王安麟,章明犬,李文嘉,程偉

(同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院, 201804, 上海)

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采用裝載機(jī)整機(jī)實(shí)驗(yàn)的液力變矩器性能匹配指標(biāo)

王安麟,章明犬,李文嘉,程偉

(同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院, 201804, 上海)

針對(duì)液力變矩器的設(shè)計(jì)、選配過程與整機(jī)循環(huán)工況載荷的非關(guān)聯(lián)性問題,提出了采用面向整機(jī)循環(huán)作業(yè)工況的液力變矩器性能匹配指標(biāo)評(píng)估液力變矩器部件與整機(jī)系統(tǒng)匹配效果的方法。相較于傳統(tǒng)液力變矩器靜態(tài)臺(tái)架實(shí)驗(yàn),該方法是通過基于整機(jī)功率流原理下的液力變矩器的性能實(shí)驗(yàn),在統(tǒng)計(jì)整機(jī)典型工況下液力變矩器特性參數(shù)分布的基礎(chǔ)上,將關(guān)聯(lián)整機(jī)載荷的速比分布合理有效地應(yīng)用于液力變矩器與整機(jī)的性能匹配指標(biāo)中。實(shí)例應(yīng)用結(jié)果表明,該性能匹配指標(biāo)能體現(xiàn)整機(jī)載荷分布的側(cè)重性,可用于針對(duì)具體機(jī)型的載荷特點(diǎn)定制化設(shè)計(jì)和選配液力變矩器。

液力變矩器;裝載機(jī)實(shí)驗(yàn);性能匹配;典型工況

土方工程機(jī)械車輛在復(fù)雜惡劣工況下行駛工作時(shí),液力變矩器作為柔性傳動(dòng)部件,對(duì)保持整機(jī)動(dòng)力性、緩沖減振等性能有重大的作用[1],同時(shí)也能有效防止外載荷波動(dòng)對(duì)傳動(dòng)部件的損害,但是由于液力傳動(dòng)相對(duì)機(jī)械齒輪傳動(dòng)而言,其傳動(dòng)效率和傳動(dòng)扭矩均是隨轉(zhuǎn)速時(shí)刻變化的,因此明確液力變矩器在整機(jī)作業(yè)過程中的性能表現(xiàn),對(duì)基于整機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)、選配液力變矩器有著指導(dǎo)意義。

對(duì)液力變矩器進(jìn)行特性研究的傳統(tǒng)方式主要有:通過臺(tái)架實(shí)驗(yàn)探究液力變矩器的靜態(tài)外特性,近年來的主要發(fā)展在于進(jìn)行熱平衡方面的研究[2],以改善液力變矩器特性;利用現(xiàn)代數(shù)字化仿真技術(shù),例如計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真分析液力變矩器的動(dòng)態(tài)特性[3-4]和內(nèi)部流場(chǎng)特征[5-6]。數(shù)字化仿真技術(shù)的進(jìn)步方向在于提高數(shù)值計(jì)算的精度以及探究流場(chǎng)動(dòng)態(tài)演變過程,為此,近年來開始引入格子波爾茲曼統(tǒng)計(jì)力學(xué)[7]研究液力變矩器。

無論臺(tái)架實(shí)驗(yàn)探究還是數(shù)值仿真分析,均是對(duì)液力變矩器進(jìn)行部件層面的設(shè)計(jì)改進(jìn)工作,未將液力變矩器部件與整機(jī)系統(tǒng)載荷特征相聯(lián)系,無法從整機(jī)角度對(duì)液力變矩器部件提出相應(yīng)的技術(shù)要求。因此,本文基于裝載機(jī)系統(tǒng)功率流動(dòng)原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn),設(shè)計(jì)了整機(jī)典型工況下液力變矩器性能實(shí)驗(yàn),采用先進(jìn)的環(huán)形變壓器供電的應(yīng)變式扭矩傳感器技術(shù)測(cè)量傳動(dòng)軸扭矩,實(shí)現(xiàn)了整機(jī)實(shí)時(shí)、在線、多通道的能量、控制信號(hào)的采集,并依據(jù)傳動(dòng)原理反求出了液力變矩器的輸入輸出,量化統(tǒng)計(jì)了液力變矩器在裝機(jī)作業(yè)時(shí)的特性參數(shù)分布規(guī)律,進(jìn)一步提出基于整機(jī)循環(huán)工況的液力變矩器性能匹配指標(biāo)。該指標(biāo)對(duì)基于整機(jī)工況特點(diǎn)定制化設(shè)計(jì)、選配液力變矩器有一定的指導(dǎo)作用。

