叉車用雙導(dǎo)輪液力變矩器的動力性研究

安徽合力股份有限公司 袁正 王永國

本文對單導(dǎo)輪液力變矩器和雙導(dǎo)輪液力變矩器的特性進(jìn)行了對比分析，并通過對同款發(fā)動機(jī)的共同工作特性和整車的動力性進(jìn)行分析研究。最后通過理論計算和實車試驗驗證了雙導(dǎo)輪液力變矩器在叉車傳動系統(tǒng)中的優(yōu)越性。

一、引言

叉車采用液力傳動，實現(xiàn)無級變速的同時也為駕駛員的操作提供了方便，大大降低了其工作過程中的疲勞強(qiáng)度并提高了其工作效率。對于液力傳動的叉車，影響其動力性的因素有很多，其動力性是由液力變矩器和發(fā)動機(jī)組合后的輸出及傳動機(jī)構(gòu)共同決定。單導(dǎo)輪液力變矩器（以下簡稱“單導(dǎo)輪變矩器”）在起著無級調(diào)速、自適應(yīng)性和緩沖減振功能的同時也存在著如低速時效率較低，變矩范圍和高效率區(qū)間較窄等不可忽視弊端，雙導(dǎo)輪液力變矩器（以下簡稱“雙導(dǎo)輪變矩器”）的問世很大程度解決了上述問題，雙導(dǎo)輪變矩器因其可以在很大程度上提高低速比區(qū)的效率，拓寬變矩比和高效區(qū)范圍，提高能容系數(shù)等優(yōu)勢。同時，雙導(dǎo)輪變矩器隨著外負(fù)荷的變化而自動調(diào)速時，相當(dāng)于兩擋速度，這樣可以簡化變速箱的結(jié)構(gòu)和降低駕駛員的操作強(qiáng)度。本文基于MATLAB/GUI平臺，對發(fā)動機(jī)與單、雙導(dǎo)輪變矩器的共同工作的輸入和輸出特性進(jìn)行對比分析和研究。

二、變矩器特性對比分析

液力變矩器是以液力傳動油作為工作介質(zhì)的液力傳動機(jī)械，利用油液動量矩的變化實現(xiàn)扭矩轉(zhuǎn)換和傳遞。使用液力變矩器可以實現(xiàn)發(fā)動機(jī)輕載啟動，有效隔離和吸收來自發(fā)動機(jī)和傳動系統(tǒng)的振動，實現(xiàn)柔性傳動。它能夠使車輛根據(jù)負(fù)載和道路阻力的大小，自動調(diào)整行駛速度和牽引力，實現(xiàn)無級變速，提高通過性能，減少換檔次數(shù)，改善駕乘舒適性，并能提高發(fā)動機(jī)和傳動系統(tǒng)零部件的使用壽命。

圖1 單導(dǎo)輪變矩器

普通循環(huán)圓直徑為315mm的單導(dǎo)輪變矩器，如圖1所示，相對于同循環(huán)圓直徑的雙導(dǎo)輪變矩器，如圖2所示，也有其不可忽略的缺點：（1）低速比時，雖能實現(xiàn)一定變矩比傳動，但其傳遞效率較低，功率損耗較大，造成系統(tǒng)有較大的發(fā)熱量；（2）由于變矩比范圍的限制，需要變速箱增加排擋數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整輸出扭矩和轉(zhuǎn)速，以滿足整車對牽引力和速度的要求；（3）能容低，對吸收發(fā)動機(jī)的功率受到限制，一定程度上降低了發(fā)動機(jī)的功率利用率和整車的平均速度，同時也造成發(fā)動機(jī)選型受到限制。

圖2 雙導(dǎo)輪變矩器

雙導(dǎo)輪變矩器是一種四元件綜合型的液力變矩器，如圖2所示，第一導(dǎo)輪3和渦輪2分別與變速箱內(nèi)不同傳動比的齒輪相連，用于變速箱的動力輸入，第二導(dǎo)輪9通過第二單向離合器8與固定在箱體上的導(dǎo)輪座7相連。第一導(dǎo)輪主要在低轉(zhuǎn)速比時工作，此時傳遞大部分的功率；第二導(dǎo)輪主要在高轉(zhuǎn)速比時工作，在低轉(zhuǎn)速比范圍傳遞的功率較小。雙導(dǎo)輪變矩器具有較高的失速變矩比，較寬的高效工作區(qū)，且可以簡化換擋操作，減少變速箱的排擋數(shù)，可以大幅度縮小變速箱的外形尺寸，更加有利于整車緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時通過圖1和圖2對比可以發(fā)現(xiàn)，雙導(dǎo)輪變矩器的缺點就是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對零部件的精度要求較高。

