重型汽車液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)共同工作性能分析

王瑞紅，李立琳

（1.黃河交通學(xué)院，河南 焦作 454950；2.河南工程學(xué)院，河南 鄭州 451191）

1 引言

液力-機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)組合運(yùn)用了液力傳動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)可以根據(jù)道路阻力的變化，自動(dòng)的在若干個(gè)車速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，有級(jí)式換擋變速箱可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或者半自動(dòng)操縱，簡化了操縱過程，能夠很好的適應(yīng)復(fù)雜路況，尤其是一些井下巷道的路面，在一些載重地下運(yùn)輸車輛中普遍都使用[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變矩器的共同工作特性直接影響到車輛的運(yùn)行狀態(tài)，對二者的選型匹配性和評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析為此類系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)提供參考，具有重要意義。國內(nèi)外學(xué)者對此系統(tǒng)進(jìn)行了研究：文獻(xiàn)[2]采用軟件仿真的方法對不同組合的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行特性分析；文獻(xiàn)[3]采用試驗(yàn)標(biāo)定的方法，分析液力系統(tǒng)特性對整個(gè)系統(tǒng)的影響；文獻(xiàn)[4]分析傳動(dòng)系統(tǒng)的爬坡特性對系統(tǒng)特性的影響；文獻(xiàn)[5]采用硬件在線循環(huán)系統(tǒng)對動(dòng)力系統(tǒng)的特性進(jìn)行模擬分析。

根據(jù)液力-機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變矩器的匹配原則和匹配評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析；對發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器共同工作特性，尤其是輸入和輸出特性進(jìn)行求解；在此基礎(chǔ)上，基于AOVAT 3.0對某款重型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變矩器的選型方案組成的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，分析柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變矩器共同工作的性能。

2 液力-機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)

液力-機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)增加了液力變矩器，液力變矩器本身的性能使其可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，而且有增大和變換轉(zhuǎn)矩的能力，當(dāng)車輛的外載荷增大時(shí)，變矩器能使車輛自動(dòng)增加牽引力，同時(shí)降低車速，反之，當(dāng)外載荷減小時(shí)，使車輛自動(dòng)減小牽引力，提高車速，車輛具有很好的自動(dòng)適應(yīng)性能[6]。但是液力變矩器的輸出轉(zhuǎn)矩和輸入轉(zhuǎn)矩的比值變化范圍不能滿足使用的要求，因此要在后面串聯(lián)一個(gè)有級(jí)式動(dòng)力換擋變速器[7]。所研究車輛的液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)包括液力變矩器、變速器、傳動(dòng)軸、主減速器、差速器、輪邊減速器和橋殼組成，具體如圖1所示。

圖1 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成Fig.1 Structure of the Powertrain

發(fā)動(dòng)機(jī)，變矩器，變速箱的安裝方式稱為變速箱的R型安裝，即變矩器與變速箱分置，而變矩器與發(fā)動(dòng)機(jī)一體，如圖1所示。另外還有HR型（發(fā)動(dòng)機(jī)、變矩器、變速箱三位一體），MHR型（變矩器與變速箱一體，與發(fā)動(dòng)機(jī)分置）[8]。能量在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中按照一定的規(guī)律流動(dòng)，并伴有一定的損失。具體的過程，如圖2所示。

圖2 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的能量流動(dòng)Fig.2 Power Flow of the Powertrain

3 傳動(dòng)系統(tǒng)共同工作性能分析

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)和變矩器匹配原則

理想的匹配是滿足動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的要求，兼顧其它一些特殊的要求[9]。

對于液力機(jī)械傳動(dòng)的非公路車輛來講，應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則：

（1）車輛起步時(shí)的工況需要較大的扭矩，理想的工況是發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩點(diǎn)，使車輛獲得良好的起步和加速性能，并獲得良好牽引力[10]。利用變矩器最高變矩比工況，傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩，曲線1，如圖3所示。

（2）為了整車效率較高，則共同工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)處于最大功率附近，則液力變矩器的最高效率（iTB（k=1））與發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定最大功率點(diǎn)重合[11]。

