发动机与液力变矩器动力匹配实例ppt课件.ppt

一 动力匹配的用途1 研究变矩器与柴油机共同工作的目的在于检查变矩器的型式与有效直径的选择是否合适 如何配合才能使整机获得良好的性能 一台装有变矩器的运输车辆或工程机械 其性能的好坏并不单纯决定于液力变矩器的性能 它既与车辆的柴油机 机械传动和行驶装置等本身的性能有关 又与和它们之间匹配的是否合理有关 2 车辆的牵引性能和经济性 在很大程度上取决于柴油机与变矩器的配合 3 确定液力机械传动系统中变速箱的排挡数目 车辆上安装的液力变矩器其工作条件是复杂的 对它的力矩要求和转速要求也是多样的 液力变矩器特性曲线工作范围的宽度 将影响液力机械传动系统中变速箱的排挡数目 1 二 动力匹配研究的对象和已知条件1 发动机性能参数定义 发动机的主要性能指标有动力性指标 有效转矩 有效功率 转速等 经济性指标 燃油消耗率 运转性能指标 排气品质 噪声和启动性能等 1 有效转矩发动机通过飞轮对外输出的转矩称为有效转矩 以Te表示 单位N m 有效转矩与外界施加于发动机曲轴上的阻力矩相平衡 2 有效功率发动机通过飞轮对外输出的功率称为有效功率 用Pe表示 它等于有效转矩与曲轴角速度乘积 发动机产品铭牌上标明的功率及相应转速 称为额定功率和额定转速 2 3 燃油消耗率发动机每发出1kW有效功率 在1h内所消耗的燃油质量 以g为单位 称为燃油消耗率 用be表示 燃油消耗率越低 经济性越好 发动机的性能是随着许多因素而变化的 其变化规律称为发动机特性 4 怠速柴油机的不带负载最低稳定转速 一般称为怠速 5 最高转速柴油机在最大油门下不带负载转速 一般称为最高转速 一般为额定转速的1 07 1 1倍 6 调速率柴油机调速区段的转速范围 调速率计算公式为 调速率 最高转速 额定转速 额定转速 100 3 2 发动机性能参数及性能曲线发动机的性能参数即发动机的速度特性 指发动机的功率 转矩和燃油消耗率三者随曲轴转速变化的规律 这个特性是通过发动机在试验台架上进行试验求得 试验时 先保持一定的发动机节气门开度 同时用测功器对发动机曲轴施加一定的阻力矩 当发动机运转稳定后 即阻力矩与发动机发出的有效转矩相等时 用转速表测出此时的稳定转速n 同时在测功器上测出该转速下发动机有效转矩Te 根据下式计算出有效功率Pe Pe Te n 9550 4 式中 Te 有效转矩 N m n 曲轴转速 r min 燃油消耗率 在上述试验台上测出消耗一定量燃料所经历的时间 用以换算发动机每小时消耗油量B 按下式计算燃油消耗率be be B Pe 103发动机最小燃油消耗率的相应转速一般是介于最大转矩时转速和最大功率时转速之间 5 从上图看 当发动机转速为1500时 发动机曲轴输出扭矩最大 当发动机转速低于1500时 燃油燃烧不良 转速降低 每个工作循环的时间增长 燃烧气体与气缸壁接触时间也增长 因而 转矩变小 转速高于1500转增加时 由于工作循环时间缩短 进气时间变短 气流速度增高 阻力加大 充气量减小 而且摩擦损失也增大 故输出扭矩也减小 当转速达到1900时 有效功率达到最大值 功率是转矩与转速的乘积 在怠速和最大转矩转速范围内 Te和n都是逐渐增加 其乘积也增加 故在此范围内 Pe也随n增加而增加 在最大转矩和最大功率转速范围内 转速n增加 功率Pe虽然增大 但Te却逐渐降低 不过降低较缓慢 Pe增加也缓慢 超过最大功率转速时 n增加 Te下降较快 Pe也逐渐下降 6 3 变矩器液力变矩器的作用 a 使车辆能够自动适应外界载荷的变化 当外界载荷突然增大时 车辆自动地减速 同时自动增大牵引力 以克服增大的外载荷 反之 当外界载荷变小时 自动提高车辆车速 同时 自动减小牵引力 b 提高车辆的使用寿命 变矩器利用液体作为工作介质 故能吸收并消除来自发动机和外载荷的震动与冲击 因而提高了车辆的使用寿命 c 提高车辆的通过性能 液力变矩器可以使车辆以任意小的速度行驶 牵引力可在附着条件容许限度内得到很好地利用 从而提高了车辆的通过性能 7 d 提高了车辆的舒适性 采用液力传动的车辆 起步平稳 并在较大的速度范围内实现无级变速 可以吸收和消除变速行驶时的振动与冲击 