發(fā)動機與液力變矩器動力匹配實例

1、一、動力匹配的用途 1.研究變矩器與柴油機共同工作的目的在于檢查變矩器的型式與有效直徑的選擇是否合適，如何配合才能使整機獲得良好的性能。 一臺裝有變矩器的運輸車輛或工程機械，其性能的好壞并不單純決定于液力變矩器的性能。它既與車輛的柴油機、機械傳動和行駛裝置等本身的性能有關(guān)，又與和它們之間匹配的是否合理有關(guān)。 2.車輛的牽引性能和經(jīng)濟性，在很大程度上取決于柴油機與變矩器的配合。 3.確定液力機械傳動系統(tǒng)中變

2、速箱的排擋數(shù)目。 車輛上安裝的液力變矩器其工作條件是復(fù)雜的，對它的力矩要求和轉(zhuǎn)速要求也是多樣的。液力變矩器特性曲線工作范圍的寬度，將影響液力機械傳動系統(tǒng)中變速箱的排擋數(shù)目。,二、動力匹配研究的對象和已知條件 1.發(fā)動機性能參數(shù)定義： 發(fā)動機的主要性能指標(biāo)有動力性指標(biāo)（有效轉(zhuǎn)矩、有效功率、轉(zhuǎn)速等），經(jīng)濟性指標(biāo)（燃油消耗率），運轉(zhuǎn)性能指標(biāo)（排氣品質(zhì)、噪聲和啟動性能等）。 （1）有效轉(zhuǎn)矩 發(fā)動機通過飛輪

3、對外輸出的轉(zhuǎn)矩稱為有效轉(zhuǎn)矩，以Te表示，單位N.m，有效轉(zhuǎn)矩與外界施加于發(fā)動機曲軸上的阻力矩相平衡。 （2）有效功率 發(fā)動機通過飛輪對外輸出的功率稱為有效功率，用Pe表示，它等于有效轉(zhuǎn)矩與曲軸角速度乘積。發(fā)動機產(chǎn)品銘牌上標(biāo)明的功率及相應(yīng)轉(zhuǎn)速，稱為額定功率和額定轉(zhuǎn)速。,（3）燃油消耗率 發(fā)動機每發(fā)出1kW有效功率，在1h內(nèi)所消耗的燃油質(zhì)量（以g為單位），稱為燃油消耗率，用be表示，燃油消耗率越低，經(jīng)濟性越好。發(fā)動機

4、的性能是隨著許多因素而變化的，其變化規(guī)律稱為發(fā)動機特性。 （4）怠速 柴油機的不帶負載最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，一般稱為怠速。 （5）最高轉(zhuǎn)速 柴油機在最大油門下不帶負載轉(zhuǎn)速，一般稱為最高轉(zhuǎn)速，一般為額定轉(zhuǎn)速的1.07~1.1倍。 （6）調(diào)速率 柴油機調(diào)速區(qū)段的轉(zhuǎn)速范圍，調(diào)速率計算公式為： 調(diào)速率=（最高轉(zhuǎn)速-額定轉(zhuǎn)速）/額定轉(zhuǎn)速*100%,2.發(fā)動機性能參數(shù)及性能曲線 發(fā)動機的性能參

5、數(shù)即發(fā)動機的速度特性，指發(fā)動機的功率、轉(zhuǎn)矩和燃油消耗率三者隨曲軸轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律。這個特性是通過發(fā)動機在試驗臺架上進行試驗求得，試驗時，先保持一定的發(fā)動機節(jié)氣門開度，同時用測功器對發(fā)動機曲軸施加一定的阻力矩，當(dāng)發(fā)動機運轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，即阻力矩與發(fā)動機發(fā)出的有效轉(zhuǎn)矩相等時，用轉(zhuǎn)速表測出此時的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速n，同時在測功器上測出該轉(zhuǎn)速下發(fā)動機有效轉(zhuǎn)矩Te，根據(jù)下式計算出有效功率Pe： Pe=Te.n/9550,式中，Te—有效轉(zhuǎn)矩（N.m

6、）；n—曲軸轉(zhuǎn)速（r/min）。 燃油消耗率：在上述試驗臺上測出消耗一定量燃料所經(jīng)歷的時間，用以換算發(fā)動機每小時消耗油量B，按下式計算燃油消耗率be。 be=B/Pe*103 發(fā)動機最小燃油消耗率的相應(yīng)轉(zhuǎn)速一般是介于最大轉(zhuǎn)矩時轉(zhuǎn)速和最大功率時轉(zhuǎn)速之間。,從上圖看，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1500時，發(fā)動機曲軸輸出扭矩最大，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于1500時，燃油燃燒不良，轉(zhuǎn)速降低，每個工作循環(huán)的時間增長，燃燒氣體與氣缸壁接觸時間也

