發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器動(dòng)力匹配實(shí)例

1、一、動(dòng)力匹配的用途 1.研究變矩器與柴油機(jī)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(jī)獲得良好的性能。 一臺(tái)裝有變矩器的運(yùn)輸車(chē)輛或工程機(jī)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(chē)輛的柴油機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)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(chē)輛的牽引性能和經(jīng)濟(jì)性，在很大程度上取決于柴油機(jī)與變矩器的配合。 3.確定液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中變

2、速箱的排擋數(shù)目。 車(chē)輛上安裝的液力變矩器其工作條件是復(fù)雜的，對(duì)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(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中變速箱的排擋數(shù)目。,二、動(dòng)力匹配研究的對(duì)象和已知條件 1.發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)定義： 發(fā)動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)有動(dòng)力性指標(biāo)（有效轉(zhuǎn)矩、有效功率、轉(zhuǎn)速等），經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)（燃油消耗率），運(yùn)轉(zhuǎn)性能指標(biāo)（排氣品質(zhì)、噪聲和啟動(dòng)性能等）。 （1）有效轉(zhuǎn)矩 發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)飛輪

3、對(duì)外輸出的轉(zhuǎn)矩稱(chēng)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(dòng)機(jī)曲軸上的阻力矩相平衡。 （2）有效功率 發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)飛輪對(duì)外輸出的功率稱(chēng)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(dòng)機(jī)產(chǎn)品銘牌上標(biāo)明的功率及相應(yīng)轉(zhuǎn)速，稱(chēng)為額定功率和額定轉(zhuǎn)速。,（3）燃油消耗率 發(fā)動(dòng)機(jī)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(chēng)為燃油消耗率，用be表示，燃油消耗率越低，經(jīng)濟(jì)性越好。發(fā)動(dòng)機(jī)

4、的性能是隨著許多因素而變化的，其變化規(guī)律稱(chēng)為發(fā)動(dòng)機(jī)特性。 （4）怠速 柴油機(jī)的不帶負(fù)載最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，一般稱(chēng)為怠速。 （5）最高轉(zhuǎn)速 柴油機(jī)在最大油門(mén)下不帶負(fù)載轉(zhuǎn)速，一般稱(chēng)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(jī)調(diào)速區(qū)段的轉(zhuǎn)速范圍，調(diào)速率計(jì)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(dòng)機(jī)性能參數(shù)及性能曲線 發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參

5、數(shù)即發(fā)動(dòng)機(jī)的速度特性，指發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)特性是通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行試驗(yàn)求得，試驗(yàn)時(shí)，先保持一定的發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，同時(shí)用測(cè)功器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸施加一定的阻力矩，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，即阻力矩與發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的有效轉(zhuǎn)矩相等時(shí)，用轉(zhuǎn)速表測(cè)出此時(shí)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速n，同時(shí)在測(cè)功器上測(cè)出該轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)有效轉(zhuǎn)矩Te，根據(jù)下式計(jì)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(yàn)臺(tái)上測(cè)出消耗一定量燃料所經(jīng)歷的時(shí)間，用以換算發(fā)動(dòng)機(jī)每小時(shí)消耗油量B，按下式計(jì)算燃油消耗率be。 be=B/Pe*103 發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)轉(zhuǎn)速和最大功率時(shí)轉(zhuǎn)速之間。,從上圖看，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1500時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出扭矩最大，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于1500時(shí)，燃油燃燒不良，轉(zhuǎn)速降低，每個(gè)工作循環(huán)的時(shí)間增長(zhǎng)，燃燒氣體與氣缸壁接觸時(shí)間也

7、增長(zhǎng)，因而，轉(zhuǎn)矩變小。轉(zhuǎn)速高于1500轉(zhuǎn)增加時(shí)，由于工作循環(huán)時(shí)間縮短，進(jìn)氣時(shí)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(dá)到1900時(shí)，有效功率達(dá)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(guò)降