1 裝載機(jī)整機(jī)系統(tǒng)與液力變矩器特性分析

1.1 裝載機(jī)整機(jī)系統(tǒng)分析

為了明確實(shí)際作業(yè)時(shí)作為傳動(dòng)關(guān)鍵部件的液力變矩器性能表現(xiàn),必須對(duì)整機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)及作業(yè)時(shí)的能量流動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)性分析。作為工程機(jī)械整機(jī)裝載機(jī),其相對(duì)汽車整車而言最顯著的特點(diǎn)是外界載荷的突變性以及工況的復(fù)雜性,機(jī)構(gòu)的靈活性以及多系統(tǒng)的耦合作用。

圖1 裝載機(jī)系統(tǒng)示意圖

針對(duì)上述特點(diǎn),可以將裝載機(jī)系統(tǒng)分為傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)。如圖1所示,傳動(dòng)系統(tǒng)線路為從發(fā)動(dòng)機(jī)將動(dòng)力傳輸?shù)诫p變(液力變矩器與變速箱),通過前后傳動(dòng)軸將能量傳到前后驅(qū)動(dòng)橋,經(jīng)橋內(nèi)的中央傳動(dòng)及輪邊減速,轉(zhuǎn)化為輪胎的牽引力輸出。液壓系統(tǒng)動(dòng)力來源同樣是發(fā)動(dòng)機(jī),輸出軸分流帶動(dòng)工作泵、變速泵、轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)動(dòng),分別作用于工裝液壓缸、雙變液壓油路及轉(zhuǎn)向缸。由于兩系統(tǒng)動(dòng)力來源相同,因此作業(yè)時(shí)根據(jù)工況需求協(xié)調(diào)能量供應(yīng)。對(duì)于傳動(dòng)系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)的控制均來源于駕駛員對(duì)于擋位、油門、工裝手柄等的操縱,由這些控制信號(hào)可直接明確當(dāng)前的工況。

1.2 液力變矩器特性分析

土方機(jī)械例如裝載機(jī)等常用二級(jí)雙渦輪液力變矩器,其靜態(tài)特性一般由效率、傳動(dòng)比和能容表示

(1)

(2)

(3)

式中:Tp、Tt分別為液力變矩器輸入轉(zhuǎn)矩和輸出轉(zhuǎn)矩;ωp、ωt分別為液力變矩器輸入轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)速;η和K分別為變矩器的效率和轉(zhuǎn)矩比;λB為泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù);ρ、g分別為油液密度和重力加速度;D為變矩器的有效直徑;nB為泵輪轉(zhuǎn)速;Mbg為液力變矩器泵輪能容。針對(duì)YJSW315型雙渦輪液力變矩器,開展傳統(tǒng)靜態(tài)臺(tái)架實(shí)驗(yàn),限定泵輪轉(zhuǎn)速為1 600 r/min,逐步提高渦輪轉(zhuǎn)速,測(cè)得相應(yīng)的泵渦輪轉(zhuǎn)矩,繪制出的靜態(tài)特性參數(shù)隨速比i變化的曲線如圖2所示,最高效率達(dá)到82.19%,啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩比為4.14。

圖2 雙渦輪液力變矩器靜態(tài)特性

2 整機(jī)作業(yè)下的液力變矩器性能實(shí)驗(yàn)

盡管圖2中的液力變矩器性能經(jīng)過了臺(tái)架實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證,但是實(shí)際液力變矩器裝機(jī)工作過程中涉及的是零部件與整機(jī)的匹配耦合作用,液力變矩器實(shí)際工作的邊界條件是動(dòng)態(tài)的,受到整機(jī)的工況、載荷以及駕駛員的操作習(xí)慣等因素的影響,因此,為了解液力變矩器在整機(jī)作業(yè)時(shí)的實(shí)際性能表現(xiàn),必須開展基于典型工況的整機(jī)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理

在裝載機(jī)整機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,液力變矩器與變速箱構(gòu)成雙變,出入口分別與傳動(dòng)軸和發(fā)動(dòng)機(jī)相連。考慮到實(shí)際安裝空間以及傳感器位置要求,無法直接測(cè)量變矩器出入口的扭矩、轉(zhuǎn)速。因此,為得到變矩器出入口的參數(shù)值,可以通過測(cè)量整機(jī)系統(tǒng)的相關(guān)參量,依據(jù)功率流動(dòng)原理反求出變矩器的特性。

