（车辆工程专业论文）发动机与液力传动系车辆优化匹配软件的研究.pdf

山东理工大学硕士学位论文中文摘要 摘要 发动机与液力传动系的匹配计算是液力传动车辆开发及优化设计的前提。 由于匹配过程涉及到多项因素，手工计算繁杂，利用计算机快速计算的优点， 研究并开发发动机与液力传动系优化匹配的模拟计算软件具有实际的意义。 论文首先建立了发动机与车辆液力传动系统匹配的数学模型，这些模型包 括发动机模型、液力变矩器模型、机械传动系模型及匹配优化模型。通过分析 发动机与液力变矩器的共同工作性能的特点，确定发动机与液力变矩器共同工 作输入及其输出特性的计算方法。在此基础上，利用机械传动系模型确定液力 传动车辆牵引特性的计算方法；采用v b 语言作为开发平台，进行优化匹配计 算软件的设计，包括软件的数据结构、软件的界面和各主要模块的程序设计等； 最后，用某公司生产的两种型号的推土机验证了该优化匹配软件的可行性。 关键字：发动机；液力传动；优化匹配；软件开发 山东理工大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t t h ec a l c u l a t i o no ft h e e n g i n em a t c h i n gw i t h t h e h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o n a n di t s o p t i m i z e dd e s i g ni st h ep r e m i s eo ft h eh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o nv e h i c l e sd e v e l o p m e n t b e c a u s e t h em a t c h i n gp r o c e s si n v 0 1 v e sm a n yf a c t o r sa n di s c o m p l e xi fc a l c u l a t e db yh a n d ；t h e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n te n g i n ea n dh y d f a u l i ct r a n s m i s s i o nm a t c h i n gc o m p u t a t i o na n d o p t i m i z a t i o ns o f t w a f eh a st h ea c t u a ls i g n i f i c a n c eu s i n gc o m p u t e rt a p i dc a l c u l a t i o nm e r i t a tf i f s tm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ep o w e rt r a n s m i s s i o s y s t e mo fh y d r o l y t i cd r i v e r v e h i c l ea r ee s t a b l i s h e di nt h i sp a p e r t h e s em o d e l si n c l u d ee n g i n em o d e l ，h y d r a u l i cc o n v e r t e r m o d e l ，t h eh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o nm o d e la n ds oo n ac o m p u t a t i o n a lm e t h o do nc o o p e r a t i n g p o i n t s 0 f t h e e n g i n e a n dt h e h y d r a u l i c c o n v e r t e ri s p r e s e n t e d a f t e r a n a l y z i n g t h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o o p e r a t i n gp e r f b r m a n c eo ft h ee n g i n ea n dt h eh y d r a u l i cc o n v e r t e r i n t h i sf o u n d a t i o n ，t h ec o n l p u t a t i o n a lm e t h o do ft h ev e h i c l e st r a c t i v ec h a f a c t e r i s t i ci sp r e s e n t e d u s i n gt h eh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o nm o d e l s e c o n d l y ，t h ed e s i g no ft h em a t