（车辆工程专业论文）4at液力变矩器闭锁规律与滑差控制的研究.pdf

4 a t 液力变矩器闭锁规律与滑差控制的研究 摘要 液力变矩器在汽车自动变速器中的应用，是汽车传动技术的一次重要革新。 自动变速传动使汽车起步平稳、换档平顺、操作方便，简化了手工操作，汽车 驾驶变得更加轻松自如。由于以上这些优点，自动变速器的装车率在世界范围 内已经得到了很大提高。但是，传统液力变矩器仅通过液力传动，在高车速高 档位工况下，无法转变液力传动为机械传动，这样就只满足了乘坐舒适性，存 在传动效率不高的缺陷。提高液力变矩器传动效率的各种研究中，闭锁离合器 滑差控制技术显示了其独到的效果。它在对传统闭锁式液力变矩器结构改变不 大的情况下，通过调节闭锁离合器的结合油压控制闭锁离合器的微小滑差量， 使发动机的部分动力由闭锁离合器高效的机械传动传递，实现提高液力变矩器 传动效率的目的。 本文根据发动机性能实验数据和液力变矩器原始特性，分析了发动机与液 力变矩器联合工作的输入、输出特性；综合介绍了自动变速器离合器电液控制 系统的工作原理，重点分析了闭锁离合器控制系统，对闭锁离合器电磁阀的工 作过程进行了详细研究；在此基础之上，制定了自动变速器换档规律和液力变 矩器闭锁解锁规律，并对液力变矩器闭锁控制模型的仿真结果进行了分析；基 于功率分配比与传动系统扭矩波动水平、传动效率的关系，分析了闭锁离合器 滑差输出特性，确定了滑差区域和目标滑差速度，并通过对闭锁离合器的滑差 控制系统的研究，建立了滑差控制数学模型；基于m a t l a b s i m u l i n k 建立了闭 锁离合器滑差控制模型，通过液力变矩器滑差控制实验，得到滑差速度和发动 机转速变化的实验结果，并分别计算了发动机到涡轮轴的传动效率和发动机瞬 态燃油消耗率，从而验证了滑差传动对液力变矩器传动效率的提高和车辆燃油 经济性的改善。 关键词：液力变矩器闭锁离合器闭锁规律滑差控制p i d 控制 a s t u d y o nl o c k u pr u l ea n ds l i pc o n t r o lo f4 a t t o r q u ec o n v e r t e r a b s t r a c t i ti sa ni n n o v a t i o nf o ra u t o m o t i v et r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yt h a tt o r q u e c o n v e r t e rw a sp u ti n t ou s e di na u t o m o t i v ea u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n a u t o m a t i c t r a n s m i s s i o ni sh e l p f u li ns t a r t i n gt h ec a rs m o o t h l ya n ds t e a d i l y ，e x c h a n g i n gt h e l e v e lf l a t l y ，o p e r a t i n gb yh a n dm u c he a s i e r ，a l s oi tm a k e sd r i v i n gm o r er e l a x e da n d f a c i l i t a t i v e s i n c ei th a st h ea d v a n t a g e sl i s t e da b o r e ，t h eu s er a t eo fa u t o m a t i c t r a n s m i s s i o nh a si n c r e a s e dg r e a t l yi nt h ew h o l ew o r l d h o w e v e r ，t h ec o n v e n t i o n a l t o r q u ec o n v e r t e rt r a n s f e r sp o w e rb yh y d r a u l i c ，w h e nt h es p e e da n d t h eg e a ri sv e r y h i g h i tc a n n o tc o n v e r th y d r a u l i ct r a n s m i s s i o ni n t om e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ，j u s tt o s a t i s f yc o m f o r t ，s ot h e r ei sad i s a d v a n t a g et h a ti st h ee f f i c i e n c yo ft r a n s m i s s i o ni s n o tg o o de n o u g h a m o n gt h ev a r i o u ss t u d i e so