液力變矩器的特性參數(shù)包括入口泵輪的轉(zhuǎn)速、扭矩,出口渦輪的轉(zhuǎn)速、扭矩。在入口部分,由于液力變矩器泵輪與發(fā)動(dòng)機(jī)同軸,故其轉(zhuǎn)速即為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。由圖1可見,液力變矩器泵輪軸分別經(jīng)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)工作泵、變速泵以及轉(zhuǎn)向泵工作,故實(shí)際的液力變矩器泵輪轉(zhuǎn)矩輸入為

(4)

(5)

式中:T0為發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩;TG1為工作泵、變速泵輸入軸的合扭矩;TG2為轉(zhuǎn)向泵輸入軸的扭矩;Te為其他附件例如風(fēng)扇等的合轉(zhuǎn)矩;iG1為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸與工作泵、變速泵輸入軸間齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比;iG2為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸與轉(zhuǎn)向泵輸入軸間齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比;η1為泵對(duì)應(yīng)的容積效率;η2為泵對(duì)應(yīng)的機(jī)械效率。由于結(jié)構(gòu)空間狹小,無法直接測(cè)得發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸扭矩,其具體扭矩值可通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)外特性與整機(jī)工作時(shí)的油門開度信號(hào)配合得到。該裝載機(jī)所選配的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為WD10G220E23,其外特性如圖3所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)特性

圖3中發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)外特性T-n曲線可擬合為多項(xiàng)式(6)與(7)加以表達(dá)。發(fā)動(dòng)機(jī)空載最高轉(zhuǎn)速與油門開度關(guān)系表達(dá)式(8)可通過空擋時(shí)整機(jī)油門開度測(cè)試得到。整機(jī)工作時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩輸出值為T0=min(T1,T2)。

T1=b0nk+b1nk-1+…+bk-1n+bk

(6)

T2=h(n-n0)

(7)

(8)

式中:T1為發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線段某一轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值;T2為某一油門開度對(duì)應(yīng)的調(diào)速段直線上該轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值;h為調(diào)速段直線的斜率。式(8)表示的是發(fā)動(dòng)機(jī)零轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速n0與油門踏板位移x0之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。至此,將T0代入式(4)即可得到液力變矩器泵輪入口轉(zhuǎn)矩。

在液力變矩器的出口部分,變矩器與變速箱組成了裝載機(jī)的重要部件雙變,由于結(jié)構(gòu)原因無法直接測(cè)量變矩器出口參數(shù),較好的解決方案在于測(cè)量前后橋傳動(dòng)軸的力學(xué)參數(shù)以及整機(jī)實(shí)時(shí)的擋位信號(hào),對(duì)應(yīng)求出變矩器出口轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩,具體轉(zhuǎn)化關(guān)系為

(9)

(10)

式中:TCO為液力變矩器出口轉(zhuǎn)矩;nCO為液力變矩器出口轉(zhuǎn)速;TSF、TSB分別為前后傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩;TS為變速箱輸出轉(zhuǎn)矩;nS為傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速;iS1、iS2、iSR分別為變速箱1、2擋以及倒擋傳動(dòng)比;XD為換擋位移。至此,可得到整機(jī)作業(yè)過程中,外部載荷實(shí)時(shí)變化時(shí)的液力變矩器特性參數(shù)分布情況。

2.2 傳感器選型安裝

整機(jī)實(shí)驗(yàn)傳感器的選型主要依據(jù)整機(jī)系統(tǒng)待測(cè)參數(shù)取值范圍和整機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。由于該裝載機(jī)整機(jī)實(shí)驗(yàn)采集參量涉及傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng),選用的傳感器包括扭矩、壓力、位移、轉(zhuǎn)速等多種類型傳感器,因此需要保證各部分參量的采集信號(hào)在數(shù)據(jù)采集儀中兼容,故采集儀應(yīng)同時(shí)包括通用模擬量通道和轉(zhuǎn)速通道,確保能實(shí)時(shí)、多通道采集整機(jī)系統(tǒng)信號(hào)。各傳感器的具體選型情況見表2。