c h i n gs o f t w a r ei s u s e dt h ev bl a n g u a g ea st h ed e v e l o p i n gp l a t f o f m ，i n c l u d i n gs o f t w a r ec o n s t r u c t i o n0 fd a t 纠， s o f t w a r ec o n t a c ts u r f a c ea n de a c hm a i nm o d u l ep r o g r a m m i n ga n ds oo n f i n a h y ，l h es o f t w a r e c o n f i r m e dw i t ht h eo n ea n da n o t h e rb u l l d o z e ro ft h ec o m p a n yi st e s tf e a s i b i l i t y k e y w o r d s ：e n g i n e ；h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o n ；m a t c h i n ga n do p t i m i z e dd e s i g n ；s o f t w a f e d e v e l o p m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：时间：年月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体 上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、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应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名： 批 眵移君 v 时间： 时间： 年月日 年月日 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 国内外关于匹配软件的研究现状 自世界性的能源危机发生后，各国除寻找新的汽车能源外，提出各种措施 降低燃油消耗。如提高现有发动机的热效率和机械效率；扩大柴油发动机的应 用范围；附加电子装置，使发动机工作过程最佳化；利用涡轮增压回收废气能 量，利用储能装置回收制动能量，提高能量利用率；对汽车动力传动系统进行 优化匹配等。 汽车的动力性、燃油经济性是评价汽车性能的重要指标。动力性与燃料经 济性的好坏，在很大程度上取决于车辆的动力传动系统合理匹配的程度。发动 机、传动系作为汽车的动力及传动装置，一直是设计师们为提高动力性、脾低 油耗而倍加注目的研究课题。降低汽车的油耗而又提高汽车的动力性，从而达 到既省能源又提高汽车的运输效率，在今天更是人们孜孜以求的目标。设计师 们早已认识到，除发动机本身特性外，这两者之间的匹配，对汽车的动力性和 燃油经济性有极大的影响，是提高汽车运输效率、降低汽车燃油消耗的重要措 施之一。将发动机与传动系参数合理的匹配起来，会大大降低汽车的油耗，并 可获得较好的动力性。与此同时，利用现代计算机技术，对汽车动力传动系统 进行仿真计算，研究汽车的类型、结构和技术性能与汽车使用条件的适应性， 达到汽车动力传动系统的匹配和优化【l j 。 过去对传动系的匹配，由于测试手段和计算工具的限制，一直采用定性分 析和简单的定量计算，靠大量的试验资料和反复测试的结果进行设计。在传统 的设计中，为确定传动系参数，首先要根据设计者的经验和汽车在某些极限行 驶状况下的动力性要求来选择集中方案进行设计、试制、试验，然后通过实验 结果的对比，修改设计方案，然后再试制、再试验的方法。这种方法耗资大， 周期长，因此设计者因受时间和经费的限制，往往采用参照法决定动力传动系 的匹配，其结果往往是虽能满足基本性能的要求，但是发动机和传动系的匹配 却不合理，没有充分发挥其性能指标，还增加了燃料消耗，加速了发动机的磨 损，降低了发动机的使用寿命，恶化了发动机排放指标。现在，通过对传动系 所进行的仿真计算，使汽车产品在开发前，就能作到预测汽车的性能、指导产 品的设计和生产。与传统设计方法相比，不仅可以节约大量的人力、物力，缩 短设计周期，还可以明显提高设计质量，保证所设计的汽车具有优良的性能。 山东理工大学硕士学位论文第一军绪论 国外早在6 0 年代初就开始了对汽车动力性、燃油经济性的计算模拟程序。 例如1 9 7 2 年，美国通用公司率先开发了汽车动力性和燃油经济性的通用预测 程序g p s i m l 2 4 1 。该程序可以模拟汽车在任何行驶工况下的瞬时油耗、累计 油耗、行驶时间和距离；预测汽车参数，如重量、传动系传动比、空气阻力系 数等的变化对汽车性能的影响。 电子计算机的应用和测试手段使通过模拟计算和实验相结合的方法来确 定汽车动力传动系统匹配问题成为可能。对于发动机与液力传动系的匹配，目 前国外的大汽车公司都开发了自己的模拟程序，如福特公司的t o f e p 、美国交 通部的v e h s i m 等。