吳光強(qiáng)，陳 潔

（1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804； 2.東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所，東京 153-8505）

前言

液力變矩器是傳統(tǒng)自動(dòng)變速系統(tǒng)最重要的部件之一，因其具有良好的自適應(yīng)能力、起步性能、低速穩(wěn)定性和減振隔振性能，被廣泛應(yīng)用于乘用車、工程機(jī)械、發(fā)電機(jī)械、礦業(yè)冶金機(jī)械和化工機(jī)械等行業(yè)。隨著我國乘用車工業(yè)的不斷發(fā)展，各種裝備液力機(jī)械式自動(dòng)變速器（automatic transmission，AT）和無級(jí)變速器（continuously variable transmission，CVT）的中高檔乘用車產(chǎn)量急劇提高，而液力變矩器是AT和CVT中用于發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器之間傳遞動(dòng)力的裝置，因此液力變矩器在乘用車行業(yè)中的市場(chǎng)應(yīng)用前景非常廣闊。

液力變矩器是一種機(jī)械與流體耦合的流道封閉的復(fù)雜透平機(jī)械，利用液體與機(jī)構(gòu)相互作用實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與液體動(dòng)能間的相互轉(zhuǎn)換，通過液力動(dòng)量矩的變化來傳遞動(dòng)力。與機(jī)械傳動(dòng)相比，液力變矩器的液力傳動(dòng)效率略低，使車輛在某些工況下經(jīng)濟(jì)性稍差。隨著自動(dòng)變速乘用車傳動(dòng)系的發(fā)展，預(yù)留給液力變矩器的軸向尺寸有不斷減小的趨勢(shì)，導(dǎo)致液力變矩器綜合液力性能進(jìn)一步惡化。因此，對(duì)液力變矩器優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行科學(xué)、深入、系統(tǒng)的研究具有非常重要的理論和實(shí)際意義。

1 液力變矩器設(shè)計(jì)與參數(shù)化方法研究現(xiàn)狀

液力變矩器的設(shè)計(jì)主要包括循環(huán)圓的設(shè)計(jì)和葉柵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。過液力變矩器軸心線作截面，在截面上與液體相接的界線形成一個(gè)循環(huán)圓。循環(huán)圓設(shè)計(jì)應(yīng)用較為普遍的方法為三圓弧法，循環(huán)圓外環(huán)由3段相切圓弧組成，根據(jù)循環(huán)圓中間流線兩側(cè)過流截面積相等的原則，確定中間流線和內(nèi)環(huán)的形狀和位置。文獻(xiàn)［1］中認(rèn)為該方法由于經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)設(shè)計(jì)的過度約束導(dǎo)致循環(huán)圓寬度不可調(diào)整，并提出了變寬度循環(huán)圓設(shè)計(jì)方法，利用最大直徑、最小直徑和寬度限值確定循環(huán)圓設(shè)計(jì)，寬度比最低可降至0.2左右。文獻(xiàn)［2］中指出三圓弧法難以保證沿軸面流線保持過流面積不變，提出了基于橢圓的循環(huán)圓設(shè)計(jì)方法；該方法從中間流線開始設(shè)計(jì)，以沿軸面中間流線過流面積恒等為原則，根據(jù)截面寬度確定外環(huán)和內(nèi)環(huán)。