fi m p r o v i n gt h et r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c yo ft o r q u ec o n v e r t e r ，s l i pc o n t r o lt e c h n o l o g yo fl o c k u pc l u t c hh a ss h o w n t h es p e c i a li m p a c ta l r e a d y t h i st e c h n o l o g yc a nm a k et o r q u ec o n v e r t e ro p e r a t e m o r ee f f i c i e n t l yb e c a u s eap a r to fe n g i n ep o w e ri sd i r e c t l yt r a n s f e r r e db yl o c k 。u p c l u t c hw i t he f f i c i e n c yo fa p p r o x i m a t e10 0 ，w h i c hi sr e a l i z e db yt h ec o n t r o lo f t i n ys l i pr o t a t i o ns p e e do fl o c k - u pc l u t c ht h r o u g ha d ju s t i n gt h ee n g a g i n gp r e s s u r e b e t w e e nt w os i d e so ft h el o c k - u pc l u t c hw i t h i nl i t t l es t r u c t u r ec h a n g eo ft h e t r a d i t i o n a lt o r q u ec o n v e r t e rp r o v i d e dw i t hl o c k u pf u n c t i o n t h i sp a p e ra n a l y z e st h e i n p u ta n do u t p u t c h a r a c t e r i s t i c so ft h eu n i t e d o p e r a t i o no fe n g i n ea n dt o r q u ec o n v e r t e ra c c o r d i n g t ot h ee x p e r i m e n td a t a o f e n g i n ea n dt h eo r i g i n a lf e a t u r e so ft o r q u ec o n v e r t e r ；w o r kp r i n c i p l eo fa u t o m a t i c t r a n s m i s s i o nc l u t c he l e c t r o - h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mi sp r e s e n t e dg e n e r a l ，l o c k u p c l u t c hc o n t r o ls y s t e mi sa n a l y z e dm a i n l y ，a l s ow es t u d yd e t a i lw o r kp r o c e s so f l o c k u pc l u t c hs o l e n o i d ；w ee s t a b l i s ht h es h i f tr u l eo fa u t o m a t i ct r a n s m i s s i o na n d t h el o c k u pr u l eo ft o r q u ec o n v e r t e ra tb a s i so fi t ，a l s ow ea n a l y z et h es i m u l a t i o n r e s u l t so ft h et o r q u ec o n v e r t e rl o c k u pc o n t r o lm o d e l ；a c c o r d i n gt ot h er e l a t i o n s h i p b e t w e e np o w e rd i s t r i b u t i o nr a t i o ，t h el e v e lo ft o r q u ef l u c t u a t i o no ft r a n s m i s s i o n a n dt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y ，w ea n a l y z et h eo u t p u tf e a t u r e so fl o c k - u pc l u