乘用车液力变矩器优化设计研究综述*

2020-09-03吴光强

汽车工程 2020年8期

吴光强，陈洁

（1.同济大学汽车学院，上海 201804； 2.东京大学生产技术研究所，东京 153-8505）

前言

液力变矩器是传统自动变速系统最重要的部件之一，因其具有良好的自适应能力、起步性能、低速稳定性和减振隔振性能，被广泛应用于乘用车、工程机械、发电机械、矿业冶金机械和化工机械等行业。随着我国乘用车工业的不断发展，各种装备液力机械式自动变速器（automatic transmission，AT）和无级变速器（continuously variable transmission，CVT）的中高档乘用车产量急剧提高，而液力变矩器是AT和CVT中用于发动机与变速器之间传递动力的装置，因此液力变矩器在乘用车行业中的市场应用前景非常广阔。

液力变矩器是一种机械与流体耦合的流道封闭的复杂透平机械，利用液体与机构相互作用实现机械能与液体动能间的相互转换，通过液力动量矩的变化来传递动力。与机械传动相比，液力变矩器的液力传动效率略低，使车辆在某些工况下经济性稍差。随着自动变速乘用车传动系的发展，预留给液力变矩器的轴向尺寸有不断减小的趋势，导致液力变矩器综合液力性能进一步恶化。因此，对液力变矩器优化设计进行科学、深入、系统的研究具有非常重要的理论和实际意义。

1 液力变矩器设计与参数化方法研究现状

液力变矩器的设计主要包括循环圆的设计和叶栅系统的设计。过液力变矩器轴心线作截面，在截面上与液体相接的界线形成一个循环圆。循环圆设计应用较为普遍的方法为三圆弧法，循环圆外环由3段相切圆弧组成，根据循环圆中间流线两侧过流截面积相等的原则，确定中间流线和内环的形状和位置。文献［1］中认为该方法由于经验公式对设计的过度约束导致循环圆宽度不可调整，并提出了变宽度循环圆设计方法，利用最大直径、最小直径和宽度限值确定循环圆设计，宽度比最低可降至0.2左右。文献［2］中指出三圆弧法难以保证沿轴面流线保持过流面积不变，提出了基于椭圆的循环圆设计方法；该方法从中间流线开始设计，以沿轴面中间流线过流面积恒等为原则，根据截面宽度确定外环和内环。

叶栅系统的设计是液力变矩器设计的重点和难点。乘用车用液力变矩器叶栅系统的叶片为空间曲面叶片，不能直接展开成平面，因此叶片真实长度、厚度和角度难以表达。常采用的解决方法是应用等角摄影法，把空间曲面上的各点近似投影在圆柱面上，然后展开成平面，能保持叶片倾斜角度相等。乘用车液力变矩器泵轮和涡轮叶片多为等厚叶片，而导轮叶片为非等厚叶片，如何应用较少的参数控制叶片骨线和导轮叶片厚度变化规律是叶栅系统参数化设计的核心问题。文献［3］中利用贝塞尔曲线进行液力变矩器叶片骨线和厚度的构造，建立了叶栅系统参数化设计模型，并编制了叶栅系统造型软件，实现了液力变矩器叶栅系统的参数化建模。文献［4］中应用儒科夫斯基型线进行液力变矩器导轮叶片造型研究，通过变换并加入尾部加厚项处理，使儒科夫斯基型线适应液力变矩器导轮叶片设计需要，并编制了参数化儒科夫斯基型线导轮叶片设计程序。文献［5］中基于非均匀有理B样条（NURBS）研究了液力变矩器叶栅系统改型设计方法，通过调整NURBS曲线的控制点及其权重，实现叶片角变化规律的调整，并构建了液力变矩器改型平台。

综上所述，液力变矩器循环圆设计方法研究的主要趋势是易于编程和实现扁平化，由于其结构相对简单，基于三维设计软件或编程方法均可实现参数化。而叶栅系统为空间三维结构，主要是通过编程或基于编程的设计平台完成参数化设计。目前液力变矩器基于编程的参数化设计通常需要借助Matlab等第三方软件，然后将生成的模型特征导入到三维设计软件中。该方法存在一定不足：一方面，几何模型在软件之间传递有可能造成模型的失真；另一方面，每一次模型的传递都意味着设计周期的延长。

2 液力变矩器设计参数对性能的影响研究现状

液力变矩器的性能主要包括变矩性能、经济性能和负荷性能，变矩性能和经济性能通常可分别由变矩比和效率来表示，而负荷性能常用的评价指标则有泵轮系数λP、容量特性系数K和转矩容量系数CF 3种：

式中：MP为泵轮转矩；ρ为工作油液密度；nP为泵轮转速；D为循环圆有效直径。循环圆和叶栅系统叶片的形状直接影响液力变矩器的性能，研究不同设计参数对液力性能的影响规律对液力变矩器的改型优化设计具有重要的指导意义。