葉柵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是液力變矩器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。乘用車用液力變矩器葉柵系統(tǒng)的葉片為空間曲面葉片，不能直接展開成平面，因此葉片真實(shí)長度、厚度和角度難以表達(dá)。常采用的解決方法是應(yīng)用等角攝影法，把空間曲面上的各點(diǎn)近似投影在圓柱面上，然后展開成平面，能保持葉片傾斜角度相等。乘用車液力變矩器泵輪和渦輪葉片多為等厚葉片，而導(dǎo)輪葉片為非等厚葉片，如何應(yīng)用較少的參數(shù)控制葉片骨線和導(dǎo)輪葉片厚度變化規(guī)律是葉柵系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計(jì)的核心問題。文獻(xiàn)［3］中利用貝塞爾曲線進(jìn)行液力變矩器葉片骨線和厚度的構(gòu)造，建立了葉柵系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計(jì)模型，并編制了葉柵系統(tǒng)造型軟件，實(shí)現(xiàn)了液力變矩器葉柵系統(tǒng)的參數(shù)化建模。文獻(xiàn)［4］中應(yīng)用儒科夫斯基型線進(jìn)行液力變矩器導(dǎo)輪葉片造型研究，通過變換并加入尾部加厚項(xiàng)處理，使儒科夫斯基型線適應(yīng)液力變矩器導(dǎo)輪葉片設(shè)計(jì)需要，并編制了參數(shù)化儒科夫斯基型線導(dǎo)輪葉片設(shè)計(jì)程序。文獻(xiàn)［5］中基于非均勻有理B樣條（NURBS）研究了液力變矩器葉柵系統(tǒng)改型設(shè)計(jì)方法，通過調(diào)整NURBS曲線的控制點(diǎn)及其權(quán)重，實(shí)現(xiàn)葉片角變化規(guī)律的調(diào)整，并構(gòu)建了液力變矩器改型平臺(tái)。

綜上所述，液力變矩器循環(huán)圓設(shè)計(jì)方法研究的主要趨勢(shì)是易于編程和實(shí)現(xiàn)扁平化，由于其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，基于三維設(shè)計(jì)軟件或編程方法均可實(shí)現(xiàn)參數(shù)化。而葉柵系統(tǒng)為空間三維結(jié)構(gòu)，主要是通過編程或基于編程的設(shè)計(jì)平臺(tái)完成參數(shù)化設(shè)計(jì)。目前液力變矩器基于編程的參數(shù)化設(shè)計(jì)通常需要借助Matlab等第三方軟件，然后將生成的模型特征導(dǎo)入到三維設(shè)計(jì)軟件中。該方法存在一定不足：一方面，幾何模型在軟件之間傳遞有可能造成模型的失真；另一方面，每一次模型的傳遞都意味著設(shè)計(jì)周期的延長。

2 液力變矩器設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)性能的影響研究現(xiàn)狀

液力變矩器的性能主要包括變矩性能、經(jīng)濟(jì)性能和負(fù)荷性能，變矩性能和經(jīng)濟(jì)性能通?？煞謩e由變矩比和效率來表示，而負(fù)荷性能常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)則有泵輪系數(shù)λP、容量特性系數(shù)K和轉(zhuǎn)矩容量系數(shù)CF 3種：

式中：MP為泵輪轉(zhuǎn)矩；ρ為工作油液密度；nP為泵輪轉(zhuǎn)速；D為循環(huán)圓有效直徑。循環(huán)圓和葉柵系統(tǒng)葉片的形狀直接影響液力變矩器的性能，研究不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)液力性能的影響規(guī)律對(duì)液力變矩器的改型優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

2.1 循環(huán)圓設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)性能的影響

隨著AT擋位數(shù)的不斷增加和各類型內(nèi)置減振器的應(yīng)用，液力變矩器軸向預(yù)留尺寸不斷減小，液力變矩器的結(jié)構(gòu)也逐漸趨于扁平化［6-8］。扁平率對(duì)液力變矩器性能的影響也因此得到了更多的關(guān)注。目前文獻(xiàn)中對(duì)扁平率主要有兩種定義：一種是循環(huán)圓寬度與有效直徑的比值W/D（見圖1）；另一種是循環(huán)圓寬度與截面高度的比值W/h。扁平率變化時(shí)，兩種方式均保持分母尺寸不變，即本質(zhì)上都是液力變矩器軸向尺寸，即寬度W的變化。文獻(xiàn)［9］和文獻(xiàn)［10］中應(yīng)用試驗(yàn)手段研究了高速比工況（0.8/0.81）扁平率對(duì)液力變矩器性能的影響，得出了相似的結(jié)論，即過小的扁平率會(huì)導(dǎo)致液力性能急劇降低，主要?dú)w因于泵輪內(nèi)部流動(dòng)狀況的惡化。文獻(xiàn)［11］中基于CFD仿真計(jì)算分析了扁平率對(duì)液力變矩器性能的影響，從不同扁平率對(duì)應(yīng)液力性能曲線變化趨勢(shì)可以看出，隨著扁平率的減小，液力變矩器的綜合性能有降低的趨勢(shì)。文獻(xiàn)［12］中提出了縮短液力變矩器軸向尺寸的兩種方案，一種是減小扁平率，另一種是保持扁平率不變，增大徑向比，即增大循環(huán)圓外環(huán)最小直徑與有效直徑的比值d/D（見圖1）；分析了速比0.8工況下轉(zhuǎn)矩容量系數(shù)對(duì)扁平率和徑向比變化的敏感程度。結(jié)果表明，減小扁平率的方案更具優(yōu)勢(shì)。