t c hs l i p a n dc o n f i r mt h es l i pr e g i o na n dt a r g e ts l i ps p e e d ，a n dw eh a v ee s t a b l i s h e dt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fs l i pc o n t r o lu n d e rt h es t u d yo fs l i pc o n t r o ls y s t e mo f l o c k u pc l u t c h ；b a s e do nt h em a t l a b s i m u l i n k ，w eh a v ee s t a b l i s h e ds l i p c o n t r o l m o d e lo fl o c k u pc l u t c h ，w eg e te x p e r i m e n td a t ao fs l i ps p e e da n de n g i n es p e e d t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t o ft o r q u ec o n v e r t e r s l i pc o n t r o l ，a n d w ec a l c u l a t e t r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c y f r o m e n g i n e t ot h et u r b i n ea n dt h et r a n s i e n tf u e l c o n s u m p t i o n ；s ow em a k ea c o n f i r m a t i o no fb e t t e rt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yo ft o r q u e c o n v e r t e ra n db e t t e rf u e le c o n o m yo fa u t o m o b i l e k e y w o r d s ：t o r q u ec o n v e r t e r ：l o c k - u pc l u t c h ；r u l eo fl o c k - u p ；s l i pc o n t r o l ；p i d c o n t r o l 插图清单 图1 - 1 闭锁式液力变矩器结构简图2 图2 一l 发动机稳态扭矩特性曲线6 图2 - 2 发动机油耗特性曲线6 图2 - 3 液力变矩器外特性7 图2 - 4 液力变矩器原始特性9 图2 - 5 泵轮扭矩特性9 图2 - 6 穿透性能1 1 图2 7 发动机与液力变矩器联合工作输入特性1 2 图2 8 发动机与液力变矩器联合工作的输出特性1 4 图2 9 发动机与液力变矩器联合工作的燃油消耗特性1 4 图3 - 1 闭锁、滑差和换档液压控制系统结构原理简图1 6 图3 - 2p w m 控制闭锁离合器的比例电磁阀1 7 图3 - 3 闭锁控制阀1 8 图3 - 4 闭锁离合器接合与分离过程1 9 图3 - 5 闭锁离合器电子控制系统示意图2 0 图4 1 各档驱动力曲线2 3 图4 - 2 换挡规律曲线2 3 图4 - 3 带闭锁离合器的液力变矩器简化模型2 4 图4 - 4 闭锁控制模型2 7 图4 - 5 闭锁车速判定模块2 7 图4 - 6 发动机稳态扭矩特性图2 8 图4 - 7 发动机模型2 8 图4 - 8 驾驶员模型2 9 图4 - 9 自动换档模型2 9 图4 一1 0 车辆模型3 0 图4 - 11 带有闭锁控制的液力变矩器模型3 1 图4 - 1 2 行星齿轮传动模型3 l 图4 - 13 整车动力系统仿真模型3 2 图4 14 实验方案流程3 2 图4 一l5 闭锁控制实验仿真结果3 3 图4 16 闭锁离合器的充放油特性3 6 图4 一l7m 急，r c 与f 3 的关系3 6 图5 - 1 摩擦副筒图3 8 图5 - 2 功率分配比与传动系统扭矩波动水平、传动效率的关系4 0 图5 - 3 闭锁离合器滑差时泵轮功率分配4 0 图5 - 4 滑差时联合工作输出特性简图4 0 图5 5 滑差率与扭矩波动传递率的关系4 2 图5 6p i d 控制系统原理框图4 4 图6 一l 闭锁离合器滑差控制数学模型4 7 图6 - 2 滑差控制流程图4 8 图6 - 3 反馈控制系统框图4 8 图6 - 4 闭锁离合器滑差控制模型4 9 图6 - 5 江淮宾悦a t 轿车5 0 图6 - 6 输出信号端口5 0 图6 - 7 目标滑差速度5 0 r p m 的仿真结果5 1 图6 - 8 目标滑差速度4 0 r p m 的仿真结果5 2 图6 - 9 滑差控制前发动机转速5 2 图6 - 1 0 滑差控制后发动机转速5 3 表2 1 表2 2 表5 一l 