国内车用液力缓速器研究现状

宋孟军，方 沂，董克建，冯勇鑫

（天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津 300222）

国内车用液力缓速器研究现状

宋孟军，方 沂，董克建，冯勇鑫

（天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津 300222）

介绍了国内车用液力缓速器的研究现状，分析了液力缓速器内流场液流的运动特性及研究方法，同时分析了结构参数和散热性能等相关因素对液力缓速器制动转矩的影响，分析了电控系统及其控制方法，展望了液力缓速器的发展方向，旨在为高速、重载车用液力缓速器的研究提供相应的理论借鉴。

液力缓速器；内流场特性；电控制；制动性能

随着道路网络日趋完善和汽车的行驶性能的改善与提高，液力缓速器作为辅助制动装置，能够明显改善乘坐舒适性，尤其对高速行驶于崎岖道路条件的大、重型商用车辆，液力缓速器可以有效防止行车制动器的磨损加剧与过热失效，延长车辆传动和制动系统的使用寿命，保证行驶安全。已有成果对液力缓速器进行了多方面的研究，如对液力缓速器进行了机械机构设计及建模，对流道内流场特性进行分析，对机械零部件进行了相应的有限元分析，对在不同充液情况下的缓速器力矩及温升情况进行求解，进行液力缓速器二维图的绘制等等。因此，针对液力缓速器性能的研究已经引起科研人员的广泛关注，并取得了相应的研究成果。本文将从液力缓速器的内流场特性研究、液力缓速器的结构参数、液力缓速器的散热性能、电子控制系统及控制方法等几个方面对液力缓速器研究现状进行综述，为液力缓速器的深入研究提供理论依据，为其性能的进一步完善提供方法支撑。

1 液力缓速器的内流场特性研究

工作液体在工作轮中流动是一种复杂的空间运动，一方面液体须沿流道做相对运动，另一方面又须随工作轮做空间旋转运动，并且，液体在工作轮中的流动处于黏性而不可压缩的三维非稳定状态，其流动现象较难观测，为典型的湍流运动。湍流运动普遍存在于实际应用及工程现场，是多种不规则运动的混合，具有非线性。

为提高液力缓速器的减速性能，可采用数值模拟、实验研究、理论计算等多种方法对工作液体内部的流动现象和流动规律进行研究，其中数值模拟方法在液力缓速器的研究中应用较多。所谓数值模拟方法，就是求解流动控制方程，即求解由质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程组成的方程组，且其求解方法还可进一步分为分离式解法和耦合式解法2类。

1.1 液力缓速器的基础理论

为提高液力减速器的性能，工程中采用的是一维束流理论研究其内部的流动现象。液力缓速器内部，工作油液在液力缓速器工作腔内的流动非常复杂，在叶轮离心力的旋转作用及流道约束下，油液将整体表现形式为一种沿叶轮运动方向的空间螺旋运动。另外，液力缓速器缺少内循环流道，因此工作液的流动变得更加复杂。因而，在计算中，通常采用较为成熟的束流理论（一维束流理论）来进行计算和分析，即依据条件假设分析油液、叶轮之间的运动关系，将缓速器工作腔内复杂的空间三维流动简化为一维流动，即将缓速器工作油液的流动用中间旋转曲面的中间流线流动代替，因一维束流理论计算量小，设计周期短，能较好地反映样机特性等，使得其更具工程实用价值。然而，一维束流理论所得结果与液体在缓速器内的实际工作情况并不完全吻合，因此，须在束流理论计算的基础上依据实践经验、试验分析以及算法模型等予以再修正，使其计算结果和精度能够基本满足要求。由此可知，条件假设构成了束流理论的前提和基础[1-4]。

