液力機械傳動車輛起動性能影響因素分析與試驗研究

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(1.北京特種車輛研究所， 北京 100072； 2.車輛傳動國家重點實驗室， 北京 100072)

引言

起動性能是陸用車輛的一項非常重要的評價指標，常用來評價整車的動力性能。液力機械傳動系統目前已廣泛應用于工程車輛、軍用車輛等領域[1]，對影響車輛起動性能的相關因素進行深入研究并提出相應改進策略，具有十分重要的意義。

對于車輛起動性能的影響因素及改進策略，國內學者做了大量的研究工作。文獻[2-5]提出了發動機壓縮比、起動電機功率、起動系統傳動比、起動轉速、起動阻力矩、燃油霧化效果、配氣正時、起動油量修正系數、點火時刻、 蓄電池性能等起動性能影響因素，文獻[4]和文獻[6]提出了進氣預熱、機體加熱、噴入起動液、蓄電池保溫等起動輔助措施。但上述研究主要立足于通過改進發動機的技術狀態來提高整車起動性能，沒有考慮傳動系統各部件對整車起動性能的影響，而對于目前廣泛采用的液力機械傳動車輛而言，傳動系統的功率消耗是影響車輛起動性能的一個重要因素。針對這一現狀，以某型液力機械傳動車輛為研究對象，借助傳動試驗臺模擬發動機起動過程，采用部件級穩態試驗和系統級動態試驗相結合的方法確定傳動系統各部件對車輛起動性能的影響程度。

1 功率流分析與試驗方案設計

1.1 傳動系統功率流分析

液力機械綜合傳動裝置一般由液力變矩器、變速機構、前傳動、匯流排、轉向機構(中小功率一般為液壓轉向機構)、電液自動操縱系統、液壓系統、風扇傳動機構等部件組成，能實現車輛的自動或手動換檔、無級轉向等功能。對于液力機械傳動車輛而言，從發動機輸出的功率傳遞至傳動系統后，功率流一般分為四路，如圖1所示。第一路傳遞至液壓系統的輔助油泵；第二路傳遞至風扇傳動機構；第三路傳遞經液力變矩器傳遞至變速機構；第四路傳遞至轉向泵馬達，以實現車輛轉向。其中，變速分路和轉向分路的功率經匯流排匯流后，經側傳動機構傳遞至主動輪。

圖1 液力機械傳動車輛動力傳遞路線

由于車輛起動過程中擋位處于空擋狀態，方向盤置于零位，因此變速和轉向分路無功率輸出。此外，由于傳動系統為自動變速，沒有主離合器將動力中斷，屬于動力換擋，因此，在發動機起動過程中無法實現發動機和動力的功率流分隔，發動機起動過程中需要同時帶動輔助油泵、液力變矩器泵輪等構件。綜上所述，傳動系統的起動阻力矩來自于與發動機直接相連的部件，這主要包括：輔助油泵、風扇傳動機構、變矩器泵輪、轉向泵。研究傳動系統對車輛起動性能的影響主要是分析研究上述四類部件在發動機起動時的阻力矩分布情況。

1.2 傳動系統起動扭矩試驗方案設計

研究發動機起動過程中傳動系統阻力的實質是弄清傳動系統各部件在發動機起動過程中分消耗的功率值。為此，首先需要對發動機穩態工作條件下傳動系統各部件的輸入轉速和扭矩進行測試。對于各傳動部件而言，此時發動機輸出轉速為定值，從發動機到各傳動部件的傳動比也是固定的，只需測得各傳動部件的輸入扭矩即可。此外，上述數據是在穩態條件下完成測得的試驗數據，缺乏動態過程由于慣性作用導致扭矩增加的試驗數值，因此，有必要在整機上開展動態過程扭矩測試。

總體試驗方案如圖2所示。試驗分為部件級穩態試驗和系統級動態試驗兩種。部件級穩態試驗主要是以傳動部件為測試對象，測試發動機穩態工作條件下傳動系統各直連部件的功率消耗值，實際操作時通過測試傳動部件輸入扭矩將其換算為發動機輸出端的扭矩值。系統級動態試驗主要是以整個傳動系統為測試對象，通過模擬發動機起動過程中的轉速變化情況，測試傳動系統輸入扭矩的變化歷程，而后讀取其瞬態峰值和穩態均值。