2.1 循环圆设计参数对性能的影响

随着AT挡位数的不断增加和各类型内置减振器的应用，液力变矩器轴向预留尺寸不断减小，液力变矩器的结构也逐渐趋于扁平化［6-8］。扁平率对液力变矩器性能的影响也因此得到了更多的关注。目前文献中对扁平率主要有两种定义：一种是循环圆宽度与有效直径的比值W/D（见图1）；另一种是循环圆宽度与截面高度的比值W/h。扁平率变化时，两种方式均保持分母尺寸不变，即本质上都是液力变矩器轴向尺寸，即宽度W的变化。文献［9］和文献［10］中应用试验手段研究了高速比工况（0.8/0.81）扁平率对液力变矩器性能的影响，得出了相似的结论，即过小的扁平率会导致液力性能急剧降低，主要归因于泵轮内部流动状况的恶化。文献［11］中基于CFD仿真计算分析了扁平率对液力变矩器性能的影响，从不同扁平率对应液力性能曲线变化趋势可以看出，随着扁平率的减小，液力变矩器的综合性能有降低的趋势。文献［12］中提出了缩短液力变矩器轴向尺寸的两种方案，一种是减小扁平率，另一种是保持扁平率不变，增大径向比，即增大循环圆外环最小直径与有效直径的比值d/D（见图1）；分析了速比0.8工况下转矩容量系数对扁平率和径向比变化的敏感程度。结果表明，减小扁平率的方案更具优势。

图1 液力变矩器循环圆示意图

根据循环圆各处过流截面面积近似相等的原则，液力变矩器外环确定后，决定内环唯一的设计参数为过流比面积，即过流截面面积与有效截面积（定义为πD2/4，D为有效直径）的比值。文献［13］中分别基于一维和三维液流计算方法研究了不同过流比面积（20%、23%和26%）液力变矩器失速工况下转矩容量系数的变化情况；对比结果显示，随着过流比面积的增大，基于两种计算的液力变矩器失速转矩容量系数均趋于增大，而基于三维液流计算结果增速较慢，并指出该计算结果与文献［14］中试验数据吻合性较好。文献［10］和文献［15］中提出了一种无内环液力变矩器结构并对其液力性能进行了研究，无内环液力变矩器可看作具有较大过流比面积的液力变矩器；结果显示，移除内环有利于提高液力变矩器的效率。

工作轮的进出口半径为液力变矩器循环圆另一重要的设计参数。文献［16］中建立了液力变矩器的数学动态模型，并基于此模型研究了液流面积、叶轮半径对液力性能的影响；结论中指出，液力变矩器液流面积对容量特性系数影响较大，而对效率影响较小；泵轮和导轮半径对容量特性系数和效率均有较大影响，此外，叶轮半径变化也会影响耦合点位置。文献［17］中结合一维束流理论和实验设计方法（DOE）对液力变矩器工作轮进出口半径进行了灵敏度分析，结果显示泵轮出口半径对失速变矩比和泵轮转矩系数具有较大影响；进一步，该文献基于三维仿真计算研究了泵轮出口半径对液力变矩器性能的影响规律，结果表明，随着泵轮出口半径的减小，泵轮转矩系数减小，而变矩比和效率趋于增大，与基于一维束流理论得出的结论基本一致。

2.2 叶栅系统设计参数对性能的影响

液力变矩器叶栅系统结构复杂，涉及到的设计参数多达几十个，不同的设计参数对液力性能的影响程度有所不同。目前的研究文献，主要针对某个或某几个设计参数单独进行研究。文献［16］中基于构建的液力变矩器数学动态模型分析了叶片角对液力性能的影响，结果表明，涡轮和导轮叶片出口角对容量特性系数和效率均具有较大的影响。文献［18］中结合三维流场仿真计算和实验方法研究了涡轮偏转角和泵轮流道收缩率对液力变矩器整体效率的影响，指出涡轮偏转角和泵轮流道收缩率均存在最优值，使液力变矩器整体效率最佳。文献［19］中基于三维流场计算分析了泵轮进出口角对液力变矩器性能的影响，得出结论，增大叶片进口角或减小叶片出口角，可降低失速变矩比、容量特性系数（K系数）和改善高速比下液力变矩器的传动效率。文献［13］和文献［20］中研究了泵轮叶片出口角和泵轮涡轮叶片卷曲角对液力变矩器性能的影响，结果显示，随着泵轮叶片出口角增大，失速泵轮转矩系数明显增大，同时失速变矩比明显减小；随着泵轮卷曲角的减小，液力变矩器泵轮转矩系数增大，而变矩比基本不变。值得注意的是，不同文献的研究结论必须依托于该文献设计参数的定义才有意义，比如文献［13］和文献［19］中对泵轮出口角的定义不同，叶片角随定义增减方向正好相反，但从叶形变化角度来看，两者关于泵轮出口角对液力变矩器性能影响方面得出的结论是一致的。文献［21］中研究了导轮叶片轮廓厚度比和卷曲角对液力变矩器性能的影响，结果表明，随着轮廓厚度比的增大，转矩容量系数减小，而变矩比和效率基本不变，卷曲角的增大有益于变矩比的增大但转矩容量系数趋于减小。文献［22］和文献［23］中分析了叶轮叶片数对液力变矩器性能的影响，认为泵轮、涡轮叶片数对最大效率和起动变矩比具有较大影响，而泵轮、导轮叶片数则对泵轮转矩系数具有较大影响。