表6 1 表6 2 表6 - 3 表6 - 4 表6 5 表6 - 6 表格清单 液力变矩器实验数据1 0 性能评价相关特性参数1 1 目标滑差速度( 滑差速度单位r p m ) 4 3 数学模型中参数值4 7 滑差速度为5 0 r p m 数据对比5 3 滑差速度为4 0 r p m 数据对比5 3 发动机每小时耗油量( k g h ) 5 4 滑差速度为5 0 r p m 的对比数据5 5 滑差速度为4 0 r p m 的对比数据5 5 独创性声明 本人声明所节交的学位论文是本人在导师指导卜进行的研究f ：作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标忠利致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盒g 墨! ：、业厶：羔 或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同：作的同忠对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字： 日 签- 7 - r 删：咖年z 月2 矛 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金日巴! ：些厶堂 有关保留、使川学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部i j 或机构送交论文的复印什和磁盘，允许论文被夯阅或借 阅。本人授权 金目坠! ：些厶= ! i 兰 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有芡数 据库进行检索，可以采川影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权怕) 学位论文者签名： 采扳细 签字日期：2 o # 午月2 ，日 日 学位论文作者毕业后去向： t 作单位： 通讯地址： 导师签名： 了夺聊 i 签字日期：劫c 口年华月善夕 慌峭6 6 擘，6f ( 7 邮觚码一口7 致谢 本文的研究工作是在尊敬的导师张炳力老师精心指导和悉心关怀下完成 的，在硕士学位论文即将完成之际，我深深感谢敬爱的张老师为我的成长所倾 注的心血。在我攻读硕士学位的三年时间里，自始至终得到了张老师的精心指 导和热情的关怀。本论文中的每一项研究成果，都凝聚着张老师的心血。张老 师严谨求实的治学作风，诲人不倦的师者风范，对教育事业满腔热情、无私奉 献的工作精神，时刻感染教育着我，将是我受益终生，在将来的工作和学习中， 我将铭记张老师的教诲，严格要求自己。 感谢一直关心和支持我的家人和亲友。正是他们无私的关怀和鼓励，使我 能够得以顺利完成学业。 衷心感谢师东升、张平平、胡先锋、徐德胜等师兄，李鑫、祝毅、张友皇、 廖衔、吴迪、等同窗好友，杜红亮、季明微、胡福建、侯清亮、董彦文，徐国 胜等师弟师妹在学习和生活上对我的热情帮助。 感谢所有支持和爱护我的人! 作者：宋振翔 2 0 0 9 年4 月2 5 号 第一章绪论 1 1 引言 液力变矩器在汽车自动变速器中的应用，使汽车换挡平顺、起步平稳，汽 车传动平稳性有所提高，但由于始终处于液力传动工况，降低了传动系统效率， 增加了车辆油耗。液力变矩器中使用闭锁离合器可以改变这一缺陷。它指在液 力变矩器涡轮与泵轮之间，安装一个可控制的离合器，当汽车行驶工况达到设 定目标时，控制离合器将涡轮与泵轮锁成一体，液力变矩器随之变为刚性机械 传动。液力变矩器闭锁技术的应用，自动变速器汽车传动效率与车辆燃油经济 性被大幅提高。 9 0 年代后，由于电子技术逐渐应用，传动系统的发展进入了一个新时期， 闭锁离合器滑差控制技术继闭锁控制技术之后，被各著名汽车公司生产的自动 变速器采用。它是对闭锁离合器摩擦片上压紧力调节，实现闭锁离合器处于半 结合状态。此时，发动机扭矩一部分通过液力传动，另一部分通过闭锁离合器 机械传动。当汽车处于滑差工况时，传动效率高于纯液力传动，传动平稳性高 于闭锁传动，因此，有效解决了行驶平顺性和燃油经济性的矛盾，提高了自动 变速器性能。 1 2 液力变矩器工作原理 液力变矩器结构很多，根据液力变矩器结构特点，分类如下【l 。4 】： 1 按照工作轮的排列顺序可分为b ( 泵轮) 一t ( 涡轮) 一d ( 导轮) 型和b d t 型。 前者，涡轮一般和泵轮旋转方向相同，称为正转液力变矩器。后者，涡轮和泵 轮旋转方向相反，叫做反转液力变矩器。 2 按照液力变矩器液力传动形态数目可分为：单相、两相和多相。 3 按照泵轮数目的不同，液力变矩器可分为单泵轮和双泵轮。 4 按照液力变矩器中涡轮数目或者涡轮叶栅列数，液力变矩器可分为单 级、两级、三级和多级。 5 按照涡轮形式的不同，分为离心式、向心式和轴流式涡轮液力变矩器。 6 按照液力变矩器是否带有闭锁离合器，可分为非闭锁式和闭锁式液力变 矩器。 b - t - d 型单级两相闭锁式液力变矩器结构简图如图1 - 1 所示。闭锁式液力 变矩器的主要组成包括泵轮、导轮、涡轮和闭锁离合器。