液力機(jī)械傳動(dòng)車輛起動(dòng)性能影響因素分析與試驗(yàn)研究

， ， ，

(1.北京特種車輛研究所， 北京 100072； 2.車輛傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100072)

引言

起動(dòng)性能是陸用車輛的一項(xiàng)非常重要的評價(jià)指標(biāo)，常用來評價(jià)整車的動(dòng)力性能。液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)目前已廣泛應(yīng)用于工程車輛、軍用車輛等領(lǐng)域[1]，對影響車輛起動(dòng)性能的相關(guān)因素進(jìn)行深入研究并提出相應(yīng)改進(jìn)策略，具有十分重要的意義。

對于車輛起動(dòng)性能的影響因素及改進(jìn)策略，國內(nèi)學(xué)者做了大量的研究工作。文獻(xiàn)[2-5]提出了發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比、起動(dòng)電機(jī)功率、起動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比、起動(dòng)轉(zhuǎn)速、起動(dòng)阻力矩、燃油霧化效果、配氣正時(shí)、起動(dòng)油量修正系數(shù)、點(diǎn)火時(shí)刻、 蓄電池性能等起動(dòng)性能影響因素，文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[6]提出了進(jìn)氣預(yù)熱、機(jī)體加熱、噴入起動(dòng)液、蓄電池保溫等起動(dòng)輔助措施。但上述研究主要立足于通過改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)狀態(tài)來提高整車起動(dòng)性能，沒有考慮傳動(dòng)系統(tǒng)各部件對整車起動(dòng)性能的影響，而對于目前廣泛采用的液力機(jī)械傳動(dòng)車輛而言，傳動(dòng)系統(tǒng)的功率消耗是影響車輛起動(dòng)性能的一個(gè)重要因素。針對這一現(xiàn)狀，以某型液力機(jī)械傳動(dòng)車輛為研究對象，借助傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程，采用部件級穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)和系統(tǒng)級動(dòng)態(tài)試驗(yàn)相結(jié)合的方法確定傳動(dòng)系統(tǒng)各部件對車輛起動(dòng)性能的影響程度。

1 功率流分析與試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 傳動(dòng)系統(tǒng)功率流分析

液力機(jī)械綜合傳動(dòng)裝置一般由液力變矩器、變速機(jī)構(gòu)、前傳動(dòng)、匯流排、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)(中小功率一般為液壓轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu))、電液自動(dòng)操縱系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、風(fēng)扇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等部件組成，能實(shí)現(xiàn)車輛的自動(dòng)或手動(dòng)換檔、無級轉(zhuǎn)向等功能。對于液力機(jī)械傳動(dòng)車輛而言，從發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率傳遞至傳動(dòng)系統(tǒng)后，功率流一般分為四路，如圖1所示。第一路傳遞至液壓系統(tǒng)的輔助油泵；第二路傳遞至風(fēng)扇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；第三路傳遞經(jīng)液力變矩器傳遞至變速機(jī)構(gòu)；第四路傳遞至轉(zhuǎn)向泵馬達(dá)，以實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向。其中，變速分路和轉(zhuǎn)向分路的功率經(jīng)匯流排匯流后，經(jīng)側(cè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞至主動(dòng)輪。

圖1 液力機(jī)械傳動(dòng)車輛動(dòng)力傳遞路線

由于車輛起動(dòng)過程中擋位處于空擋狀態(tài)，方向盤置于零位，因此變速和轉(zhuǎn)向分路無功率輸出。此外，由于傳動(dòng)系統(tǒng)為自動(dòng)變速，沒有主離合器將動(dòng)力中斷，屬于動(dòng)力換擋，因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中無法實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力的功率流分隔，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中需要同時(shí)帶動(dòng)輔助油泵、液力變矩器泵輪等構(gòu)件。綜上所述，傳動(dòng)系統(tǒng)的起動(dòng)阻力矩來自于與發(fā)動(dòng)機(jī)直接相連的部件，這主要包括：輔助油泵、風(fēng)扇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、變矩器泵輪、轉(zhuǎn)向泵。研究傳動(dòng)系統(tǒng)對車輛起動(dòng)性能的影響主要是分析研究上述四類部件在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的阻力矩分布情況。

1.2 傳動(dòng)系統(tǒng)起動(dòng)扭矩試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

