描述粘性流体三维流动的运动方程是 纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程，简称N-S方程。由于N-S方程和欧拉方程的复杂性，直接求数值解非常困难，特别是N-S方程，到目前为止尚无法直接求解。近十多年来，人们多用有限元法和有限差分法求三维流动的微分方程或变分方程。
' U" k6 t! Y% G7 D, O/ T　　尽管人们对液力变矩器内流场的研究已经取得了一定的进展，但是由于液力变矩器内流场的特殊性和复杂性，完全抛开一维束流理论来进行液力变矩器设计计算的条件尚不成熟，能准确地反映液力变矩器内流场状况的理论尚未形成，液力变矩器的研究设计方法并没有从根本上得到改善，对液力变矩器还不可能进行一步到位的设计，往往要有多次反复，需要做大量的实验。
2.2设计方法的发展现状
) K# }4 y6 I6 [, r& w  p$ ~　　液力变矩器的设计主要内容有叶栅系统入、出口参数设计、液流道设计、特性计算、整体结构设计及供油系统设计。
( u2 G4 d" Y2 e: \) k$ e& y4 ^　　叶栅系统入、出口参数设计是指根据给定的性能指标确定最佳的叶栅系统入、出口参数，包括流道的入、出口宽度和半径及叶片的入、出口角度和厚度。目前采用的设计方法有三种：基型设计、统计设计和基于流场理论的设计。
　　基型设计：选择性能与设计要求接近的液力变矩器作为设计基型，循环圆的形状，叶轮的布置，叶片的形状，叶片的数目，各种计算系数均参考基型选择，几何尺寸按相似原理进行确定。
　　统计设计：根据现有液力变矩器的种类和性能指标，有针对性地进行综合分析，统计出液力变矩器的性能和工况、叶轮尺寸及叶片角度的关系，制定出图表或解析式作为设计的参考。设计时根据性能要求选定一些参数作为设计计算的初始点，根据统计图表或解析式确定所设计的液力变矩器的各项参数，从而确定叶栅系统入、出口参数。
& L" t; G/ K0 L4 |* |/ x! m　　基于流场理论的设计：目前叶栅系统入、出口参数设计的理论基础仍然是一元束流理论。根据束流理论及能量守衡定律建立叶栅系统入、出口参数设计计算的基本数学关系式，根据设计性能要求及制造工艺条件建立约束方程，然后，通过选择合适的优化目标函数、优化计算方法及初始参数进行设计计算。可以使用的方法有，渐次逼近法，采用单或多目标优化计算方法来计算最佳叶栅系统入、出口参数。
; ^( T7 }- M. r. Y# X5 x" d* x" K　　液流流道是由循环圆内、外环曲面及叶片曲面组成的，其设计包括循环圆设计和叶形设计。
　　循环圆设计是确定循环圆的外环形状、内环形状、设计流线形状及叶片的入、出口边的轴面位置及形状。设计方法有两种：基型设计及基于统计结果和流场理论的设计。
　　叶片设计是在循环圆设计和叶栅系统入、出口参数设计基础上进行的，叶片的形状直接影响液流流道的形状及叶轮的制造。液力变矩器的叶片可以分为两类：可展曲面叶片和不可展曲面叶片。
3 _9 D: R; s3 m0 E+ E　　叶片设计的方法可分为三种：三维设计、准三维设计和二维设计。由于流场理论研究的制约，直接进行叶片的三维曲面设计和准三维设计困难较大，而且，优势不是很明显。目前应用的叶片设计方法仍是投影于多圆柱面的等角射影原理的流线法，对此方法的研究也较深入和广泛，积累了不少经验。
9 B+ s2 o6 L- N: s( s7 N0 j2.3制造方法的发展现状
　　液力变矩器的制造，随着液力变矩器的结构形式及应用场合不同而有所不同。叶轮的制造可以分为两大类：组装式和整体铸造式。前者叶轮的内环、外环及叶片分别采用金属板冲压或铣制而成，然后，用焊接、铆接的方法，将三部分组装成完整的叶轮，该方法具有单件成本低，加工精度和流道的表面粗糙度高的优点，但工装成本高。后者叶轮的内环、外环及叶片直接由模具浇注成一体，一般是铝铸件。根据形成流道的型芯的制法不同，工作轮的铸造方法分为整体型芯法和组合型芯法，适合于具有空间曲面形状且不等厚度的叶片的叶轮的制造。根据形成铸型型腔材料的不同，工作轮的铸造方法又可分为砂型铸造和金属型铸造。采用金属型、石膏芯复合铸造工艺生产液力变矩器铝叶轮的方法，可以提高铸件的表面粗糙度，保障尺寸精度，并能铸造出叶片根部的圆角。