8、低較緩慢，Pe增加也緩慢。 超過(guò)最大功率轉(zhuǎn)速時(shí)，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(chē)輛能夠自動(dòng)適應(yīng)外界載荷的變化。 當(dāng)外界載荷突然增大時(shí)，車(chē)輛自動(dòng)地減速，同時(shí)自動(dòng)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(shí)，自動(dòng)提高車(chē)輛車(chē)速，同時(shí)，自動(dòng)減小牽引力。 b.提高車(chē)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(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)和外載荷的震動(dòng)與沖擊

9、，因而提高了車(chē)輛的使用壽命。 c.提高車(chē)輛的通過(guò)性能。 液力變矩器可以使車(chē)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(chē)輛的通過(guò)性能。,d.提高了車(chē)輛的舒適性。 采用液力傳動(dòng)的車(chē)輛，起步平穩(wěn)，并在較大的速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，可以吸收和消除變速行駛時(shí)的振動(dòng)與沖擊，從而提高了車(chē)輛的舒適性。 e.簡(jiǎn)化了車(chē)輛的操縱。因?yàn)橐毫ψ兙仄鞅旧砭褪且粋€(gè)無(wú)級(jí)自動(dòng)變速器，相當(dāng)于擴(kuò)大了發(fā)動(dòng)機(jī)的

10、動(dòng)力范圍，故變速器的檔數(shù)可以顯著減少。 進(jìn)行動(dòng)力匹配即變矩器與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配計(jì)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(gè)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(dòng)工況時(shí)，渦輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)，變矩系數(shù)最大，用K0表示 ，表示液力變矩器啟動(dòng)能力，克服超載能力。 3.變矩器的傳動(dòng)效率η,變矩器的傳動(dòng)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(dòng)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(guó)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(yàn)臺(tái)測(cè)得數(shù)據(jù)求得的。,,右圖為變矩器特性試驗(yàn)裝置。 試驗(yàn)時(shí)，保持泵輪轉(zhuǎn)速恒定，改變M2，測(cè)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(cè)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(diǎn)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(gè)點(diǎn)（1i、1λ1）及（1i、1λ2），同樣得方法類(lèi)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(jì)算方程求得。對(duì)于給定的液力變矩器

16、，一定的工作液體，給定傳動(dòng)比下，λ1γD5=常數(shù)C，故 M1=Cn12 M1是隨n1變化，通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的拋物線。 當(dāng)i變化時(shí)，λ1變化，形成一組泵輪負(fù)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(dòng)機(jī)共同工作時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)。 裝載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪和變矩器泵輪直接連接，則發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出力矩Me=M1，發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪轉(zhuǎn)速ne=n1，故M1=f（i）就是發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)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(dòng)機(jī)油門(mén)全開(kāi)時(shí)，則發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)就是發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出扭矩特性曲線和M1=f（n1）曲線的交點(diǎn)A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7各點(diǎn)，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(dòng)機(jī)共同工作的輸入特性。,參看下頁(yè)圖中，在變矩器原始特性圖（a）上假定某一傳動(dòng)比1i，然后找到對(duì)應(yīng)的1λ1、1K、1

18、η，作出發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷拋物線，即變矩器輸入特性，圖（b），M1=1λ1γn12D5和柴油機(jī)的速度特性的交點(diǎn),1Me、1ne，故 1M1=1Me，1n1=1ne而，1M2=1K·1M1=1K·1Me，1n2=1i·1n1=1i·1ne這時(shí)，變矩器的傳動(dòng)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(duì)應(yīng)得一個(gè)點(diǎn)（1M1，1n2）、（1M2，1n2）、（1n