（3）共同工作區(qū)間內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗效處于最低值附近。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)和變矩器的理想匹配Fig.3 Ideal Match between Power Machine and Torque Converter

因?yàn)檐囕v的實(shí)際工況各不相同，對匹配的特性具有不同的要求，再者，工程實(shí)際使用的車用液力變矩器多為混合透穿型，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，匹配問題要復(fù)雜得多[12]。所以，在實(shí)際的匹配設(shè)計(jì)中，要深入了解車輛的工況，綜合考慮起動(dòng)性能、作業(yè)效率和燃油經(jīng)濟(jì)性等各項(xiàng)性能指標(biāo)，在保證混合動(dòng)力源工作穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，獲得較好的匹配結(jié)果。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)和變矩器匹配指標(biāo)

對匹配的評價(jià)要選擇適當(dāng)?shù)脑u價(jià)參數(shù)和計(jì)算方法，因此要對二者共同工作進(jìn)行量化分析，能夠比較直觀的進(jìn)行合理評價(jià)[13]。

變矩器起動(dòng)輸出扭矩MTmax

式中：MT0—失速工況時(shí)變矩器渦輪的輸出扭矩，Nm；MTmax—車輛起步、加速和超載的能力。

變矩器的運(yùn)動(dòng)學(xué)工作范圍dn：

式中：nT1、nT2—變矩器高效工作范圍（η≥0.75）上下限對應(yīng)的渦輪轉(zhuǎn)速，r/min；dn—高效工作區(qū)的范圍大小。

變矩器的動(dòng)力學(xué)工作范圍dM：

式中：MT1、MT2—變矩器高效工作范圍（η≥0.75）上下限對應(yīng)的輸出扭矩，Nm；dM—共同工作在高效范圍內(nèi)的動(dòng)力性能，反應(yīng)了變矩器適應(yīng)外負(fù)荷變化的能力，dM值越大，車輛的適應(yīng)性越好。

高效范圍內(nèi)的平均輸出功率NTP1：

式中：NTP1—車輛常用檔或正常工作時(shí)的動(dòng)力性能，kW；NT（nT）—共同工作特性中輸出功率特性曲線函數(shù)。高效范圍內(nèi)的平均比燃油消耗量gep1：

式中：ge（ηt）—共同工作輸出特性中比燃油消耗量特性曲線函數(shù)gep1為車輛常用檔位或正常工作時(shí)的經(jīng)濟(jì)性能，g/kW·h。

3.3 共同工作特性分析

液力變矩器的輸入特性反映了不同轉(zhuǎn)速比i時(shí)，泵輪上的扭矩MB隨隨著泵輪轉(zhuǎn)速nB變化的規(guī)律。

式中：MB—泵輪轉(zhuǎn)矩，Nm；λMB—泵輪力矩系數(shù)，min2/（m·r2）；γ—油的重度，N/m3；nB—泵輪轉(zhuǎn)速，r/min；D—液力變矩器的有效直徑，m。

確定工況下，λMB、γ、D為固定的常數(shù)，輸入特性曲線為拋物線，且通過原點(diǎn)。對于非透穿變矩器，對應(yīng)不同工況時(shí)λMB為一個(gè)常數(shù)，故輸入特性只有唯一的一條過坐標(biāo)原點(diǎn)的拋物線。對透穿性液力變矩器，λMB隨iTB變化而改變，具有混合透穿性能的變矩器輸入特性曲線，如圖4所示。

圖4 混合透穿性能液力變矩器的輸入特性曲線Fig.4 Input Characteristics of the Torque Converter

柴油機(jī)的凈扭矩特性曲線可以分為兩個(gè)部分，一部分是外特性段和另一部分是調(diào)速特性段，液力變矩器輸入特性曲線與發(fā)動(dòng)機(jī)凈扭矩特性曲線的交點(diǎn)有可能在外特性段上，也可能在調(diào)速特性段上，如圖5所示?？梢詫l(fā)動(dòng)機(jī)的凈扭矩曲線通過人為方式外延，那么變矩器的任何一條輸入特性曲線都與兩個(gè)區(qū)段有交點(diǎn)。所以可以將變矩器的輸入特性曲線擬合方程分別同發(fā)動(dòng)機(jī)凈扭矩特性曲線兩區(qū)段的擬合方程聯(lián)立，求得交點(diǎn)后，再根據(jù)實(shí)際取舍計(jì)算結(jié)果。

