液力變矩器下汽車的動力性與通過性

熊藜　陳世林

摘 要：本文以三種不同的發動機在正常工作情況下的特性曲線的差異，提出了理想汽車的發動機特性。從原理上分析液力變矩器的性能優勢，利用MATLAB編程得到裝有液力變矩器的汽車的動力特性圖，從結果上表明汽車在低速下的驅動力與后備功率的提升。在力學的基礎上，對其通過性進行分析，與一般分級式變速器對比表明，液力變矩器下汽車的通過性更具優勢。

關鍵詞：液力變矩器;低速;動力性;通過性

1 引言

液力變矩器在汽車的動力傳動系統中占有至關重要的地位，主要作用一是傳遞轉速和轉矩，二是使得發動機與自動變速箱以非剛性的連接，以便于自動變速箱自動換擋。目前市面上常見的AT純自動變速器、CVT無級變速器均含有液力變矩器。為了使得發動機在任何車速下都能發出最大的有效功率，以克服汽車在較低車速下后備功率小，動力性差以及汽車在松軟路面上土壤阻力增大等不良工況，因此對于其性能的研究有著重要的實用意義。

2 不同發動機動力性關系

在研究裝有液力變矩器汽車的動力性之前，首先分析活塞式內燃機、活塞式蒸汽機以及等功率發動機所能發出最大功率的前提下的不同特性曲線與驅動力與行駛阻力圖，進一步確定出三者在動力性上面的區別。如圖1所示。

可以看出，在活塞式內燃機、活塞式蒸汽機所發出的最大功率均等于等功率發動機的情況下，三者動力性卻有顯著的差異。活塞式內燃機在低速工況下，后備功率很低，且能發出的驅動力也較小，這與發動機在低轉速下發出功率較低有直接關系;而活塞式蒸汽機明顯在這方面優于活塞式內燃機，但相較于等功率發動機，所能發出的驅動力與后備功率仍有一定差距。

對于活塞式內燃機，在不安裝變速器的情況下只能爬上坡度低于10%的坡度，而活塞式蒸汽機能爬上大于30%的坡度，等功率發動機在理論上則能爬上任一坡度，其使用外特性顯然是最優的。

3 理想汽車的發動機特性

在此基礎上，將等功率發動機看作是一種最為理想的發動機特性。實際情況下，為了使活塞式內燃機汽車具有接近于等功率發動機的功率，汽車上會安裝分級式變速器已達到改善動力性的目的。由圖2可知。

當變速器的擋位越多，則發動機更有可能以最大功率工作。其原因在于擋位數越多，在某一指定的行駛車速下，均能對應某一擋位發出相應的最大驅動力。這樣采用無級變速器，在保證無級變速器的機械效率等于分級式變速器的前提下便可以使得活塞式內燃機一直以最大功率工作。

要實現無級變速，前提是保證無級變速器的傳動比隨對應的車速按發動機曲軸轉速與車速之間的函數變化，

其中，為無級變速器傳動比，為主減速器傳動比，r為車輪半徑，為發動機所發出的最大功率對應的轉速，車速。

4 液力變矩器下的汽車驅動特性

4.1 液力變矩器下汽車動力特性推導

目前汽車上最常見的無極傳動便是液力變矩器，液力變矩器的性能是通過無因次特性來表征。無因次特性指的是根據變矩比K、傳動效率以及泵輪轉矩系數隨著變矩器速比的變化規律，由變矩器的臺架試驗得到。

獲得液力變矩器下的汽車的輸出特性，可根據公式（2）、（3）求出

其中，為渦輪轉速，通過公式（4）求得，為渦輪輸出轉矩，通過公式（5）求得，、為液力變矩器后面的傳動比與傳動效率。

4.2 液力變矩器下汽車動力性分析

利用MATLAB編程得到裝有液力變矩器與四檔變速器汽車的動力驅動力-行駛阻力與發動機轉速圖，如下圖3所示

該圖為雙縱坐標標度的特性圖，左縱坐標代表了裝有液力變矩器的驅動力與行駛阻力圖。可以看出液力變矩器的目的并不在于提高汽車在良好路面上的動力性，在高速區的驅動力與分級式變速器大致相同;但在低速區內，動力性相較而言更優。因此，液力變矩器改善了汽車在低速區動力不足，后備功率不強等缺點，使得汽車原地起步更加簡便，換擋平穩且發動機不易熄火。

5 液力變矩器汽車在特定路面上對通過性的影響

5.1 汽車在松軟路面充氣輪胎的受力類型

充氣輪胎在松軟路面上受到的力分為壓實阻力、推土阻力與輪胎的彈性遲滯阻力。彈性遲滯阻力是輪胎的加載曲線與卸載曲線不重合造成輪胎內部摩擦損失引起能量損失，構成的一種阻力形式。由于車身整體重量通過車輪作用給地面造成對地面土壤的擠壓與縱向推力，形成相互之間的作用力與反作用力即壓實阻力與推土阻力。

如圖4所示，當輪胎的充氣壓力及輪胎自身剛度引起的抗壓壓力之和小于地面支撐臨界壓力，部分輪胎胎緣將發生淪陷從而與地面貼合在一起，可由公式（6）、（7）得到，土壤的壓實阻力明顯增大。生活中車輛在輪胎充氣不足、質量較差的情況下，可以觀察到車速緩慢，就是由此原因造成。

5.2 液力變矩器汽車在通過性方面的優勢

通過前面圖3的仿真結果可以看出，裝有液力變矩器的汽車在車速低的區域內有良好的驅動力，從而使得行駛在松軟路面或雪地上的汽車，行駛阻力增大的狀況下仍能克服眾多不利因素，具備良好的通過性。

6 結語

在充分分析液力變矩器在換擋輕便，換擋過程平穩可靠，無沖擊和振動等作用的基礎上，利用MATLAB的編程與繪圖功能，得到了汽車在裝有液力變矩器的雙縱坐標標度的動力特性圖，并提出了汽車在松軟路面或雪地上通過性上的優勢。

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