發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器匹配研究現(xiàn)狀分析*

尹建閣，楊文斌，雷英棟

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發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器匹配研究現(xiàn)狀分析*

尹建閣1，楊文斌1，雷英棟2

（1.同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院 機(jī)械與汽車(chē)工程系，浙江 嘉興 314051； 2.嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電與汽車(chē)學(xué)院，浙江 嘉興 314051）

發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器的之間的良好匹配可以提高工程車(chē)輛的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性以及減少排放。文章通過(guò)大量文獻(xiàn)總結(jié)了工程機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變矩器匹配研究的基本思路，并從匹配方法、匹配優(yōu)化、匹配評(píng)價(jià)等方面對(duì)二者匹配的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述和研究展望。

發(fā)動(dòng)機(jī)；液力變矩器；匹配；研究現(xiàn)狀

引言

液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)在工程車(chē)輛中應(yīng)用廣泛。該系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力輸出，動(dòng)力經(jīng)過(guò)液力變矩器（或液力耦合器）以及機(jī)械傳動(dòng)部件傳遞到驅(qū)動(dòng)輪。當(dāng)采用液力變矩器后，不能能改善工程車(chē)輛的牽引特性，而且還能提高其對(duì)劇烈載荷變化的適應(yīng)能力，同時(shí)亦能減少振動(dòng)和沖擊，避免發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。

目前國(guó)內(nèi)各大高校和科研院所針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變矩器的匹配開(kāi)展了廣泛深入的研究。基本的研究思路是對(duì)原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理分析、建立相應(yīng)的模型、繪制特性曲線(xiàn)、計(jì)算或提取有關(guān)參數(shù)、對(duì)整車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性等進(jìn)行單一或綜合評(píng)價(jià)。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)的特性一般包括“扭矩-轉(zhuǎn)速特性”、“油耗率-轉(zhuǎn)速特性”、“功率-轉(zhuǎn)速特性”；液力變矩器的特性一般包括“變矩器系數(shù)-速比特性”、“轉(zhuǎn)矩系數(shù)-速比特性”、“效率-速比特性”。

發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器共同工作的輸出特性是指共同工作時(shí)，輸出力矩、輸出功率、發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與液力變矩器渦輪轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。共同輸出特性的繪制方法一般如下：1）根據(jù)共同工作輸入特性的一系列交點(diǎn)找到一系列相應(yīng)的數(shù)值；2）根據(jù)變矩器的傳動(dòng)比找出相應(yīng)的變矩比，根據(jù)公式計(jì)算共同工作時(shí)渦輪轉(zhuǎn)速；3）根據(jù)公式計(jì)算共同工作時(shí)泵輪輸入功率；4）根據(jù)公式，計(jì)算共同工作時(shí)渦輪轉(zhuǎn)速、渦輪輸出轉(zhuǎn)矩、渦輪輸出功率和效率；5）對(duì)應(yīng)傳動(dòng)比，將渦輪輸出轉(zhuǎn)速、泵輪輸入轉(zhuǎn)矩（交點(diǎn)提取數(shù)據(jù)）、泵輪輸入功率、渦輪輸出轉(zhuǎn)矩、渦輪輸出功率、效率數(shù)據(jù)制表；6）根據(jù)計(jì)算出的數(shù)據(jù)進(jìn)行公式擬合繪制全功率匹配共同工作輸出特性和部分功率匹配共同工作輸出特性。[1][2]

從上述分析不難看出，在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變矩器匹配研究室，需要處理大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用有效的手段進(jìn)行特性曲線(xiàn)圖表分析，對(duì)分析結(jié)果還需要建立評(píng)價(jià)指標(biāo)和相應(yīng)的評(píng)價(jià)體系。為更好地深入開(kāi)展研究，對(duì)目前發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變矩器匹配國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀分析十分必要。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 共同工作點(diǎn)算法研究