圖1 液力變矩器循環(huán)圓示意圖

根據(jù)循環(huán)圓各處過流截面面積近似相等的原則，液力變矩器外環(huán)確定后，決定內(nèi)環(huán)唯一的設(shè)計(jì)參數(shù)為過流比面積，即過流截面面積與有效截面積（定義為πD2/4，D為有效直徑）的比值。文獻(xiàn)［13］中分別基于一維和三維液流計(jì)算方法研究了不同過流比面積（20%、23%和26%）液力變矩器失速工況下轉(zhuǎn)矩容量系數(shù)的變化情況；對(duì)比結(jié)果顯示，隨著過流比面積的增大，基于兩種計(jì)算的液力變矩器失速轉(zhuǎn)矩容量系數(shù)均趨于增大，而基于三維液流計(jì)算結(jié)果增速較慢，并指出該計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)［14］中試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合性較好。文獻(xiàn)［10］和文獻(xiàn)［15］中提出了一種無內(nèi)環(huán)液力變矩器結(jié)構(gòu)并對(duì)其液力性能進(jìn)行了研究，無內(nèi)環(huán)液力變矩器可看作具有較大過流比面積的液力變矩器；結(jié)果顯示，移除內(nèi)環(huán)有利于提高液力變矩器的效率。

工作輪的進(jìn)出口半徑為液力變矩器循環(huán)圓另一重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。文獻(xiàn)［16］中建立了液力變矩器的數(shù)學(xué)動(dòng)態(tài)模型，并基于此模型研究了液流面積、葉輪半徑對(duì)液力性能的影響；結(jié)論中指出，液力變矩器液流面積對(duì)容量特性系數(shù)影響較大，而對(duì)效率影響較小；泵輪和導(dǎo)輪半徑對(duì)容量特性系數(shù)和效率均有較大影響，此外，葉輪半徑變化也會(huì)影響耦合點(diǎn)位置。文獻(xiàn)［17］中結(jié)合一維束流理論和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法（DOE）對(duì)液力變矩器工作輪進(jìn)出口半徑進(jìn)行了靈敏度分析，結(jié)果顯示泵輪出口半徑對(duì)失速變矩比和泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)具有較大影響；進(jìn)一步，該文獻(xiàn)基于三維仿真計(jì)算研究了泵輪出口半徑對(duì)液力變矩器性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明，隨著泵輪出口半徑的減小，泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)減小，而變矩比和效率趨于增大，與基于一維束流理論得出的結(jié)論基本一致。