7、增長，因而，轉(zhuǎn)矩變小。轉(zhuǎn)速高于1500轉(zhuǎn)增加時，由于工作循環(huán)時間縮短，進氣時間變短，氣流速度增高，阻力加大，充氣量減小，而且摩擦損失也增大，故輸出扭矩也減小。 當(dāng)轉(zhuǎn)速達到1900時，有效功率達到最大值。功率是轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積。 在怠速和最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，Te和n都是逐漸增加，其乘積也增加，故在此范圍內(nèi)，Pe也隨n增加而增加； 在最大轉(zhuǎn)矩和最大功率轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速n增加，功率Pe雖然增大，但Te卻逐漸降低，不過降

8、低較緩慢，Pe增加也緩慢。 超過最大功率轉(zhuǎn)速時，n增加，Te下降較快，Pe也逐漸下降。,3.變矩器 液力變矩器的作用： a.使車輛能夠自動適應(yīng)外界載荷的變化。 當(dāng)外界載荷突然增大時，車輛自動地減速，同時自動增大牽引力，以克服增大的外載荷；反之，當(dāng)外界載荷變小時，自動提高車輛車速，同時，自動減小牽引力。 b.提高車輛的使用壽命。變矩器利用液體作為工作介質(zhì)，故能吸收并消除來自發(fā)動機和外載荷的震動與沖擊

9、，因而提高了車輛的使用壽命。 c.提高車輛的通過性能。 液力變矩器可以使車輛以任意小的速度行駛，牽引力可在附著條件容許限度內(nèi)得到很好地利用，從而提高了車輛的通過性能。,d.提高了車輛的舒適性。 采用液力傳動的車輛，起步平穩(wěn)，并在較大的速度范圍內(nèi)實現(xiàn)無級變速，可以吸收和消除變速行駛時的振動與沖擊，從而提高了車輛的舒適性。 e.簡化了車輛的操縱。因為液力變矩器本身就是一個無級自動變速器，相當(dāng)于擴大了發(fā)動機的

10、動力范圍，故變速器的檔數(shù)可以顯著減少。 進行動力匹配即變矩器與發(fā)動機的匹配計算，必須先了解液力變矩器的特性，液力變矩器的特性包括原始特性、輸入特性和輸出特性。 （1）原始特性 變矩器的原始特性是研究λ1、λ2=f（i）的變化關(guān)系。,匹配中用到的幾個參數(shù)： 1.循環(huán)圓直徑D： 由泵輪、渦輪和導(dǎo)輪組成封閉的環(huán)形空間，通常叫做循環(huán)圓，它的直徑就是循環(huán)圓直徑。 2.變矩系數(shù)K： 渦輪軸輸出

11、力矩與泵輪軸輸入力矩之比。即 K=M2/M1式中，M1—泵輪軸上的輸入力矩； M2—渦輪軸上的輸出力矩。 （1）當(dāng)制動工況時，渦輪停止轉(zhuǎn)動，此時，變矩系數(shù)最大，用K0表示 ，表示液力變矩器啟動能力，克服超載能力。 3.變矩器的傳動效率η,變矩器的傳動效率η：即渦輪軸上輸出功率與泵輪軸上輸入功率之比。 η =N2/N1=M2*n2/M1/n1=K*i式中， N1—泵輪軸上的輸入功率；

12、 N2—渦輪軸上的輸出功率； 4.變矩器的傳動比i 渦輪軸輸出轉(zhuǎn)速與泵輪軸轉(zhuǎn)速之比，即 i=n2/n1式中， n1—泵輪軸輸入轉(zhuǎn)速； n2—渦輪軸輸出轉(zhuǎn)速。,5.能容 表示變矩器傳遞能量的能力，我國用泵輪力矩系數(shù)λ1表示變矩器傳遞能量的能力大小。 6.變矩器的原始特性 變矩器的原始特性是研究λ1、λ2=f（i）的變化關(guān)系。 泵輪傳遞力矩的比例常數(shù)為λ1 ，

13、渦輪傳遞力矩的比例常數(shù)為λ2，它們也被分別叫做泵輪力矩系數(shù)和渦輪力矩系數(shù)。 泵輪力矩和渦輪力矩方程為： M1= λ1γn12D5 M2= λ2γn12D5 泵輪力矩系數(shù)λ1和渦輪力矩系數(shù)λ2是在試驗臺測得數(shù)據(jù)求得的。,,右圖為變矩器特性試驗裝置。 試驗時，保持泵輪轉(zhuǎn)速恒定，改變M2，測得M1、n2，再根據(jù)上述力矩方程，即可求得,,,,,,,,,泵輪力矩系數(shù)和渦輪力矩系數(shù)。 用以上測得的M1