裝載機(jī)整機(jī)實(shí)驗(yàn)傳感器的選配安裝重點(diǎn)在于要考慮到惡劣的工作環(huán)境和劇烈的載荷波動(dòng)對(duì)傳感器性能的影響。由于裝載機(jī)的工作場(chǎng)所灰塵多且整機(jī)的振動(dòng)沖擊較大,因此傳感器需要有專門的防塵和抗沖擊保護(hù)措施。此外,對(duì)于液壓系統(tǒng)壓力可采用通用管接頭直接連接壓力傳感器測(cè)量或從流量傳感器的外接口引出測(cè)量,其間必須采用膠水密封防止泄漏。對(duì)于安放在駕駛室的數(shù)據(jù)采集儀既要固定牢固,也要采取墊泡沫等減振方式?？紤]到裝載機(jī)動(dòng)作自由度較高,多種類型傳感器的線路布置統(tǒng)一,要基于整機(jī)動(dòng)作幅度對(duì)線路長(zhǎng)度留有相應(yīng)裕量。尤其針對(duì)傳動(dòng)軸低頻動(dòng)態(tài)扭矩的測(cè)量,既要滿足底盤苛刻的空間尺寸要求,要有專門的防塵措施,還要保證傳動(dòng)軸橫向擺動(dòng)與縱向起伏運(yùn)動(dòng)過程中,傳感器不會(huì)與底盤撞擊,這便要求特殊的安裝固定形式。本實(shí)驗(yàn)中采用先進(jìn)的環(huán)形變壓器供電的應(yīng)變式扭矩傳感器[8]測(cè)量動(dòng)態(tài)傳動(dòng)扭矩,在應(yīng)用之前要經(jīng)過專門的扭矩加載實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行標(biāo)定,其扭矩與電壓的關(guān)系為

表2 傳感器選型及采集通道設(shè)置

(11)

(12)

式中:TS1,TS2分別為前、后傳動(dòng)軸對(duì)應(yīng)的扭矩值;V1、V2分別為扭矩傳感器測(cè)量出的模擬電壓值;TO為變速器的輸出扭矩。部分傳感器安裝圖如圖4所示。

(a)壓力、流量傳感器 (b)環(huán)形變壓器供電的應(yīng)變式扭矩傳感器 (c)多通道數(shù)據(jù)采集儀圖4 傳感器安裝圖

2.3 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

整機(jī)實(shí)驗(yàn)工況設(shè)計(jì)主要依據(jù)實(shí)驗(yàn)待測(cè)參量及實(shí)驗(yàn)?zāi)康陌才?其中實(shí)驗(yàn)過程依據(jù)從單一工況到復(fù)雜綜合工況進(jìn)行。單一工況主要為了測(cè)量未知參量,例如油門開度測(cè)試、擋位位移測(cè)試等,復(fù)雜綜合工況主要為了測(cè)試裝載機(jī)在實(shí)際作業(yè)時(shí)的性能表現(xiàn),按行走路線分類主要包括V型、L型以及T型等典型工況[9]。針對(duì)上述各種實(shí)驗(yàn)工況,在明確各實(shí)驗(yàn)采集參量的基礎(chǔ)上,為保證實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性,要嚴(yán)格規(guī)范實(shí)驗(yàn)條件,例如規(guī)定晴天、土質(zhì)為常用的松散土,場(chǎng)地保證一定的平整度。除此之外,對(duì)各實(shí)驗(yàn)工況要重復(fù)進(jìn)行,保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。具體實(shí)驗(yàn)工況安排見表3。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)式(6)、(7),由發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用最小二乘擬合出其對(duì)應(yīng)的外特性表達(dá)式(13)、(14),故實(shí)際

表3 實(shí)驗(yàn)工況安排

的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為min(T1,T2)?；诳論跤烷T開度測(cè)試,分別記錄油門踏板位移和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù),經(jīng)最小二乘擬合得到空載時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n0與油門踏板位移x間的關(guān)系式(15),其具體的擬合曲線如圖5所示。

T1=-3.927×10-7x3+0.001 303x2-

1.248x+1 145

b、退出保護(hù)裝置中控制回路斷線告警H92保護(hù)定值。需出新定值單，將 H92 控制回路斷線告警由ON改為OFF。此時(shí)控制回路斷線由位置接點(diǎn)的硬接點(diǎn)信號(hào)W135上送后臺(tái)，保護(hù)裝置邏輯不再判控制回路斷線。

(13)

(14)

n0=-0.183 5x2+118x-1.676×104

(15)

