工程车辆发动机与液力变矩器匹配优化设计

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第 38卷 第 5期2013年 lO月广西大学学报：自然科学版Journal of Guangxi University：Nat Sci EdVol_38 No．50ct．20l3文章编号：1001-7445(2013)05—1047-05工程车辆发动机与液力变矩器匹配优化设计胡仕成，黄红波，郑永锋，田明华(1．中南大学 机电工程学院，湖南 长沙 410083；2．中南大学 高性能复杂制造国家重点实验室，湖南 长沙 410083)摘要：为研究工程车辆发动机与液力变矩器之间的匹配对其动力性能和经济性能的影响，首先对工程车辆工作的不同工况进行分析，建立两种最高功率扭矩点位不同的发动机与液力变矩器的共同工作输入和输出特性的数学模型，并进行分析，优化计算方法；然后以工程车辆的动力性为目标，建立以液力变矩器有效直径为设计变量的发动机与液力变矩器匹配的优化模型，使用 MATLAB进行实例计算，结果表明，优化后工程车辆发动机与液力变矩器的功率匹配在动力性方面提高了3．5％，燃油经济性方面则降低了3．1％。

关键词：工程车辆 ；发动机 ；液力变矩器 ；功率匹配；优化中图分类号：TH243 文献标识码：AOptimization of power matching on torque converterwith engine for engineering vehiclesHU Shi-cheng，HUANG Hong-bo，ZHENG Yong-feng。TIAN Ming-hua(1．School of Mechanical and Electrical Engineering，Central South University，Changsha 410083，China；2．State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing
， Central South University，Changsha 410083，China)Abstract：In order to find out the efect of the match of engineering vehicle motor and torque con—verter on the dynamic performance and economic performance，diferent work conditions of engineer—ing vehicles were analyzed and a mathematical model of cooperating input and output perform ance oftwo engines with different maximum power torque was established and optimized．By setting thedynamic performance of engine of engineering vehicle as a target function and using the efectivediameter of the torque converter as design variab les，an optimization model of engine and torque con—verter is established by using MTLAB software．According to the optimization results
， the dynamicperform ance of the vehicle increased by 3．5％ and fuel economy decreased by 3．1％ 。

Key words：engineering vehicles；engine；torque c0nverter；power matching；optimizati0n0 引 言工程机械通常以柴油机为动力源 ，而柴油发动机的扭矩适应系数较小 ，故难以适应工程机械中外载荷频繁变化的要求?。若选择功率较大的发动机，则会造成发动机长期工作在负载不足的工况下，从而降低了功率利用率。当采用液力机械传动形式后，不仅能改善工程车辆的牵引特性，而且还能提高其对剧烈载荷变化的适应能力，同时亦能减少振动和冲击，避免发动机熄火，实现无级变速，收稿 日期 ：2013-03-08；修订日期：2013-04．15基金项目：国家自然科学基金项目资助(50975290)通讯联系人：胡仕成(1968一)，男，湖南益阳人，中南大学副教授，博士；E．mail：sehenghu###163．corn。

广西大学学报：自然科学版 第 38卷减少换挡次数，提高发动机功率利用率 4。 目前 ，随着国内外对液力变矩器的使用越来越广泛，对其性能的要求也随之提高 ，进而液力变矩器与发动机的匹配问题也成为设计的一大重点。在实际液力传动系统的设计中，相关的匹配理论实际应用很少。本文根据工程车辆发动机与液力变矩器的匹配方法与实际的工况之间的关系，在将工况分成3种典型的工况下，综合各方面的性能，以动力性为目标得出最优解。

1 发动机和液力变矩器的基本特性工程车辆以柴油机为动力源，其速度特性曲线由外特性曲线和调速特性曲线组成，其中外特性曲线可用三次描述，调速特性曲线用直线描述 。

液力变矩器原始特性是指泵轮力矩系数 A、变矩系数量 和效率 随涡轮转速比 i的变化规律，其中A = )、．i}=g(i)、叼=h(i)分别表示变矩器的负载特性、变矩特性和经济特性。发动机与液力变矩器共同工作时，其输入输出特性曲线的拟合方法见文献[9]。图 1是型号为 980C的液力变矩器原始特性拟合曲线图，从图 1中可以看出液力变矩器原始特性之间的关系，为发动机匹配提供数据说明。

f图 1 液力变矩器原始特性拟合曲线Fig．1 Characteristic curves of the torque-converter2 变矩器和发动机匹配的原则① 为了获得良好的起步性能，希望液力变矩器在低速比时的负荷抛物线(特别是 =0时)能通过发动机的最大转矩点。

