车用大功率柴油机与液力变矩器动态匹配影响因素分析

2016-10-14刘树成闫清东2邢庆坤

兵工学报 2016年3期

关键词：变矩器速比液力

刘树成，闫清东2，邢庆坤

（1.中国北方车辆研究所车辆传动重点实验室，北京100072；2.北京理工大学机械与车辆学院，北京100081）

车用大功率柴油机与液力变矩器动态匹配影响因素分析

刘树成1，闫清东2，邢庆坤1

（1.中国北方车辆研究所车辆传动重点实验室，北京100072；2.北京理工大学机械与车辆学院，北京100081）

为研究装甲车辆液力传动系统的动态匹配问题，对车用大功率柴油机与液力变矩器动态匹配的影响因素进行了分析。对柴油机和液力变矩器所组成系统动态匹配的动力性和经济性指标进行了合理定义。将基于有限试验数据的柴油机神经网络模型和基于混合流道法的变矩器计算流体力学仿真模型相结合，构建了柴油机与液力变矩器动态匹配性能计算程序。依据该计算程序对影响匹配性能的结构性因素进行试验设计分析，找出了变矩器有效直径和中间传动比对匹配性能影响的主效应和交互效应；分析了油门开度和变矩器闭锁速比等使用性因素对最优动态匹配区域的影响规律。结果表明：结构性因素是影响动态匹配性能的主要因素，使用性因素是相对次要因素，但使用性因素会在一定程度上造成最优匹配区域的位置和最优指标数值的变化。

兵器科学与技术；柴油机；液力变矩器；动态匹配

0 引言

目前，动力传动系统性能匹配与优化问题是提高坦克装甲车辆机动性的有效手段，是满足未来坦克机动性需求的必由之路［1］。大功率液力机械传动系统动力装置的性能不仅取决于柴油机和液力变矩器本身的性能，更取决于二者的匹配情况。以往，对于柴油机与液力变矩器的匹配主要以稳态匹配为主［2-4］，一般只能在发动机全油门下的稳定工况实现理想匹配，在其他工况下则不能实现最优的匹配效果。而且，不能反映实际车辆油门开度变化、变矩器闭解锁控制等使用性因素的影响。西方发达国家很早就开始了坦克装甲车辆动力装置动态匹配的计算研究［1］，动态匹配是更符合车辆实际情况的匹配，可以更有效地指导车辆液力传动系统设计。

常见柴油机与液力变矩器动态匹配性能影响因素主要有柴油机油门操作规律、变矩器有效直径、变矩器的闭锁规律以及柴油机与变矩器之间的中间传动比等。在这些影响因素中，液力变矩器的有效直径D和中间传动比Iq，属于在设计阶段就已确定的结构性因素；柴油机油门操作规律和变矩器的闭锁规律是车辆在具体使用中的影响环节，属于使用性因素。在具体车辆使用条件下，D-Iq的组合代表了柴油机和液力变矩器在匹配型谱中的匹配方案：有效直径D与变矩器液力扭矩之间是5次方关系，它直接决定了所选择的系列化变矩器的型号；中间传动比Iq可以调节柴油机输出特性在涡轮轴转速上的对应范围。当有效直径增大时，整个工作范围向左移动，反之向右移动。当柴油机与液力变矩器之间设置中间传动比以后，柴油机传递给变矩器的转速和扭矩都发生变化，当Iq＞1时，柴油机输出扭矩增大，转速降低；当Iq＜1时，输出扭矩降低，转速增加。

本文首先分析液力变矩器的有效直径D和中间传动比Iq对系统动态匹配性能的影响，找出D-Iq的最优匹配区域，同时分析车辆具体使用过程中，柴油机油门开度与变矩器闭锁速比设计两个方面对D-Iq最优匹配区域的影响规律。

1 动态匹配评价指标

追求战场全域机动作战的坦克装甲车辆，常以动力性和经济性作为动力系统性能考核指标。柴油机与变矩器组成的动力系统的动力性可由功率输出系数以及扭矩输出系数来评价，经济性可用燃油消耗率系数评价。