泵轮和发动机相连， 涡轮和输出轴相连，单向离合器把导轮固定壳体上。 图卜1 闭锁式液力变矩器结构简图 1 输入轴；2 闭锁离合器：3 单向离合器；4 输出轴 工作液体充满液力变矩器之中，在液力变矩器不工作的时候，工作液体静 止，能量交换为0 。液力变矩器工作时，泵轮被发动机通过输入轴带动旋转， 由于受到叶片的作用，泵轮内的工作液体向外缘流动，工作液体压力与速度增 大。发动机产生的机械能被泵轮转化为了工作液体的压能和动能。 经过一段无叶片区的流道后，由泵轮流出的工作液体进入涡轮，涡轮叶片 被冲击，涡轮和输出轴共同旋转。工作液体流过涡轮，能量和速度均减小，工 作液体的能量变成了输出轴的机械能。 再经过一段无叶片区的流道后，由涡轮流出的工作液体进入导轮。低转速 比时，单向离合器楔紧，导轮被固定，工作液体沿导轮叶片方向流动，但其只 改变液流方向，无能量交换。闭锁离合器闭锁后，泵轮和涡轮连成一体，导轮 松开，自由旋转。虽然涡轮与泵轮共同旋转，但和导轮相比，有一定转速差， 所以，仍有少量液流循环流动，液力损失依然存在，液力变矩器闭锁时，效率 略小于1 【5 】。又经一段无叶片区后，工作液体从导轮又进入泵轮，这样，由泵 轮一涡轮一导轮一泵轮不断循环，发动机功率被传递给液力变矩器后面的部件 1 3 闭锁与滑差控制技术在液力变矩器中的应用及发展 1 3 1 闭锁离合器闭锁控制在液力变矩器中的应用 由于液力变矩器的应用，汽车传动系统的平稳性有所提高，但也使传动系 统的效率降低，车辆油耗增加。闭锁离合器的应用显著解决了这一问题。 液力变矩器种类很多，闭锁离合器结构也不完全一样，根据闭锁离合器结 构分类主要有两种1 6 】：一种是闭锁离合器位于液力变矩器内部，叫做内置式； 与之相反的叫做外置式。本文主要研究内置式闭锁离合器的液力变矩器。 1 3 2 闭锁离合器滑差控制技术的应用及发展 1 3 2 1 闭锁离合器滑差控制技术的发展现状 2 在国外，丰田，三菱等汽车公司都在滑差控制方面进行了大量的研究。丰 田公司开发的液力变矩器闭锁离合器滑差控制系统在其产品a 5 4 1 e 型自动变速 驱动桥上被采用，并于1 9 9 4 年将其量产。 德国著名的z f 公司在9 0 年代初，就认为滑差控制技术应用于液力变矩器 是现代轿车的发展趋势，并把液力变矩器滑差控制系统应用于其生产的自动变 速器中。 在液力变矩器滑差控制研究领域，国外汽车公司已处于领先地位。国内的 高校和汽车企业虽然也进行了一些研究与实验，但由于研究力量和实验条件有 限，对于滑差控制技术的研究，还处于起步阶段，基本还停留在理论分析的层 面上。 1 3 2 2 滑差控制系统的研究目标 对于减少燃油消耗这一点，滑差控制是一项行之有效的技术。目前，滑差 控制技术研究目标主要集中在以下三方面： 1 ) 燃油经济性被较大幅度地提高； 2 ) 操纵性能更加优越； 3 ) 可靠性更高。 首先，开发滑差控制系统的关键是通过实际试验和理论分析确定目标滑差 速度。然后由传感器测出泵轮转速和车速，并计算出涡轮转速，是为了要得到 实际滑差速度，最后把实际滑差速度和目标滑差速度之差输入到控制器，输出 一个占空比信号来驱动电磁阀控制系统油压。 另外，微小滑差的控制技术也是需要解决的问题。当离合器处于滑差工况 时，摩擦系数不太稳定，在有干扰情况下容易进入闭锁状态。所以，希望控制 系统响应迅速，鲁棒性好。p i d 控制是滑差控制方式中最常用的，另外，鲁棒 控制和模糊控制也在慢慢被采用。 1 3 2 3 滑差控制的发展前景 为了使闭锁离合器滑差控制技术更好的应用于液力变矩器中，应该致力于 以下几方面的研究： 1 ) 研制出控制性能更加优良的液力控制装置； 2 ) 优化反馈控制算法的鲁棒性和响应性； 3 ) 开发出具有更高摩擦性能的自动变速传动油。 今后自动变速器的一个重点发展方向就是闭锁离合器滑差控制技术。目前 这方面的研究，国内在还处于起步阶段，国外主要是开发高性能的反馈控制器 以及摩擦材料等。大力发展滑差控制技术，可以使液力传动优点被保留的前提 下，汽车的燃油经济性也有所提高。在大力倡导节约资源和环保的当今社会， 闭锁离合器滑差控制技术具有良好的前景。 1 4 课题的来源及意义 本文是国家科技支撑计划资助项目( 批准号2 0 0 9 b a g l2 8 0 0 0 3 ) 和安徽省自 然科学基金资助项目( 批准号0 8 0 4 0 1 0 2 0 0 1 ) 研究内容的组成部分。 本课题主要对自动变速器中的液力变矩器进行研究。其中的核心内容是分 析发动机与液力变矩器联合工作输入、输出特性，制定闭锁离合器的闭锁时机 的控制策略，以及滑差控制的研究。使液力变矩器在发挥最优性能的同时，又 能使其工作效率有一定的提高。配合相关企业的生产实践，为其提供液力变矩 器的模型和实验结果，提高我国汽车行业的自主研发能力，增强民族企业在国 际汽车行业的竞争力。 通过有关研究希望达到以下目标：通过发动机稳态扭矩特性和液力变矩器 原始特性，建立发动机与液力变矩器联合工作输入和输出特性，并分析发动机 与液力变矩器的匹配要求；制定闭锁离合器闭锁控制策略，建立闭锁控制模型， 并通过仿真结果验证闭锁控制策略的准确性；利用p i d 控制方法建立闭锁离合 器滑差控制模型，进行滑差控制实验，并验证滑差传动对汽车传动效率的提高 和燃油经济性的改善，为自动变速器控制器的开发打下良好的基础。 