② 为使工程车辆具有较高的使用效率，希望共同工作范围能充分利用发动机的最大功率，要求综合式液力变矩器最高效率(i一0．75)时的负荷抛物线通过发动机最大功率标定扭矩点。

③ 具有良好的燃油经济性，希望共同工作的范围处于发动机燃油消耗量最低值附近 ¨。

3 匹配方式及数学模型工程车辆作业时发动机除把功率传给变矩器外，同时将部分功率传给其他装置，例如传给工作液压泵、转向液压泵和散热泵等，因此发动机与液力变矩器的匹配就要分情况来考虑。在不同工作状态下，变矩器、转向泵和工作泵的工作情况有很大的不同，根据液压泵的工作情况，分为 3种典型工况? ：①直线行驶工况：当直线行驶时，液力变矩器带动前桥工作，而转向泵及工作泵处于空载状态；②正常联合工况：当工程机械作业和行驶同时进行时，此时变矩器和工作泵同处于工作状态，转向泵处于空载；③极限联合工况：在一定时间内，工程车辆作业处于最高功率即工作泵工作在额定转矩，此时处于联合极限工况。

根据经验，直行工况定义在发动机按全功率匹配时最少扣除 8％ ～12％的范围，正常联合工况功率匹配可扣除30％ ～40％的范围，极限联合工况可根据不同工程车辆作业时对应的极限功率来计算，一般情况定义在发动机按全功率匹配时最少扣除60％ ～70％的范围。

3．1 建立数学模型发动机最大功率标定扭矩点与不同型号发动机所对应的特性曲线有关，我们对两种常用发动机分别作出了分析。负荷抛物线与发动机转矩净特性的交点是最大油门开度时发动机与液力变矩器共同工作的稳定点。

3．1．1 设计变量设计变量为液力变矩器的有效循环圆直径 D，可由下式计算：O 8 6 ≈ 4 2 c； n n 0第 5期 胡仕成等：工程车辆发动机与液力变矩器匹配优化设计 1049D = .

式中：A为液力变矩器泵轮转矩系数；y为工作液体单位体积的重度；／2为泵轮轴上输出转速； 为泵轮轴上输出扭矩。

3．1．2 约束条件第一种情况以CUMMIMS N14一C315发动机为例，该发动机的额定转速为2 100 r／min，其最大功率扭矩点在额定功率扭矩点附近如图2所示，两者匹配时希望液力变矩器在最高效率点下工作，采用保证涡轮轴输出最大平均功率的方法，取对应的A 值，此时按保证发动机和液力变矩器有最大输出功率的匹配方式匹配。若按工况 2匹配，图2中 A2为匹配点，可根据式(1)求出液力变矩器循环圆直径 D1；若按工况3匹配，此时图 1的c1为最佳匹配点，根据式(1)可求出液力变矩器循环圆直径 D2。由于液力变矩器的循环圆直径只能取一个值，故我们通过折中的方式构成 D的边界约束条件，即 D2≤D≤D1。

第二种情况以QSM1 1 FR20042发动机为例，该发动机的额定转速为 2 100 r／min，最大功率扭矩点对应的转速为1 800 r／min，如图3所示。对于这种发动机，首选应求出发动机与变矩器共同工作时输出功率最大值点所对应的液力变矩器循环圆直径D，建立其目标函数：max-厂(X)： D)=M ×N／9550， (2)式中： 为泵轮扭矩，Ⅳ为泵轮转速。

l 000 l 200 1 400 l 600 1 800 2 000 2 200 2400月／(r‘min )图2 第一种发动机与液力变矩器匹配吕己＼ n／(r’min )图3 第二种发动机与液力变矩器匹配Fig．2 The match of first motor and torque converter Fig．3 The match of second motor and torque converter联立式(1)与式(2)，求得循环圆直径 D=0．435 9 m，泵轮转速 n=1 745．6 r／min。此时按第一种发动机匹配的方式，求得相应的D1、D2，从而求出循环圆直径 D的范围。

根据以下三种工况，以优化液力变矩器的循环圆直径为目标，根据已知特性曲线的关系，建立以下约束：① 在正常联合工况下，为使发动机功率有较高的利用程度，泵轮转速不致偏低，应保证在该工况下凡 ／n I>85％(燃油经济性一般在转速中间位置，例如 1 500与 1 800之间，若要以燃油经济性为目标，需保证 ／n 的取值在71．4％与 85．7％之间；然而实际应考虑发动机功率的利用程度，所以取值应大于等于85％为好)。其中，n ：为变矩器最高效率时的负荷抛物线与正常联合工况时发动机转速与扭矩曲线交点的转速(即图2中正常联合工况下发动机与液力变矩器匹配点 B2对应的转速)，n 对于第一种发动机为其额定转速，对于第二种发动机指其最高功率扭矩点的转速。