圖3 兩變矩器原始特性曲線

從圖3兩變矩器原始特性曲線中，可以看出速比在0～0.35時，雙導(dǎo)輪變矩器由于第一導(dǎo)輪的作用，其變矩比K2、能容λB2和效率η2明顯高于單導(dǎo)輪變矩器。隨著轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步增加，速比在0.35～0.6時，單導(dǎo)輪變矩器參數(shù)（K1、λB1、η1）略高雙導(dǎo)輪變矩器，而雙導(dǎo)輪速比在大于0.4時第二導(dǎo)輪開始起作用，各參數(shù)（K2、λB2、η2）得到繼續(xù)提升，速比在0.6～0.95區(qū)間時各參數(shù)均超過單導(dǎo)輪變矩器，且在失速和偶合工況點時，雙導(dǎo)輪變矩器的失速變矩比和耦合點速比均高于單導(dǎo)輪變矩器，充分說明其變矩性能較好。同時，從圖3中變矩器能容對比曲線可以看出，在傳動比0~0.3范圍內(nèi)，雙導(dǎo)輪能容大說明變矩器可以吸收并傳遞更大的功率和扭矩。在不改變發(fā)動機(jī)輸入的情況下，能容增大將使得變矩器能夠地與發(fā)動機(jī)更加合理的進(jìn)行匹配，更好地吸收發(fā)動機(jī)的功率，在使得叉車的動力性能得到提高的同時，低速比的高效率也使得叉車的經(jīng)濟(jì)性得到改善。鑒于雙導(dǎo)輪變矩器變矩范圍寬，低速效率及平均效率高和高能容等優(yōu)點，其在叉車傳動系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，并充分展示了其獨特的優(yōu)勢。

三、共同工作輸入特性的對比分析

變矩器對發(fā)動機(jī)的負(fù)荷分布特性（輸入特性）和叉車的主要使用性能(輸出特性)有很大的影響。叉車的動力性和經(jīng)濟(jì)性在很大的程度上取決于發(fā)動機(jī)與變矩器的共同工作是否良好，叉車發(fā)動機(jī)和變矩器都有自己獨立的工作特性，合理的匹配能使叉車獲得良好的燃油經(jīng)濟(jì)性，動力性和低的排氣污染。圖4和圖5分別是單導(dǎo)輪變矩器和雙導(dǎo)輪變矩器與某型發(fā)動機(jī)共同工作特性曲線。

圖4 單導(dǎo)輪變矩器與發(fā)動機(jī) 共同工作特性曲線

圖5 雙導(dǎo)輪變矩器與發(fā)動機(jī) 共同工作特性曲線

從圖4和圖5中可以看出，該款發(fā)動機(jī)與兩變矩器的全功率匹配均可以滿足設(shè)計使用要求，且具有三個特點。

第一，在失速工況時（i0），雙導(dǎo)輪變矩器較單導(dǎo)輪變矩器其輸出特性曲線更加接近發(fā)動機(jī)最大扭矩點，其起步和加速性能較好。匹配單導(dǎo)輪變矩器的發(fā)動機(jī)，則需要在變速箱增加排擋數(shù)的條件下才能實現(xiàn)相同的性能。

第二，在最大效率工況時（i*），雙導(dǎo)輪變矩器較單導(dǎo)輪變矩器其輸出特性曲線更加接近發(fā)動機(jī)最大功率點，其功率利用率較高。

第三，變矩器速比在0～0.85區(qū)間時，基本上都在發(fā)動機(jī)的輸出扭矩平緩和穩(wěn)定工作區(qū)間范圍內(nèi)，兩變矩器均可以充分利用發(fā)動機(jī)功率，而雙導(dǎo)輪變矩器則更加充分地利用其較寬的高效工作區(qū)域（i1，imax），傳遞發(fā)動機(jī)的功率，使叉車具有較大的平均速度和作業(yè)生產(chǎn)率。

最后，該共同工作區(qū)域也在發(fā)動機(jī)燃油消耗率較低的區(qū)域附近，發(fā)動機(jī)的輸出扭矩平穩(wěn)，在提高發(fā)動機(jī)使用壽命的同時降低了燃油消耗，使叉車具有良好的經(jīng)濟(jì)性和低排放性能。