1.2 匹配優(yōu)化研究

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率一定時(shí)，可以通過(guò)改變液力變矩器的循環(huán)圓有效直徑、中間傳動(dòng)比、泵輪力矩系數(shù)等來(lái)改善匹配效果。優(yōu)化結(jié)果的評(píng)價(jià)指標(biāo)一般包括最大輸出轉(zhuǎn)矩、高效轉(zhuǎn)速范圍、高效動(dòng)力范圍、高效區(qū)域平均輸出功率和高效區(qū)域的平均油耗等[8]。同濟(jì)大學(xué)劉釗等[9]以液力變矩器渦輪軸最大輸出功率為目標(biāo)函數(shù)，以液力變矩器的循環(huán)圓直徑為設(shè)計(jì)變量，獲得平均輸出最大功率。中南大學(xué)胡仕成等[10]以?xún)?yōu)化液力變矩器循環(huán)圓直徑為目標(biāo)，按工程車(chē)輛直線(xiàn)行駛工況、正常聯(lián)合工況和極限聯(lián)合工況進(jìn)行約束，獲得最大的輸出功率。貴州大學(xué)彭正虎等[11]以車(chē)輛的渦輪的輸出功率最佳和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大為優(yōu)化目標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)，運(yùn)用遺傳算法對(duì)液力變矩器的有效圓直徑進(jìn)行優(yōu)化，獲得了較大的輸出功率、啟動(dòng)扭矩、和渦輪有效功率。為了滿(mǎn)足各種工況，最理想的液力變矩器是其輸入特性曲線(xiàn)通過(guò)各個(gè)工況所要求的發(fā)動(dòng)機(jī)凈轉(zhuǎn)矩點(diǎn)。對(duì)各種工況進(jìn)行匹配優(yōu)化將會(huì)得到不同的變矩器循環(huán)圓有效直徑。除了優(yōu)化變矩器循環(huán)圓直徑，陳凱等[12]根據(jù)一維束流理論對(duì)液力變矩器葉片進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立以泵輪出口角和導(dǎo)輪進(jìn)口角為設(shè)計(jì)變量的多目標(biāo)優(yōu)化模型，使用遺傳算法進(jìn)行液力變矩器與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配優(yōu)化，獲得3個(gè)目標(biāo)的最優(yōu)邊界構(gòu)成一個(gè)曲面，邊界上的任意一點(diǎn)都是最優(yōu)解。

1.3 匹配方法及評(píng)價(jià)體系

在匹配與設(shè)計(jì)方面的研究主要集中在發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器匹配的影響因素以及匹配策略上。如長(zhǎng)安大學(xué)張澤宇等[13]通過(guò)采集前軸扭矩、主油泵壓力與換擋信號(hào)進(jìn)行工況判定，建立不同工況點(diǎn)的匹配控制原則，利用發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速感應(yīng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)油門(mén)開(kāi)度，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速和輸出扭矩與轉(zhuǎn)速到液力變矩器泵輪，自適應(yīng)匹配工作狀態(tài)?；搓幑W(xué)院常綠等[14]將發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器匹配的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)歸一化處理，所得評(píng)價(jià)值構(gòu)建匹配性能網(wǎng)狀評(píng)價(jià)圖，定義用戶(hù)對(duì)匹配滿(mǎn)意度，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化液力變矩器循環(huán)圓有效直徑。濰柴動(dòng)力張建全等計(jì)算裝載機(jī)6個(gè)運(yùn)行工況下液力變矩器循環(huán)圓的有效直徑，擬合發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變矩器共同工作輸入特性曲線(xiàn)，計(jì)算共同工作點(diǎn)，構(gòu)建接近度網(wǎng)狀圖，計(jì)算接近度。以接近度最小匹配最佳，即動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性得到改善。[15]吉林大學(xué)王振寶等[16]根據(jù)匹配原則，制定5項(xiàng)無(wú)量綱的匹配評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用層次分析法和熵權(quán)法相結(jié)合進(jìn)行綜合賦權(quán)，基于灰色關(guān)聯(lián)度法構(gòu)建評(píng)價(jià)函數(shù)，建立發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器的匹配評(píng)價(jià)方法。上海理工大學(xué)孫躍東等[17]基于各轉(zhuǎn)速工況概率相等，計(jì)算出9類(lèi)非積分和積分參數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)人工權(quán)衡法、綜合指標(biāo)法和平均加權(quán)法，對(duì)匹配方案進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)。