圖5 柴油機(jī)和液力變矩器特性曲線關(guān)系Fig.5 Relationship Between Diesel Engine and Torque Converter

液力變矩器輸入特性曲線方程與發(fā)動(dòng)機(jī)外特性段曲線方程聯(lián)立，可得：

可以解得：

根據(jù)圖2中交點(diǎn)關(guān)系，得到：

液力變矩器輸入特性曲線方程與發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速特性段方程聯(lián)立，可得：

同理，可得：

綜合圖2中交點(diǎn)位置關(guān)系，可以判斷實(shí)際交點(diǎn)對應(yīng)轉(zhuǎn)速和扭矩分別為這樣便得到一組離散點(diǎn)：（nBi，MBi）（i=i1，i2，i3…in，n 為所求交點(diǎn)的個(gè)數(shù)），這組離散點(diǎn)便是共同工作輸入工作點(diǎn)，如圖6所示。

可以解得：

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器共同工作輸入特性Fig.6 Engine and Torque Converter Work Input Characteristics

需要指出的是，在選擇發(fā)動(dòng)機(jī)的特性曲線時(shí)，有4條曲線可選，分別為發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)不同工況除去輔助油泵功率損失所得，如圖7所示。在圖7中，曲線1為發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性曲線，曲線2是變速器油泵滿載、工作油泵與轉(zhuǎn)向油泵空載時(shí)的特性曲線，曲線3是變速油泵與工作油泵滿載、轉(zhuǎn)向油泵空載時(shí)的特性曲線，曲線4是各油泵均滿載時(shí)的特性曲線。在進(jìn)行液力變矩器和發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配計(jì)算時(shí)，可以根據(jù)研究需要選取曲線，以便研究在不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變矩器匹配效果。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下調(diào)速特性Fig.7 Speed Regulation Characteristic of Engine Under Different Conditions

發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變矩器共同工作時(shí)輸出扭矩MT、輸出功率NT、比燃料消耗量ge與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等與變矩器渦輪轉(zhuǎn)速nT之間的關(guān)系稱為發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變矩器共同工作的輸出特性。

渦輪的轉(zhuǎn)速nT可以由共同工作輸入特性得出的交點(diǎn)轉(zhuǎn)速nB計(jì)算出。

對應(yīng)于液力變矩器原始特性曲線上的變矩比K，可以根據(jù)液力變矩器原始離散數(shù)據(jù)中提供的不同轉(zhuǎn)速比i對應(yīng)求得。

渦輪的扭矩MT可以通過共同工作輸入特性時(shí)求得的焦點(diǎn)扭矩MB求得。

各交點(diǎn)對應(yīng)的渦輪功率可由公式計(jì)算得到。

通過發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線中的比燃料消耗曲線，對應(yīng)共同工作輸入特性計(jì)算所得的交點(diǎn)轉(zhuǎn)速nB，可以求出對應(yīng)的渦輪比燃料消耗量geT。

發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變矩器共同工作時(shí)輸出扭矩MT、輸出功率NT、渦輪比燃料消耗量geT與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等與變矩器渦輪轉(zhuǎn)速nT之間的關(guān)系稱為發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變矩器共同工作的輸出特性。每個(gè)共同工作點(diǎn)都對應(yīng)著一組MT、NT、geT、nT值，有這些離散點(diǎn)就可以擬合出MT、NT、geT三條輸出特性曲線，如圖8所示。

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變矩器共同工作輸出特性Fig.8 Engine and Torque Converter Work Output Characteristics