1 5 本论文的主要研究内容 1 根据发动机性能实验数据，和液力变矩器原始特性曲线，建立发动机与 液力变矩器联合工作输入特性和输出特性，分析发动机与液力变矩器联合工作 时理想的匹配要求。 2 综合介绍自动变速器离合器电液控制系统的工作原理。重点分析闭锁离 合器控制系统，对闭锁离合器电磁阀的工作过程进行研究。 3 通过对闭锁离合器闭锁规律的研究，建立了液力变矩器闭锁控制模型， 并通过实时仿真结果验证控制策略准确性。 4 研究闭锁离合器的滑差控制，设定滑差区域和目标滑差速度。利用p i d 控制方法建立滑差控制模型，通过液力变矩器滑差控制实验，验证滑差传动对 液力变矩器传动效率的提高和车辆燃油经济性的改善。 4 第二章发动机与液力变矩器联合工作特性 2 1 引言 汽车的动力性、燃油经济性是评价汽车性能的重要指标。这两个指标的好 坏，很大程度上取决于车辆动力传动系统合理匹配的程度。发动机、传动系作 为汽车动力及传动装置，一直是设计师们为提高动力性、降低油耗而倍加关注 的研究课题。提高汽车动力性又降低汽车油耗，从而达到既提高汽车运输效率 又节省能源的目的，在今天更是人们不断追求的目标。我们知道，除发动机本 身特性外，其与液力变矩器之间的匹配，对汽车的动力性和燃油经济性也有极 大的影响，更是提高汽车运输效率、降低汽车燃油消耗的重要措施之一。另外， 一台性能良好的发动机与一台性能良好的液力变矩器，如果匹配不当，并不 能使汽车获得良好性能。因此，要想提高液力传动车辆的性能，除了提高液力 变矩器本身的性能外，还要实现最佳匹配。为此，必须研究发动机与液力变矩 器的联合工作输入特性及输出特性。 2 2 发动机特性分析 2 2 1 发动机稳态特性 发动机速度特性指发动机动力性与经济性随发动机转速变化的关系。它包 括外特性和部分特性【7 。8 】。前者是油门全开状态下发动机的动力性和经济性；后 者则是油门处于部分开启状态。 本文主要研究的是在不同油门开度下，发动机的动力性能随转速的变化关 系，即发动机稳态扭矩特性；以及发动机的经济性随转速的变化关系，即发动 机的油耗特性。发动机稳态扭矩特性曲线和油耗特性曲线是发动机节气门开度 和发动机转速的曲线，即z t q = f ( n 。，口) ，g 。= f ( n 。，口) 。式中，z 。为发动机转速， 单位为r m ir l ：口为节气门开度。 根据实验测出的不同油门开度下，不同发动机转速对应的发动机转矩和燃 油消耗量的数据，即可得到发动机稳态扭矩特性和油耗特性。但为了得到更为 精确的发动机稳态扭矩特性曲线和燃油消耗曲线，需要用数值逼近的方法以一 个可计算的函数来替代这个未知函数，一般通过最小二乘法进行数值曲线拟 厶 口。 最小二乘法就是根据“使偏差平方和最小”的原则选取拟合曲线的方法。 最小二乘法的特点是简单实用，是一种最常见的曲线拟合方法。对于比较平滑 的曲线来说，用最小二乘法进行曲线拟合能够保证计算精度。但是对于形状比 较复杂的曲线来说，最小二乘法在拟合曲线的时候就会出现曲线是真的问题。 一般采用五次以下多项式可以保证拟合精度。拟合后曲线的方程式用下式表示： 扭矩：疋= a o + a l n + a 2 n 2 + a 3 f 1 3 + 0 4 f 1 4 + a s l 1 5 ( 2 - 1 ) 耗油量： 瓯= b o + 6 l n + 6 2 n 2 + 6 3 门3 + 6 4 n 4 + 6 5 n 5 ( 2 2 ) 将发动机实验数据输入计算机，调用最小二乘法通用程序将各油门开度下 的转矩曲线和油耗曲线拟合代数曲线，通过最小二乘法拟合过后的发动机稳态 转矩特性曲线和油耗特性曲线，如图2 - 1 和图2 - 2 所示。 发 动 机 转 延 宣 邑 冀 萋 萋 发动机转速r l m 图2 1 发动机稳态扭矩特性曲线 发动机转速r p 图2 - 2 发动机油耗特性曲线 6 2 2 2 非稳态工况下发动机性能的修正 在大部分时间内，发动机处于非稳态工况。发动机特性在非稳态和稳态工 况下是有所不同的。汽车加速，混合气浓度慢慢变稀，发动机扭矩低于稳态工 况扭矩，发动机扭矩下降量与曲轴角加速度基本成线性关系。汽车减速，混合 气浓度越来越浓，发动机扭矩高于稳态工况扭矩，发动机扭矩上升量与曲轴减 速度也成线性关系。由此，可采用修正系数法，修正发动机稳态工况输出扭矩 为非稳态工况输出扭矩。发动机非稳态工况输出扭矩为： ， 妒= c 一五竺 ( 2 3 ) 式中： 妒一发动机非稳态工况输出扭矩( n m ) ； 一发动机稳态输出扭矩( n m ) ； 如。衍一曲轴角加速度( 1 s 2 ) ； 力一发动机输出扭矩在非稳态工况下的下降系数。 2 3 液力变矩器特性分析 2 3 1 液力变矩器的外特性 液力变矩器液力特性是指液力变矩器力矩与效率随工况变化的特性。基于 液力特性，考虑了摩擦损失和摩擦力矩，得到泵轮和涡轮转矩m 。和鸠，以及 液力变矩器效率刁。最终得到= f ( n r ) ，一= f ( n r ) 和刁= f ( n r ) 曲线。