14、、M2、n2即可繪制變矩器的外特性曲線。,在上圖（a）中任取一點n2=1n2，可得1M1及2M2，根據(jù)力矩方程可得： 1λ1=1M1/（γn12D5） 1λ2=1M2/（γn12D5） 而，i=1n2/n1，這樣即得λ=f（i）曲線上兩個點（1i、1λ1）及（1i、1λ2），同樣得方法類推，即可得變矩器原始特性曲線λ1、λ2=f（i），如圖（b）所示。 變矩器的原始特性曲線

15、除了給出λ1、λ2=f1、2（i）外，還要繪出K、η=f3、4（i）曲線，如下圖。,具體求法是：有了原始特性λ1、λ2=f1、2（i）即可按如下求得變矩器系數(shù)K和變矩器效率η： K=M2/M1=λ2/λ1=f3（i） η=N2/N1=M2n2/M1n1=Ki =f4（i）,7.變矩器的輸入特性 變矩器的輸入特性是研究M1=f（n1）的變化關(guān)系。 輸入特性可根據(jù)原始特性用力矩計算方程求得。對于給定的液力變矩器

16、，一定的工作液體，給定傳動比下，λ1γD5=常數(shù)C，故 M1=Cn12 M1是隨n1變化，通過坐標(biāo)原點的拋物線。 當(dāng)i變化時，λ1變化，形成一組泵輪負載拋物線，即變矩器的輸入特性曲線，如下圖示。,得到變矩器的輸入特性，就可求得變矩器和發(fā)動機共同工作時發(fā)動機的工作點。 裝載機發(fā)動機飛輪和變矩器泵輪直接連接，則發(fā)動機發(fā)出力矩Me=M1，發(fā)動機的飛輪轉(zhuǎn)速ne=n1，故M1=f（i）就是發(fā)動機的負荷特

17、性曲線。,7.變矩器的輸出特性 變矩器的輸出特性是研究M2、M1、n1、η=f（n2）的變化關(guān)系。 當(dāng)發(fā)動機油門全開時，則發(fā)動機的工作點就是發(fā)動機曲軸輸出扭矩特性曲線和M1=f（n1）曲線的交點A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7各點，如下圖。 根據(jù)變矩器的原始特性和輸入特性，即可求得變矩器和發(fā)動機共同工作的輸入特性。,參看下頁圖中，在變矩器原始特性圖（a）上假定某一傳動比1i，然后找到對應(yīng)的1λ1、1K、1

18、η，作出發(fā)動機負荷拋物線，即變矩器輸入特性，圖（b），M1=1λ1γn12D5和柴油機的速度特性的交點,1Me、1ne，故 1M1=1Me，1n1=1ne而，1M2=1K·1M1=1K·1Me，1n2=1i·1n1=1i·1ne這時，變矩器的傳動效率1η 。,這樣即得到輸出特性M1、M2、n1、η=f（n2）曲線上與1i相對應(yīng)得一個點（1M1，1n2）、（1M2，1n2）、（1n

19、1，1n2）、（1η，1η2），多取幾個i值，即可求得輸出特性M1、M2、n1、η=f（n2）曲線。 8.千轉(zhuǎn)扭矩MBg現(xiàn)在，我國目前多用千轉(zhuǎn)扭矩MBg表示變矩器能容。MBg=Mb/(Nb/1000)2 與軟件中λγ（104）=MBg*104/（10002*D5）即變矩器特性參數(shù)給出的是：MBg、K、i、η,,三、變矩器與發(fā)動機匹配的簡單分析 研究變矩器和發(fā)動機共同工作的目的在于檢查變矩器結(jié)構(gòu)型式和有效直

20、徑的選擇是否合適，如何配合才能使整機獲得良好的性能。 發(fā)動機實際使用時，除帶動發(fā)動機的輔助裝置（風(fēng)扇、水泵、發(fā)電機、空氣濾清器、消音器等）外，還須帶動整車輔助裝置（包括工作裝置用油泵、變速泵、轉(zhuǎn)向泵、制動泵、氣泵、冷卻泵等），故發(fā)動機的力矩曲線必須根據(jù)裝載機的具體使用情況，扣除帶動這些裝置的力矩確定。 對于裝載機，由于變矩器和工作裝置油泵經(jīng)常同時工作，,而工作裝置油泵所消耗的功率約占發(fā)動機功率的40-60%，故確定變矩器

21、的有效直徑D時，就不能采用發(fā)動機的全功率匹配，否則在牽,引工況時，勢必引起發(fā)動機轉(zhuǎn)速降低，鏟斗動作緩慢，發(fā)動機功率利用程度降低，作業(yè)效率降低。 實際上裝載機的整個工作過程中，各泵不是處于滿負荷工作，因而裝載機工作是處于下圖陰影線面積區(qū)域之中。 為兼顧裝載機的整個工作過程，則所選變矩器在最高效工況i*的負荷拋物線與全功率匹配交點A扭矩M接近于額定扭矩點，與部分功率匹配扭矩M’的交點B則接近于額定扭矩點的外特性區(qū)段。