4 基于AOVAT動(dòng)力系統(tǒng)性能分析

自主開發(fā)仿真軟件AOVAT 3.0該軟件被用來仿真動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配性能，已經(jīng)被驗(yàn)證其實(shí)用性，軟件適應(yīng)性好，可以滿足多種發(fā)動(dòng)機(jī)類型的仿真，數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用使用戶可以根據(jù)需要隨時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的增刪和調(diào)用。與同類軟件相比，增加了車輛加速性能的計(jì)算功能，能提供更加詳細(xì)的數(shù)據(jù)信息，以往的同類計(jì)算軟件至多能夠?qū)崿F(xiàn)VB開發(fā)工具本身具有的數(shù)據(jù)報(bào)表功能，對圖像的處理能力較差，該軟件可以直接將報(bào)告以Excel的格式輸出，便于對報(bào)告內(nèi)容進(jìn)行整理。軟件擁有友好用戶界面，如圖9所示。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)評價(jià)指標(biāo)仿真結(jié)果，如表1所示。

圖9 基本信息輸入界面Fig.9 Basic Information Input Interface

表1 評價(jià)指標(biāo)仿真結(jié)果Tab.1 Evaluation Results of Evaluation Indicators

發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變矩器共同工作的相關(guān)數(shù)據(jù)，如表2所示。共同工作特性，如圖10所示。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變矩器共同工作相關(guān)數(shù)據(jù)Tab.2 Related Data of Joint Work

圖10 共同工作特性Fig.10 Common Working Characteristics

液力變矩器具有混合透穿性能。由圖10（a）可以看出，啟動(dòng)工況i=0時(shí)，所對應(yīng)的變矩器輸入特性曲線位于曲線簇中間位置，不在曲線簇最上端（正透穿性），也不在曲線簇最下端（負(fù)透穿性）。表2中，能力系數(shù)的變化是隨著轉(zhuǎn)速比的增加先減小后增大，這一點(diǎn)也證實(shí)了變矩器的混合透穿性能。

由表2中數(shù)據(jù)可知，共同工作范圍內(nèi)最大扭矩點(diǎn)為961.10Nm，與柴油機(jī)的最大凈扭矩相比，留有約712.9Nm的儲(chǔ)備扭矩，這部分扭矩可以用于車輛的工作油泵完成鏟裝工況等。在表2中，可以看到，當(dāng)變矩比處在（0.4～0.825）之間時(shí)，變矩器處于高效率工作區(qū)，對應(yīng)的共同工作輸入曲線交點(diǎn)的轉(zhuǎn)速范圍為（2094.9～2158.9）r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為 2100r/min，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的功率利用率很高。圖10（b）中兩虛線對應(yīng)的高效轉(zhuǎn)速范圍占整個(gè)渦輪轉(zhuǎn)速范圍的1/2，在表1中可以查出全工況范圍內(nèi)功率輸出系數(shù)和高效范圍內(nèi)功率輸出系數(shù)分別達(dá)到0.4860和0.6669，這一點(diǎn)這也證實(shí)功率利用率較高，所以這一匹配是相當(dāng)合理的。

5 結(jié)論

分析發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變矩器匹配原則和評價(jià)指標(biāo)，對共同工作輸入和輸出特性進(jìn)行分析，基于AOVAT 3.0對選型方案組成的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，在分析的基礎(chǔ)上判斷發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變矩器共同工作選型結(jié)果是否可行。

（1）選用的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變矩器匹配時(shí)，能為車輛提供較大的起動(dòng)扭矩，共同工作范圍內(nèi)最大扭矩點(diǎn)為961.10Nm，與柴油機(jī)的最大凈扭矩相比，留有約712.9 Nm的儲(chǔ)備扭矩；

（2）在液力變矩器高效區(qū)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率利用率較高，對應(yīng)的共同工作輸入曲線交點(diǎn)的轉(zhuǎn)速范圍為（2094.9～2158.9）r/min，有足夠的扭矩儲(chǔ)備用于車輛的聯(lián)合鏟裝工況，聯(lián)合鏟裝工況對應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率相對較低；

（3）全工況范圍內(nèi)功率輸出系數(shù)和高效范圍內(nèi)功率輸出系數(shù)分別達(dá)到0.4860和0.6669，這一匹配是比較理想的，綜合仿真結(jié)果，對比車輛的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)出合適的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。