19、1，1n2）、（1η，1η2），多取幾個(gè)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(guó)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(dòng)機(jī)匹配的簡(jiǎn)單分析 研究變矩器和發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)獲得良好的性能。 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用時(shí)，除帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的輔助裝置（風(fēng)扇、水泵、發(fā)電機(jī)、空氣濾清器、消音器等）外，還須帶動(dòng)整車(chē)輔助裝置（包括工作裝置用油泵、變速泵、轉(zhuǎn)向泵、制動(dòng)泵、氣泵、冷卻泵等），故發(fā)動(dòng)機(jī)的力矩曲線必須根據(jù)裝載機(jī)的具體使用情況，扣除帶動(dòng)這些裝置的力矩確定。 對(duì)于裝載機(jī)，由于變矩器和工作裝置油泵經(jīng)常同時(shí)工作，,而工作裝置油泵所消耗的功率約占發(fā)動(dòng)機(jī)功率的40-60%，故確定變矩器

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

22、 為全面評(píng)價(jià)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(lái)評(píng)價(jià)。 幾種典型的工況是：?jiǎn)?dòng)工況、最高效率工況、高效工作區(qū),域。 1.啟動(dòng)工況 啟動(dòng)工況即i=0的工況，此時(shí)的評(píng)價(jià)參數(shù)為：?jiǎn)?dòng)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(chēng)為最高效率工況，此時(shí)傳動(dòng)比iη、變矩系數(shù)Kη、力矩系數(shù)λη，都作為評(píng)價(jià)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(chēng)為高效工,作區(qū)域，作為評(píng)價(jià)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(dòng)比的范圍dp。 通常認(rèn)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(jiǎn)單分析一下如何配合為好： 1）發(fā)動(dòng)機(jī)全功率匹配扭矩曲線2，此時(shí)不與負(fù)荷拋物線相交，發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)全功率匹配扭矩曲線3，發(fā)動(dòng)機(jī)僅能在低轉(zhuǎn)速下

24、工作，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)選擇變矩器時(shí)，一般使通過(guò)調(diào)整有效直徑來(lái)達(dá)到；在為給定的變矩器選擇發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，一般是先畫(huà)出變矩器的輸入特性曲線，按工作需要和機(jī)器所需功率選擇一個(gè)與上述輸入特性配合得較好的的發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線。結(jié)論：對(duì)于安裝液力變矩器的機(jī)器，選擇性能比較好的發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)、杭齒ZL40/50雙變、

25、徐州美馳驅(qū)動(dòng)橋的匹配過(guò)程作以簡(jiǎn)單說(shuō)明。,第一步，輸入已知參數(shù),第二步，輸入發(fā)動(dòng)機(jī)外特性參數(shù),第三步，計(jì)算各種扭矩消耗 泵所消耗扭矩的計(jì)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(fù)載特性參數(shù),第六步，發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)算值：Mb=λ1γnb2D5 nt=nb*iMt=Mb*K

26、η=Mt*nt/（Mb*nb）=K*i,發(fā)動(dòng)機(jī)與變矩器共同工作的輸出特性曲線,到此其實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)行牽引計(jì)算，這些計(jì)算主要包括：各檔牽引力、車(chē)速計(jì)算、最大爬坡能力計(jì)算、加速性能分析。 1）各檔牽引力計(jì)算 P=MT*i總*η總/rD式中， MT—渦輪輸出力矩； i總—總傳動(dòng)比，包括變速箱各檔傳動(dòng)比和驅(qū)動(dòng)橋總速比； η總—總傳動(dòng)機(jī)械效率；,rD—

27、車(chē)輪滾動(dòng)半徑2）各檔車(chē)速計(jì)算 V=0.377*nt*rD/i總式中, nt—渦輪輸出轉(zhuǎn)速 rD—車(chē)輪滾動(dòng)半徑3）牽引功率計(jì)算 N=PV/2704）附著牽引力計(jì)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(jì)算所得： Pφ=W滿φ式中， W滿—是指附著重量，包括整機(jī)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(jì)算

28、 裝載機(jī)的最大爬坡能力是指裝載機(jī)以某一檔位等速行駛時(shí)，所能爬坡的最大坡度角或最大坡度。對(duì)應(yīng)于最大坡度角αmax的速度叫做這一檔位時(shí)的臨界轉(zhuǎn)速，用Vhmin表示。,最大爬坡角度的計(jì)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