四、 共同工作輸出特性的對比分析

圖6 單導(dǎo)輪變矩器與發(fā)動機(jī)共同工作輸出特性曲線

圖7雙導(dǎo)輪變矩器與發(fā)動機(jī)共同工作輸出特性曲線

發(fā)動機(jī)與變矩器共同工作輸出特性，是指變矩器輸出軸上的扭矩Mt，功率Nt，發(fā)動機(jī)耗油量和比油耗ge，以及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速ne隨輸出軸（渦輪）轉(zhuǎn)速nt的變化曲線。從圖6、圖7中可以看出，首先，在失速工況時，雙導(dǎo)輪變矩器的輸出扭矩將近是單導(dǎo)輪變矩器的兩倍，這樣使的車輛起步時獲得較高的驅(qū)動力和良好的起步加速性能及爬坡性能。其次，輸出扭矩的變化，雙導(dǎo)輪變矩器從失速工況的1500.81Nm到最大轉(zhuǎn)速時的104.6Nm的范圍內(nèi)進(jìn)行自動無級調(diào)速，充分展示了其自適應(yīng)性和提高整車的通過性。單導(dǎo)輪變矩器則只有在失速工況的753.76Nm到最大轉(zhuǎn)速時的81.1Nm的范圍內(nèi)進(jìn)行自動無級調(diào)速，因此對于4噸及以上叉車需要變速箱增加一級排擋數(shù)，來滿足叉車對速度和牽引力的要求。最后，兩者的最大輸入功率均在高效區(qū)的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，則均可以發(fā)揮最大功率，但由于雙導(dǎo)輪變矩器的平均效率高，致使其輸出功率高，因此有較高的功率利用率和平均行駛速度，對提高作業(yè)效率非常有利。

五、加速特性對比分析

叉車的動力性能是叉車整車性能中最重要、最基本的性能。由于叉車的行駛速度較低，用原地起步加速時間來表示叉車的加速能力。叉車原地起步加速時間是指叉車由第一擋起步并以最大的加速度，逐步換至最高擋后達(dá)到最大車速所需要的時間，本文是基于MATLAB/GUI并采用微小的時間間隔進(jìn)行迭代加速時間和速度的計算，然后將匹配單、雙導(dǎo)輪變矩器整車的時間-速度曲線繪制到一張圖中進(jìn)行對比分析，如圖6所示。單導(dǎo)輪變矩器通過配置兩擋變速箱與雙導(dǎo)輪變矩器配置的前進(jìn)后退各一個擋的位的變速箱對整車有相同的最大牽引力和車速，圖6是在此前提下的整車滿載加速特性曲線，滿載工況以全油門開度時，兩者均能在3s內(nèi)加速到12km/h，隨后單導(dǎo)輪變矩器在整車換入II擋后加速平緩，在15.54s后將車速提升到最大車速22.2km/h。而雙導(dǎo)輪變矩器能實現(xiàn)全程無級調(diào)速，加速較快，在12.1s后將車速提升到最高車速23.85km/h。單導(dǎo)輪變矩器雖能通過變速箱進(jìn)一步調(diào)整整車的牽引力和車速，但加速性能是靠其與發(fā)動機(jī)的工作特性來實現(xiàn)。由此可以看出，雙導(dǎo)輪變矩器在簡化變速箱結(jié)構(gòu)的同時也給整車帶來良好的加速性能，則進(jìn)而提升整車的作業(yè)效率。

圖8匹配單、雙導(dǎo)輪變矩器的整車加速特性曲線

六、結(jié)語

本文首先對單、雙導(dǎo)輪變矩器的原始特性進(jìn)行了對比分析，并對二者分別和同款發(fā)動機(jī)的共同工作的輸入、輸出特性進(jìn)行了研究。然后通過對整車動力性的對比分析和實車試驗，驗證了匹配雙導(dǎo)輪變矩器給整車帶來的性能明顯優(yōu)異于匹配單導(dǎo)輪變矩器給整車帶來的性能，同時雙導(dǎo)輪變矩器簡化了變速箱結(jié)構(gòu)從而減小了變速箱的外形尺寸，對整車的結(jié)構(gòu)設(shè)計和未來的小型化設(shè)計帶來了巨大貢獻(xiàn)。