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基于液力变速器整体试验的装载机牵引性能设计研究

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Research on design of traction performance for loader-based overall test ofhydrodynamic transmissionJIANG Hui-jin在液力机械传动的工程机械总体设计中,通常根据发动机和液力变矩器的输入特性作共同工作匹配分析,根据液力变矩器的输出特性和变速箱、驱动桥等结构、参数设计整机牵引性能。因装载机均采用动力换挡变速箱,传动损耗较难计算,通常仅计人齿轮的传动效率,或将发动机输出至驱动桥输出的总传动效率取为0.85,影响了整机牵引性能设计的准确性。对于国内装载机上应用最广泛的以双涡轮液力变矩器与前二后-挡位动力换挡行星变速箱组成的液力变速器,因其采用自由轮机构自动控制第-涡轮和第二涡轮的工况,并自动切换各自的不同速比变速箱输入齿轮,更不便于用通常方法进行牵引性能设计。而以液力变速器的整体台架试验数据为基础做整机牵引性能设计,因其试验结果已包含变矩器和变速箱内部的结构、参数,设计误差较小,且简化了设计过程。

1 动力和传动系统发动机选用额定功率162kW、额定转速2200r/rain的国内某增压吸气水冷四冲程柴油机,其额定功率为IFN功率 ,即柴油机性能试验已包括冷却风扇等基本从属辅助装置,所以不再扣除冷却风扇等转矩消耗。

液力变速器为双涡轮变矩器与前二后-挡位行星变速箱装配总成。变速油泵在液力变速器内部驱动,故不另计其转矩消耗。

前后驱动桥均由弧齿锥齿轮主传动、差速器和圆柱直齿齿轮行星传动轮边减速器组成。

2 油泵的消耗转矩装载机工作装置的作业和转向油泵的压力与排量分别为19MPa、lOOml/r和16MPa、63ml/r,油泵效率均为0.85。工作油泵的转速与柴油机输出转速之比为1,转向油泵效率为0.857。

油泵输入转矩为 嚣 (1) 厶 l[收稿日期 ]2012-10-25[通讯地址 ]蒋惠锦,江苏省常州市钟楼区安阳花苑10幢乙单元302室CONSTRUCTION MACHINERY 201 3,3 67HCRAES ERL ACE P S 专题研究l s cH由式 (1),油泵消耗柴油机的转矩为: 旦 f 7 127c , ,,式中 - 油泵输入转矩,Nm;- 油泵工作压力,MPa;油泵排量,ml/r;- - 油泵效率,为0.85;,-油泵消耗柴油机的转矩,Nm;f--油泵转速与柴油机转速之比;叼 --包括油泵效率与柴油机至油泵之间齿轮传动效率的总效率,为0.83。

2.1 直线行驶工况直线行驶工况下,工作装置油泵和转向油泵均处卸荷状态,卸荷压力为1.5MPa,油泵所消耗柴油机转矩共44.29Nm,以此作直线行驶工况下柴油机可供牵引转矩曲线。

2.2 铲掘作业极限工况铲掘作业极限工况指工作装置液压系统和转向液压系统均处于工作压力和流量状态时的直线行驶工况。本机采用工作油泵和转向油泵双泵合流的工作液压系统,该工况下油泵消耗柴油机转矩共529.98Nm,以此作铲掘作业极限工况下柴油机可供牵引转矩曲线。

3 柴油机与液力变速器的匹配以柴油机在各工况下的可供牵引转矩曲线与液力变速器台架试验的输入特性数据作柴油机与液力变速器共同工作曲线,如图1所示。

E毛曩 0.494 O 0.397 0.691- O.789 0.890 0.9661000 l 200 l400 1600 1800 2000 2200 2400转速/(r/min)图I 柴油机与液力变速器共同工作曲线68 建筑机械 2013.3(上半月刊图1中, 为柴油机全负荷转矩曲线, 。为直驶工况下柴油机可供牵引转矩曲线, :为铲掘作业极限工况下柴油机可供牵引转矩曲线;虚线为液力变速器各传动比f的负荷抛物线。上述2种工况之间的柴油机全负荷状态与液力变速器的共同工作范围如图1中阴影线区域。铲掘作业极限工况下的匹配较理想,直线行驶工况下柴油机的可供牵引转矩稍偏大。由于装载机的实际作业工况复杂,牵引阻力波动大,选择具有稍大转矩余量的柴油机与液力变速器的匹配是合理的。

对于与柴油机的匹配,液力变速器同液力变矩器的情况基本相同。

4 行驶阻力装载机的行驶阻力有滚动阻力、坡道阻力和空气阻力。前进-挡和前进二挡的最高设计行驶速度分别为12km/h和37km/h。

滚动阻力P,PjfGcos (3)坡道阻力P,-Gsin (4)式中 P厂-滚动阻力,N;.产-滚动阻力系数 ,根据标准对试验场地的要求,取0.02[ I ;整机重 力 ,N,整机设 计质 量为l6.3t,所以G159.74 X 10。N;- - 坡度角, (。),按标准要求,爬坡行驶工况的坡度角取 20。;P厂-坡度阻力,N。