以上 曲线叫做液力变矩器在某一泵轮转速挖。时的外特性。液力变矩器外特性反映的 是液力变矩器在某一n 占时，泵轮与涡轮转矩及效率随工况的变化，如图2 3 。 图2 - 3 液力变矩器外特性 图2 3 表示某三工作轮液力变矩器在某个甩8 转速下，某种油温下试验得到 的外特性曲线。泵轮力矩m b 的变化趋势，主要决定于循环流量q 随，z r 的变化 特性，不同结构形式和参数的液力变矩器具有不同的m 占变化特性。涡轮力矩 一m r 随脚的增加而减少：液力变矩器的效率r = f ( n r ) 。当n r = 0 时，输出功率 坼= 一m r 嘶= 0 ，故r = 0 ；随惭增大，效率刀也增大，至某一坼时，达到最大 值。；n r 继续增大，7 7 降低，直至一鸩= 0 ，输出功率坼= 一m 7 ，坼= 0 ，效率 又等于零。 2 3 2 液力变矩器原始特性 液力变矩器外特性通常表示的是确定尺寸和形式的液力变矩器性能。所 以，目前广泛采用液力变矩器原始特性来表示液力变矩器性能。 一系列不同转速、不同尺寸而几何相似的液力变矩器的基本性能能够被液 力变矩器的原始特性曲线确切地表示；另外，基于原始特性，可通过计算获得 任一液力变矩器外特性。 液力变矩器原始特性中常用参数是泵轮扭矩系数a 。，其是转速比f 的函数 p 】，泵轮扭矩系数九和与其对应的涡轮扭矩系数4 的数学公式如下： 泵轮扭矩系数 涡轮扭矩系数 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 对于同一类型的液力变矩器，在尺寸不同的情况下，有相同的以= 厂( f ) 和 乃= 厂( f ) 的曲线。以上曲线反映了某一系列液力变矩器性能，被称为液力变矩 器原始特性。 由扭矩系数得到另外两个重要的无因次特性( 变矩比k 和效率r 1 ) ： k = 鲁= 丽a m i d = 砉 ( 2 - 6 ， m b九b n ；d ：j l 8 ，7 ：丝生：k i( 2 7 ) 。 m b n 口 通常，液力变矩器的性能用九= ( f ) ，k = f ( o ，r l = s ( o - 条曲线来表示。 也有用容量系数c 来代替泵轮扭矩系数砧的表示方法，其中c = 1 丽。 如图2 - 4 所示。 根据图2 4 以及公式m 口= g b c ) 2 可以绘制出液力变矩器泵轮扭矩特性曲 线，如图2 - 5 。其中每一条曲线分别对应的是不同的速比。 8 参嘉 = = 以 砧 3 2 8 0 2 6 0 2 4 0 辕2 2 0 懈 删2 0 0 仲l l 1 4 0 l 1 0 00 10 20 30 4 05 0 60 70 80 91 0 变矩器速比 图2 - 4 液力变矩器原始特性 泵轮转速r p 褂 簌 * n 馘 筮 埭 制 图2 5 泵轮扭矩特性 2 3 3 液力变矩器性能评价 本文所用液力变矩器的实验数据如表2 - 1 所示，结合图2 4 的原始特性曲 线，对该液力变矩器以下性能进行评价。 ( 1 ) 变矩性能 变矩性能由变矩比k = f ( i ) 表示。它反映了不同速比f 时，涡轮转矩弓对泵 轮转矩瓦的增大系数。变矩性能常用以下两个指标来评价： 1 ) 启动工况时变矩比，即f = 0 时的k 值，民是牵引工况下k = 厂( f ) 的最 大值； 2 ) 耦合器工况点转速比0 ，指k = l 时的转速比。 q 一般认为，局和k 越大，变矩性能越好。事实上，不同同时保证两个参数 都高。因此，比较液力变矩器变矩性能时，只可以在相同时比较0 ，或者在 0 相同时比较蚝。 表2 一i 液力变矩器实验数据 s p e e dr a t i o t o r q u er a t i o h p u t 橱q i l e k f a c t o r t a r g e t a c 瓴l a l n m e f f i c i e n c y 精礅锄 o 0 0 000 0 0l7 6 9 9 9 50 + 0 0 0 2 1 1 。6 0 0 5 0 0 0 5 0 l 。7 4 11 0 00 0 8 72 1 1 6 0 1 0 00 1 0 0l7 1 81 0 0 0 1 7 2 2 1 i2 0 ，2 0 002 0 01 6 5 31 0 0 3 0 3 3 l 2 0 9 1 03 0 003 0 0 ，5 6 8 1 0 0 。40 q 7 02 0 6 。3 0 4 0 00 4 0 01 , 4 7 21 0 0 。4 0 5 8 9 2 0 3 2 0 5 0 005 0 0l ，3 6 3 1 0 0 20 。6 8 2 2 0 1 垒 o6 0 006 0 0l2 6 31 0 0 0 。7 5 3 2 0 2 3 0 7 0 007 0 0l 。1 6 0 1 0 00 3 1 22 0 2 0 7 5 00 7 5 01 ， 1 29 99 0 3 3 4 2 0 3 0 8 0 00 7 9 91 0 6 49 9 60 8 5 02 0 5 7 0 8 2 50 8 2 41 0 3 99 9 6 0 8 5 6 2 。