综上可知，研究设计参数对液力变矩器性能影响的方法一般可以分为两类：一类是基于性能预测模型展开研究，基本思路是首先构建满足精度需求的性能预测模型，然后改变模型中目标设计参数的数值，分析其对性能的影响规律；另一类是基于三维流场仿真计算展开研究，需要根据改变的目标设计参数更新三维几何模型，然后进行流场仿真计算，分析目标设计参数对液力性能的影响规律。两类方法的优缺点如表1所示。

表1 设计参数对性能影响研究方法优缺点

3 液力变矩器性能预测模型研究现状

获取液力变矩器液力性能最直接的方式是进行实验测量，但在最终确定液力变矩器设计之前需要不断进行设计调整，若每次调整都进行样件生产和实验测试，必将极大地增加设计周期和生产成本。因此，在设计初期往往采用液力变矩器性能预测模型代替实验测试，传统应用较多的方法为一维束流理论，该理论主要基于以下假设［24］：

（1）叶轮中的总液流由许多流束组成，流动轴对称；

（2）叶轮的叶片数无穷多，叶片无限薄，出口液流方向取决于叶片出口角，与进口流动无关；

（3）同一过流断面上各点轴面速度相等，故所有计算可按平均流线进行。

一维束流理论的优点是参数调整简单、物理概念简明，且为液力变矩器的优化设计提供了理论模型基础，因此该方法在早期液力变矩器设计时得到了迅速的发展和应用［14，25］。但是，一维束流理论只能反映流体作用的宏观效果，而不能正确反映影响这种宏观效果的微观原因，且由于该理论基于多种假设，性能预测精度较低。为了进一步提高性能预测精度，在束流理论基础上发展了二维流动理论和准三维流动理论［26-28］。二维流动理论认为工作轮中的流动只能在垂直于旋转轴轴心线的一组平行轴面内进行，且其中每一平面内的速度分布和压力分布都是相同的，而准三维流动理论的基本思想，是将空间流面分解成相互交叉的两类流面，在两组相对流面上交替求解，相互迭代，逐次逼近三维流动的精确解。但在生产实践中由于计算量大，二维和准三维流动理论并没有得到广泛的应用。

随着计算机水平的发展和基于有限元、有限体积法的大型流场计算软件的成熟，三维流场计算分析方法逐渐成为现代液力变矩器设计研究的主流。文献［29-31］已经证明，基于三维流场计算方法对液力变矩器进行性能预测能够获得足够高的预测精度。但相对于一维束流理论，三维流场计算难以直接用于液力变矩器的性能优化，因此在设计时仍需借助一维束流理论［12-13，32］或经过修正的一维束流理论［33-35］进行初步优化。为了结合三维流场计算和一维束流理论的优势，一些文献［22，27，36-37］中的研究基于实验设计（DOE）和三维流场计算方法应用多项式响应面法（RSM）建立了液力变矩器性能预测模型，取得了较好的效果。文献［38］中应用BP神经网络方法以液力变矩器叶片数为优化设计参数构建了性能预测代理模型。但是，液力变矩器设计参数众多，对性能影响各异，一种代理模型难以适应所有的设计参数组合。

4 液力变矩器优化设计方法研究现状

为了满足液力性能需求，液力变矩器的优化设计是整个研发过程中必不可少的阶段。通过液力变矩器内部流场分析能够了解液力损失的机理，为性能优化设计提供理论依据。目前内流场分析的方法主要有两种：实验测量［39-41］和三维流场仿真。由于液力变矩器流道封闭，叶片为空间曲面结构，工况变化范围较大，两种方法均存在一些困难和缺陷，所以通常是将实验结论和数值计算结果相互作为验证、对比的依据。文献［20］和文献［42］中对液力变矩器导轮叶片周围的流场分布情况进行了分析，并根据分析结果提出了带槽/多元件叶片导轮结构，一定程度上抑制了导轮叶片周围分离流现象，优化了液力变矩器性能。文献［6］中评估了液力变矩器叶轮叶片压力和速度场分布，通过调整循环圆内外环形状消除了较强的耗散区，优化了液力性能。文献［43］中基于内流场分析结果，通过调整液力变矩器设计参数优化了压力场分布，抑制了二次流现象，提高了液力性能。以上优化设计属于反向设计方法，根据内流场分析结果反向调整设计参数从而改善液流状况，提高液力性能。反向设计方法对设计人员的专业性要求较高，且优化过程需要依据内流场分析结果不断地调整设计参数，延长了设计周期。此外，反向设计方法很难保证最终优化设计结果属于最佳设计，大概率仍存在进一步优化的空间。