2.2 葉柵系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)性能的影響

液力變矩器葉柵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及到的設(shè)計(jì)參數(shù)多達(dá)幾十個(gè)，不同的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)液力性能的影響程度有所不同。目前的研究文獻(xiàn)，主要針對(duì)某個(gè)或某幾個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)單獨(dú)進(jìn)行研究。文獻(xiàn)［16］中基于構(gòu)建的液力變矩器數(shù)學(xué)動(dòng)態(tài)模型分析了葉片角對(duì)液力性能的影響，結(jié)果表明，渦輪和導(dǎo)輪葉片出口角對(duì)容量特性系數(shù)和效率均具有較大的影響。文獻(xiàn)［18］中結(jié)合三維流場(chǎng)仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)方法研究了渦輪偏轉(zhuǎn)角和泵輪流道收縮率對(duì)液力變矩器整體效率的影響，指出渦輪偏轉(zhuǎn)角和泵輪流道收縮率均存在最優(yōu)值，使液力變矩器整體效率最佳。文獻(xiàn)［19］中基于三維流場(chǎng)計(jì)算分析了泵輪進(jìn)出口角對(duì)液力變矩器性能的影響，得出結(jié)論，增大葉片進(jìn)口角或減小葉片出口角，可降低失速變矩比、容量特性系數(shù)（K系數(shù)）和改善高速比下液力變矩器的傳動(dòng)效率。文獻(xiàn)［13］和文獻(xiàn)［20］中研究了泵輪葉片出口角和泵輪渦輪葉片卷曲角對(duì)液力變矩器性能的影響，結(jié)果顯示，隨著泵輪葉片出口角增大，失速泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)明顯增大，同時(shí)失速變矩比明顯減?。浑S著泵輪卷曲角的減小，液力變矩器泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)增大，而變矩比基本不變。值得注意的是，不同文獻(xiàn)的研究結(jié)論必須依托于該文獻(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)的定義才有意義，比如文獻(xiàn)［13］和文獻(xiàn)［19］中對(duì)泵輪出口角的定義不同，葉片角隨定義增減方向正好相反，但從葉形變化角度來看，兩者關(guān)于泵輪出口角對(duì)液力變矩器性能影響方面得出的結(jié)論是一致的。文獻(xiàn)［21］中研究了導(dǎo)輪葉片輪廓厚度比和卷曲角對(duì)液力變矩器性能的影響，結(jié)果表明，隨著輪廓厚度比的增大，轉(zhuǎn)矩容量系數(shù)減小，而變矩比和效率基本不變，卷曲角的增大有益于變矩比的增大但轉(zhuǎn)矩容量系數(shù)趨于減小。文獻(xiàn)［22］和文獻(xiàn)［23］中分析了葉輪葉片數(shù)對(duì)液力變矩器性能的影響，認(rèn)為泵輪、渦輪葉片數(shù)對(duì)最大效率和起動(dòng)變矩比具有較大影響，而泵輪、導(dǎo)輪葉片數(shù)則對(duì)泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)具有較大影響。

綜上可知，研究設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)液力變矩器性能影響的方法一般可以分為兩類：一類是基于性能預(yù)測(cè)模型展開研究，基本思路是首先構(gòu)建滿足精度需求的性能預(yù)測(cè)模型，然后改變模型中目標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)的數(shù)值，分析其對(duì)性能的影響規(guī)律；另一類是基于三維流場(chǎng)仿真計(jì)算展開研究，需要根據(jù)改變的目標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)更新三維幾何模型，然后進(jìn)行流場(chǎng)仿真計(jì)算，分析目標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)液力性能的影響規(guī)律。兩類方法的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)性能影響研究方法優(yōu)缺點(diǎn)

3 液力變矩器性能預(yù)測(cè)模型研究現(xiàn)狀

獲取液力變矩器液力性能最直接的方式是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，但在最終確定液力變矩器設(shè)計(jì)之前需要不斷進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整，若每次調(diào)整都進(jìn)行樣件生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，必將極大地增加設(shè)計(jì)周期和生產(chǎn)成本。因此，在設(shè)計(jì)初期往往采用液力變矩器性能預(yù)測(cè)模型代替實(shí)驗(yàn)測(cè)試，傳統(tǒng)應(yīng)用較多的方法為一維束流理論，該理論主要基于以下假設(shè)［24］：