从而提高了车辆的舒适性 e 简化了车辆的操纵 因为液力变矩器本身就是一个无级自动变速器 相当于扩大了发动机的动力范围 故变速器的档数可以显著减少 进行动力匹配即变矩器与发动机的匹配计算 必须先了解液力变矩器的特性 液力变矩器的特性包括原始特性 输入特性和输出特性 1 原始特性变矩器的原始特性是研究 1 2 f i 的变化关系 8 匹配中用到的几个参数 1 循环圆直径D 由泵轮 涡轮和导轮组成封闭的环形空间 通常叫做循环圆 它的直径就是循环圆直径 2 变矩系数K 涡轮轴输出力矩与泵轮轴输入力矩之比 即K M2 M1式中 M1 泵轮轴上的输入力矩 M2 涡轮轴上的输出力矩 1 当制动工况时 涡轮停止转动 此时 变矩系数最大 用K0表示 表示液力变矩器启动能力 克服超载能力 3 变矩器的传动效率 9 变矩器的传动效率 即涡轮轴上输出功率与泵轮轴上输入功率之比 N2 N1 M2 n2 M1 n1 K i式中 N1 泵轮轴上的输入功率 N2 涡轮轴上的输出功率 4 变矩器的传动比i涡轮轴输出转速与泵轮轴转速之比 即i n2 n1式中 n1 泵轮轴输入转速 n2 涡轮轴输出转速 10 5 能容表示变矩器传递能量的能力 我国用泵轮力矩系数 1表示变矩器传递能量的能力大小 6 变矩器的原始特性变矩器的原始特性是研究 1 2 f i 的变化关系 泵轮传递力矩的比例常数为 1 涡轮传递力矩的比例常数为 2 它们也被分别叫做泵轮力矩系数和涡轮力矩系数 泵轮力矩和涡轮力矩方程为 M1 1 n12D5M2 2 n12D5泵轮力矩系数 1和涡轮力矩系数 2是在试验台测得数据求得的 11 右图为变矩器特性试验装置 试验时 保持泵轮转速恒定 改变M2 测得M1 n2 再根据上述力矩方程 即可求得 泵轮力矩系数和涡轮力矩系数 用以上测得的M1 M2 n2即可绘制变矩器的外特性曲线 12 在上图 a 中任取一点n2 1n2 可得1M1及2M2 根据力矩方程可得 1 1 1M1 n12D5 1 2 1M2 n12D5 而 i 1n2 n1 这样即得 f i 曲线上两个点 1i 1 1 及 1i 1 2 同样得方法类推 即可得变矩器原始特性曲线 1 2 f i 如图 b 所示 变矩器的原始特性曲线除了给出 1 2 f1 2 i 外 还要绘出K f3 4 i 曲线 如下图 13 具体求法是 有了原始特性 1 2 f1 2 i 即可按如下求得变矩器系数K和变矩器效率 K M2 M1 2 1 f3 i N2 N1 M2n2 M1n1 Ki f4 i 14 7 变矩器的输入特性变矩器的输入特性是研究M1 f n1 的变化关系 输入特性可根据原始特性用力矩计算方程求得 对于给定的液力变矩器 一定的工作液体 给定传动比下 1 D5 常数C 故M1 Cn12M1是随n1变化 通过坐标原点的抛物线 当i变化时 1变化 形成一组泵轮负载抛物线 即变矩器的输入特性曲线 如下图示 15 得到变矩器的输入特性 就可求得变矩器和发动机共同工作时发动机的工作点 装载机发动机飞轮和变矩器泵轮直接连接 则发动机发出力矩Me M1 发动机的飞轮转速ne n1 故M1 f i 就是发动机的负荷特性曲线 16 7 变矩器的输出特性变矩器的输出特性是研究M2 M1 n1 f n2 的变化关系 当发动机油门全开时 则发动机的工作点就是发动机曲轴输出扭矩特性曲线和M1 f n1 曲线的交点A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7各点 如下图 根据变矩器的原始特性和输入特性 即可求得变矩器和发动机共同工作的输入特性 17 参看下页图中 在变矩器原始特性图 a 上假定某一传动比1i 然后找到对应的1 1 1K 1 作出发动机负荷抛物线 即变矩器输入特性 图 b M1 1 1 n12D5和柴油机的速度特性的交点 18 1Me 1ne 故1M1 1Me 1n1 1ne而 1M2 1K 1M1 1K 1Me 1n2 1i 1n1 1i 1ne这时 变矩器的传动效率1 19 这样即得到输出特性M1 M2 n1 f n2 曲线上与1i相对应得一个点 1M1 