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與油門踏板位移擬合結(jié)果

基于式(13)、(14)、(15)以及實(shí)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、油門踏板位移,可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩。結(jié)合式(4)、(5)可以計(jì)算得到液力變矩器入口實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速。就液力變矩器出口而言,為得到其扭矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù),在整機(jī)實(shí)驗(yàn)過程中,需要得到實(shí)時(shí)變速箱的擋位信號(hào),為此,對(duì)整機(jī)進(jìn)行擋位位移測(cè)試,確定變速箱不同擋位時(shí),位移傳感器不同區(qū)段的分界值。根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)定的前后傳動(dòng)軸扭矩,結(jié)合相應(yīng)的擋位信息,依據(jù)式(9)、(10)可以求得液力變矩器出口實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速。

3.2 整機(jī)循環(huán)工況下的液力變矩器特性參數(shù)分析

在液力變矩器靜態(tài)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,為了深入了解液力變矩器裝機(jī)工作過程中的性能表現(xiàn),需要分析整機(jī)工作過程中的液力變矩器特性。由于整機(jī)工作時(shí)外部載荷時(shí)刻變化,發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)液力變矩器的動(dòng)力輸出也在油門開度、外負(fù)載影響下隨時(shí)改變,這便導(dǎo)致變矩器出入口特性參數(shù)隨時(shí)間變化的無規(guī)律性。由于液力變矩器對(duì)載荷高頻的不敏感性,其每一時(shí)刻動(dòng)力特性與靜態(tài)外特性曲線上的點(diǎn)大體相對(duì)應(yīng),整機(jī)實(shí)驗(yàn)的最大益處在于能反映各種典型工況下變矩器動(dòng)力特性參數(shù)分布規(guī)律,因此,對(duì)液力變矩器效率、轉(zhuǎn)矩比、傳動(dòng)比加以統(tǒng)計(jì),具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6、圖7所示。

由圖6典型工況特性參數(shù)分布圖可知,V型、L型以及T型工況下液力變矩器的特性參數(shù)分布基本一致。由其中液力變矩器效率分布圖可知,盡管液力變矩器設(shè)計(jì)過程中要求高效區(qū)盡可能寬,但實(shí)際作業(yè)時(shí)液力變矩器大部分時(shí)間段工作于中低效率區(qū),這主要是由于3種典型工況中裝載機(jī)空載行駛的時(shí)間相對(duì)較短,液力變矩器常處于低速重載工況,圖6a中轉(zhuǎn)矩比大于1的分布比例可證實(shí)這一點(diǎn);另一方面,轉(zhuǎn)矩比大于4.14大約占到15%,這說明實(shí)際工況載荷偶爾超出液力變矩器的帶載能力,整機(jī)出現(xiàn)過載現(xiàn)象。

(a)轉(zhuǎn)矩比分布

(b)效率分布圖6 3種典型工況下液力變矩器轉(zhuǎn)矩比、效率分布

(a)單一工況

(b)典型工況圖7 3種典型工況下的傳動(dòng)比分布

單從液力變矩器傳動(dòng)比分布圖可知,空載1擋和空載倒退的傳動(dòng)比分布趨勢(shì)基本一致,原因在于兩者變速箱傳動(dòng)比較為接近,工況特征比較相似,由于載荷、車速均較小,液力變矩器絕大多數(shù)時(shí)間工作于接近耦合器工況,空載2擋中液力變矩器較多工作于切換工況附近;在典型工況中,由于擋位的頻繁切換以及載荷的時(shí)變性,其傳動(dòng)比分布較為復(fù)雜,但3個(gè)峰值區(qū)對(duì)應(yīng)的低速重載工況、切換工況、耦合器工況反映了典型工況的綜合性特征。

基于整機(jī)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的液力變矩器特性分析,將液力變矩器性能與整機(jī)工況、載荷相聯(lián)系,直接表明了兩者的物理映射關(guān)系,相較于通過靜態(tài)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)對(duì)液力變矩器單個(gè)部件進(jìn)行特性分析而言,這種在整機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行過程中分析部件性能的方法更為全面、客觀。

3.3 基于整機(jī)循環(huán)工況的液力變矩器性能匹配指標(biāo)

(16)

(17)

由式(16)、(17)可知,計(jì)算功率輸出系數(shù)、燃油消耗率系數(shù)過程中運(yùn)用的都是平均功率和平均油耗。為更準(zhǔn)確地表明液力變矩器與整機(jī)匹配工作中的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn),在功率輸出系數(shù)與燃油消耗率系數(shù)計(jì)算中,平均功率和平均油耗均利用基于實(shí)際工況統(tǒng)計(jì)出的權(quán)重分布計(jì)算的綜合有效功率和綜合有效油耗替代

(18)

(19)

(20)

