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液力變矩器具有的優(yōu)良特性，自動(dòng)適應(yīng)性、無(wú)級(jí)變速、良好穩(wěn)定的低速性能、減振隔振及無(wú)機(jī)械磨損等，是其它傳動(dòng)元件無(wú)可替代的。歷經(jīng)百年的發(fā)展，液力變矩器的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，從汽車、工程機(jī)械、軍用車輛到石油、化工、礦山、冶金機(jī)械等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。液力變矩器的流場(chǎng)理論、設(shè)計(jì)和制造、實(shí)驗(yàn)等研究工作，近年來(lái)，也得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。  

1．液力變矩器的應(yīng)用  

國(guó)外已普遍將液力傳動(dòng)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(jī)械和軍用車輛等。以美國(guó)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(chǎn)量在800萬(wàn)臺(tái)以上，在市區(qū)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(dòng)。迄今為止，在功率超過(guò)735kW，載貨量超過(guò)100t的重型汽車上，液力傳動(dòng)也得到了應(yīng)用。如阿里森(ALLISON)的CLBT9680系列液力機(jī)械變速器就應(yīng)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(dòng)。在歐洲和日本，近年來(lái)裝備液力傳動(dòng)的車輛也有顯著增加。國(guó)外較大噸位的裝載機(jī)、推土機(jī)等工程機(jī)械多數(shù)都采用了液力傳動(dòng)。  

我國(guó)在50年代就將液力變矩器應(yīng)用到紅旗牌高級(jí)轎車上，70年代又將液力變矩器應(yīng)用于重型礦用汽車上。目前，我國(guó)車輛液力變矩器主要應(yīng)用于列車機(jī)車、一些工程機(jī)械和新一代的主戰(zhàn)坦克及步兵戰(zhàn)車等車輛上。液力傳動(dòng)在國(guó)內(nèi)工程機(jī)械上的應(yīng)用始于60年代，由天津工程機(jī)械研究所和廈門工程機(jī)械廠共同研制的ZL435裝載機(jī)上的液力傳動(dòng)開始的。80年代由天津工程機(jī)械研究所研制開發(fā)了"YJ單級(jí)向心渦輪液力變矩器葉柵系統(tǒng)"和"YJSW雙渦輪液力變矩器系列"。

兩大系列目前已成為我國(guó)國(guó)內(nèi)工程機(jī)械企業(yè)的液力變矩器的主要產(chǎn)品。其產(chǎn)品的主要性能指標(biāo)已達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。80年代北京理工大學(xué)為軍用車輛研制開發(fā)了Ch300、Ch400、Ch700、Ch1000系列液力變矩器，突破大功率、高能容、高轉(zhuǎn)速液力變矩器的設(shè)計(jì)與制造關(guān)鍵技術(shù)，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，滿足了軍用車輛的使用要求。一些合資企業(yè)生產(chǎn)的轎車和重型載重車等也應(yīng)用了進(jìn)口的液力變矩器。同國(guó)外相比，我國(guó)車輛應(yīng)用液力變矩器雖然有了一定基礎(chǔ)，但應(yīng)用范圍窄，數(shù)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(yīng)用或應(yīng)用極少。西部大開發(fā)和我國(guó)經(jīng)濟(jì)的大發(fā)展，交通運(yùn)輸、水利水電、建筑業(yè)、能源等領(lǐng)域?qū)⑹前l(fā)展重點(diǎn)，因此液力變矩器在我國(guó)有廣闊的市場(chǎng)。  

2．液力變矩器技術(shù)的發(fā)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，車輛起動(dòng)和低速行使時(shí)，主要利用變矩器的增矩性能，換檔時(shí)利用變矩器的緩沖性能，高速時(shí)將變矩器閉鎖，充分利用機(jī)械傳動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)矩大的工程機(jī)械和車輛，和需要液力變矩器多工況工作的機(jī)械上。  