② 在极限联合工况下，应保证变矩器最高一条负荷抛物线与极限工况下发动机特性曲线的交点所对应的转速 在柴油机最大扭矩的右边或其附近，以避免发动机熄火和大量的废气排放，所以应使1050 广西大学学报：自然科学版 第 38卷凡 。／n ≥1，其中n 为最大扭矩点对应的转速，此时求得的循环圆直径为 D3。

③ 综上，可以得到循环圆直径的范围是 D2≤D≤ rain(D1，D3)。

3．1．3 目标函数建立最优化函数：式中：cl=rain X)= )= D)=m·C。+(1一m)·c ， (3)凡62一n l n 一凡61’ — 。

考虑到工程车辆绝大部分时间处在正常联合作业工况下，因此把优化目标重点放在正常联合作业工况，即C 占的比重大些。为了保证c。与c 在式(3)中所占权重均衡，所以取 m=0．8。对式(3)做化简处理可以得到：rain厂(Y)= Y)= D)=4·n62一n 。。 (4)通过 MATLAB软件编程对式(3)做优化求解，对第二种发动机与液力变矩器的匹配做分析计算，可以求得最优解 D=0．419 3 m。

4 结果与分析优化结果的评价指标一般包含最大输出转矩、高效转速范围、高效动力范围、高效区域平均输出功率和高效区域单位平均油耗等 。当液力变矩器循环圆直径为 D=0．385 3 m时，其原方案正常联合匹配下发动机与液力变矩器共同工作的输出特性曲线如图 4(a)所示。当液力变矩器循环圆直径D=0．419 3时，优化后方案正常联合匹配下发动机与液力变矩器共同工作的输出特性曲线如图4(b)所示。

图4中， 为涡轮轴输出功率，M2为涡轮轴输出扭矩，g为以涡轮轴输出转速为横坐标的燃油消耗率。

蔓2 5002 000吕之 1 500l 000t 50002 5000005000005000n2／(r-rain )(a)优化前n2／(r．min )(b)优化后l601401201100≥ J
806040200≥图4 柴油发动机与液力变矩器共同工作的输出特性F 4 Output character of engine and torque conve~er wor~ng togetherO 0 0 O O 0 0 如 加 ：2
O 0 O O 6 4 2 0 O 0 0 O l l 1 1 8 6 4 2 O 1●I_l1____■____J-ll●J●Il_J____J___●I1l_J S 0 0 O O 0 O O 如 加
第5期 胡仕成等：工程车辆发动机与液力变矩器匹配优化设计 105 1通过对图4优化前后发动机与液力变矩器共同输出特性的数据分析，主要对优化前后高效区涡轮的平均输出功率p和液力变矩器工作在高效区时对应的柴油机的平均油耗率g做比较，验证优化方法的正确性和有效性。将分析结果列于表 1。

表 1 优化前后匹配的比较Tab．1 The comparison of before and after optimizations about the match通过对表 1中的数据进行计算和分析，可以看出在正常联合工况下，优化后比优化前在动力性方面提高了3．5％ ，燃油经济性方面则降低了3．1％。

从以上研究可以看出：发动机与液力变矩器共同工作进行匹配优化设计后，比较全功率匹配动力性方面有了一定的提高，燃油经济性方面得到了一定的降低，实现了动力系统输出的节能性。

以往的文献中往往只介绍了第一种发动机与液力变矩器匹配的情况，而忽略了第二种发动机在工程车辆上的应用，文中综合了两种不同发动机与液力变矩器匹配的共同输出特性曲线，在对优化匹配的方案设计上结合了以往的设计方法，分析工程车辆发动机的不同工况，针对不同发动机与液力变矩器的匹配方式采用不同的匹配优化，实现优化结果的准确性及高效性。最后通过涡轮的输出功率，输出扭矩以及涡轮转速与燃油消耗率的关系，作为衡量匹配效果的标准。通过对比证明了文中所讨论的优化设计方法的有效性和正确性。

5 结 语本研究提供了一种快速有效的发动机与液力变矩器的匹配方式，针对两种最高功率扭矩点位不同的发动机做了理论分析，并结合以往的匹配方式得出一种更为精准的简化理论公式，极大的缩短了优化时间，在很大程度上提高了工作效率。以其中一种为实例进行了优化分析并得出优化结果。该方法在实际应用中不仅可以对设计发动机与液力变矩器提供依据，还可以对已选定的发动机和变矩器匹配进行验证，最后通过评价结果分析匹配的合理性。

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(责任编辑 梁 健)