圖8 典型工況平均傳動(dòng)比分布綜合圖

從液力變矩器部件層面而言,其與整機(jī)性能匹配的作用體現(xiàn)在對(duì)液力變矩器部件葉柵設(shè)計(jì)提出基于整機(jī)載荷層面的要求,該實(shí)驗(yàn)得出的液力變矩器傳動(dòng)比分布規(guī)律可以反映出整機(jī)作業(yè)時(shí)液力變矩器工作的高頻區(qū)。實(shí)際設(shè)計(jì)出的液力變矩器在不同傳動(dòng)比下工作時(shí)效率差別很大,為提高液力變矩器在循環(huán)工況下的綜合效率,在液力變矩器設(shè)計(jì)過程中定義效率水平lη,lη值越大,即說明液力變矩器的綜合效率水平越高。為實(shí)現(xiàn)液力變矩器與整機(jī)的性能匹配,該參數(shù)可作為在液力變矩器部件設(shè)計(jì)過程中的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(21)

為說明效率水平lη作為液力變矩器與整機(jī)匹配評(píng)價(jià)指標(biāo)的合理性,選取A、B兩種液力變矩器,其在不同傳動(dòng)比下對(duì)應(yīng)的效率取值如圖9所示。當(dāng)為文中的裝載機(jī)選配液力變矩器時(shí),基于傳統(tǒng)的高效區(qū)、最高效率等指標(biāo)都無法決定選配液力變矩器A還是B。由計(jì)算結(jié)果可知,液力變矩器A的效率水平值明顯大于B,故針對(duì)文中實(shí)驗(yàn)的裝載機(jī),液力變矩器A與整機(jī)的匹配效果優(yōu)于液力變矩器B。

(22)

(23)

圖9 液力變矩器效率曲線

在部件與整機(jī)匹配、部件詳細(xì)設(shè)計(jì)過程中,分別基于裝載機(jī)整機(jī)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果提出了各自的性能匹配指標(biāo),在今后基于整機(jī)機(jī)型的液力變矩器選配以及液力變矩器部件的設(shè)計(jì)都將更多地考慮整機(jī)實(shí)際作業(yè)時(shí)的工況特點(diǎn)以及液力變矩器特性參數(shù)分布情況。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)液力變矩器的設(shè)計(jì)、選配與整機(jī)循環(huán)工況載荷的非關(guān)聯(lián)性問題,取得了如下研究成果:通過對(duì)整機(jī)系統(tǒng)功率流向及液力變矩器部件特性的研究,設(shè)計(jì)出了整機(jī)在典型工況下的液力變矩器性能實(shí)驗(yàn),實(shí)時(shí)在線地完成了整機(jī)動(dòng)力、控制等信號(hào)的采集工作;基于對(duì)液力變矩器特性參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析,揭示了在整機(jī)單工況、典型工況下液力變矩器部件的性能情況;依據(jù)整機(jī)在典型工況下液力變矩器的速比分布情況,分別在部件與整機(jī)匹配過程、部件設(shè)計(jì)過程提出了相應(yīng)的液力變矩器與整機(jī)的性能匹配指標(biāo)。該指標(biāo)能反映整機(jī)載荷分布的側(cè)重性,對(duì)在整機(jī)系統(tǒng)層面上定制化設(shè)計(jì)、選配液力變矩器有指導(dǎo)作用。

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(編輯 武紅江)

Performance Matching Index of Torque Converter Based on Loader Tests

WANG Anlin,ZHANG Mingquan,LI Wenjia,CHENG Wei

(School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

A method to evaluate the matching effect between a torque converter and the loader system is proposed to solve the non-association among the torque converter design, the selection process, and the load under cyclic working condition. The method uses the torque converter performance matching index and is based on the cyclic working condition of the loader. The method is different from the traditional torque converter static bench test, and is designed and conducted based on the loader power flow route. The ratio distribution related to the load is rationally and effectively applied to the performance matching index between the torque converter and the loader on the basis of parameter distribution statistics of the torque converter under typical working condition. The results of a practical example show that the performance matching index reflects the focus of the load distribution and can be used in the process of customized design and selection of a torque converter for specific load characteristic.

torque converter; loader test; performance matching; typical working condition

2015-04-22。

王安麟(1954—),男,教授,博士生導(dǎo)師。

2012年國(guó)家重大科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目(財(cái)建〔2012〕258號(hào))。

10.7652/xjtuxb201510009

TH137.332

A

0253-987X(2015)10-0054-07