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-機械傳動系統(tǒng)組合運用了液力傳動系統(tǒng)和機械傳動系統(tǒng)，系統(tǒng)可以根據(jù)道路阻力的變化，自動的在若干個車速范圍內(nèi)實現(xiàn)無級變速，有級式換擋變速箱可以實現(xiàn)自動或者半自動操縱，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，在一些載重地下運輸車輛中普遍都使用[1]。發(fā)動機和液力變矩器的共同工作特性直接影響到車輛的運行狀態(tài)，對二者的選型匹配性和評價指標(biāo)進行分析為此類系統(tǒng)的選型設(shè)計提供參考，具有重要意義。國內(nèi)外學(xué)者對此系統(tǒng)進行了研究：文獻[2]采用軟件仿真的方法對不同組合的系統(tǒng)參數(shù)進行特性分析；文獻[3]采用試驗標(biāo)定的方法，分析液力系統(tǒng)特性對整個系統(tǒng)的影響；文獻[4]分析傳動系統(tǒng)的爬坡特性對系統(tǒng)特性的影響；文獻[5]采用硬件在線循環(huán)系統(tǒng)對動力系統(tǒng)的特性進行模擬分析。

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

2 液力-機械傳動系統(tǒng)

液力-機械傳動系統(tǒng)增加了液力變矩器，液力變矩器本身的性能使其可以實現(xiàn)無級變速，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，變矩器能使車輛自動增加牽引力，同時降低車速，反之，當(dāng)外載荷減小時，使車輛自動減小牽引力，提高車速，車輛具有很好的自動適應(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)一個有級式動力換擋變速器[7]。所研究車輛的液力機械傳動系統(tǒng)包括液力變矩器、變速器、傳動軸、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 動力傳動系統(tǒng)的構(gòu)成Fig.1 Structure of the Powertrain

發(fā)動機，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)動機一體，如圖1所示。另外還有HR型（發(fā)動機、變矩器、變速箱三位一體），MHR型（變矩器與變速箱一體，與發(fā)動機分置）[8]。能量在動力傳動系統(tǒng)中按照一定的規(guī)律流動，并伴有一定的損失。具體的過程，如圖2所示。

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

3 傳動系統(tǒng)共同工作性能分析

3.1 發(fā)動機機和變矩器匹配原則

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

對于液力機械傳動的非公路車輛來講，應(yīng)遵循以下幾個原則：

（1）車輛起步時的工況需要較大的扭矩，理想的工況是發(fā)動機最大扭矩點，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)動機的最大扭矩，曲線1，如圖3所示。

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

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

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

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

3.2 發(fā)動機和變矩器匹配指標(biāo)

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

變矩器起動輸出扭矩MTmax

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

變矩器的運動學(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)的動力性能，反應(yīng)了變矩器適應(yīng)外負荷變化的能力，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的動力性能，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的經(jīng)濟性能，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，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。對于非透穿變矩器，對應(yīng)不同工況時λMB為一個常數(shù)，故輸入特性只有唯一的一條過坐標(biāo)原點的拋物線。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

柴油機的凈扭矩特性曲線可以分為兩個部分，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)動機凈扭矩特性曲線的交點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)動機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區(qū)段有交點。所以可以將變矩器的輸入特性曲線擬合方程分別同發(fā)動機凈扭矩特性曲線兩區(qū)段的擬合方程聯(lián)立，求得交點后，再根據(jù)實際取舍計算結(jié)果。

圖5 柴油機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)動機外特性段曲線方程聯(lián)立，可得：

可以解得：

根據(jù)圖2中交點關(guān)系，得到：

液力變矩器輸入特性曲線方程與發(fā)動機調(diào)速特性段方程聯(lián)立，可得：

同理，可得：

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

可以解得：

圖6 發(fā)動機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)動機的特性曲線時，有4條曲線可選，分別為發(fā)動機根據(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)動機的外特性曲線，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)向油泵空載時的特性曲線，曲線4是各油泵均滿載時的特性曲線。在進行液力變矩器和發(fā)動機的匹配計算時，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)動機和液力變矩器匹配效果。

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

發(fā)動機和液力變矩器共同工作時輸出扭矩MT、輸出功率NT、比燃料消耗量ge與發(fā)動機轉(zhuǎn)速等與變矩器渦輪轉(zhuǎn)速nT之間的關(guān)系稱為發(fā)動機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轉(zhuǎn)速nB計算出。

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求得的焦點扭矩MB求得。

各交點對應(yīng)的渦輪功率可由公式計算得到。

通過發(fā)動機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算所得的交點轉(zhuǎn)速nB，可以求出對應(yīng)的渦輪比燃料消耗量geT。

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

圖8 發(fā)動機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力傳動系統(tǒng)的匹配性能，已經(jīng)被驗證其實用性，軟件適應(yīng)性好，可以滿足多種發(fā)動機類型的仿真，數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用使用戶可以根據(jù)需要隨時進行數(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算功能，能提供更加詳細的數(shù)據(jù)信息，以往的同類計算軟件至多能夠?qū)崿F(xiàn)VB開發(fā)工具本身具有的數(shù)據(jù)報表功能，對圖像的處理能力較差，該軟件可以直接將報告以Excel的格式輸出，便于對報告內(nèi)容進行整理。軟件擁有友好用戶界面，如圖9所示。動力傳動系統(tǒng)評價指標(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 評價指標(biāo)仿真結(jié)果Tab.1 Evaluation Results of Evaluation Indicators

發(fā)動機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)動機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，啟動工況i=0時，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，這一點也證實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)最大扭矩點為961.10Nm，與柴油機的最大凈扭矩相比，留有約712.9Nm的儲備扭矩，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，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的轉(zhuǎn)速范圍為（2094.9～2158.9）r/min，發(fā)動機的額定轉(zhuǎn)速為 2100r/min，因此發(fā)動機的功率利用率很高。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)分別達到0.4860和0.6669，這一點這也證實功率利用率較高，所以這一匹配是相當(dāng)合理的。

5 結(jié)論

分析發(fā)動機和液力變矩器匹配原則和評價指標(biāo)，對共同工作輸入和輸出特性進行分析，基于AOVAT 3.0對選型方案組成的動力傳動系統(tǒng)進行分析，在分析的基礎(chǔ)上判斷發(fā)動機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)動機和液力變矩器匹配時，能為車輛提供較大的起動扭矩，共同工作范圍內(nèi)最大扭矩點為961.10Nm，與柴油機的最大凈扭矩相比，留有約712.9 Nm的儲備扭矩；

（2）在液力變矩器高效區(qū)內(nèi)發(fā)動機的功率利用率較高，對應(yīng)的共同工作輸入曲線交點的轉(zhuǎn)速范圍為（2094.9～2158.9）r/min，有足夠的扭矩儲備用于車輛的聯(lián)合鏟裝工況，聯(lián)合鏟裝工況對應(yīng)的發(fā)動機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)計要求，設(shè)計出合適的動力傳動系統(tǒng)。