文献［44］中以叶片内外环偏转角为优化设计参数，建立了设计、分析和优化集成平台，结合CFD仿真计算与优化算法，完成液力变矩器的优化设计。文献［4］中编制了参数化儒科夫斯基型线导轮叶片设计程序，并结合自动化液力变矩器三维流场设计分析平台，利用遗传算法对儒式导轮进行了优化。以上方法是基于建立的液力变矩器设计、分析和优化集成平台进行优化设计，预测精度上具有一定的优势，但CFD仿真计算耗时较长，导致整个优化设计的周期大大延长。

文献［45］中基于一维束流理论分别研究了影响液力变矩器变矩比和容量特性系数的主要因素，并根据理论分析结果优化导轮设计，提高了液力变矩器性能。文献［46］中以叶片进出口角为优化参数，结合一维束流理论和多目标优化策略对液力变矩器的性能进行优化，得到多目标优化非劣解集。文献［33］中基于修正的一维束流理论，应用遗传算法完成液力变矩器叶栅系统的优化。文献［27］中选择了16个优化设计参数，结合液力变矩器多流线预测模型和遗传算法提高了液力性能。一些文献［22，36-37，47］中针对不同的优化设计参数，基于响应面法和优化算法对液力变矩器进行优化设计。以上方法的主要思路是基于性能预测模型建立优化目标函数，选择合适的优化算法完成液力变矩器的优化设计。该方法的优化效果很大程度上取决于性能预测模型的预测精度。

液力传动性能不仅取决于液力变矩器和发动机本身的性能，还取决于二者共同工作时的相互匹配情况。液力变矩器与发动机匹配的优劣直接影响车辆的动力性和燃油经济性，二者匹配方法和匹配评价方面已有较多的研究成果［48-50］。但匹配性能优化方面研究成果较少，文献［51］中以装载机液力变矩器的循环圆有效直径为优化参数，应用权重法将多目标优化问题转换为单目标优化问题，选用一维搜索完成匹配性能优化。该研究方法对于乘用车具有一定的参考性。文献［52］中基于一维束流理论，以泵轮出口角和导轮进出口角为设计参数，应用遗传算法对匹配的动力性和经济性进行了多目标优化。但一维束流理论性能预测精度较低，降低了匹配优化结果的可靠性。

液力变矩器的优化设计的可靠性主要取决于两方面的因素：性能预测模型的精度和优化算法的适用性。随着计算机水平的提高，优化算法得到了快速的发展，对于不同的优化问题，优化算法的适用性和优化效果有所区别。对于液力变矩器优化，部分文献选用单目标优化方法［22，37，51］，而更多是选用了多目标优化方法［4，27，33，36，44，46，52］。应用的主要优化策略包括序列二次规划（SQP）算法［37］、多目标遗传算法［27，33，52］、基于存档的小种群遗传算法（AMGA）［4，44，46］和NSGA-II多目标遗传算法［36］。可以看出，液力变矩器在优化设计时往往直接选取一种优化策略，不同优化算法的适用性未有相关方面的研究，甚至有的研究文献没有指出具体的优化算法［22，51］。

5 液力变矩器产品应用新技术

5.1 内置离心摆减振器

带离心摆减振器的液力变矩器是舍弗勒旗下LuK美国有限公司研发的一款新型液力变矩器，该液力变矩器将离心摆式减振器内置于涡轮侧，并在锁止离合器与涡轮间布置大弧形弹簧（见图2），以解决由于提前锁止引发的振动、噪声问题，同时降低了燃料消耗。

图2 内置离心摆减振器的液力变矩器

5.2 多功能液力变矩器

为进一步降低液力损失，提高液力变矩器效率，LuK公司设计了多功能液力变矩器，如图3所示。这种液力变矩器在变矩器盖和轮叶之间附加简单离合器（TCC），从而实现无缝怠速断开，降低了怠速时发动机需要的转矩，单此一项使燃油经济性提高了约2%。优良的振动隔离要求低扭力弹簧刚度和大惯性，从而将固有频率移至行驶速度以下。多功能液力变矩器将现有的惯性一分为二，能实现优异的振动隔离，并允许锁止模式在所有驱动范围运行，显著改善了燃油经济性。