發動機與液力變矩器匹配研究現狀分析*

尹建閣，楊文斌，雷英棟

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發動機與液力變矩器匹配研究現狀分析*

尹建閣1，楊文斌1，雷英棟2

（1.同濟大學浙江學院 機械與汽車工程系，浙江 嘉興 314051； 2.嘉興職業技術學院 機電與汽車學院，浙江 嘉興 314051）

發動機與液力變矩器的之間的良好匹配可以提高工程車輛的動力性、燃油經濟性以及減少排放。文章通過大量文獻總結了工程機械發動機和液力變矩器匹配研究的基本思路，并從匹配方法、匹配優化、匹配評價等方面對二者匹配的研究現狀進行了綜述和研究展望。

發動機；液力變矩器；匹配；研究現狀

引言

液力機械傳動系統在工程車輛中應用廣泛。該系統由發動機作為動力輸出，動力經過液力變矩器（或液力耦合器）以及機械傳動部件傳遞到驅動輪。當采用液力變矩器后，不能能改善工程車輛的牽引特性，而且還能提高其對劇烈載荷變化的適應能力，同時亦能減少振動和沖擊，避免發動機熄火，實現無級變速。

目前國內各大高校和科研院所針對發動機和液力變矩器的匹配開展了廣泛深入的研究。基本的研究思路是對原始實驗數據整理分析、建立相應的模型、繪制特性曲線、計算或提取有關參數、對整車的動力性和經濟性等進行單一或綜合評價。其中，發動機的特性一般包括“扭矩-轉速特性”、“油耗率-轉速特性”、“功率-轉速特性”；液力變矩器的特性一般包括“變矩器系數-速比特性”、“轉矩系數-速比特性”、“效率-速比特性”。

發動機與液力變矩器共同工作的輸出特性是指共同工作時，輸出力矩、輸出功率、發動機的燃油消耗率和發動機轉速與液力變矩器渦輪轉速之間的關系。共同輸出特性的繪制方法一般如下：1）根據共同工作輸入特性的一系列交點找到一系列相應的數值；2）根據變矩器的傳動比找出相應的變矩比，根據公式計算共同工作時渦輪轉速；3）根據公式計算共同工作時泵輪輸入功率；4）根據公式，計算共同工作時渦輪轉速、渦輪輸出轉矩、渦輪輸出功率和效率；5）對應傳動比，將渦輪輸出轉速、泵輪輸入轉矩（交點提取數據）、泵輪輸入功率、渦輪輸出轉矩、渦輪輸出功率、效率數據制表；6）根據計算出的數據進行公式擬合繪制全功率匹配共同工作輸出特性和部分功率匹配共同工作輸出特性。[1][2]

從上述分析不難看出，在進行發動機和液力變矩器匹配研究室，需要處理大量的試驗數據，應用有效的手段進行特性曲線圖表分析，對分析結果還需要建立評價指標和相應的評價體系。為更好地深入開展研究，對目前發動機和液力變矩器匹配國內研究現狀分析十分必要。

1 研究現狀

1.1 共同工作點算法研究

1.2 匹配優化研究

當發動機的功率一定時，可以通過改變液力變矩器的循環圓有效直徑、中間傳動比、泵輪力矩系數等來改善匹配效果。優化結果的評價指標一般包括最大輸出轉矩、高效轉速范圍、高效動力范圍、高效區域平均輸出功率和高效區域的平均油耗等[8]。同濟大學劉釗等[9]以液力變矩器渦輪軸最大輸出功率為目標函數，以液力變矩器的循環圓直徑為設計變量，獲得平均輸出最大功率。中南大學胡仕成等[10]以優化液力變矩器循環圓直徑為目標，按工程車輛直線行駛工況、正常聯合工況和極限聯合工況進行約束，獲得最大的輸出功率。貴州大學彭正虎等[11]以車輛的渦輪的輸出功率最佳和啟動轉矩最大為優化目標，建立目標函數，運用遺傳算法對液力變矩器的有效圓直徑進行優化，獲得了較大的輸出功率、啟動扭矩、和渦輪有效功率。為了滿足各種工況，最理想的液力變矩器是其輸入特性曲線通過各個工況所要求的發動機凈轉矩點。對各種工況進行匹配優化將會得到不同的變矩器循環圓有效直徑。除了優化變矩器循環圓直徑，陳凱等[12]根據一維束流理論對液力變矩器葉片進行設計，建立以泵輪出口角和導輪進口角為設計變量的多目標優化模型，使用遺傳算法進行液力變矩器與發動機的匹配優化，獲得3個目標的最優邊界構成一個曲面，邊界上的任意一點都是最優解。