利用这些程序可以模拟汽车在任何行驶工况下的汽车性能， 预测汽车参数，如重量、传动系传动比等的变化对汽车性能的影响。电子计算 机的应用和测试手段使通过模拟计算和实验相结合的方法来确定汽车动力传 动系统匹配问题成为可能，使得人们在制造之前就能准确地对汽车的动力性和 经济性进行预测，找到与发动机合理匹配的传动系，从而节约了大量的实验费 用，缩短了开发周期。 我国在车辆动力传动系统合理匹配方面研究起步较晚，8 0 年代后期，国 内高校和企业开展了这方面的研究，也取得了一些成果，如长春车辆研究所、 清华大学等也有了自己的模拟程序，有的已用于实车验证，并用于指导车辆的 设计和改型。国内车辆大都装有机械式变速器，其传动系的效率是常量，保持 不变，这使得计算大大简化，并能与实际情况较好的吻合。 但现有的匹配研究多侧重于有级齿轮式变速器的研究，对液力变矩器匹配 的研究较少，随着计算机技术的发展，液力传动系统的匹配分析方法己由过去 的采用比较传统的图解计算法和解析法，逐步转向利用计算机进行计算分析， 进而利用计算机，对液力传动车辆的基本性能进行仿真。液力传动车辆基本性 能模拟计算方面，主要是利用发动机外特性试验数据和液力变矩器的原始特性 数据进行计算。 国内外在发动机、传动系匹配问题的研究内容主要有以下几个特点： ( 1 ) 动力性、燃油经济性模拟计算方法与优化理论已普遍应用于汽车动力 传动系匹配的研究中。 ( 2 ) 汽车行驶工况规范化，发动机性能和传动系性能的数学模型化。限于 条件，目前基本上还是利用稳态工况下的发动机试验获得的数据近似地模拟非 稳定工况下发动机的瞬态特性。 ( 3 ) 随着计算机技术的发展，液力传动系统的匹配分析方法己由过去的采 2 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 用比较传统的图解法、图解计算法和解析法，逐步转向利用计算机进行计算分 析，进而利用计算机，对液力传动车辆的基本性能进行仿真。 ( 4 ) 液力传动车辆基本性能模拟计算方面，主要是利用发动机节流特性试 验数据进行计算，这对于实际整车生产厂家的部件选型，特别是在缺乏发动机 试验数据时有一定的难度。同时，在对发动机与液力传动系的匹配进行优化的 文献还比较少。 ( 5 ) 这方面优化匹配的软件开发就更少了。 1 2 本课题主要研究内容 本论文在从全局出发，把发动机、液力变矩器和机械传动系统视为一个有 机联系的整体进行研究，重点研究柴油机与液力传动系统的匹配，并在此基础 上对匹配进行了优化。在方法上，采用计算机模拟计算方法对整车牵引特性进 行预测，从而通过分析车辆的动力性和燃油经济性来评价和分析液力传动车辆 发动机与液力传动系匹配的合理性。并从充分发挥发动机动力性能的角度出 发，对发动机与液力变矩器的合理匹配进行了优化计算。 本论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 建立液力传动车辆动力传动系统的数学模型。这些模型包括发动机性 能特性数学模型、液力变矩器性能特性的数学模型、机械传动系数学模型等。 ( 2 ) 确立发动机与液力变矩器共同工作特性的计算方法。 ( 3 ) 确立液力传动车辆牵引特性的模拟计算方法。 ( 4 ) 确立发动机与液力变矩器的匹配优化计算方法 ( 5 ) 采用可视化v i s u a lb a s i c 编程语言设计优化匹配系统。 。 ( 6 ) 用实车对优化匹配软件进行验证和调试后应用于实践，为企业解决实 际问题。 1 3 本课题研究的目的与意义 一些商用车尤其是工程机械( 如推土机，挖掘机，装载机) 通常以柴油机 为动力源。由于柴油机的扭矩适应系数小，难以适应工程机械的外载荷频繁变 化的要求；或者长时间在负荷不足的工况下工作，降低了发动机的功率利用率。 当采用液力变矩器形成液力机械传动后，能使工程机械获得较好的牵引性能， 对载荷的波动有自动适应性，能减少振动和冲击，避免发动机熄火，实现无级 3 山东理工大学硕士学位论文第一荦绪论 变速，减少换档次数，从而充分利用发动机功率。但液力变矩器与柴油机的匹 配是否合理对其各自性能的发挥及车辆的动力性、燃油经济性和整机性能均具 有重要的影响。因此动力性与燃料经济性的好坏，在很大程度上取决于车辆的 动力传动系统合理匹配的程度。发动机、传动系统作为车辆的动力及传动装置， 一直是研发工程师们为提高整车动力性、降低油耗而倍加注目的研究环节。提 高车辆的动力性而又降低车辆的油耗，从而达到既提高车辆的运输效率又省能 源，更是现时代人们期望的目标。工程师们早已认识到，除发动机本身特性外， 这两者之间的合理匹配，对车辆的动力性和燃油经济性有极大的影响，是提高 车辆运输效率、降低车辆燃油消耗的重要措施之一1 2 1 。 过去对传动系的匹配，由于受客观条件( 如测试手段和计算工具) 的制约， 一直采用定性分析和简单的定量计算，靠大量的试验资料和反复测试的结果进 行设计。在传统的设计中，为确定传动系参数，首先要根据设计者的经验和车 辆在某些极限行驶状况下的动力性要求来选择集中方案进行设计、试制、试验， 然后通过实验结果的对比，修改设计方案，然后再试制、再试验的方法。这种 手段投入成本大，设计周期长，因此设计者因受时间和经费的限制，往往采用 参照法甚至是凭经验决定动力传动系韵匹配，其结果往往是虽能满足基本性能 的要求，但是发动机和传动系的匹配却不合理，没有充分发挥其性能指标反而 增加了燃料消耗，加速了发动机的磨损。