除一维束流理论外，液力缓速器减速制动性能计算方法还有相似计算法。相似计算法有足够的精确度，较一维束流理论更适用于仿真计算。所谓相似设计算法，即相似理论是对液力元件进行放大或者缩小设计、系列化设计以及通过模型试验来确定实物的性能等。相似原理实质上包括几何相似、运动相似和动力相似3个方面：所谓几何相似是指组成两液力元件的构件几何参数相等或成比例；运动相似是工作油液流动状态相似，即工作油液内流体质点的速度三角形相似；动力相似是指液力元件工作腔内流体各质点所受各项力方向相同，大小成比例，并且可采用雷诺数Re，即液力元件流场中惯性力和黏性力的比值来进行判断。

除上述2种方法之外，还可应用伯努力方程和欧拉方程对工作腔内流体的运动规律进行研究。

1.2 充液量对缓速器缓速性能的影响

实际工作中，工作腔内并非一直完全充满液体，因此，液力缓速器在部分充液工况下，其内部是复杂的气-液两相流动。传统的一维束流理论和相似设计方法较难计算其理论特性，如何准确地描述气-液相界面的空间分布及其行为特性是两相流数值模拟中的难点，因此存在欧拉-拉格朗日和欧拉-欧拉2种方法用于掌握液力缓速器内不同充液率时的流场分布规律。所谓欧拉-拉格朗日方法是指使用基于网格的时间平均方法得到连续相流场，例如有限体积或有限元法。而在欧拉-欧拉方法中，不同的相流被处理成相互贯穿的连续介质。例如CFD软件中提供了VOF、Mixture、Eulerian三种欧拉-欧拉多相流模型，而对液力缓速器气-液两相流非稳态流场进行数值计算时，多相流模型可选择混合模型，所获取的液力缓速器气-液两相流动的流场分布特性，有助于液力缓速器的结构参数优化。

在液力缓速器中，工作液体在工作腔中的流动模型为典型的湍流模型，是多种不规则非线性运动的混合，目前存在直接数值模拟和非直接数值模拟两种方法，用以求解湍流模型的数值解。湍流模型的直接数值模拟法，计算结果准确，但对计算机配置要求较高，所以较难推广。目前，湍流模型的非直接模拟方法广泛采用大涡模拟法进行计算。大涡模拟法主要应用于不可压缩流体，是介于直接数值模拟（DNS）与雷诺时均法（RANS）之间的一种湍流数值模拟方法。所谓雷诺时均法即忽略湍流模型中多个细节，对湍流模型进行数值模拟，因此其方法功能有限，而大涡模拟法可较准确地模拟缓速器内部流场的三维瞬态湍流模型，直接利用瞬时的Navier-Stokes方程组计算大尺度涡旋，并利用亚格子模型反映小尺度涡旋对大尺度涡旋的影响[5]。

为深入研究液力缓速器工作腔内部复杂的气液两相流动，除采用大涡模拟法，还可采用可动区域耦合计算的滑动网格法，用以在工作液体处于湍流非稳态流动状态下实时准确传递定子和转子两叶轮之间的物理量。

此外，在工作液靠近壁面的区域，流动受到壁面影响较大，粘性底层所受影响更为明显，而在这一层湍流应力作用很小，液体黏性较湍流脉动影响显著，流动可认为是层流。因此，工作液近壁面的区域须做特殊处理，即采用壁面函数法及低雷诺数k-ε模型两种计算方法：壁面函数法具有半经验性，须依赖于高雷诺数的k-ε模型；低雷诺数k-ε模型同样需要通过修改高雷诺数k-ε模型得到，能够比较真实地反映黏性底层和过渡层的速度分布情况，但是壁面函数法计算效率高，工程实用性强，因此其应用范围较为广泛[6]。

2 液力缓速器的结构参数

由上可知，液力缓速器的缓速性能可通过研究工作液的流动状况获得，而结构参数对工作液的流动状况同样具有一定的影响作用，因此有必要对液力缓速器结构参数进行研究，以提高液力缓速器的缓速性能[7-10]。