1.3 匹配方法及評價體系

在匹配與設計方面的研究主要集中在發動機與液力變矩器匹配的影響因素以及匹配策略上。如長安大學張澤宇等[13]通過采集前軸扭矩、主油泵壓力與換擋信號進行工況判定，建立不同工況點的匹配控制原則，利用發動機的轉速感應控制系統調節油門開度，穩定轉速和輸出扭矩與轉速到液力變矩器泵輪，自適應匹配工作狀態。淮陰工學院常綠等[14]將發動機與液力變矩器匹配的各項評價指標歸一化處理，所得評價值構建匹配性能網狀評價圖，定義用戶對匹配滿意度，根據目標函數優化液力變矩器循環圓有效直徑。濰柴動力張建全等計算裝載機6個運行工況下液力變矩器循環圓的有效直徑，擬合發動機和液力變矩器共同工作輸入特性曲線，計算共同工作點，構建接近度網狀圖，計算接近度。以接近度最小匹配最佳，即動力性和燃油經濟性得到改善。[15]吉林大學王振寶等[16]根據匹配原則，制定5項無量綱的匹配評價指標，采用層次分析法和熵權法相結合進行綜合賦權，基于灰色關聯度法構建評價函數，建立發動機與液力變矩器的匹配評價方法。上海理工大學孫躍東等[17]基于各轉速工況概率相等，計算出9類非積分和積分參數評價指標，通過人工權衡法、綜合指標法和平均加權法，對匹配方案進行對比評價。

1.4 匹配軟件設計

傳統的匹配計算主要是作圖法和解析法，工作量和計算誤差大。利用matlab圖形化用戶界面（GUI）和matlab強大的矩陣計算能力來完成發動機與液力變矩器的匹配計算，方便、直觀、精度高，而且可以進一步分析匹配結果，從而優選匹配方案。如采用線性擬合發動機和液力變矩器特性，應用matlab語言編寫計算和繪圖程序，設計的發動機與液力變矩器匹配GUI界面生成EXE文件可以在PC機上獨立運行，操作簡單、方便[6]，如定義匹配評價指標，編寫計算非積分參數和積分參數程序[17]，或編寫數值計算程序，編寫匹配界面等[18][19][20]。也可以用Access建立發動機與液力變矩器的數據庫，以Visual Basic 6.0為平臺，利用MatrixVB編寫動力匹配軟件[21]。或者應用VB語言與Matlab混合編程的方法，以MicrosoftExcel作為后臺數據庫，開發液力傳動車輛匹配計算軟件[22]。

1.5 匹配仿真分析

在匹配仿真方面，張澤宇等利用AMESim軟件建立不同工況轉速感應傳動模型，模擬裝載機的V型作業方式載荷譜，對其進行建模與仿真計算[13]。北京理工大學洪清泉等基于ADAMS建立發動機、液力變矩器和閉鎖離合器數學模型，并組成共同工作的虛擬樣機，實現仿真過程控制，得到發動機與液力變矩器共同工作時的動態特性[23]。

此外在試驗測試方面，淮陰工學院徐禮超等[24]在獲取裝載機典型作業物料與作業比例的基礎上，按照常用的作業方式對裝載機開展實機試驗，得到反映裝載機液壓系統消耗發動機轉矩數據，為發動機凈轉矩的求取提供了一種較合理的方法。

2 總結與展望

綜上，從六個方面研究了發動機與液力變矩器匹配的問題。在匹配方法和匹配優化結果研究中，液力變矩器循環圓直徑都是非常重要的一個變量。在工作點的選取中，對于工作點的區域求解相當于一個元多次方程的求解，可以從數學和計算機輔助計算上解決以及通過計算機仿真可以得到匹配動態特性。試驗驗證是理論結合實際的重要手段。此外，不同的工程車輛在不同工況下對發動機與液力變矩器匹配的研究具有重要的影響，可以從特定的工況去考慮匹配問題，尋求更為特定適用的發動機與液力變矩器之間的匹配。

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Literature review on matching of engine and torque converter*

Yin Jiange1, Yang Wenbin1, Lei Yingdong2

( 1.Tongji Zhejiang College, Zhejiang Jiaxing 314051; 2. Jiaxing Vocational Technical College, Zhejiang Jiaxing 314051 )

A good match between the engine and the torque converter can improve the fuel economy, power performance and reduce the emission. In this paper, the matching method between the engine and the torque converter is studied from the aspects of matching method, common working point selection, matching result optimization, computer-aided calculation and simulation, test verification and so on. Finally, there is an overview and outlook.

Engine; torque converter; match; automatic transmission

U464

A

1671-7988(2019)07-152-03

U464

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尹建閣（1983-），女，碩士，副教授，就職于同濟大學浙江學院機械與汽車工程系，從事機電液一體化研究工作。

浙江省教育廳一般科研項目Y201636408。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.051