研究發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中傳動(dòng)系統(tǒng)阻力的實(shí)質(zhì)是弄清傳動(dòng)系統(tǒng)各部件在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中分消耗的功率值。為此，首先需要對發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工作條件下傳動(dòng)系統(tǒng)各部件的輸入轉(zhuǎn)速和扭矩進(jìn)行測試。對于各傳動(dòng)部件而言，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為定值，從發(fā)動(dòng)機(jī)到各傳動(dòng)部件的傳動(dòng)比也是固定的，只需測得各傳動(dòng)部件的輸入扭矩即可。此外，上述數(shù)據(jù)是在穩(wěn)態(tài)條件下完成測得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，缺乏動(dòng)態(tài)過程由于慣性作用導(dǎo)致扭矩增加的試驗(yàn)數(shù)值，因此，有必要在整機(jī)上開展動(dòng)態(tài)過程扭矩測試。

總體試驗(yàn)方案如圖2所示。試驗(yàn)分為部件級穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)和系統(tǒng)級動(dòng)態(tài)試驗(yàn)兩種。部件級穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)主要是以傳動(dòng)部件為測試對象，測試發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工作條件下傳動(dòng)系統(tǒng)各直連部件的功率消耗值，實(shí)際操作時(shí)通過測試傳動(dòng)部件輸入扭矩將其換算為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出端的扭矩值。系統(tǒng)級動(dòng)態(tài)試驗(yàn)主要是以整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)為測試對象，通過模擬發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)速變化情況，測試傳動(dòng)系統(tǒng)輸入扭矩的變化歷程，而后讀取其瞬態(tài)峰值和穩(wěn)態(tài)均值。

圖2 傳動(dòng)系統(tǒng)起動(dòng)扭矩試驗(yàn)方案

鑒于某高速履帶車輛存在低溫起動(dòng)困難現(xiàn)象，以該車傳動(dòng)裝置作為研究對象開展試驗(yàn)研究。該傳動(dòng)裝置輔助油泵共有5個(gè)，且始終與發(fā)動(dòng)機(jī)直接相連，分別標(biāo)記為P1泵、P2泵、P3泵、P4泵、P5泵。風(fēng)扇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用液黏離合器向風(fēng)扇傳遞來自前傳動(dòng)的動(dòng)力。液力變矩器向變速機(jī)構(gòu)傳遞直駛動(dòng)力。泵馬達(dá)機(jī)構(gòu)向轉(zhuǎn)向分路傳遞動(dòng)力，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)向泵處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。因此，傳動(dòng)系統(tǒng)起動(dòng)扭矩試驗(yàn)主要是對發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中傳動(dòng)裝置的5個(gè)輔助油泵、液黏離合器、液力變矩器、轉(zhuǎn)向泵進(jìn)行扭矩測試，在此基礎(chǔ)上通過系統(tǒng)級動(dòng)態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證各部件對整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)起動(dòng)扭矩的貢獻(xiàn)值。

2 部件級穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)

為保證各傳動(dòng)部件實(shí)測扭矩的可比性，測試前規(guī)定試驗(yàn)用油統(tǒng)一采用10 W-40重負(fù)荷動(dòng)力傳動(dòng)通用潤滑油，將油溫控制在(100±3) ℃。試驗(yàn)結(jié)果描述時(shí)，被試部件輸入轉(zhuǎn)速和扭矩均轉(zhuǎn)換為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出端扭矩。由于發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速為怠速800 r/min，重點(diǎn)研究800 r/min時(shí)各傳動(dòng)部件的工作扭矩。

2.1 輔助油泵工作扭矩試驗(yàn)

5個(gè)輔助油泵均由前傳動(dòng)提供動(dòng)力。其中，P1泵、P2泵和P3泵由同一個(gè)直齒輪Z1提供動(dòng)力，P4泵和P5泵由另一直齒輪Z2提供動(dòng)力。因此，試驗(yàn)時(shí)從上述兩個(gè)直齒輪處直接測量對應(yīng)油泵的工作扭矩。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由800 r/min 逐步上升至1800 r/min時(shí)，Z1齒輪端(即P1泵、P2泵、P3泵)的扭矩隨之逐步上升，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速位于1800 r/min與2500 r/min之間時(shí)，Z1齒輪端扭矩?zé)o明顯變化，保持在52.5 N·m左右。Z2齒輪端扭矩隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升呈線性上升趨勢，但變化幅度較小，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由800 r/min上升至2500 r/min的整個(gè)過程中，Z2齒輪端扭矩上升值為0.1 N·m。

圖3 輔助油泵工作扭矩測定結(jié)果

2.2 液黏離合器帶排扭矩試驗(yàn)

