陶 磊，黃昭明，李海娟，操 成

(1.安徽工貿(mào)職業(yè)技術學院機械與汽車工程系，安徽 淮南 232007；2.河海大學文天學院機械工程系，安徽 馬鞍山 243031)

0 引言

發(fā)動機作為汽車的“心臟”，很大程度上影響著汽車的動力性能。對于液力傳動系統(tǒng)，其動力性和經(jīng)濟性不僅受到發(fā)動機和液力變矩器性能的影響，也受制于兩者共同特性的匹配情況。因此，發(fā)動機和變矩器的匹配分析計算是整車良好性能的重要保障。傳統(tǒng)的設計計算方法多采用作圖和手工計算，存在耗時長、工作量大、計算精度差等問題，耗費設計人員大量的時間和精力。為此，以Visual Basic語言為工具，結合Access后臺數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)發(fā)動機與液力變矩器動力匹配軟件的開發(fā)[1-3]，通過實例應用來驗證軟件的可行性，為相關開發(fā)人員提供參考。

1 軟件設計思想

Visual Basic是由微軟公司開發(fā)的一種可視化程序設計語言，具有結構化、模塊化、面向對象等特點。利用VB開發(fā)設計的軟件各個模塊間既具有較強的獨立性又有較好的統(tǒng)一性。在設計的過程中數(shù)據(jù)間相互聯(lián)系，同時又不容易受到干擾。數(shù)據(jù)錄入利用Access數(shù)據(jù)庫管理工具，利用Access建立原始數(shù)據(jù)庫，將已經(jīng)有的發(fā)動機、液力變矩器、變速箱及整車數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫中，方便查閱和調(diào)用。采用VB語言進行設計，用戶界面友好，可以將結果以圖形的形式輸出，方便分析[4-6]。

2 軟件應用流程

程序流程如圖1所示其應用步驟為：首先確定需要匹配的發(fā)動機和液力變矩器型號，若Access數(shù)據(jù)庫中已有相同型號發(fā)動機和液力變矩器的數(shù)據(jù)，則可從數(shù)據(jù)庫中直接調(diào)取，否則需要手動輸入。錄入數(shù)據(jù)后，點擊相應的功能按鈕，則可進行共同工作輸入特性計算、共同工作輸出特性計算、牽引特性計算以及加速特性計算，計算結果以圖形和數(shù)據(jù)的形式輸出，最后進行匹配結果分析。匹配結果可以通過Word或Excel表格輸出，方便查詢[7-8]。

3 軟件應用實例

以CUMMINS NTA-855-C450柴油機為例，進行匹配分析，獲得發(fā)動機外特性和液力變矩器原始特性圖，并根據(jù)發(fā)動機和液力變矩器的共同輸出特性分析匹配結果[9]。

3.1 發(fā)動機外特性

發(fā)動機的外特性主要依靠在發(fā)動機臺架上連接測功機進行實驗來獲得，其中發(fā)動機功率經(jīng)過計算和修正得到。由實驗獲得CUMMINS NTA-855-C450柴油機的外特性數(shù)據(jù)和外特性曲線分別如表1和圖2所示。

圖1 程序流程圖

轉速ne/(r·min-1)總扭矩Me/(N·m)總功率Ne/kW凈扭矩Te/(N·m)凈功率Pe/kW22000000200016023361442302190016603301494297170017803171602285140018312681648242

圖2 柴油機外特性曲線

3.2 液力變矩器原始特性

變矩器的原始特性由變矩系數(shù)K、泵輪力矩系數(shù)λB、效率η3個特性組成。效率η隨傳動比i的變化而變化。對各型號液力變矩器的原始特性計算可以找出其通用特性。在已知輸入與輸出參數(shù)的前提下，根據(jù)式(1)～(4)求出其原始特性參數(shù)。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：λB、λT分別為泵輪和渦輪力矩系數(shù)；TB、TT分別為泵輪輸入和渦輪輸出轉矩，N·m；nB、nT分別為泵輪輸入和渦輪輸出轉速，r/min；PB和PT分別為泵輪和渦輪功率，kW；η為傳動效率；K為變矩系數(shù)；i是液力傳動比；D是液力變矩器的有效直徑；γ為液力傳動油重度。所得液力變矩器的原始特性曲線，如圖3所示。

3.3 發(fā)動機與液力變矩器的共同工作特性

發(fā)動機和液力變矩器連接在一起時，二者的運動依舊按照各自的規(guī)律運行。當二者的轉速轉矩均一致時，二者才能共同穩(wěn)定工作，即滿足以下條件：

ne=nB，

(5)

Me=MB。

(6)

液力變矩器輸入特性由原始力矩計算得：

(7)

式中：ne、nB分別為發(fā)動機和變矩器泵輪的轉矩，r/min；Me、MB分別為發(fā)動機和變矩器泵輪的轉矩，N·m；ρ為工作油密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；D為變矩器的循環(huán)圓直徑，m。當ρ、g、D確定時，由于泵輪轉矩系數(shù)λB隨不同工況的速比i而變化，因此，變矩器的輸入特性是一條經(jīng)過坐標原點的拋物線，由液力變矩器自身特點決定，不受共同工作時發(fā)動機的輸出特性影響。

為獲得共同工作輸入特性曲線，先畫出發(fā)動機和液力變矩器的特性曲線，然后確定其油液密度ρ和變矩器尺寸D，在特性曲線上計算各傳動比下i的泵輪轉矩，獲得負載曲線。最后將發(fā)動機的特性曲線和負載特性曲線繪制在同一張圖上，得到圖4所示的輸入特性。