液力缓速器缓速性能可由缓速器制动力矩的大小得以体现，其计算公式为：

式中：λ为液力缓速器的力矩系数；ρ为工作液密度；g为重力加速度；n为动轮的转速；D为循环圆有效直径。

由上式可知，转矩系数与制动转矩成正比关系，因此对转矩系数的研究可提高制动转矩的大小，进而可提高液力缓速器的缓速性能。

影响液力缓速转矩系数的主要结构参数有叶轮的叶片数目、叶片倾角、叶片前缘角以及叶轮轮廓形状和有效直径等。

（1）叶片数目的影响。由于束流理论假定叶轮内的叶片厚度无限薄，数目无限多，此时无法研究并确定叶片数目对缓速性能的影响。基于相似设计可知，液力耦合器工作腔内叶片数目对力矩系数及循环流量存在明显影响，即随叶片数目的增加，力矩系数逐渐增大而后减小；叶片数目逐渐减小时，因工作液节面流速分布逐渐不均匀，将使动轮和定轮出口处的圆周切向速度分别逐渐减小和增加，最终导致使所传转矩下降。由此可知，存在叶片数目最佳值使液力缓速器的转矩达到最大。

（2）叶片倾角的影响。叶片倾角分为前倾叶片和后倾叶片，前倾叶片是指叶片倾斜方向与动轮运动方向一致，后倾叶片是指叶片倾斜方向与动轮运动方向相反。动轮和定轮相对布置于液力缓速器工作腔内，其前倾叶片较后倾叶片可有效提高液力缓速器的缓速性能，而随着前倾叶片前倾角度的逐渐增加，液力缓速器的转矩系数也将逐渐增加而后减小，因此同样存在最佳的叶片倾角使得液力缓速器的转矩系数在其它条件一定下达到最大。

（3）叶片前缘角的影响。叶片前缘角即叶片楔角，是指叶片前缘的倒角，其倒角的大小同样对液力缓速器的转矩系数具有一定的影响作用，且随叶片楔角由大到小变化，缓速器转矩系数将逐渐增大。同理，若其他条件一定的情况下，叶片前缘角与前述叶片倾角组合使用，可使液力缓速器的制动转矩系数达到最大值。

（4）叶轮轮廓形状的影响。循环圆实际上是工作液体在动轮与定轮叶片间循环流动时流道的轴面形状，循环圆的设计须保证液力缓速器动轮和定轮及其传动部件的整周旋转和正常工作，同时还需兼顾液力缓速器的缓速性能及加工工艺性，即液力缓速器循环圆的设计应保证合适的形状。常用流道截面形状有长圆形、扁圆形和梨形3类。由于定轮和动轮入口处所产生湍动能的大小不同，长圆形截面所产生的转矩系数最大，扁圆形次之，梨形最小。

缓速器的缓速性能不仅与制动转矩有较大关系，与缓速器的启效时间同样相关；而启效时间的快慢又与进出油口位置的结构设计直接相关。因此，有必要研究液力缓速器充放油时间的计算方法，进而改善进出油口位置的结构设计，提高液力缓速器的启效时间，从而进一步提高液力缓速器的缓速性能。

3 液力缓速器的散热性能及其影响

由于工作液在进出油口处存在压力差，因而将不断循环，热量由出油口排出，同时冷却油液由进油口输入，从而能够有效抑制高油温对液力缓速器缓速性能的影响。因此有必要应用现代计算机辅助设计理论及相应分析软件对液力缓速器热交换系统的换热模型进行构建，对其换热规律进行研究。即给出理想条件假设，结合湍流模型，应用雷诺平均流动和传热方程构建关于换热器组件的数学模型，并最终采用数值模型方法进行相关影响因数计算及性能预测[12-13]。

由于缓速力矩随温度升高而下降，为提高液力缓速器的缓速性能，制动时产生的热量应与冷却系统散发的热量保持平衡，因此要求冷却系统须具有较高的传热效率。基于数值模拟方法，对液力缓速器的散热规律进行研究，依据散热云图和散热规律，改进散热器结构及筋板布置方式等，均可提高冷却系统的散热效率。由此可知，有必要设计高效、结构紧凑的散热装置，从而有效保持液力缓速器的缓速性能[14]。