柴油机与变矩器组成的动力系统的功率输出主要影响到车辆的最高车速、平均速度等动力性指标，而系统的扭矩输出则直接影响车辆的加速性、最大爬坡度等动力性指标。因此功率输出系数和扭矩输出系数反映了该系统动力性的两个方面，系统整体动力性能指标可由功率输出系数和扭矩输出系数加权得到。

分别定义柴油机与液力变矩器组成的动态匹配系统的功率输出系数φN、扭矩输出系数φM和燃油消耗率系数φg.

功率输出系数φN：在一系列设定的动态过程中，变矩器涡轮轴在这段时间内平均输出功率与原柴油机额定输出功率的比值，它反映了柴油机与变矩器匹配以后对原有柴油机额定功率的利用程度。φN的表达式为

式中：Ne为发动机额定功率；Nta为涡轮轴在一系列设定的动态过程中的平均输出功率，其计算公式为

式中：j为预设的不同动态过程，j=1，2，3，…，m；T1、T2分别为动态过程j的起止时刻；Nt（t）为相应动态过程中涡轮轴输出功率随时间t变化的函数。

扭矩输出系数φM：在一系列设定的动态过程中，液力变矩器涡轮轴在这段时间内的平均输出扭矩与柴油机外特性最大输出扭矩的比值，它反映了柴油机与变矩器匹配以后对原有柴油机最大扭矩的利用程度。φM的表达式为

式中：Memax为对象柴油机外特性最大输出扭矩；Mta为涡轮轴在一系列设定的动态过程中的平均输出扭矩，其计算方法为

式中：Mt（t）为相应动态过程中涡轮轴输出扭矩随时间t变化的函数。

燃油消耗率系数φg：在一系列设定的动态过程中，原柴油机额定工况下燃油消耗率与变矩器涡轮轴在这段时间内的平均等效燃油消耗率的比值，它反映了柴油机与液力变矩器匹配以后对原有柴油机经济区域的利用程度。

燃油消耗率系数φg计算公式为

式中：gn为额定工况下的燃油消耗率；gta为在一系列设定的动态过程中换算到涡轮轴输出端的平均等效燃油消耗率，其计算公式为

式中：gt（t）为一系列设定的动态过程中从涡轮轴观测的等效燃油消耗率随时间t变化函数。由于液力变矩器在启动工况和变矩器速比为1的工况下，输出功率可为0，这时计算得到的gt（t）为无穷大。因此，在（5）式中将gta放在分母位置，这时在启动工况和变矩器速比为1的工况下，计算得到的燃油消耗率系数φg接近于0，说明燃油经济性较差，反之，φg越大说明系统燃油经济性越好。

柴油机和液力变矩器结合以后的动力装置的动力性可用功率输出系数φN、扭矩输出系数φM来评价，经济性可以用燃油消耗率系数φg来评价。为此，定义动力性评价指标

经济性评价指标

式中：h、∂、λ分别为相应的权重系数，在评价时，可按照层次分析法或者专家经验来确定其数值［5］。

2 动态匹配性能计算程序

首先，采用台架试验的方法，获得对象柴油机多种稳态和动态工况下的特性数据，并进行组合神经网络拟合，建立基于有限试验数据的柴油机神经网络模型［6］，可以根据柴油机不同工况，确定柴油机的输入输出特性。

基于导轮空转工况无叶片法仿真方法［7］，建立包含有叶片模型和无叶片模型相结合的液力变矩器混合流道计算流体力学（CFD）模型，可以根据液力变矩器导轮是否空转自适应选择相应流道模型，对变矩、偶合、反传等工作相位进行较为准确的预测。