风阻力 (5)式中 P --风阻力,N; 流线型系数,取0.65[ ,N·S。/m ;. - 迎风面积,为6.88m2;1- 行驶速度,km/h。

平地行驶工况下的总阻力PPlP P (N) (6) 爬坡行驶工况下的总阻力尸1P2Pyi-PwPi(N) (7)由式 (3)~ (7),最大行驶阻力的计算结果如表1所示。计算表明,前进二挡的风阻力接近滚动阻力的l5%,风阻力均未忽略。

表1 最大行驶阻力行驶工况 前进挡位 最大行驶阻力/N- 挡 F113244平地二挡 23667- 挡 157686上坡二挡 。58 1095 液力变速器的输出及整机牵引性能5.1 液力变速器的 输出根据整机型式试验的要求,液力变速器分别进行前进-挡和前进二挡的台架试验,获得其输出转速与输出转矩以及输入功率与输出功率数据,进而得到其传动效率。前进-挡和前进二挡的试验结果分别见图2和图3,图中的传动效率曲线显示双涡轮液力变矩器的曲线中段传动效率有所降低的明显特征。

5.2 牵引性能从液力变速器输出到驱动桥输出的传动效率为叼r/出叼 (8)80。

4O205主 4藁321O输出转速/(r/min)图2 前进-挡输出转矩及效率槲E七K拯羽0 700 1400 21O0 2800 3500输出转速/(r/min)图3 前进二挡输出转矩及效率式中 卵--液力变速器输出到驱动桥输出的传动效率;叼 --液力变速器与前后驱动桥之间的万向节传动轴的传动效率,直线行驶工况取0.98 ;叼 ,-驱动桥传动效率,直线行驶工况下差速器不工作,取0.913]。

则从液力变速器输出到驱动桥输出的传动效率 叼叼出。叼 0.89。

根据驱动桥的传动关系得出整机的牵引速度和牵引力: ×60 (9)F:-M,C-r; (10)式中 、厂 牵引速度,m/h;轮胎的动力半径,为0.75m;n --液力变速器输出转速,r/min;- - 驱动桥的总速比,为22.797;牵引力,N;- - 液力变速器输出转矩,Nm。

代入本机参数得 12.403n,(m/h) (11)F27.052M(N) (12)与,z 和F-Mt均为线性关系。

由图2、图3和式 (i I)、式 (12)得到整机CONSTRUCTION MACHINERY 201 3,3 69专题研究l s cH牵引特性如图4所示。

:n时图4 整机牵 引特性图4中的F :和 。、 线分别是平地前进- 挡、前进二挡和上坡前进-挡、前进二挡行驶工况的最大行驶阻力,其数值见表1。

由前进-挡的牵引特性曲线与平地前进-挡最大行驶阻力 线的交点A得到前进-挡的最大牵引速度为12.02km/h;同理,由交点B得到平地前进二挡的最大牵引速度为38.93km/h,由交点 导到上坡前进-挡的最大牵引速度为5.78km/h。

由前 进-挡 的牵 引特性 曲线与 左侧坐标纵轴 (V0km/h)的交点D得到最大牵引力为141.32kN。因前进二挡的最大牵引力远小于其上坡行驶阻力F ,所以不能在20。坡道上向上行驶,相关标准也只要求装载机挂最低挡测定爬坡能力。

53 传动效率柴油机输出到驱动桥输出的总传动效率叼 叼叼f0.89叼 (13)式中 叼 --总传动效率;叼 - 液力变速器的传动效率。

由图2、图3及 (1 1)、(13),前进-挡下牵引速度范围为3.3 10.6km/h的液力变速器传动效率在65%以上,总传动效率在58%以上;前进二挡下牵引速度在10.3km/h1)2J的液力变速器传动效率70 建筑机械 2013.3(上半月刊在60%以上,总传动效率在53%以上。

6 型式试验结果及分析前进行驶的牵引性能设计值和整机型式试验中有关牵引性能的试验数据如表2。-般不进行上坡工况最大牵引速度和二挡最大牵引力等项试验。

表2 前进行驶牵引性能的结果最大牵引速度 最大牵引力工况 /km/h /kN及挡位 设计值 试验值 设计值 试验值平地-挡 12.02 11.9 141-32 139.95平地二挡 38.93 37.7 上坡-挡 5.78 能上坡行驶 表2中数据表明,设计值与试验值的偏差均在3.3%之内,以液力变速器整体试验数据设计装载机牵引性能的设计偏差较校7 结论(1)基于液力变速器整体台架试验的装载机牵引性能的设计结果与整机型式试验结果的偏差较校(2)本设计方法避开了变矩器的变矩系数、泵轮吸收转矩等变量,避开了变速箱内部的结构、参数的分析计算,避开了多涡轮变矩器的涡轮自动切换情况的分析计算,设计过程简洁。

(3)与以变矩器的高效范围作传动效率评估相比,不同挡位牵引速度下的从柴油机输出到驱动桥输出的总传动效率更接近实际工况而且直观。

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