4 液力缓速器电子控制系统及控制方法

实现液力缓速器的高性能，电子控制系统是另一重要技术组成部分，其软硬件控制模块设计的好坏直接影响到整车制动性能的实现[15]。

电子控制系统内的控制器可通过对各类传感测量信号进行分析处理，实现对液力缓速器的工作状态进行全面控制，并利用can总线与车用各控制单元进行协调，从而达到液力缓速器进气系统的快速性和稳定性，进而保证车辆安全稳定运行。由于车辆行驶制动过程中既要维持恒制动转矩，又要保证油温平衡，因此其电子控制系统需要与液压控制系统、自动变速系统、ABS控制系统等协调工作。同时，依据模糊控制逻辑，采用脚动无极减速控制模式，可实现驾驶员意图的智能化控制[16]。另外，通过构建仿真模型，可实现对液力缓速器整车制动性能的预测，并通过制定控制策略，从而可为液力缓速器的开发与应用提供理论依据和技术参考[17-19]。

5 液力缓速器性能试验

制定实验内容和实验目的，编制采集软件，对台架实验所测数据进行采集，并将实验结果与数值计算结果进行对比，验证上述理论分析和数值模拟方法的有效性和可靠性，可为车用液力缓速器结构参数优化奠定基础。如通过对压力控制阀进行性能实验，可验证所构建仿真模型的正确性[20]；同时进行台架实验，对缓速器整机性能进行试验，可检测进气系统的工作状态，保证缓速器正常工作。而换热器内部结构复杂，不易于应用换热偏微分方程进行求解和获得分析解，可通过对换热器的试验研究对散热器的换热性能进行验证，其试验结果可准确而可靠地验证数值模拟和分析结果的正确性[21-22]。

电控系统的功能和可靠性同样对液力缓速器性能的高效发挥具有重要的作用。因此，可将液力缓速器上的电控系统进行实车试验，即对安装有液力缓速器的载重汽车进行整车制动性能试验，采集制动信息，分析整车的制动性能，从而验证电控单元的基本性能是否满足要求等。

6 前景展望

液力缓速器的研究已取得了较多的研究成果，而其研究的逐步深入可为液力缓速器性能的提高不断提供理论支撑和技术支持，因此，关于液力缓速器的研究仍有许多内容需要进一步完善[23-24]，如目前，在进行缓速器内部流场分析时，国内多数研究均对缓速器内部环境进行了相应的条件假设，即将复杂的空间三维流动简化为简单的一元束流流动进行研究。但实际液流情况较为复杂，与假设条件并不完全吻合，部分条件的给定须结合相应的实验数据。因此，有必要进一步对液力缓速器转矩与转速、冲液量以及等叶轮结构参数等的关系进行深入研究。此外，由于液力缓速器非工作状态时内部为气相或气液两相流，存在一定的空损率，降低整车行驶的效率。因此，进行液力缓速器机构设计的研究可以有效降低或消除液力缓速器的空损率，有效提高车辆的行驶效率，从而进一步提高液力缓速器的制动效率。另外，液力缓速器内部油液在工作时须维持动态平衡，所以控制系统应具有一定的有效性和可靠性。同时为实现整车协调控制，集成于整车动力系统的液力缓速器的控制系统部分需要与发动机、自动变速系统和整车制动系统等的控制部分相互结合，实现信息融合，进而实现整车高速制动的智能性、安全性、可靠性和舒适性等。

总之，对液力缓速器及其与整车的匹配性能进行进一步深入研究，以期更好地发挥液力缓速器的辅助制动作用。

［1］ 王铁.车用电控液力缓速器三维流场分析的仿真方法研究［D］.长春：吉林大学，2007.

［2］ 马文星，宋建军，刘春宝，等.开式液力缓速器出口压力计算方法［J］.吉林大学学报：工学版，2014，41（1）：86-90.

［3］ 刘岩.电控液力缓速器进气系统的压力控制阀特性研究［D］.长春：吉林大学，2007

［4］ 黄俊刚，李长友，童军，等.液力缓速器制动扭矩的关键影响因素分析［J］.机床与液压，2010，38（15）：77-80.