液黏離合器是風(fēng)扇傳動(dòng)的調(diào)速功能部件，發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，液黏離合器分為分離、滑摩和結(jié)合三種工作狀態(tài)[7]。按照預(yù)定控制策略，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度較低時(shí)，風(fēng)扇處于停止?fàn)顟B(tài)，液黏離合器為分離狀態(tài)；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度上升到一定程度后，液黏離合器進(jìn)入滑摩狀態(tài)，風(fēng)扇以中速運(yùn)行；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度繼續(xù)上升到另一設(shè)定溫度后，風(fēng)扇進(jìn)入高速運(yùn)轉(zhuǎn)工況，液黏離合器處于完全結(jié)合狀態(tài)。顯然，液黏離合器的后兩種工作狀態(tài)與風(fēng)扇負(fù)載相關(guān)，僅第一種狀態(tài)與負(fù)載無關(guān)。一般情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)是指其冷態(tài)起動(dòng)，這時(shí)冷卻液溫度一般達(dá)不到風(fēng)扇工作的溫度下限，因此研究液黏離合器對發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的影響程度主要是測試其分離狀態(tài)下的工作扭矩，即帶排扭矩。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 液黏離合器帶排扭矩測定結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)液黏離合器帶排扭矩變化范圍較小，僅為7.5 N·m。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速800 r/min時(shí)液黏離合器帶排扭矩為28 N·m，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1100 r/min時(shí)液黏離合器帶排扭矩達(dá)到峰值29.5 N·m。

2.3 液力變矩器工作扭矩試驗(yàn)

液力變矩器的工作狀態(tài)分為兩種。第一是帶載狀態(tài)，由于輸出端的載荷作用，變矩器處于調(diào)速過程，速比不同其扭矩不同。第二是空轉(zhuǎn)狀態(tài)，即后端變速機(jī)構(gòu)空擋，液力變矩器渦輪軸無功率輸出，僅為克服自身功率損失的空轉(zhuǎn)扭矩。在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中，液力變矩器處于第二種工作狀態(tài)，但是由于空轉(zhuǎn)狀態(tài)下液力變矩器內(nèi)油量不確定，此時(shí)扭矩測量難度較大。為此，在臺(tái)架上對其全充油狀態(tài)進(jìn)行扭矩測定試驗(yàn)。

設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2000 r/min，調(diào)節(jié)渦輪輸出轉(zhuǎn)速使液力變矩器轉(zhuǎn)速比滿足0～1的工作范圍，測定每一轉(zhuǎn)速比狀態(tài)下液力變矩器的輸入扭矩。

液力變矩器泵輪輸入扭矩為[8]：

Mb=ρgλn2D5

(1)

式中，Mb為泵輪輸入扭矩(N·m)；ρ為傳動(dòng)油液密度 (kg/m3)；g為重力加速度(9.8 N/kg)；λ為泵輪扭矩系數(shù)(無量綱)；nb為泵輪轉(zhuǎn)速(r/min)；D為泵輪有效直徑(m)。其中，ρ、g、D均為定值，λ與轉(zhuǎn)速比為一一對應(yīng)關(guān)系。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)速比一定時(shí)，泵輪輸入扭矩Mb與泵輪轉(zhuǎn)速nb的關(guān)系為：

(2)

式中，c為定值。

在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2000 r/min狀態(tài)下，測得每一轉(zhuǎn)速比時(shí)泵輪轉(zhuǎn)速nb和泵輪扭矩Mb，便可由式(2)算得對應(yīng)的c值。根據(jù)不同轉(zhuǎn)速比對應(yīng)的c值，可算出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速800 r/min時(shí)液力變矩器泵輪端的工作扭矩。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 液力變矩器工作扭矩測定結(jié)果 N·m

2.4 轉(zhuǎn)向泵空轉(zhuǎn)扭矩試驗(yàn)

試驗(yàn)方法與輔助油泵工作扭矩測定方法相似。測得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速800 r/min時(shí)轉(zhuǎn)向泵空轉(zhuǎn)扭矩為87 N·m。

2.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

從試驗(yàn)結(jié)果看，在傳動(dòng)油溫100 ℃條件下，車輛掛空擋模擬發(fā)動(dòng)機(jī)怠速狀態(tài)，傳動(dòng)系統(tǒng)各部件工作扭矩由大到小依次為：液力變矩器工作扭矩144～448 N·m，轉(zhuǎn)向泵空轉(zhuǎn)扭矩87 N·m，輔助油泵工作扭矩51.64 N·m，液黏離合器帶排扭矩28 N·m。不考慮液力變矩器的輸出功率，其他部件所需扭矩為166.64 N·m，其中轉(zhuǎn)向泵和輔助油泵所占比重較大，應(yīng)針對這兩路功率輸出采用相應(yīng)的減小扭矩措施。由于P1泵為主泵，其作用是向整個(gè)液壓油路供油，可在P1泵后端并聯(lián)一個(gè)卸荷閥，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)將卸荷閥打開，P1泵從油箱抽出的液壓油直接返回到油箱，其它油泵無液壓油輸入，齒輪處于無負(fù)荷空轉(zhuǎn)狀態(tài)，從而最大限度減小發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)泵組帶來的阻力。若考慮液力變矩器的輸出功率，在液力變矩器全充油工況下，與其他部件相比，其扭矩貢獻(xiàn)值最大，表明進(jìn)入傳動(dòng)系統(tǒng)的功率主要經(jīng)液力變矩器傳遞至變速機(jī)構(gòu)，這正是傳動(dòng)系統(tǒng)的主要功能，與設(shè)計(jì)策略一致。