1.4 匹配軟件設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的匹配計(jì)算主要是作圖法和解析法，工作量和計(jì)算誤差大。利用matlab圖形化用戶(hù)界面（GUI）和matlab強(qiáng)大的矩陣計(jì)算能力來(lái)完成發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器的匹配計(jì)算，方便、直觀(guān)、精度高，而且可以進(jìn)一步分析匹配結(jié)果，從而優(yōu)選匹配方案。如采用線(xiàn)性擬合發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變矩器特性，應(yīng)用matlab語(yǔ)言編寫(xiě)計(jì)算和繪圖程序，設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器匹配GUI界面生成EXE文件可以在PC機(jī)上獨(dú)立運(yùn)行，操作簡(jiǎn)單、方便[6]，如定義匹配評(píng)價(jià)指標(biāo)，編寫(xiě)計(jì)算非積分參數(shù)和積分參數(shù)程序[17]，或編寫(xiě)數(shù)值計(jì)算程序，編寫(xiě)匹配界面等[18][19][20]。也可以用Access建立發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器的數(shù)據(jù)庫(kù)，以Visual Basic 6.0為平臺(tái)，利用MatrixVB編寫(xiě)動(dòng)力匹配軟件[21]?；蛘邞?yīng)用VB語(yǔ)言與Matlab混合編程的方法，以MicrosoftExcel作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)發(fā)液力傳動(dòng)車(chē)輛匹配計(jì)算軟件[22]。

1.5 匹配仿真分析

在匹配仿真方面，張澤宇等利用AMESim軟件建立不同工況轉(zhuǎn)速感應(yīng)傳動(dòng)模型，模擬裝載機(jī)的V型作業(yè)方式載荷譜，對(duì)其進(jìn)行建模與仿真計(jì)算[13]。北京理工大學(xué)洪清泉等基于ADAMS建立發(fā)動(dòng)機(jī)、液力變矩器和閉鎖離合器數(shù)學(xué)模型，并組成共同工作的虛擬樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)仿真過(guò)程控制，得到發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器共同工作時(shí)的動(dòng)態(tài)特性[23]。

此外在試驗(yàn)測(cè)試方面，淮陰工學(xué)院徐禮超等[24]在獲取裝載機(jī)典型作業(yè)物料與作業(yè)比例的基礎(chǔ)上，按照常用的作業(yè)方式對(duì)裝載機(jī)開(kāi)展實(shí)機(jī)試驗(yàn)，得到反映裝載機(jī)液壓系統(tǒng)消耗發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)，為發(fā)動(dòng)機(jī)凈轉(zhuǎn)矩的求取提供了一種較合理的方法。

2 總結(jié)與展望

綜上，從六個(gè)方面研究了發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器匹配的問(wèn)題。在匹配方法和匹配優(yōu)化結(jié)果研究中，液力變矩器循環(huán)圓直徑都是非常重要的一個(gè)變量。在工作點(diǎn)的選取中，對(duì)于工作點(diǎn)的區(qū)域求解相當(dāng)于一個(gè)元多次方程的求解，可以從數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算上解決以及通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真可以得到匹配動(dòng)態(tài)特性。試驗(yàn)驗(yàn)證是理論結(jié)合實(shí)際的重要手段。此外，不同的工程車(chē)輛在不同工況下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器匹配的研究具有重要的影響，可以從特定的工況去考慮匹配問(wèn)題，尋求更為特定適用的發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器之間的匹配。

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Literature review on matching of engine and torque converter*

Yin Jiange1, Yang Wenbin1, Lei Yingdong2

( 1.Tongji Zhejiang College, Zhejiang Jiaxing 314051; 2. Jiaxing Vocational Technical College, Zhejiang Jiaxing 314051 )

A good match between the engine and the torque converter can improve the fuel economy, power performance and reduce the emission. In this paper, the matching method between the engine and the torque converter is studied from the aspects of matching method, common working point selection, matching result optimization, computer-aided calculation and simulation, test verification and so on. Finally, there is an overview and outlook.

Engine; torque converter; match; automatic transmission

U464

A

1671-7988(2019)07-152-03

U464

A

1671-7988(2019)07-152-03

尹建閣（1983-），女，碩士，副教授，就職于同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院機(jī)械與汽車(chē)工程系，從事機(jī)電液一體化研究工作。

浙江省教育廳一般科研項(xiàng)目Y201636408。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.051