［5］ 李雪松，程秀生，苗丽颖.液力缓速器部分充液流场大涡模拟及特性预测［J］.中南大学学报，2012，43（5）：1717-1723.

［6］ 何仁，严军，鲁明.不同流道轴面形状的液力缓速器内流场的模拟［J］.系统仿真学报，2009，21（24）：7743-7746.

［7］ 何仁，严军，鲁明.液力缓速器三维数值模拟及性能预测［J］.汽车工程，2009，31（3）：251-252.

［8］ 盖洪超.液力缓速器参数设计及整车缓速制动性能仿真研究［D］.长春：吉林大学，2011.

［9］ 鲁明，严军，何仁.基于CATIAV5虚拟装配的液力缓速器设计［J］.重型汽车，2008（4）：14-15..

［10］贾云海，张文明，杨珏，等.液力缓速器制动过程动态仿真研究［J］.汽车技术，2009（7）：26-28.

［11］严军，何仁.液力缓速器叶片变角度的缓速性能分析［J］.农业机械学报，2009，40（4）：206-209.

［12］王凯峰.液力缓速器的热交换系统传热性能仿真与试验方法研究［D］.长春：吉林大学，2007.

［13］赵鹏.汽车液力缓速器开发技术研究［D］.西安：长安大学，2008.

［14］何剑飞，李长友，杨素平，等.一种农用车辆液力缓速器外壳的散热性能数值模拟［J］.湖南科技学院学报，2010，31（8）：12-14.

［15］陈波.电控液力缓速器性能试验方法的研究［D］.长春：吉林大学，2007.

［16］张玉玺，程秀生，李辉，等.基于模糊逻辑的液力减速器智能控制的研究［J］.昆明理工大学学报：理工版，2007（5）：14-17.

［17］陆中华，程秀生.液力缓速器恒速控制策略的仿真研究［J］.汽车技术，2009（11）：2-3.

［18］沈文浩，李长友，张森文，等.汽车液力缓速制动器的研究现状［J］.拖拉机与农用运输车，2008，35（6）：1-3.

［19］严军，过学迅，谭罡风，等.基于联合仿真的液力缓速器液压控制系统研究［J］.系统仿真学报，2011，23（6）：1245-1248.

［20］刘岩.电控液力缓速器进气系统的压力控制阀特性研究［D］.长春：吉林大学，2007.

［21］尹利云.基于内流场数值计算的液力缓速器结构参数优化研究［D］.长春：吉林大学，2012.

［22］张玉玺，程秀生，刘维海，等.液力缓速器的试验研究［J］. 2007，11（38）：5-7.

［23］过学迅，梁荣亮，陈见.基于ANSYS的车辆液力缓速器叶片强度分析及模态分析［J］.武汉理工大学学报，2010，34（2）：68-71.

［24］吴超，徐鸣，李慧渊，等.重型车辆液力缓速器空损试验研究［J］.车辆与动力技术，2012（1）：24-25.

Review of hydraulic retarder of vehicle in China

SONG Meng-jun，FANG Yi，DONG Ke-jian，FENG Yong-xin
（School of Auomotive and Tansportation，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

The research status of the basic theories of the hydraulic retarder is analyzed，and the impacted factors of the retarding torque produced by structural parameters，thermal performance，and other impact factors of hydraulic retarder are investigated in this paper.The hydraulic retarder electric control system and its control mode are also analyzed；and then the future research work about the hydraulic is discussed.A theoretical significance for hydraulic retarder of high speed and heavy load vehicle having a safe and reliable retardation ability is provided.

hydraulic retarder；internal flow field characteristics；electric control；brake performance

U463.533

A

2095－0926（2015）01－0039－05

2015-01-12

天津职业技术师范大学科研发展基金资助项目（KYQD13012）.

宋孟军（1983—），男，讲师，博士，研究方向为机构运动学及机电一体化应用技术研究.