3 系統(tǒng)級動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

系統(tǒng)級動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的主要內(nèi)容是以整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)為研究對象，測量不同油溫條件下發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中傳動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)扭矩，重點(diǎn)是瞬態(tài)峰值和穩(wěn)態(tài)均值。試驗(yàn)時(shí)輸入轉(zhuǎn)速的設(shè)定需模擬發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程分為兩個(gè)階段，第一階段是起動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪旋轉(zhuǎn)并達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)速，第二階段是發(fā)動(dòng)機(jī)依靠自身輸出扭矩克服后端負(fù)載，將輸出轉(zhuǎn)速提升至怠速轉(zhuǎn)速。以此為依據(jù)，結(jié)合試驗(yàn)條件，確定起動(dòng)過程中傳動(dòng)系統(tǒng)扭矩測定試驗(yàn)方法。

動(dòng)力傳動(dòng)設(shè)備試驗(yàn)一般采用交流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，負(fù)載可選用水力測功機(jī)、電渦流測功機(jī)、磁粉制動(dòng)器、液壓加載器、機(jī)械加載器、直流電機(jī)或交流電機(jī)[9，10]。本次試驗(yàn)采用交流電機(jī)為動(dòng)力源和加載設(shè)備，并根據(jù)整車重量配置相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。試驗(yàn)分兩種工況進(jìn)行：第一種是電機(jī)提速工況，即空擋狀態(tài)下起動(dòng)電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速由0勻速上升至200 r/min，持續(xù)時(shí)間為5 s；第二種是發(fā)動(dòng)機(jī)自行起動(dòng)工況，即空擋狀態(tài)下輸入轉(zhuǎn)速由0勻速上升至800 r/min，持續(xù)時(shí)間為5 s。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

分別進(jìn)行了傳動(dòng)油溫17 ℃、30 ℃、50 ℃、100 ℃四種狀態(tài)下的傳動(dòng)系統(tǒng)起動(dòng)扭矩試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 傳動(dòng)系統(tǒng)起動(dòng)扭矩試驗(yàn)結(jié)果 N·m

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

從試驗(yàn)結(jié)果看，傳動(dòng)油溫的變化是影響傳動(dòng)系統(tǒng)起動(dòng)扭矩的重要因素。在兩種試驗(yàn)工況下，傳動(dòng)系統(tǒng)起動(dòng)扭矩的瞬態(tài)峰值和穩(wěn)態(tài)均值隨溫度變化呈非線性變化趨勢，且油溫越低起動(dòng)扭矩越大。就發(fā)動(dòng)機(jī)自行起動(dòng)工況而言，油溫17 ℃時(shí)的起動(dòng)扭矩為750 N·m，油溫100 ℃時(shí)的起動(dòng)扭矩為300 N·m，前者是后者的2.5倍。

此外，在傳動(dòng)油溫100 ℃時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)起動(dòng)扭矩的穩(wěn)態(tài)均值為160 N·m，而不考慮液力變矩器輸出功率時(shí)其他部件的起動(dòng)扭矩測試結(jié)果為166.64 N·m，考慮到測量誤差，兩次試驗(yàn)結(jié)果基本一致。這表明，液力變矩器的空轉(zhuǎn)功率消耗不是發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中的主要影響因素。

4 結(jié)論

(1) 對于液力機(jī)械傳動(dòng)車輛而言，車輛起動(dòng)過程中傳動(dòng)系統(tǒng)的功率消耗是影響發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)效果的重要因素，在進(jìn)行車輛總體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以考慮；

(2) 試驗(yàn)結(jié)果表明，傳動(dòng)油溫的變化和各類油泵的功率消耗是決定傳動(dòng)系統(tǒng)起動(dòng)扭矩大小的關(guān)鍵因素，通過增加傳動(dòng)油加溫裝置和卸荷閥等措施可減小傳動(dòng)系統(tǒng)的起動(dòng)扭矩；

(3) 部件級穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)和系統(tǒng)級動(dòng)態(tài)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，有效解決了基于臺(tái)架試驗(yàn)的傳動(dòng)部件起動(dòng)扭矩測量問題，為今后開展車輛起動(dòng)性能影響因素分析提供了方法支持。

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