1n2 1M2 1n2 1n1 1n2 1 1 2 多取几个i值 即可求得输出特性M1 M2 n1 f n2 曲线 8 千转扭矩MBg现在 我国目前多用千转扭矩MBg表示变矩器能容 MBg Mb Nb 1000 2与软件中 104 MBg 104 10002 D5 即变矩器特性参数给出的是 MBg K i 20 三 变矩器与发动机匹配的简单分析研究变矩器和发动机共同工作的目的在于检查变矩器结构型式和有效直径的选择是否合适 如何配合才能使整机获得良好的性能 发动机实际使用时 除带动发动机的辅助装置 风扇 水泵 发电机 空气滤清器 消音器等 外 还须带动整车辅助装置 包括工作装置用油泵 变速泵 转向泵 制动泵 气泵 冷却泵等 故发动机的力矩曲线必须根据装载机的具体使用情况 扣除带动这些装置的力矩确定 对于装载机 由于变矩器和工作装置油泵经常同时工作 21 而工作装置油泵所消耗的功率约占发动机功率的40 60 故确定变矩器的有效直径D时 就不能采用发动机的全功率匹配 否则在牵 22 引工况时 势必引起发动机转速降低 铲斗动作缓慢 发动机功率利用程度降低 作业效率降低 实际上装载机的整个工作过程中 各泵不是处于满负荷工作 因而装载机工作是处于下图阴影线面积区域之中 为兼顾装载机的整个工作过程 则所选变矩器在最高效工况i 的负荷抛物线与全功率匹配交点A扭矩M接近于额定扭矩点 与部分功率匹配扭矩M 的交点B则接近于额定扭矩点的外特性区段 为全面评价变矩器的性能 一般根据变矩器几种典型工况下有关上述性能的指标来评价 几种典型的工况是 启动工况 最高效率工况 高效工作区 23 域 1 启动工况启动工况即i 0的工况 此时的评价参数为 启动变矩系数K0和力矩系数 0 2 最高效率工况 max的工况称为最高效率工况 此时传动比i 变矩系数K 力矩系数 都作为评价指标 3 高效工作区域效率值 不低于给定值 一般是75 80 的区域称为高效工 24 作区域 作为评价指标的参数是高效区的最大变矩系数Kp以及高效区域传动比的范围dp 通常认为高效工作区域范围越宽 dp值越大 最高效率 max值越大 变矩器的性能越好 按右图示 简单分析一下如何配合为好 1 发动机全功率匹配扭矩曲线2 此时不与负荷抛物线相交 发动机只能使用在部分 25 特性和调速特性上 即配合的不好 2 发动机全功率匹配扭矩曲线3 发动机仅能在低转速下工作 此时发动机不能发挥最大功率 为了使两者联合工作的性能良好 在为给定的发动机选择变矩器时 一般使通过调整有效直径来达到 在为给定的变矩器选择发动机时 一般是先画出变矩器的输入特性曲线 按工作需要和机器所需功率选择一个与上述输入特性配合得较好的的发动机特性曲线 结论 对于安装液力变矩器的机器 选择性能比较好的发动机和变矩器固然重要 但更重要的是二者的相互配合 26 下面就FL958G配东风康明斯发动机 杭齿ZL40 50双变 徐州美驰驱动桥的匹配过程作以简单说明 第一步 输入已知参数 27 第二步 输入发动机外特性参数 28 第三步 计算各种扭矩消耗泵所消耗扭矩的计算按下式 M 0 159 排量 压力 变速比 效率 29 30 第四步 输入变矩器原始特性参数 31 32 第五步 变矩器泵轮负载特性参数 33 第六步 发动机与变矩器共同工作的输入特性曲线 34 第七步 共同工作输出特性 下表nb为匹配转速 其它为计算值 Mb 1 nb2D5nt nb iMt Mb K Mt nt Mb nb K i 35 发动机与变矩器共同工作的输出特性曲线 36 到此其实发动机与变矩器的匹配已经完成 下一步工作就是根据匹配后涡轮的输出特性进行牵引计算 这些计算主要包括 各档牵引力 车速计算 最大爬坡能力计算 加速性能分析 1 各档牵引力计算P MT i总 总 rD式中 MT 涡轮输出力矩 i总 总传动比 包括变速箱各档传动比和驱动桥总速比 总 总传动机械效率 37 rD 车轮滚动半径2 各档车速计算V 0 377 nt rD i总式中 nt 涡轮输出转速rD 车轮滚动半径3 牵引功率计算N PV 2704 附着牵引力计算 38 附着牵引力是指附着重量和附着条件决定的牵引力 由下