（1）葉輪中的總液流由許多流束組成，流動(dòng)軸對(duì)稱；

（2）葉輪的葉片數(shù)無窮多，葉片無限薄，出口液流方向取決于葉片出口角，與進(jìn)口流動(dòng)無關(guān)；

（3）同一過流斷面上各點(diǎn)軸面速度相等，故所有計(jì)算可按平均流線進(jìn)行。

一維束流理論的優(yōu)點(diǎn)是參數(shù)調(diào)整簡(jiǎn)單、物理概念簡(jiǎn)明，且為液力變矩器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論模型基礎(chǔ)，因此該方法在早期液力變矩器設(shè)計(jì)時(shí)得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用［14，25］。但是，一維束流理論只能反映流體作用的宏觀效果，而不能正確反映影響這種宏觀效果的微觀原因，且由于該理論基于多種假設(shè)，性能預(yù)測(cè)精度較低。為了進(jìn)一步提高性能預(yù)測(cè)精度，在束流理論基礎(chǔ)上發(fā)展了二維流動(dòng)理論和準(zhǔn)三維流動(dòng)理論［26-28］。二維流動(dòng)理論認(rèn)為工作輪中的流動(dòng)只能在垂直于旋轉(zhuǎn)軸軸心線的一組平行軸面內(nèi)進(jìn)行，且其中每一平面內(nèi)的速度分布和壓力分布都是相同的，而準(zhǔn)三維流動(dòng)理論的基本思想，是將空間流面分解成相互交叉的兩類流面，在兩組相對(duì)流面上交替求解，相互迭代，逐次逼近三維流動(dòng)的精確解。但在生產(chǎn)實(shí)踐中由于計(jì)算量大，二維和準(zhǔn)三維流動(dòng)理論并沒有得到廣泛的應(yīng)用。

隨著計(jì)算機(jī)水平的發(fā)展和基于有限元、有限體積法的大型流場(chǎng)計(jì)算軟件的成熟，三維流場(chǎng)計(jì)算分析方法逐漸成為現(xiàn)代液力變矩器設(shè)計(jì)研究的主流。文獻(xiàn)［29-31］已經(jīng)證明，基于三維流場(chǎng)計(jì)算方法對(duì)液力變矩器進(jìn)行性能預(yù)測(cè)能夠獲得足夠高的預(yù)測(cè)精度。但相對(duì)于一維束流理論，三維流場(chǎng)計(jì)算難以直接用于液力變矩器的性能優(yōu)化，因此在設(shè)計(jì)時(shí)仍需借助一維束流理論［12-13，32］或經(jīng)過修正的一維束流理論［33-35］進(jìn)行初步優(yōu)化。為了結(jié)合三維流場(chǎng)計(jì)算和一維束流理論的優(yōu)勢(shì)，一些文獻(xiàn)［22，27，36-37］中的研究基于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）和三維流場(chǎng)計(jì)算方法應(yīng)用多項(xiàng)式響應(yīng)面法（RSM）建立了液力變矩器性能預(yù)測(cè)模型，取得了較好的效果。文獻(xiàn)［38］中應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法以液力變矩器葉片數(shù)為優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)構(gòu)建了性能預(yù)測(cè)代理模型。但是，液力變矩器設(shè)計(jì)參數(shù)眾多，對(duì)性能影響各異，一種代理模型難以適應(yīng)所有的設(shè)計(jì)參數(shù)組合。

4 液力變矩器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究現(xiàn)狀

為了滿足液力性能需求，液力變矩器的優(yōu)化設(shè)計(jì)是整個(gè)研發(fā)過程中必不可少的階段。通過液力變矩器內(nèi)部流場(chǎng)分析能夠了解液力損失的機(jī)理，為性能優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。目前內(nèi)流場(chǎng)分析的方法主要有兩種：實(shí)驗(yàn)測(cè)量［39-41］和三維流場(chǎng)仿真。由于液力變矩器流道封閉，葉片為空間曲面結(jié)構(gòu)，工況變化范圍較大，兩種方法均存在一些困難和缺陷，所以通常是將實(shí)驗(yàn)結(jié)論和數(shù)值計(jì)算結(jié)果相互作為驗(yàn)證、對(duì)比的依據(jù)。文獻(xiàn)［20］和文獻(xiàn)［42］中對(duì)液力變矩器導(dǎo)輪葉片周圍的流場(chǎng)分布情況進(jìn)行了分析，并根據(jù)分析結(jié)果提出了帶槽/多元件葉片導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)，一定程度上抑制了導(dǎo)輪葉片周圍分離流現(xiàn)象，優(yōu)化了液力變矩器性能。文獻(xiàn)［6］中評(píng)估了液力變矩器葉輪葉片壓力和速度場(chǎng)分布，通過調(diào)整循環(huán)圓內(nèi)外環(huán)形狀消除了較強(qiáng)的耗散區(qū)，優(yōu)化了液力性能。文獻(xiàn)［43］中基于內(nèi)流場(chǎng)分析結(jié)果，通過調(diào)整液力變矩器設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化了壓力場(chǎng)分布，抑制了二次流現(xiàn)象，提高了液力性能。以上優(yōu)化設(shè)計(jì)屬于反向設(shè)計(jì)方法，根據(jù)內(nèi)流場(chǎng)分析結(jié)果反向調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)從而改善液流狀況，提高液力性能。反向設(shè)計(jì)方法對(duì)設(shè)計(jì)人員的專業(yè)性要求較高，且優(yōu)化過程需要依據(jù)內(nèi)流場(chǎng)分析結(jié)果不斷地調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，延長了設(shè)計(jì)周期。此外，反向設(shè)計(jì)方法很難保證最終優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果屬于最佳設(shè)計(jì)，大概率仍存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