9 f' J& `5 N7 k# X7 e0 m3.计算机在液力变矩器设计制造中的应用
3.1 CAD/CAM技术的发展现状
　　CAD/CAM技术是随着信息技术的发展而形成的一门新技术，它的应用和发展引起了社会和生产的巨大变革，因此CAD/CAM技术被视为20世纪最杰出的工程成就之一。目前，CAD/CAM技术广泛应用于机械、电子、航空、航天、汽车、船舶等各个领域。
/ B' d. ]4 [4 ]2 R7 I  I　　CAD/CAM系统对硬件的主要要求有：强大的图形处理和人机交互功能；相当大的外存容量；良好的通讯联网功能。近年来，由微机组成的CAD/CAM系统越来越受到用户的欢迎。显示器是CAD/CAM系统重要输出设备之一。自80年代以来，为增强图形显示功能，出现了带有图形处理功能的显示卡。这种卡即有高分辨的显示控制能力，又有高性能2D/3D图形处理功能，使显示器图形处理功能大为增强。另外一些优秀的CAD/CAM软件功能提高迅速，如：PTC公司的Pro/Engineer、EDS公司的UG.II、Solidworks公司的Solidworks等等。
9 D5 R( J) i& j; T7 p3.2 计算机在液力变矩器设计制造中的应用
: U0 @: |% a, f% x# z4 M; Z$ ~5 ]- F　　北京理工大学在液力变矩器的计算机辅助设计与制造等方面进行了系统深入的研究，开发了液力变矩器计算机辅助设计、制造一体化系统，该系统包含了计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助测绘、三元流流场分析和工程数据库管理系统等模块；建立了高起点的软、硬件开发环境及系统软件总体结构。实现了液力变矩器循环园、叶片及工作轮铸造模具的CAD/CAM。提高了叶轮的制造精度，缩短了研制周期，降低了成本。
% _& q& G+ |( j8 ?' o3.3计算机在液力变矩器流场理论研究中的应用
5 w3 l7 w6 [$ H. x0 t　　根据当前流场理论的研究成果，许多大型软件公司将这些理论溶入其CAE软件之中，并且在工程实践和理论研究中取得了重要成果和应用。
' [( e3 [* `" @　　流场计算主要应用到的学科是CFD，即计算流体动力学。目前已经出现一大批用于CFD计算的商业及非商业软件。主要利用的数值计算方法为有限体法、有限元法和差分法等。而商业元件凭借其广泛的适用性受到了各个层次研究人员的欢迎，其中主要有FLUENT、ANSYS/FLOTRAN等计算流体动力学软件。
　　在这里，我们采用ANSYS/FLOTRAN作为工具对液力变矩器流场分布进行计算。它是一个用于分析二维及三维流体流动的先进的工具，可以对如下问题进行分析：层流或湍流、传热或绝热、可压缩或不可压缩、牛顿流或非牛顿流、多组份传输等，而同时这些分析互相并不抵触。我们认为所分析对象为湍流、绝热、不可压牛顿流体。同时FLOTRAN提供了多种湍流模式进行湍流计算，一般我们采用在工程中应用比较成熟的二维方程湍流k-e模型及其改进模型如RNG模型和NKE模型等。它们不仅能对常规流动问题进行较为准确的求解，同时也还可以进行网格局部细分，计算二维表面张力效应、自由表面、流体辐射、表面张力效应、计算ALE - CFD分析的任意欧拉－拉格朗日列式以及进行流体-固体耦合场分析和流场优化设计。
4.展望
% X9 j% y6 J3 H& u, N/ m6 s4 z; t　　综上所述，液力变矩器在我国有广阔的市场，入世以后，我国液力变矩器的制造业正面临着前所未有的挑战。另一方面，无论是液力变矩器的设计方法，还是其制造方法仍有许多工作值得去做。要积极推广变矩器的使用，开发新型液力变矩器，并不断地改善其性能。液力变矩器的研究工作对我国工业水平的提高，对国防事业的发展都存在深远的意义。
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