3) 可調(diào)（導(dǎo)葉）式液力變矩器，如圖3。當(dāng)負(fù)載需作雙向運(yùn)動(dòng)，對(duì)動(dòng)力性能具有恒速或恒力等特殊牽引特性要求時(shí)，液力變矩器必須具有可調(diào)節(jié)反饋控制的功能，并在動(dòng)態(tài)指標(biāo)方面滿足一定的要求。主要應(yīng)用領(lǐng)域是，具有特種牽引要求的各種軍、民用機(jī)械，如空中加油軟管曳繞卷盤機(jī)械，主被動(dòng)雙向運(yùn)動(dòng)恒力加載試驗(yàn)機(jī)械，大型固定式提升機(jī)械，陸基或船基水下物件曳繞機(jī)械等。  

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

國(guó)內(nèi)的研究人員曾對(duì)液力變矩器的制動(dòng)工況做過(guò)一些研究和探索，但是并沒有形成系統(tǒng)的完善的理論，沒有結(jié)合具體的車輛設(shè)計(jì)出具體結(jié)構(gòu)。北京理工大學(xué)正在研究牽引-制動(dòng)型液力變矩器，已完成了工作原理和設(shè)計(jì)理論的研究，在2~3年內(nèi)可研制出產(chǎn)品樣機(jī)。  

2.1流場(chǎng)理論的發(fā)展現(xiàn)狀  

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

基于建模和計(jì)算的復(fù)雜性和液力變矩器流場(chǎng)的特殊性，長(zhǎng)期以來(lái)在工程中采用的是一維流動(dòng)理論，即束流理論。由于它的簡(jiǎn)便性和一定的合理性，因而具有工程實(shí)用價(jià)值，目前得到廣泛應(yīng)用的液力變矩器的設(shè)計(jì)理論仍是束流理論。一元束流理論的優(yōu)點(diǎn)是物理概念簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)計(jì)算工作大為簡(jiǎn)化和易于掌握等。但由于其諸多假設(shè)與變矩器內(nèi)流場(chǎng)有很大差別，所以用一維束流理論設(shè)計(jì)出來(lái)的變矩器往往不能達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)，而要經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)和改進(jìn)，這就大大地增加了試驗(yàn)量和研制周期。隨著車輛、工程機(jī)械等行業(yè)對(duì)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(chǎng)理論的研究上付出了很多努力，取得了一定進(jìn)展。   

在一元束流理論的基礎(chǔ)上發(fā)展了二維流動(dòng)理論。它將工作輪中的流動(dòng)簡(jiǎn)化為過(guò)旋轉(zhuǎn)軸心的一組平行軸面內(nèi)的平面流動(dòng)，每個(gè)平面內(nèi)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(tài)和流量后，即可用數(shù)學(xué)方程求出該平面上任一點(diǎn)的流動(dòng)參數(shù)。在二維流動(dòng)理論基礎(chǔ)上建立起來(lái)的二維或準(zhǔn)二維性能預(yù)測(cè)和葉柵設(shè)計(jì)方法，把原來(lái)由中間平均流線所代表的進(jìn)、出口速度和葉片參數(shù)改為沿進(jìn)出口邊或沿內(nèi)外環(huán)具有某種變化規(guī)律的分布。應(yīng)用二維流動(dòng)理論，人們對(duì)液力變矩器的性能預(yù)測(cè)、葉性設(shè)計(jì)及繪制方法等進(jìn)行了大量研究，得到了較好的效果。   

總的來(lái)說(shuō)，用二維流動(dòng)理論描述純離心式或軸流式工作輪中的流動(dòng)情況與實(shí)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(shí)際差別較大。  

液力變矩器設(shè)計(jì)計(jì)算方法的發(fā)展方向是三維流動(dòng)理論，描述粘性流體三維流動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程是 納維-斯托克斯（Navier-Stokes）方程，簡(jiǎn)稱N-S方程。由于N-S方程和歐拉方程的復(fù)雜性，直接求數(shù)值解非常困難，特別是N-S方程，到目前為止尚無(wú)法直接求解。近十多年來(lái)，人們多用有限元法和有限差分法求三維流動(dòng)的微分方程或變分方程。  