降低了发动机的使用寿命，恶化了发 动机排放指标。现在，通过对发动机与传动系的匹配仿真计算，使车辆产品在 开发前，就能做到预测车辆的性能、指导产品的设计和生产。与传统设计方法 相比，不仅可以节约大量的人力、物力，缩短设计周期，还可以明显提高设计 质量，保证所设计的车辆具有优良的性能。 实际统计分析结果显示目前液力传动商用车虽普遍采用效率高燃油经济 性好的的柴油机但使用工况多是远离其理想的工作区域，未能实现柴油机和液 力传动系统的最佳匹配。因此，通过优化柴油机和液力机械传动系统的匹配来 提高车辆作业性能、降低燃油消耗、减少排气污染具有较大的潜力。由于匹配 的过程涉及到很多方面的因素，如果采用手工计算，则非常繁琐。同时随着经 济社会发展，对排放的规定越来越严格，对车辆的性能要求提高。这就意味着 许多厂家产品的现有发动机已不能满足国内外市场的需求，更换排放、经济、 动力性能更加优越的发动机势在必行。但是在不改变原车基本参数的基础上进 行发动机的合理选型，单靠经验难以选到最合适的发动机。依靠实验又会受到 上述弊端的制约。因此研究开发柴油机与液力机械传动系统优化匹配的模拟计 算软件，无论对于提高液力传动车辆开发效率还是对于快速实现发动机的合理 选型都具有相当重要的现实意义。 4 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 本章小结 通过对国内外关于匹配软件的研究现状的描述，了解了关于匹配软件现阶 段的发展状况，以及本课题研究的主要内容和研究的目的意义。 5 山东理工大学硕士学位论文 第二章发动机与液力变矩器传动系统匹配数学模型的建立及优化设计 第二章发动机与液力变矩器传动系统匹配数学模型的建立及 优化设计 车辆在接入液力变矩器后的输出特性与发动机的输出特性有明显的不同，这主要 是由液力变矩器的特性决定的。在车辆的液力传动系统中，常把发动机串联液力变矩 器后形成的系统看作一个统一的动力源，这时变矩器所输出特性的好坏则取决于发动 机与液力变矩器的匹配如何。因此发动机与液力传动系的优化匹配计算，必须建立在 对液力传动车辆各部件参数精确计算的基础之上。这样才能使发动机与液力传动系匹 配的模拟计算尽可能的符合实际情况，才能对匹配作出评价和优化设计。 2 1 优化及其匹配的原理概述 液力传动车辆的性能不仅与所用的发动机、液力变矩器及机械变速箱等的性能有 关，而且与它们之间的匹配恰当与否有关。其中当发动机与液力变矩器组合后，可视 为一种新的动力装置，其输出特性的好坏对整机的性能有重大的影响，其两者的匹配 是进行液力传动车辆牵引特性计算的基础。发动机与液力传动系的匹配涉及到各部件 之间的各种特性曲线。两者匹配程度的好坏取决于发动机与液力变矩器共同工作范围 的大小及其所处的发动机工作区段的位置。 其中，发动机外特性曲线、液力变矩器原始特性曲线的数学描述是研究发动机与 液力变矩器匹配的基础。牵引特性曲线则体现了液力传动车辆的动力性和燃油经济性 等整车性能。 为了获得较大的输出功率，提高车辆的平均行驶速度或作业生产效率，在液力变 矩器的整个工作范围( 或高效范围) 内因能充分利用发动机的最大有效功率，即希望 液力变矩器的高效范围处于发动机最大功率点附近。 为了使车辆具有良好的经济性，希望液力变矩器与发动机共同工作范围处于发动 机比燃油消耗量的最低处。 为了使车辆在起步时获得大转矩，低转速工况的负荷抛物线最好通过发动机最大 转矩点附近。 6 2 2 发动机性能特性的数学模型 发动机性能特性数学模型是车辆动力性、燃料经济性模拟计算的重要依 据。发动机性能特性数学模型主要用发动机使用外特性曲线。描述发动机性能 特性的方法有三种【3 1 。 ( 1 ) 数学模型描述法，使用混合气浓度、点火正时、转速、油门位置参数 来描述发动机的特性。 ( 2 ) 经验公式法，如己知乙，p ，以。情况下，则发动机转矩外特性中的 一万。曲线数学表达式为： t ；l 一岳g 。一) 2 ( 2 1 ) 协p 一，l 。j 式中 1 m 一一发动机的最大有效转矩( n m ) ； p 一一发动机最大功率对应的转矩( n m ) ； 刀m 一一发动机最大有效转矩对应的转速( r m i n ) ； 仃p 一一发动机最大功率对应的转速( r m i n ) 。【4 l 发动机单位时间内的油耗量可表示为： q = ，l 。【g 似+ ，o t ) 圪 ( 2 2 ) 式中 u f 一一发动机每分钟消耗的燃油量( k g m i n ) ； 一一发动机怠速时的单位排量( m l ) ； 7 。一一发动机单位排量单位转速每转燃油消耗量提高系数； y 一一一发动机的排量( m l ) 。 上述经验公式描述法简单方便，但精度不够理想。因此，它常用于缺乏发 动机试验数据的场合。 ( 3 ) 试验数据描述法，这种方法将发动机稳态台架试验数据存入计算机， 以曲线拟合或插值方法提取所需的发动机数据。本文采用三次样条函数插值的 方法，该方法具有比较灵活、计算机处理方便、数据精度高的优点，限于发动 机测试技术，目前还主要是利用稳态工况下的发动机特性试验数据近似代替非 稳定工况下的发动机瞬态特性数据。 