文獻(xiàn)［44］中以葉片內(nèi)外環(huán)偏轉(zhuǎn)角為優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，建立了設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化集成平臺(tái)，結(jié)合CFD仿真計(jì)算與優(yōu)化算法，完成液力變矩器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)［4］中編制了參數(shù)化儒科夫斯基型線導(dǎo)輪葉片設(shè)計(jì)程序，并結(jié)合自動(dòng)化液力變矩器三維流場(chǎng)設(shè)計(jì)分析平臺(tái)，利用遺傳算法對(duì)儒式導(dǎo)輪進(jìn)行了優(yōu)化。以上方法是基于建立的液力變矩器設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化集成平臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，預(yù)測(cè)精度上具有一定的優(yōu)勢(shì)，但CFD仿真計(jì)算耗時(shí)較長，導(dǎo)致整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)的周期大大延長。

文獻(xiàn)［45］中基于一維束流理論分別研究了影響液力變矩器變矩比和容量特性系數(shù)的主要因素，并根據(jù)理論分析結(jié)果優(yōu)化導(dǎo)輪設(shè)計(jì)，提高了液力變矩器性能。文獻(xiàn)［46］中以葉片進(jìn)出口角為優(yōu)化參數(shù)，結(jié)合一維束流理論和多目標(biāo)優(yōu)化策略對(duì)液力變矩器的性能進(jìn)行優(yōu)化，得到多目標(biāo)優(yōu)化非劣解集。文獻(xiàn)［33］中基于修正的一維束流理論，應(yīng)用遺傳算法完成液力變矩器葉柵系統(tǒng)的優(yōu)化。文獻(xiàn)［27］中選擇了16個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合液力變矩器多流線預(yù)測(cè)模型和遺傳算法提高了液力性能。一些文獻(xiàn)［22，36-37，47］中針對(duì)不同的優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，基于響應(yīng)面法和優(yōu)化算法對(duì)液力變矩器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。以上方法的主要思路是基于性能預(yù)測(cè)模型建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，選擇合適的優(yōu)化算法完成液力變矩器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。該方法的優(yōu)化效果很大程度上取決于性能預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)精度。

液力傳動(dòng)性能不僅取決于液力變矩器和發(fā)動(dòng)機(jī)本身的性能，還取決于二者共同工作時(shí)的相互匹配情況。液力變矩器與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的優(yōu)劣直接影響車輛的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，二者匹配方法和匹配評(píng)價(jià)方面已有較多的研究成果［48-50］。但匹配性能優(yōu)化方面研究成果較少，文獻(xiàn)［51］中以裝載機(jī)液力變矩器的循環(huán)圓有效直徑為優(yōu)化參數(shù)，應(yīng)用權(quán)重法將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)優(yōu)化問題，選用一維搜索完成匹配性能優(yōu)化。該研究方法對(duì)于乘用車具有一定的參考性。文獻(xiàn)［52］中基于一維束流理論，以泵輪出口角和導(dǎo)輪進(jìn)出口角為設(shè)計(jì)參數(shù)，應(yīng)用遺傳算法對(duì)匹配的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化。但一維束流理論性能預(yù)測(cè)精度較低，降低了匹配優(yōu)化結(jié)果的可靠性。

