刘 城，闫清东，魏 巍

(北京理工大学 机械与车辆学院，北京100081)

液力变矩器广泛应用于军用车辆、汽车、工程机械等领域，是液力机械传动装置的关键元件之一，其性能的好坏直接影响整机性能的发挥.论文祥述了液力变矩器三维流动设计架构、精细化设计流程,基于两相流动的性能精确预测、与发动机的动态匹配方法及评价体系，介绍了研制的系列化高效高功率密度液力变矩器及其型谱.

1 高功率密度液力变矩器设计

1.1 叶栅系统三维设计方法

构建了基于三维流动方法的液力元件多学科集成优化设计平台，实现了液力元件叶栅的三维设计及优化，该平台主要针对铸造型液力元件.首先建立液力元件叶栅系统参数化模型，包括循环圆参数化模型及叶片参数化模型，然后利用三维流场仿真技术实现液力元件性能指标的精确预测，利用流固耦合仿真技术实现结构强度指标的精确计算，最后结合响应面方法、智能多目标优化方法，在给定结构约束条件下对液力元件叶栅系统进行液力性能优化设计[1-2]，见图1.

液力变矩器低流动损失叶栅系统设计流程如图2所示.利用单流道稳态计算与智能优化算法相结合的方法，针对给定技术指标建立对应的优化模型，进行叶栅系统优化设计，获得满足约束要求的优化解.随后利用含泄漏区的高精度全三维流道瞬态计算对液力变矩器进行精确流场预测，并对流场结果进行涡漩识别，确定关键工况下能量损失形式及位置，并依此提出局部流道参数化模型，针对高能量损失部位进行优化，从而达到降低叶栅系统能量损失，提高液力传动元件效率的目的，同时利用含泄漏区模型仿真进行液力变矩器结构设计优化，以形成叶轮间隙、叶轮结构的最优配置，以降低容积损失，进一步达到提升效率的目的[3-4].

图1 液力变矩器三维流动设计方法流程图

图2 低流动损失叶栅精细设计流程

1.2 高功率密度液力变矩器两相流动精确预测

高功率密度液力变矩器在运行过程中，其内部流动速度高、局部压力低，导致油液易析出空气甚至发生相变，产生空化现象.高功率密度液力变矩器的空化会导致液力性能恶化、形成振动噪音甚至机械失效，严重影响了液力变矩器性能和可靠性.提出了考虑气-液相间转换的液力变矩器两相瞬态流动状态预测模型，在全流道模型上对液力变矩器不同工况、不同补偿油条件、不同油液属性下的液力特性进行预测，并通过宏观液力特性试验和微观流场测试对模型进行标定，从而精确预测了高功率密度液力变矩器空化初生条件、空化工况及特性，为后续功率密度的进一步提升及空化的抑制提供了数据和理论支撑[5-8],见图3.

图3 液力变矩器内空化两相流动特性

1.3 液力传动系统动态匹配与评估技术

液力传动系统的匹配对其总体性能有着至关重要的作用，合理的匹配才能使发动机性能得到有效发挥，使动力传动系统工作在经济区，从而在节能的条件下满足整车动力及机动性能需求.车辆在实际运行过程中，发动机大部分工况下并不处于全油门状态，且传动系统往往处于加减速、升降挡、制动、作业等动态工况下工作，针对稳态匹配无法反映实车动态运行时工作状态的问题，提出了液力传动系统动态匹配方法，实现液力传动系统在不同油门、不同负载、不同加减速下的动态匹配.采用基于有限试验数据的组合神经网络模型进行发动机动态特性的预测，实现在给定有限动态试验数据下，发动机不同油门、不同转速及不同加减速情况下动态特性的精确预测，采用单流道CFD计算进行液力变矩器动态特性的快速计算，在此基础上建立发动机与液力变矩器动态匹配方程组，实现在给定油门变化规律及负载谱情况下的动态匹配，获得实车动态运行情况下动力传动系统工作状态，实现动力传动系统动态全域匹配[9]，见图4.

图4 液力传动系统动态匹配框图

2 系列高功率密度液力变矩器

针对高功率密度、高可靠性要求，利用构建的高功率密度液力变矩器三维流动设计和分析方法，研制了系列高功率密度液力变矩器产品，功率范围覆盖150～1 100 kW，该系列液力变矩器已被广泛应用于坦克装甲车辆、特种车辆、工程机械等液力机械传动系统中，提高了整机的动力性、经济性、机动性和可靠性，图5为系列化液力变矩器型谱示意图.

图5 系列化大功率液力变矩器型谱示意图

3 结 论

构建的基于CFD的液力变矩器现代设计、分析及仿真方法，提高了液力变矩器的设计水平和质量；研制的系列化高功率密度高效率液力变矩器产品，在军用车辆、工程机械等领域得到了广泛应用，提高了整机的动力性、经济性、机动性和可靠性.