7 山东理工大学硕士学位论文第二章发动机与液力变矩器传动系统匹配数学模型的建立及优化设计 2 2 1 发动机外特性区段净扭矩数学特性 发动机性能特性数学模型主要使用发动机的使用外特性来描述。即使用发 动机的净转矩、净功率和油耗等参数随着发动机的转速的变化来建立其数学模 型。 发动机外特性区段的净转矩为： m d m 。一m ，一m 譬 ( 2 3 ) 式中m d 一一发动机输出的净转矩( n m ) ； m 。一一发动机发出的转矩( n m ) ； m ，一一发动机所携带附件消耗的转矩之和( n m ) ； 肘。一一发动机辅助机构液压油泵消耗的转矩之和( n m ) 。 其中发动机的附件包括风扇、发电机、消声器和水箱等，其消耗的功率约为发 动机功率的l o 【5 1 ，其转矩消耗可有下式计算： 即蜕9 等时 浯4 ， 式中 胡一一发动机的额定功率( k w ) ； 厅胡一一发动机的额定转速( r m i n ) ； 万。一一发动机的实际转速( r m i n ) 。 而发动机辅助机构，如变速箱操作油泵、转向油泵等的功率损失可由油泵 特性数据计算求得，其转矩损失可有下式计算拍1 ： m 。丝兰丝 ( 2 5 ) 6 咒亡 式中。一一发动机辅助机构的功率损失( k w ) 。 2 2 2 发动机调速特性区段净扭矩数学模型 发动机调速特性区段净转矩与转速的关系可近似的描述为一条直线，其关 系式为1 7 1 即嬲卜n 咄罢老考一鲁】 6 ， 式中 忍一一发动机的最大转速( r m i n ) 。 8 山东理工大学硕士学位论文第二苹发动机与液力变矩器传动系统匹配数学模型的建立及优化设计 在发动机的台架试验中，可以得到一组发动机转速与转矩、油耗和功率的 试验数据，利用这些数据对于转矩和油耗在发动机的外特性区段采用三次样条 函数插值法拟合出函数来描述实验数据，并由公式2 3 求得净转矩；在调速特 性区段，净转矩与转速采用公式2 6 描述其两者关系，转速与油耗的关系采 用线性最小二乘法拟合出两者的函数关系。输出净功率只的变化可由公式： 只；妄乒来描述。嗍 2 3 液力变矩器性能特性数学模型 液力变矩器的原始特性曲线能够确切的表示一系列不同转速、不同尺寸而 几何相似的液力变矩器的基本特性，而且根据原始特性，可以通过计算的方法 获得在此系列中任一液力变矩器的外特性或通用特性。根据液力变矩的相似原 理，对于几何相似( 有关尺寸成比例) 、运动相似( 相同的液力变矩器的工况 f = 以丁) 、动力相似( 液流的雷诺数相等) 的一系列变矩器存在如下关系：一 f i 曰。击吒 7 ， 卜r 一_ 5 _ ；吾专z - 2 矗( f ) 式中 口一一泵轮转矩系数( m i n 2 ( m r 2 ) ) ； r 一一涡轮转矩系数( m i n 2 ( m r 2 ) ) ； d 一一工作油的密度( k g m 3 ) ； d 一一变矩器的有效直径( m ) ； n 曰一一泵轮的转速( r m i n ) ； g 一一重力加速度( m s 2 ) 。 同一类型而且几何相似的液力变矩器，在尺寸不同的情况下，有相同的 九= 凡( f ) 和= 疗( f ) ，这些曲线能够本质的反映某系列液力变矩器的性能，因 此被称为液力变矩器的原始特性。【9 1 根据液力变矩器的原始特性，可以派生出两个表示液力变矩器性能的重要 无因次特性，即变矩比k 和效率，7 。其中液力变矩器的变矩比和效率分别为 k = 鲁= 一鲁2g o ) 、，7 = 酱2 k f 两者均为变速比f 的函数。液力变矩 9 山东理工大学硕士学位论文 第二章发动机与液力变矩器传动系统匹配数学模型的建立及优化设计 器的性能特性可用泵轮的变矩系数九、变矩比七、效率，7 随转速比f 的变化曲 线来描述。即： h = 厂q ) k g f ，f ) ( 2 8 ) l 刁一 r f ) 在液力变矩器的原始特性图上采集数据点，用三次样条函数插值法拟合出函数 来描述三条曲线。其拟合的精度由节点个数和位置的选择决定。 2 4 发动机与液力变矩器匹配的输入特性数学模型 发动机与液力变矩器共同工作的输入特性是指在不同的液力变矩器的转 速比时，液力变矩器与发动机共同工作的转矩和转速的变化特性。它是研究它 们匹配的基础，也是研究共同工作输入特性的基础。液力变矩器施加于发动机 的负荷性能完全有泵轮的转矩变化特性决定： 毛= 昭九，l 丑2 d 5 ( 2 9 ) 式中瓦一一泵轮转矩( n m ) ； p 一一工作油密度( k g m 3 ) ； g 一一重力加速度( m s 2 ) ； 九一一泵轮转矩系数( 1 i i i n 2 ( m r 2 ) ) ； 以口一一泵轮转速( r m i n ) ； “ d 一一泵轮的有效直径( m ) 。 对于给定的液力变矩器，p 、g 、d 为常数，在转速比确定的条件下，泵 轮转矩系数入b 也可唯一确定。当转速比i 不同时，一个液力变矩器可得到一组 泵轮负荷抛物线。当液力变矩器与发动机共同工作时，对于每一个转速比，其 对应的泵轮转矩抛物线必定与发动机的使用外特性曲线有一个交点，这个交点 即为发动机使用外特性上发动机与液力变矩器的共同工作稳定点。 发动机与液力变矩器共同工作点的确定是发动机与液力传动车辆动力传 动系统匹配计算的关键，是计算发动机与液力变矩器共同工作输出特性的基 础。确定共同工作点，就是在一定的工况下，求解发动机转矩特性曲线与液力 变矩器泵轮负荷抛物线的交点。