盡管人們對(duì)液力變矩器內(nèi)流場(chǎng)的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但是由于液力變矩器內(nèi)流場(chǎng)的特殊性和復(fù)雜性，完全拋開一維束流理論來(lái)進(jìn)行液力變矩器設(shè)計(jì)計(jì)算的條件尚不成熟，能準(zhǔn)確地反映液力變矩器內(nèi)流場(chǎng)狀況的理論尚未形成，液力變矩器的研究設(shè)計(jì)方法并沒有從根本上得到改善，對(duì)液力變矩器還不可能進(jìn)行一步到位的設(shè)計(jì)，往往要有多次反復(fù)，需要做大量的實(shí)驗(yàn)。  

2.2設(shè)計(jì)方法的發(fā)展現(xiàn)狀  

液力變矩器的設(shè)計(jì)主要內(nèi)容有葉柵系統(tǒng)入、出口參數(shù)設(shè)計(jì)、液流道設(shè)計(jì)、特性計(jì)算、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及供油系統(tǒng)設(shè)計(jì)。  

葉柵系統(tǒng)入、出口參數(shù)設(shè)計(jì)是指根據(jù)給定的性能指標(biāo)確定最佳的葉柵系統(tǒng)入、出口參數(shù)，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(shè)計(jì)方法有三種：基型設(shè)計(jì)、統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)和基于流場(chǎng)理論的設(shè)計(jì)。  

基型設(shè)計(jì)：選擇性能與設(shè)計(jì)要求接近的液力變矩器作為設(shè)計(jì)基型，循環(huán)圓的形狀，葉輪的布置，葉片的形狀，葉片的數(shù)目，各種計(jì)算系數(shù)均參考基型選擇，幾何尺寸按相似原理進(jìn)行確定。  

統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)：根據(jù)現(xiàn)有液力變矩器的種類和性能指標(biāo)，有針對(duì)性地進(jìn)行綜合分析，統(tǒng)計(jì)出液力變矩器的性能和工況、葉輪尺寸及葉片角度的關(guān)系，制定出圖表或解析式作為設(shè)計(jì)的參考。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)性能要求選定一些參數(shù)作為設(shè)計(jì)計(jì)算的初始點(diǎn)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)圖表或解析式確定所設(shè)計(jì)的液力變矩器的各項(xiàng)參數(shù)，從而確定葉柵系統(tǒng)入、出口參數(shù)。  

基于流場(chǎng)理論的設(shè)計(jì)：目前葉柵系統(tǒng)入、出口參數(shù)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)仍然是一元束流理論。根據(jù)束流理論及能量守衡定律建立葉柵系統(tǒng)入、出口參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算的基本數(shù)學(xué)關(guān)系式，根據(jù)設(shè)計(jì)性能要求及制造工藝條件建立約束方程，然后，通過(guò)選擇合適的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)、優(yōu)化計(jì)算方法及初始參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。可以使用的方法有，漸次逼近法，采用單或多目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算方法來(lái)計(jì)算最佳葉柵系統(tǒng)入、出口參數(shù)。  

液流流道是由循環(huán)圓內(nèi)、外環(huán)曲面及葉片曲面組成的，其設(shè)計(jì)包括循環(huán)圓設(shè)計(jì)和葉形設(shè)計(jì)。  

循環(huán)圓設(shè)計(jì)是確定循環(huán)圓的外環(huán)形狀、內(nèi)環(huán)形狀、設(shè)計(jì)流線形狀及葉片的入、出口邊的軸面位置及形狀。設(shè)計(jì)方法有兩種：基型設(shè)計(jì)及基于統(tǒng)計(jì)結(jié)果和流場(chǎng)理論的設(shè)計(jì)。  

葉片設(shè)計(jì)是在循環(huán)圓設(shè)計(jì)和葉柵系統(tǒng)入、出口參數(shù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)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(shè)計(jì)的方法可分為三種：三維設(shè)計(jì)、準(zhǔn)三維設(shè)計(jì)和二維設(shè)計(jì)。由于流場(chǎng)理論研究的制約，直接進(jìn)行葉片的三維曲面設(shè)計(jì)和準(zhǔn)三維設(shè)計(jì)困難較大，而且，優(yōu)勢(shì)不是很明顯。目前應(yīng)用的葉片設(shè)計(jì)方法仍是投影于多圓柱面的等角射影原理的流線法，對(duì)此方法的研究也較深入和廣泛，積累了不少經(jīng)驗(yàn)。  