22、 為全面評價變矩器的性能，一般根據(jù)變矩器幾種典型工況下有關(guān)上述性能的指標(biāo)來評價。 幾種典型的工況是：啟動工況、最高效率工況、高效工作區(qū),域。 1.啟動工況 啟動工況即i=0的工況，此時的評價參數(shù)為：啟動變矩系數(shù)K0和力矩系數(shù)λ0。 2.最高效率工況 η=ηmax的工況稱為最高效率工況，此時傳動比iη、變矩系數(shù)Kη、力矩系數(shù)λη，都作為評價指標(biāo)。 3.高效工作區(qū)域 效率值η不低于給定

23、值（一般是75-80%）的區(qū)域稱為高效工,作區(qū)域，作為評價指標(biāo)的參數(shù)是高效區(qū)的最大變矩系數(shù)Kp以及高效區(qū)域傳動比的范圍dp。 通常認為高效工作區(qū)域范圍越寬（dp值越大），最高效率ηmax值越大，變矩器的性能越好。,按右圖示，簡單分析一下如何配合為好： 1）發(fā)動機全功率匹配扭矩曲線2，此時不與負荷拋物線相交，發(fā)動機只能使用在部分,特性和調(diào)速特性上，即配合的不好。 2）發(fā)動機全功率匹配扭矩曲線3，發(fā)動機僅能在低轉(zhuǎn)速下

24、工作，此時發(fā)動機不能發(fā)揮最大功率。 為了使兩者聯(lián)合工作的性能良好，在為給定的發(fā)動機選擇變矩器時，一般使通過調(diào)整有效直徑來達到；在為給定的變矩器選擇發(fā)動機時，一般是先畫出變矩器的輸入特性曲線，按工作需要和機器所需功率選擇一個與上述輸入特性配合得較好的的發(fā)動機特性曲線。結(jié)論：對于安裝液力變矩器的機器，選擇性能比較好的發(fā)動機和變矩器固然重要，但更重要的是二者的相互配合。,下面就FL958G配東風(fēng)康明斯發(fā)動機、杭齒ZL40/50雙變、

25、徐州美馳驅(qū)動橋的匹配過程作以簡單說明。,第一步，輸入已知參數(shù),第二步，輸入發(fā)動機外特性參數(shù),第三步，計算各種扭矩消耗 泵所消耗扭矩的計算按下式： M=0.159*排量*壓力/（變速比*效率）,第四步，輸入變矩器原始特性參數(shù),第五步，變矩器泵輪負載特性參數(shù),第六步，發(fā)動機與變矩器共同工作的輸入特性曲線,第七步，共同工作輸出特性，下表nb為匹配轉(zhuǎn)速，其它為計算值：Mb=λ1γnb2D5 nt=nb*iMt=Mb*K

26、η=Mt*nt/（Mb*nb）=K*i,發(fā)動機與變矩器共同工作的輸出特性曲線,到此其實發(fā)動機與變矩器的匹配已經(jīng)完成，下一步工作就是根據(jù)匹配后渦輪的輸出特性進行牽引計算，這些計算主要包括：各檔牽引力、車速計算、最大爬坡能力計算、加速性能分析。 1）各檔牽引力計算 P=MT*i總*η總/rD式中， MT—渦輪輸出力矩； i總—總傳動比，包括變速箱各檔傳動比和驅(qū)動橋總速比； η總—總傳動機械效率；,rD—

27、車輪滾動半徑2）各檔車速計算 V=0.377*nt*rD/i總式中, nt—渦輪輸出轉(zhuǎn)速 rD—車輪滾動半徑3）牽引功率計算 N=PV/2704）附著牽引力計算,附著牽引力是指附著重量和附著條件決定的牽引力，由下式計算所得： Pφ=W滿φ式中， W滿—是指附著重量，包括整機重量和額定載荷重量； φ—標(biāo)定路面附著系數(shù)，一般取0.75。 5）最大爬坡能力計算

28、 裝載機的最大爬坡能力是指裝載機以某一檔位等速行駛時，所能爬坡的最大坡度角或最大坡度。對應(yīng)于最大坡度角αmax的速度叫做這一檔位時的臨界轉(zhuǎn)速，用Vhmin表示。,最大爬坡角度的計算分由滿載最大牽引力P滿、標(biāo)定路面附著系數(shù)φ、離去角三種情況確定，取最小值。 a.滿載情況離去角α1 α1=arcsin（P滿/mg ） b.標(biāo)定路面附著條件情況離去角α2 α2=arctgφ c.離去角情況α3