在求解两曲线的交点时，由于采用三次样条曲 线插值法得到的发动机与液力变矩器的精度不同，可能得不到所希望的计算 1 0 山东理工大学硕士学位论文第二章发动机与液力变矩器传动系统匹配数学模型的建立及优化设计 值。所以在求解过程中，给定精度e 利用方程组【1 0 】： p d 一毛s e ( 2 _ 1 0 ) 【咒口2 咒e 进行求解 评价液力变矩器与发动机共同工作的输入特性，不仅考虑共同工作范围 的大小，还考虑共同工作范围在发动机全部工作范围中的理想位置。 2 5 发动机与液力变矩器匹配的输出特性数学模型 发动机与液力变矩器共同工作的输出特性是指液力变矩器输出转矩、输出 功率和发动机的油耗与涡轮转速之间的关系。根据下列公式可计算出输出特性 【1 l l ： 厅r 。f 万口 写ak 瓦 b 川坦 l 9 5 4 9 以上式中万r 一涡轮的输出转速( r m i n ) ； ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 耳一涡轮的输出转矩( n m ) ； b 一涡轮的输出功率( k w ) 。 为使车辆获得良好的牵引特性和燃料经济性，希望共同工作的输出特性： ( 1 ) 在发动机外特性时，共同工作的输出特性在高效区工作范围内，应保 证获得最高的平均输出功率。 ( 2 ) 在共同工作的高效区范围内，应有较低的平均耗油量。 ( 3 ) 在起动工况下( ，l 丁= d ) 的起动转矩，越大越好。 当发动机功率一定时，共同工作输出特性的好坏，取决于发动机调速器型 式、液力变矩器的尺寸和原始特性及共同工作的输入特性。首先，由于透穿性 不同，共同工作的输出特性也不相同，最明显的特性是输出特性的高效率工作 范围不同。不透穿的液力变矩器的平均输出功率较大，高效范围中等，发动机 的工况大致是不变的。正透穿的液力变矩器的高效率工作区最大，机械变速箱 的档数可以减少，简化机构，或在相同的排挡数目下，增加传动系统的平均效 山东理工大学硕士学位论文第二章发动机与液力变矩器传动系统匹配数学模型的建立及优化设计 率。负透穿的液力变矩器的高效区范围窄，平均输出功率低，因而在车辆上不 宜使用。其次，具有不同有效直径的液力变矩器，同样会影响到共同工作的输 出特性。 2 6 液力传动车辆牵引特性的数学模型 在机械的设计过程中，牵引特性被广泛的用来研究和检查发动机、传动系 等工作装置各参数之间匹配的合理性。在比较同一车型设计方案的动力性和经 济性的技术参数中，牵引特性则成为一种重要手段。 液力传动车辆的牵引特性就是根据整车参数、传动系参数、滑转率参数和 发动机与液力变矩共同工作的输出特性参数，对应于机械变速箱的每一个挡 位，计算理论行驶速度y 、牵引功率即、牵引效率，7 即和比油耗g 心等参数随 出牵引力斥的变化关系。其计算公式如下【1 2 】： m r f y f 柳。 足= 芷一一m o 盯 y 。d j 7 7 生里掣坚m 即一警 7 聍= 等灯姗 一惫锄伽 以上式中一一机械传动效率； 白一一驱动轮动力半径( m ) ； f ，二某一挡的机械总传动比； 仇一一滑转效率； 肌。一一整车质量( k g ) 。 1 2 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 山东理工大学硕士学位论文第二章发动机与液力变矩器传动系统匹配数学模型的建立及优化设计 2 7 对发动机与液力变矩器及传动系优化设计 液力传动车辆动力传动系最优匹配的评价指标是建立优化目标函数，进行 参数优化的基础。根据优化匹配的问题建立不同评价指标。 2 7 1 发动机与液力变矩器匹配的评价指标 发动机与液力变矩器组合后，可以视为新的动力源，其特性不同于单纯的 发动机特性，与两者之间的匹配程度有极大的关系，即使一台具有良好性能的 发动机，如果与液力变矩器匹配不合理，也不能充分发挥发动机的性能。因而 二者有一个最佳匹配的问题。 发动机与液力变矩器的优化匹配是液力传动系统优化匹配的基础，在很大 程度上决定了传动系统的匹配程度。而取决于发动机与液力变矩器共同工作范 围的大小及其所处的发动机工作区段的位置。其共同工作范围的大小，所处的 发动机工作区段的位置主要决定于液力变矩器的能容特性 b = 厂a ) 的形状、液 力变矩器循环圆直径的大小。若液力变矩器的能容特性 b 一厂( f ) 的透穿性小， 则发动机与液力变矩器共同工作的范围就窄：若液力变矩器的能容特性 。一厂( f ) 的透穿性大，则发动机与液力变矩器共同工作的范围就大。当液力变 矩器循环园直径增大时，发动机与液力变矩器共同工作的范围向发动机低转速 区移动；当液力变矩器循环圆直径减小时，发动机与液力变矩器共同工作的范 围向发动机高转速区移动【1 3 1 。 发动机与液力变矩器共同工作区域发生变化，影响他们共同工作的性能。 最理想的匹配是，液力变矩器与发动机工作时，利用发动机工作区段满足车辆 的行驶或工作要求。发动机与液力变矩器的匹配是一个很复杂的问题，根据用 途不同，有许多不同的评价指标和计算方法。因此，目前还没有一个统一的标 准，但一般认为合理匹配应满足下面几项要求【1 4 】： 1 、为了获得较大的输出功率，提高车辆的平均行驶速度或作业生产效 率，在液力变矩器的整个工作范围( 或高效范围内) 内，应能充分 利用发动机的最大有效功率，即希望液力变矩器的高效范围处于发 动机最大功率点附近。