液力變矩器的優(yōu)化設(shè)計(jì)的可靠性主要取決于兩方面的因素：性能預(yù)測(cè)模型的精度和優(yōu)化算法的適用性。隨著計(jì)算機(jī)水平的提高，優(yōu)化算法得到了快速的發(fā)展，對(duì)于不同的優(yōu)化問題，優(yōu)化算法的適用性和優(yōu)化效果有所區(qū)別。對(duì)于液力變矩器優(yōu)化，部分文獻(xiàn)選用單目標(biāo)優(yōu)化方法［22，37，51］，而更多是選用了多目標(biāo)優(yōu)化方法［4，27，33，36，44，46，52］。應(yīng)用的主要優(yōu)化策略包括序列二次規(guī)劃（SQP）算法［37］、多目標(biāo)遺傳算法［27，33，52］、基 于 存 檔 的 小 種 群 遺 傳 算 法 （AMGA）［4，44，46］和NSGA-II多目標(biāo)遺傳算法［36］?？梢钥闯?，液力變矩器在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)往往直接選取一種優(yōu)化策略，不同優(yōu)化算法的適用性未有相關(guān)方面的研究，甚至有的研究文獻(xiàn)沒有指出具體的優(yōu)化算法［22，51］。

5 液力變矩器產(chǎn)品應(yīng)用新技術(shù)

5.1 內(nèi)置離心擺減振器

帶離心擺減振器的液力變矩器是舍弗勒旗下LuK美國有限公司研發(fā)的一款新型液力變矩器，該液力變矩器將離心擺式減振器內(nèi)置于渦輪側(cè)，并在鎖止離合器與渦輪間布置大弧形彈簧（見圖2），以解決由于提前鎖止引發(fā)的振動(dòng)、噪聲問題，同時(shí)降低了燃料消耗。

圖2 內(nèi)置離心擺減振器的液力變矩器

5.2 多功能液力變矩器

為進(jìn)一步降低液力損失，提高液力變矩器效率，LuK公司設(shè)計(jì)了多功能液力變矩器，如圖3所示。這種液力變矩器在變矩器蓋和輪葉之間附加簡(jiǎn)單離合器（TCC），從而實(shí)現(xiàn)無縫怠速斷開，降低了怠速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)需要的轉(zhuǎn)矩，單此一項(xiàng)使燃油經(jīng)濟(jì)性提高了約2%。優(yōu)良的振動(dòng)隔離要求低扭力彈簧剛度和大慣性，從而將固有頻率移至行駛速度以下。多功能液力變矩器將現(xiàn)有的慣性一分為二，能實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的振動(dòng)隔離，并允許鎖止模式在所有驅(qū)動(dòng)范圍運(yùn)行，顯著改善了燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖3 多功能液力變矩器示意圖

6 總結(jié)展望

液力變矩器在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中涉及的主要階段包括模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)性能影響的研究、性能預(yù)測(cè)模型構(gòu)建和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的選取。通過國內(nèi)外各階段研究現(xiàn)狀的分析，今后在液力變矩器優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域進(jìn)一步的研究主要有以下幾個(gè)方面。

（1）液力變矩器“一鍵更新”參數(shù)化設(shè)計(jì)方法研究。避開第三方軟件的介入，將液力變矩器所有部件的參數(shù)化設(shè)計(jì)集成在三維設(shè)計(jì)軟件中，以進(jìn)一步提高模型改型效率，縮短優(yōu)化設(shè)計(jì)周期。

（2）系統(tǒng)地研究主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)液力變矩器液力性能的影響。目前雖有較多相關(guān)方面的研究成果，但仍局限于有限的幾個(gè)重要參數(shù)，且未將內(nèi)環(huán)和外環(huán)設(shè)計(jì)參數(shù)加以區(qū)分。系統(tǒng)、全面地了解主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)性能的影響能為液力變矩器優(yōu)化設(shè)計(jì)提供更有力的理論參考。

（3）構(gòu)建液力變矩器高精度、高穩(wěn)定的性能預(yù)測(cè)代理模型。液力變矩器設(shè)計(jì)參數(shù)眾多，對(duì)性能影響各異，一種代理模型難以適應(yīng)所有的設(shè)計(jì)參數(shù)組合，因此有必要研究不同代理模型對(duì)液力性能預(yù)測(cè)的適用性。

（4）選擇更合適的液力變矩器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。不同的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)不同優(yōu)化問題的適用性不同，選擇最佳的優(yōu)化策略有助于提高液力變矩器的優(yōu)化效果。