2.3制造方法的發(fā)展現(xiàn)狀  

液力變矩器的制造，隨著液力變矩器的結(jié)構(gòu)形式及應(yīng)用場(chǎng)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(nèi)環(huán)、外環(huán)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(yōu)點(diǎn)，但工裝成本高。后者葉輪的內(nèi)環(huán)、外環(huán)及葉片直接由模具澆注成一體，一般是鋁鑄件。根據(jù)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(jù)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(fù)合鑄造工藝生產(chǎn)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(jì)算機(jī)在液力變矩器設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用  

3.1 CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀  

CAD/CAM技術(shù)是隨著信息技術(shù)的發(fā)展而形成的一門新技術(shù)，它的應(yīng)用和發(fā)展引起了社會(huì)和生產(chǎn)的巨大變革，因此CAD/CAM技術(shù)被視為20世紀(jì)最杰出的工程成就之一。目前，CAD/CAM技術(shù)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、航空、航天、汽車、船舶等各個(gè)領(lǐng)域。   

CAD/CAM系統(tǒng)對(duì)硬件的主要要求有：強(qiáng)大的圖形處理和人機(jī)交互功能；相當(dāng)大的外存容量；良好的通訊聯(lián)網(wǎng)功能。近年來(lái)，由微機(jī)組成的CAD/CAM系統(tǒng)越來(lái)越受到用戶的歡迎。顯示器是CAD/CAM系統(tǒng)重要輸出設(shè)備之一。自80年代以來(lái)，為增強(qiáng)圖形顯示功能，出現(xiàn)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(qiáng)。另外一些優(yōu)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(jì)算機(jī)在液力變矩器設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用  

北京理工大學(xué)在液力變矩器的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造等方面進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，開發(fā)了液力變矩器計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造一體化系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助制造、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)繪、三元流流場(chǎng)分析和工程數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)等模塊；建立了高起點(diǎn)的軟、硬件開發(fā)環(huán)境及系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)了液力變矩器循環(huán)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(jì)算機(jī)在液力變矩器流場(chǎng)理論研究中的應(yīng)用  

根據(jù)當(dāng)前流場(chǎng)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(shí)踐和理論研究中取得了重要成果和應(yīng)用。  

流場(chǎng)計(jì)算主要應(yīng)用到的學(xué)科是CFD，即計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)。目前已經(jīng)出現(xiàn)一大批用于CFD計(jì)算的商業(yè)及非商業(yè)軟件。主要利用的數(shù)值計(jì)算方法為有限體法、有限元法和差分法等。而商業(yè)元件憑借其廣泛的適用性受到了各個(gè)層次研究人員的歡迎，其中主要有FLUENT、ANSYS/FLOTRAN等計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件。  

在這里，我們采用ANSYS/FLOTRAN作為工具對(duì)液力變矩器流場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算。它是一個(gè)用于分析二維及三維流體流動(dòng)的先進(jìn)的工具，可以對(duì)如下問(wèn)題進(jìn)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?shù)龋瑫r(shí)這些分析互相并不抵觸。我們認(rèn)為所分析對(duì)象為湍流、絕熱、不可壓牛頓流體。同時(shí)FLOTRAN提供了多種湍流模式進(jìn)行湍流計(jì)算，一般我們采用在工程中應(yīng)用比較成熟的二維方程湍流k-e模型及其改進(jìn)模型如RNG模型和NKE模型等。它們不僅能對(duì)常規(guī)流動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行較為準(zhǔn)確的求解，同時(shí)也還可以進(jìn)行網(wǎng)格局部細(xì)分，計(jì)算二維表面張力效應(yīng)、自由表面、流體輻射、表面張力效應(yīng)、計(jì)算ALE - CFD分析的任意歐拉－拉格朗日列式以及進(jìn)行流體-固體耦合場(chǎng)分析和流場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。  

4.展望  

綜上所述，液力變矩器在我國(guó)有廣闊的市場(chǎng)，入世以后，我國(guó)液力變矩器的制造業(yè)正面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。另一方面，無(wú)論是液力變矩器的設(shè)計(jì)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(fā)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(duì)我國(guó)工業(yè)水平的提高，對(duì)國(guó)防事業(yè)的發(fā)展都存在深遠(yuǎn)的意義。