如图3 1 中曲线所示。使车辆获得最大的 平均速度或最高的作业生产率 2 、为了使车辆具有良好的经济性，希望液力变矩器与发动机共同工作 范围处于发动机比燃油消耗量的最低处。如图3 一l 中曲线所示。 1 3 山东理工大学硕士学位论文第二章发动机与液力变矩器传动系统匹配数学模型的建立及优化设计 使车辆具有良好的经济性。 3 、为了使车辆在起步时获得最大转矩，低转速比工况的负荷抛物线最 好通过发动机最大转矩点附近。如图3 1 中曲线所示。使车辆获 得良好的加速性能、起动性能，并获得最大的牵引力和铲掘力。 图3 1 发动机与液力变矩器的理想匹配 实际上，同时满足上述三点是很难的。因此，在具体研究液力变矩器与发动 机匹配时，应根据不同车辆类型的特点，综合各方面情况进行分析。 将发动机与液力变矩器组合后视为一种新的原动机。 定义输出功率损失率【1 4 1 7 陌。丝；：二壶竺： 弦 7 ，。下8 1 厂一 “以纠 式中：户一一理想等功率发动机发出的功率， b 一一发动机与液力变矩器组合后的输出功率， 乃一一液力变矩器涡轮输出转矩， 刀咒r ：一一液力变矩器涡轮输出转速范围， 它表示了新的原动机动力特性与理想等功率发动机动力特性的差距。7 即 越小越好。理想等功率发动机应能在所有转速下发出最大功率取液力变矩器的 整个工作范围刀r 。= o 疗，：= 以r 。在转矩转速图中，新的原动机的输出转矩与横 坐标所谓的面积为r 耳如r ，即为弓； h 。生：2 二壶翌： 2 。，h 2 1 - 2 了_ “吃w 1 4 山东理工大学硕士学位论文第二章发动机与液力变矩器传动系统匹配数学模型的建立及优化设计 动力性发挥程度的评价指标：设所考虑的液力传动车辆的传动系统由液力 变矩器配一个n 档的机械变速器组合而成，此时第j 档车辆的驱动力f 与速度v 的关系如下 f ；堡盘旦翌( 2 2 1 ) 丘 y 。o 3 7 7 盟 z d l j ( 2 2 2 ) 理想的特性应使发动机在任何车速下都能发出最大功率，这种具有理想特 性车辆的传动比f 暑应随着车速y 按下式规律变化1 6 1 ： f g i0 3 7 7 号 因此理想特性的驱动力f 为： f ：o 3 7 7 互竺鲤上 y 式中，耳一一发动机在最大功率点时的转矩， 刀p 一一发动机在最大功率点时的转速。 2 7 2 影响共同工作点的因素 订 6 ， 图3 2 柴油机油门对共同工作范围的影响 ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 1 )发动机油门发生变化。如图3 2 所示：a b c c 为油门全开时与变矩器的 1 5 山东理工大学硕士学位论文第二章发动机与液力变矩器传动系统匹配数学模型的建立及优化设计 匹配，匹配点为1 、2 a b b 为油门关小时与变矩器的匹配，匹配点为3 、4 a a 为油门再减小时与变矩器的匹配，匹配点为5 、6 、7 所有匹配点位于曲线多边 形e f a b c c 内。 ( 2 ) 发动机同时驱动其它工作装置使功率发生变化。如图3 3 所示：曲线 a b 为柴油机输出总扭矩，曲线c d 是扣除变矩器油泵和油管液阻消耗的扭矩后， 柴油机输出到变矩器的有效力矩，曲线e f 为扣除工作油泵消耗的扭矩后输入 到变矩器的扭矩，此时柴油机还驱动其它工作机构。f 1 7 1 图3 3 发动机输出扭矩与液力变矩器的匹配 2 7 3 发动机与液力变矩器匹配及液力传动车辆动力传递系统优化 利用最优化方法通过建立发动机与液力变矩器的匹配优化的数学模型来 做到对匹配系统各参数的优化计算是实现发动机与液力变矩器优化匹配的重 要途径。但发动机与液力变矩器匹配的优化目标函数随不同机型及用途而异。 对于工程机械而言，为了追求充分利用发动机功率和扭矩和考虑到变矩器经常 工作的范围，应使液力变矩器最高效率工况下的负荷抛物线与发动机的外特性 曲线交于额定扭矩点或者最大功率点附近。根据这种观点，用涡轮轴上的最大 平均输出功率系数作为动力性好坏的评价标准。功率输出系数为【埔j ： 西。= 孕 ( 2 2 5 ) 口 式中 一一涡轮轴上的平均输出功率： e 一一发动机的额定功率。 当液力变矩器形状一定时，发动机与液力变矩器共同工作输出特性曲线的 形状主要受液力变矩器的有效直径和发动机与液力变矩器之间的中间传动比 1 6 山东理工大学硕士学位论文第二章发动机与液力变矩器传动系统匹配数学模型的建立及优化设计 的影响。如图4 所示：发动机与液力变矩器之间安装中间传动，发动机输出 扭矩和速度均变化，即当乙 1 时m = m 酊宰，7 ，l = 以。，扭矩曲线向左上方移 动，负载抛物线向右下方移动，共同工作范围相应地向右方移动；当 l 时 则反之。因此通过优化中间传动比，可使匹配达到预期要求呻1 。 图4 不同中间传动比时，共同工作范围的变化 确立目标函数为【加】 = 志z k 乙眺 ( 2 2 6 ) 设计变量为： x = ，d 约束条件为： ( 1 ) 边界约束条件，即设计变量的值域： 乙 o ， 一d 0 ( 2 ) 性态约束条件，即设计变量之间的相互约束： = 0( 2 2 7 ) 式中，7 一一中间传动效率。 ( 3 ) 共同工作约束条件 毛；乏宰，一又因毛一j d g 砧疗；d 5 ，故目标函数可化为： 九2 去z 融诚 2 8 ， 其中液力机械传动系统区间优化在整车动力传动系统中具有重要意义。取 山东理工大学硕士学位论文第二章发动机与液力变矩器传动系统匹配数学模型的建立及优化设计 设计变量x 一【d ，q ，i 。】，其中d 为液力变矩器工作圆直径；g 为按等比级数分配 辅助变速器各档数比的公比；f 。为主减速比【2 1 1 ， ( 1 ) 目标函数 m 嬲甜l 一硼( x d ) m a 删2 = 们( x 。) m a 删3 = 山) ( 2 ) 约束条件f ) 川p ， ) ，7q ) sc ( 2 2 9 ) 在预先优化的过程中除了考虑以上约束条件外，好要考虑最高车速约束， 最大牵引力约束，最低转速约束，保证变矩器在高效区工作的约束，变矩器速 比分配规律的约束。 最高车速约束作为设计变量的前进最高档传动比以- 1 应满足设计提出的 最高车速要求： o 3 7 7 掣“一 ( 2 3 0 ) 暑o 。七 式中，n f 一一一变矩器高效区终点对应的涡轮转速， “一一一设计提出的最高车速 最大牵引力的约束，前进最低档的传动比应满足设计提出的最大牵引力 的要求。 玉墨生，懈 ( 2 3 1 ) ，七 式中，写一一一涡轮失速工况下涡轮输出转矩， ，一一要求的最大牵引力 最低转速的约束，在失速工况时，变矩器的负荷抛物线与发动机输入到变 矩器的净外特性的交点的转速，l 晌应比发动机最大转矩对应转速达1 0 0 ，l l i l i 。行肘+ 1 0 0 ( 2 3 2 ) 变矩器在高效区工作的约束，在额定工况时，变矩器的效率不应小于设计 要求的最低效率7 却晌，变矩器速比分配规律的约定1 4s 警s 1 8 。 z 1 所设计的软件具有数据的提取和存储功能，将发动机与液力变矩器的共同 工作特性曲线上的数据存入数据库，然后利用程序设计，求得发动机与液力变 矩器工作最优点的数据，根据不同的工作要求对中间传动比进行区间优化。 1 8 山东理工大学硕士学位论文第二章发动机与液力变矩器传动系统匹配数学模型的建立及优化设计 2 8 本章小结 本章着眼于建立液力传动车辆匹配计算的各种数学模型和探讨柴油机与 液力变矩器的合理匹配影响因素及优化方法。通过理论分析，对传动系统各部 分性能特性以及各者之间的匹配特性等建立一整套数学模型，从而为计算机的 模拟计算创造必要的条件。这些模型包括：发动机性能特性、液力变矩器性能 特性、发动机与液力变矩器共同工作特性和液力传动车辆牵引特性计算等数学 模型。同时分析了影响发动机与液力变矩器匹配的因素，提出了优化方法，为 利用计算机实现优化奠定了理论基础。 1 9 山东理工大学硕士学位论文第三章发动机与液力变矩器传动系统匹配优化软件的设计 第三章发动机与液力机械传动系统优化匹配软件的设计 3 1 程序语言 s u a lb a s i c ( 简称为v b ) 是m i c r o s o f t 公司为开发w i n d o w s 应用程序而 提供的强有力的开发工具。s u a lb a s i c 提供了各种常有功能，如界面设计、 计算与绘图、网络通信、数据访问和i n t e f n e t 访问等，是开发w i n d o w s 应用程 序的理想工具f 1 9 1 。 v i s u a lb a s i c 中的“v i s u a l ”是指开发图形用户界面( g u i ，g r a p h i c a lu s e r i n t e r f a c e ) 的方法。v i s u a l 的意思是“可视的 ，也就是直观的编程方法。在 s u a lb a s i c 中引入了控件的概念，各种各样的按钮、文本况、选择框等。v i s u a l b a s i c 把这些控件模式化，并且每个控件都由若干属性来控制其外观、工作方 法。这样，采用v i s u a l 方法无需编写大量的代码去描述界面元素外观和位置， 而只要把预先建立的控件加至l j 屏幕上即可。就像使用画图之类的绘图程序来画 图一样【拼。 “b a s i c ”是指b a s i c ( b e g i n n e r sa l l p u r p o s es y m b o l i ci n s t r u c t i o nc o d e ) 语 言，一种在计算技术发展史上应用的最广泛的语言。v i s u a lb a s i c 在原有b a s i c 语言的基础上进一步发展，至今包含了数百条语句、函数及关键词，其中很多 和w i n d o w sg u i 有直接联系。专业人员可以用v b 是线其他任何w i n d o w s 编 程语言功能。因此我们采用v i s u a lb a s i c 作为我们程序设计的主要程序设计语 言【2 3 l 。， 3 2 优化匹配软件实现功能 软件以输入的发动机实验数据，液力变矩器原始特性数据和整车的各部件 参数为计算的依据来进行发动机与液力变矩器的共同工作特性、牵引特性计 算、优化匹配计算等，其结果能以图形或数表的形式显示出来。所以软件主要 实现以下功能： ( 1 ) 具有数据输入和绘制图形的功能。即利用输入的发动机和液力变矩器 特性参数可以快速绘制出汽车发动机的外特性曲线及液力变矩器的原始特性 曲线【2