7 名 0 8 5 00 斛91 0 1 39 950 8 6 02 1 2 ，l 0 鄹503 7 40 。9 8 59 95 0 8 6 l 2 1 8 ，2 o9 0 008 多90 9 钧9 9 20 8 7 62 3 5 9 0 9 2 5o 9 2 409 7 l 9 90 8 9 7 2 6 9 ( 2 ) 经济性能 经济性能指液力变矩器传递效率。它可以用特性，7 = ( i ) 来表示。 经济性能的评价常用下面两个指标：最高效率与高效范围。 高效范围指传递效率高于某值时，对应的f 变化范围，用最大转速除以最 小转速表示。 通常认为，最高效率越高，高效范围越大，经济性能越好。但二者往往是 矛盾的。液力变矩器一般不是在固定某一工况工作，而是在某一个范围内工作， 因此，高效范围对液力变矩器经济性能的评价有重要意义。 ( 3 ) 负荷性能 负荷性能指液力变矩器传递动力装置负荷和液力变矩器反作用于动力装 置负荷的性能，液力变矩器负荷特性的评价，一般用泵轮扭矩系数以的大小( 能 容性能) 和以的变化( 穿透性) 两方面。 ( 4 ) 能容性能 能容性能是指液力变矩器吸收动力装置能量的能力。 m 8 = p g ；b ；d 5 ( 2 1 5 ) n 8 - 箍= 等謦 通过式( 2 1 5 ) 和( 2 - 1 6 ) 可以看出，若厶大，表明液力变矩器吸收和传递动 力装置的容量大；在相同n 。下传递同样的功率时，液力变矩器尺寸可以设计得 更小。一般用最大效率工况下的泵轮扭矩系数群评价能容性能。 ( 5 ) 穿透性能 穿透性能表示液力变矩器涡轮的扭矩和转速变化对泵轮的扭矩和转速变 化的影响程度。主要通过负荷特性曲线旯。= f ( i ) 的形状来评价液力变矩器穿透 性能。如图2 6 所示。 速比 图2 - 6 穿透性能 当d v d i 0 时，称为负穿透；当d , c d i 0 ，当在f f 1 时， d , c d i q o 8 ，高效区的范围a , 7 ，也就是高效率区域的最高转速比与最低转速 比之比，a , 7 为1 3 3 ，如果想充分发挥变矩器的效率，除了在起步加速满足汽车 扭矩系数 的通过性工况外，在正常行使时，就应该使变矩器工作在f o 6 5 的速比范围内： 该液力变矩器的能容性是通过最高效率对应的以来评价的，其值为2 5 x 1 0 6 。 2 4 发动机与液力变矩器联合工作输入特性 2 4 1 发动机与液力变矩器联合工作输入特性求取方法 发动机与液力变矩器连接在一起时，能够稳定地共同工作的必要条件是： 疋= 瓦 ，z p2 ，z 口 获得发动机与液力变矩器联合工作输入特性的方法和过程如下： ( 1 ) 获得发动机传至液力变矩器的净扭矩特性的数据或特性曲线； ( 2 ) 获得液力变矩器原始特性，循环圆有效直径，以及工作油牌号及其在 工作油温时的密度； ( 3 ) 在液力变矩器原始特性上选择典型工况( 速比f ) 。根据选定的工况点， 在原始特性曲线屯= 厂( f ) 上，找出相对应的以值。作出泵轮扭矩特性曲线。 ( 4 ) 将发动机稳态扭矩特性曲线与液力变矩器扭矩特性曲线在相同坐标 的同一个图上绘制，即可得到发动机与液力变矩器联合工作输入特性。 发动机与液力变矩器联合工作输入特性是发动机稳态扭矩特性曲线和液 力变矩器泵轮扭矩特性曲线相交的一组曲线。发动机转矩特性曲线的每一条对 应的是不同的油门开度，最高的一条线为全油门状态下的，即发动机外特性曲 线。液力变矩器泵轮转矩特性曲线的每一条对应的是不同的液力变矩器变速比 1 0 - 1 3 j 。如图2 - 7 所示。 转速( r m i n ) 图2 - 7 发动机与液力变矩器联合工作输入特性 2 4 2 发动机与液力变矩器理想匹配的要求 从图2 - 7 可以看出，由最小五。和最大以对应的泵轮扭矩特性曲线，与发动 机外特性曲线围成的面积，表示发动机在不同油门开度下，与液力变矩器稳定 工作的范围 1 4 - 1 5 】。联合工作的范围的大小，主要由旯。= 厂( f ) 的形状决定。液力 变矩器穿透性越大，联合工作的范围就越大；反之亦然。另外，联合工作的范 围所处发动机工作范围的位置，主要取决于液力变矩器循环圆直径的大小。循 环圆直径增大，联合工作的范围向发动机低速区域移动；反之也亦然。 发动机与液力变矩器最理想的匹配，是它们联合工作时，应充分利用发动 机工作区段。即要求1 1 6 ： ( 1 ) 在液力变矩器工作范围内，发动机的最大有效功率应该能够被充分利 用。这样可获得较高的输出功率，使汽车平均速度有所提高。由此，要求液力 变矩器高效范围应在发动机最大功率点附近。 ( 2 ) 要求联合工作范围位于发动机低燃油消耗范围，以使车辆具有较好的 经济性 ( 3 ) 要求使汽车在起步时获得的扭矩更大，而且在低转速比工况下，希望 泵轮扭矩曲线可以通过发动机最大扭矩点附近，但以上要求往往无法同时满 足，所以评价发动机与液力变矩器联合工作范围应根据汽车实际使用情况。 2 5 发动机与液力变矩器联合工作输出特性 2 5 1 发动机与液力变矩器联合工作输出特性求取过程 联合工作的输出特性指发动机与液力变矩器共同工作时，涡轮扭矩、涡轮 输出功率随涡轮转速的变化关系。联合工作的输出特性是进