圖4 發(fā)動機與液力變矩器共同工作輸入特性

由輸入特性可得知，由于ρ和D均為定值，因而泵輪負載的曲線完全由泵輪轉矩系數(shù)λB決定。λB越大泵輪負載曲線越陡，與發(fā)動機扭矩外特性曲線的交點也就更靠近圖像左側，對應的泵輪轉速nB越小。所以只要找出所有工況下的λB系數(shù)的最大與最小值，便可以確定發(fā)動機與液力變矩器的工作范圍。

發(fā)動機和液力變矩器的共同輸出特性是指二者工作時，渦輪轉矩MT、渦輪轉速nB及輸出功率PT之間的關系，是液力傳動車輛牽引力計算的基礎。獲得共同輸入工作的特性圖像后，按公式(8)～(10)還有液力變矩器的原始特性便可計算出共同工時的輸出特性。

MT=KMB，

(8)

nT=inB，

(9)

(10)

式中：MT為渦輪轉矩，N·m；i為速比。

當ρ、g、D確定時，由于泵輪轉矩系數(shù)λB隨不同工況的速比i而變化，因此變矩器的輸入特性是一條經(jīng)過坐標原點的拋物線，由液力變矩器自身特點決定，不受共同工作時發(fā)動機的輸出特性影響。

計算繪制方法為：在共同工作輸入曲線中，在不同的速比i下，泵輪的曲線和發(fā)動機外特征曲線的交點坐標就是泵輪扭矩MB和泵輪轉速nB；在液力變矩器原始特性曲線上取得不同轉速比i時對應的變矩比K和效率ρ；把泵輪轉速nB以及泵輪扭矩MB代入公式(8)～(10)可得渦輪轉速nT、渦輪扭矩MT、輸出功率；圖像的橫坐標為渦輪轉速nT，其他數(shù)據(jù)為縱坐標，繪制出輸出特性圖像如圖5所示。

圖5 發(fā)動機與液力變矩器共同工作輸出特性

3.4 整機動力性能分析

從圖6～7可以看出，液力變矩器速比i=0時與發(fā)動機共同工作扭矩為1 450 N·m，發(fā)動機的最大功率點在ne=2 000 r/min左右，液力變矩器高效率工況的輸入特性曲線，即i=0.7對應的輸入特性曲線，通過發(fā)動機最大功率所對應的扭矩點，發(fā)動機利用率較好。

圖6 車輛驅動力—行駛阻力平衡圖

圖7 爬坡度曲線

根據(jù)整機參數(shù)，利用軟件對應的計算功能，可分別得出車輛驅動力—行駛阻力平衡曲線，如圖6所示，由圖6可以看出各檔位下的最大牽引力矩。車輛爬坡度曲線，如圖7所示，該圖反映車輛速度與爬坡能力的關系。車輛加速曲線如圖8所示，由圖8可以看出整車在各檔位下的加速時間等信息。通過對圖形的綜合分析，可以判斷整車的動力性能是否滿足設計要求。

圖8 車輛加速曲線

4 結語

1)發(fā)動機和液力變矩器的匹配情況直接影響整車的性能，利用VB編程語言并結合Access數(shù)據(jù)庫開發(fā)的匹配軟件運行穩(wěn)定、計算速度快、精度高，能夠滿足設計要求。

2)該軟件數(shù)據(jù)庫可以存儲發(fā)動機和液力變矩器的數(shù)據(jù)，通過計算畫出液力變矩器的特性曲線，結合泵輪輸入特性曲線和發(fā)動機外特性曲線，可以計算確定是否符合匹配要求。

3)發(fā)動機的最大功率點在ne=2 000 r/min左右，液力變矩器高效率工況的輸入特性曲線，即i=0.7對應的輸入特性曲線，通過發(fā)動機最大功率所對應的扭矩點，發(fā)動機利用率較好。

[1] 徐禮超，侯學明.基于典型工況的裝載機發(fā)動機與液力變矩器匹配[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2015(7)：80-84.

[2] 由理，何加亮，耿興梅，等.發(fā)動機與液力變矩器匹配分析軟件開發(fā)[J].液壓氣動與密封，2016，36(12)：54-56.

[3] 王濤，譚艷輝，段傳棟，等.發(fā)動機與液力變矩器匹配計算及整機動力特性分析軟件[J].工程機械，2015，46(3)：13-20.

[4] 王向東，李智，吳金才，等.基于Matlab的發(fā)動機與液力變矩器匹配特性計算[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2017，30(2)：43-46.

[5] 王振寶，秦四成.基于典型工況液力變矩器匹配性能的優(yōu)化[J].中南大學學報：自然科學版，2017，48(2)：331-336.

[6] 可帥，羅靜，馮治國，等.基于Matlab的液力變矩器與發(fā)動機匹配計算與分析[J].現(xiàn)代機械，2017(2)：41-45.

[7] 劉釗，張旭晨，王磊，等.發(fā)動機與液力變矩器功率匹配優(yōu)化[J].中國工程機械學報，2014，12(6)：536-539.

[8] 趙金悅，蘇天晨，曹雪飛，等.發(fā)動機與液力變矩器的合理匹配研究[J].汽車實用技術，2016(3)：77-79.

[9] 孫德臣.工程機械發(fā)動機與液力變矩器匹配方法研究[D].成都：西南交通大學，2011.