圖2 傳動系統起動扭矩試驗方案

鑒于某高速履帶車輛存在低溫起動困難現象，以該車傳動裝置作為研究對象開展試驗研究。該傳動裝置輔助油泵共有5個，且始終與發動機直接相連，分別標記為P1泵、P2泵、P3泵、P4泵、P5泵。風扇傳動機構采用液黏離合器向風扇傳遞來自前傳動的動力。液力變矩器向變速機構傳遞直駛動力。泵馬達機構向轉向分路傳遞動力，發動機起動時轉向泵處于空轉狀態。因此，傳動系統起動扭矩試驗主要是對發動機起動過程中傳動裝置的5個輔助油泵、液黏離合器、液力變矩器、轉向泵進行扭矩測試，在此基礎上通過系統級動態試驗驗證各部件對整個傳動系統起動扭矩的貢獻值。

2 部件級穩態試驗

為保證各傳動部件實測扭矩的可比性，測試前規定試驗用油統一采用10 W-40重負荷動力傳動通用潤滑油，將油溫控制在(100±3) ℃。試驗結果描述時，被試部件輸入轉速和扭矩均轉換為發動機轉速和發動機輸出端扭矩。由于發動機起動后穩態轉速為怠速800 r/min，重點研究800 r/min時各傳動部件的工作扭矩。

2.1 輔助油泵工作扭矩試驗

5個輔助油泵均由前傳動提供動力。其中，P1泵、P2泵和P3泵由同一個直齒輪Z1提供動力，P4泵和P5泵由另一直齒輪Z2提供動力。因此，試驗時從上述兩個直齒輪處直接測量對應油泵的工作扭矩。試驗結果如圖3所示。可以看出，當發動機轉速由800 r/min 逐步上升至1800 r/min時，Z1齒輪端(即P1泵、P2泵、P3泵)的扭矩隨之逐步上升，當發動機轉速位于1800 r/min與2500 r/min之間時，Z1齒輪端扭矩無明顯變化，保持在52.5 N·m左右。Z2齒輪端扭矩隨發動機轉速上升呈線性上升趨勢，但變化幅度較小，在發動機轉速由800 r/min上升至2500 r/min的整個過程中，Z2齒輪端扭矩上升值為0.1 N·m。

圖3 輔助油泵工作扭矩測定結果

2.2 液黏離合器帶排扭矩試驗

液黏離合器是風扇傳動的調速功能部件，發動機工作過程中，液黏離合器分為分離、滑摩和結合三種工作狀態[7]。按照預定控制策略，當發動機冷卻液溫度較低時，風扇處于停止狀態，液黏離合器為分離狀態；當發動機冷卻液溫度上升到一定程度后，液黏離合器進入滑摩狀態，風扇以中速運行；當發動機冷卻液溫度繼續上升到另一設定溫度后，風扇進入高速運轉工況，液黏離合器處于完全結合狀態。顯然，液黏離合器的后兩種工作狀態與風扇負載相關，僅第一種狀態與負載無關。一般情況下，發動機起動是指其冷態起動，這時冷卻液溫度一般達不到風扇工作的溫度下限，因此研究液黏離合器對發動機起動的影響程度主要是測試其分離狀態下的工作扭矩，即帶排扭矩。試驗結果如圖4所示。

圖4 液黏離合器帶排扭矩測定結果

試驗結果表明，在整個發動機轉速范圍內液黏離合器帶排扭矩變化范圍較小，僅為7.5 N·m。發動機轉速800 r/min時液黏離合器帶排扭矩為28 N·m，發動機轉速1100 r/min時液黏離合器帶排扭矩達到峰值29.5 N·m。

2.3 液力變矩器工作扭矩試驗

液力變矩器的工作狀態分為兩種。第一是帶載狀態，由于輸出端的載荷作用，變矩器處于調速過程，速比不同其扭矩不同。第二是空轉狀態，即后端變速機構空擋，液力變矩器渦輪軸無功率輸出，僅為克服自身功率損失的空轉扭矩。在發動機起動過程中，液力變矩器處于第二種工作狀態，但是由于空轉狀態下液力變矩器內油量不確定，此時扭矩測量難度較大。為此，在臺架上對其全充油狀態進行扭矩測定試驗。

設定發動機轉速為2000 r/min，調節渦輪輸出轉速使液力變矩器轉速比滿足0～1的工作范圍，測定每一轉速比狀態下液力變矩器的輸入扭矩。

液力變矩器泵輪輸入扭矩為[8]：

Mb=ρgλn2D5

(1)

式中，Mb為泵輪輸入扭矩(N·m)；ρ為傳動油液密度 (kg/m3)；g為重力加速度(9.8 N/kg)；λ為泵輪扭矩系數(無量綱)；nb為泵輪轉速(r/min)；D為泵輪有效直徑(m)。其中，ρ、g、D均為定值，λ與轉速比為一一對應關系。因此，當轉速比一定時，泵輪輸入扭矩Mb與泵輪轉速nb的關系為：

(2)

式中，c為定值。

在發動機轉速2000 r/min狀態下，測得每一轉速比時泵輪轉速nb和泵輪扭矩Mb，便可由式(2)算得對應的c值。根據不同轉速比對應的c值，可算出發動機轉速800 r/min時液力變矩器泵輪端的工作扭矩。試驗結果如表1所示。

表1 液力變矩器工作扭矩測定結果 N·m

2.4 轉向泵空轉扭矩試驗

試驗方法與輔助油泵工作扭矩測定方法相似。測得發動機轉速800 r/min時轉向泵空轉扭矩為87 N·m。

2.5 試驗結果分析

從試驗結果看，在傳動油溫100 ℃條件下，車輛掛空擋模擬發動機怠速狀態，傳動系統各部件工作扭矩由大到小依次為：液力變矩器工作扭矩144～448 N·m，轉向泵空轉扭矩87 N·m，輔助油泵工作扭矩51.64 N·m，液黏離合器帶排扭矩28 N·m。不考慮液力變矩器的輸出功率，其他部件所需扭矩為166.64 N·m，其中轉向泵和輔助油泵所占比重較大，應針對這兩路功率輸出采用相應的減小扭矩措施。由于P1泵為主泵，其作用是向整個液壓油路供油，可在P1泵后端并聯一個卸荷閥，發動機起動時將卸荷閥打開，P1泵從油箱抽出的液壓油直接返回到油箱，其它油泵無液壓油輸入，齒輪處于無負荷空轉狀態，從而最大限度減小發動機起動時泵組帶來的阻力。若考慮液力變矩器的輸出功率，在液力變矩器全充油工況下，與其他部件相比，其扭矩貢獻值最大，表明進入傳動系統的功率主要經液力變矩器傳遞至變速機構，這正是傳動系統的主要功能，與設計策略一致。

3 系統級動態試驗

3.1 試驗方法

系統級動態試驗的主要內容是以整個傳動系統為研究對象，測量不同油溫條件下發動機起動過程中傳動系統的實時扭矩，重點是瞬態峰值和穩態均值。試驗時輸入轉速的設定需模擬發動機起動過程。發動機起動過程分為兩個階段，第一階段是起動電機帶動發動機飛輪旋轉并達到發動機起動轉速，第二階段是發動機依靠自身輸出扭矩克服后端負載，將輸出轉速提升至怠速轉速。以此為依據，結合試驗條件，確定起動過程中傳動系統扭矩測定試驗方法。

動力傳動設備試驗一般采用交流電機作為驅動裝置，負載可選用水力測功機、電渦流測功機、磁粉制動器、液壓加載器、機械加載器、直流電機或交流電機[9，10]。本次試驗采用交流電機為動力源和加載設備，并根據整車重量配置相應的轉動慣量。試驗分兩種工況進行：第一種是電機提速工況，即空擋狀態下起動電機輸入轉速由0勻速上升至200 r/min，持續時間為5 s；第二種是發動機自行起動工況，即空擋狀態下輸入轉速由0勻速上升至800 r/min，持續時間為5 s。

3.2 試驗結果

分別進行了傳動油溫17 ℃、30 ℃、50 ℃、100 ℃四種狀態下的傳動系統起動扭矩試驗，試驗結果如表2所示。

表2 傳動系統起動扭矩試驗結果 N·m

3.3 試驗結果分析

從試驗結果看，傳動油溫的變化是影響傳動系統起動扭矩的重要因素。在兩種試驗工況下，傳動系統起動扭矩的瞬態峰值和穩態均值隨溫度變化呈非線性變化趨勢，且油溫越低起動扭矩越大。就發動機自行起動工況而言，油溫17 ℃時的起動扭矩為750 N·m，油溫100 ℃時的起動扭矩為300 N·m，前者是后者的2.5倍。

此外，在傳動油溫100 ℃時，傳動系統起動扭矩的穩態均值為160 N·m，而不考慮液力變矩器輸出功率時其他部件的起動扭矩測試結果為166.64 N·m，考慮到測量誤差，兩次試驗結果基本一致。這表明，液力變矩器的空轉功率消耗不是發動機起動過程中的主要影響因素。

4 結論

(1) 對于液力機械傳動車輛而言，車輛起動過程中傳動系統的功率消耗是影響發動機起動效果的重要因素，在進行車輛總體設計時應予以考慮；

(2) 試驗結果表明，傳動油溫的變化和各類油泵的功率消耗是決定傳動系統起動扭矩大小的關鍵因素，通過增加傳動油加溫裝置和卸荷閥等措施可減小傳動系統的起動扭矩；

(3) 部件級穩態試驗和系統級動態試驗相結合的方法，有效解決了基于臺架試驗的傳動部件起動扭矩測量問題，為今后開展車輛起動性能影響因素分析提供了方法支持。

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