将基于有限试验数据的柴油机神经网络模型和液力变矩器混合流道CFD模型相结合，构建柴油机与液力变矩器动态匹配计算模型，并基于Isight平台建立动态匹配性能预测程序，如图1所示，其中虚线框内部分是柴油机与液力变矩器动态匹配计算模型。动态匹配评价循环历程采用最常用的发动机动态评价循环—欧洲瞬态循环（ETC）规范进行动态加载，如图2所示。

图1　动态匹配性能计算程序Fig.1 Dynamic matching performance computing program

在进行动态匹配性能评价前，为了验证图1中虚线框内动态匹配计算模型的准确性，对某对象柴油机和液力变矩器组成的动态匹配系统进行一系列加载和卸载试验，将试验数据与上述动态匹配计算模型得到的仿真值对比，结果如图3所示，图中依次对比了在设定的平缓卸载、平缓加载、急剧卸载和急剧加载的过程中，泵轮与涡轮的转速、扭矩以及等效燃油消耗率随时间的变化关系。对比结果表明，基于有限试验数据的柴油机神经网络模型和液力变矩器混合流道CFD模型组成的动态匹配计算模型能够较准确仿真实际柴油机与变矩器的动态匹配过程。

图2　ETC设定规范Fig.2 ETC setting standard

图3　动态匹配性能试验值与仿真值对比结果Fig.3 Comparison of test data and simulation data

柴油机与变矩器组成系统的动态负载、驾驶员对柴油机油门的动态操纵、设计人员对变矩器闭解锁规律的设计等都会造成系统动态匹配性能的变化。利用上述动态匹配性能预测程序和ETC评价循环，在固定油门开度和确定的变矩器闭锁点速比条件下，可对系列化液力变矩器的有效直径D和中间传动比Iq进行试验设计（DOE），分析结构性因素有效直径D和中间传动比Iq对于动态匹配性能的影响，找出D-Iq的最优动态匹配区域；如果改变油门操作规律和变矩器闭锁点速比，可以分析使用性因素中油门开度变化和闭锁速比的控制对D-Iq最优动态匹配区域的影响。

3 动态匹配影响因素分析

3.1有效直径和中间传动比的影响

为了独立分析结构性因素——变矩器有效直径D和中间传动比Iq的组合对动态匹配性能的影响，首先将柴油机油门开度设定为100%，变矩器暂不进行闭锁操作，在ETC评价循环下，以D和Iq为设计因子，以动力性指标φD和经济性指标φeco为响应量，（8）式中的权重系数h、∂、λ根据经验分别取为0.38、0.33、0.29［5，8］，进行D和Iq双因子DOE，得到了D-Iq对动态匹配性能的影响规律。

如图4所示为系统的动力性指标φD随D和Iq取值的响应规律，图中以颜色从蓝到红依次表示对应系数取值的大小（下同）。从图4中可见，在有效直径D取0.33～0.41和中间传动比Iq取0.500～0.720的狭长椭圆型深红色区域内（图中虚线所围区域）φD最高，在此区域之外，φD逐渐降低。

图4　D-Iq对动力性指标φD的DOE结果Fig.4 DOE results of D-Iqon φD

如图5所示为系统的经济性指标φeco随D和Iq取值的响应规律，从图5中可见，φeco随D和Iq呈双峰特性，在D取0.38～0.41、Iq取0.630～0.700和D取0.475～0.490、Iq取1.092～1.217的两个区域经济性最好（图中虚线所围区域），在这两个区域以外，经济性指标呈阶梯状下降。

图5　D-Iq对经济性指标φeco的DOE结果Fig.5 DOE results of D-Iqon φeco

特别地，当柴油机与变矩器之间没有中间传动比时，可按Iq=1从D-Iq的最优动态匹配区域中选定最优的D，并以此确定系列化的液力变矩器型号。基于DOE，还可以得到D和Iq对于动力性指标φD和经济性指标φeco的主效应，即因子D或Iq在某个水平时所有设计试验响应的平均趋势。

图6　DOE主效应分析图Fig.6 Main effect analysis

如图6（a）、图6（b）所示的分别为从上述试验设计结果分析中得出的有效直径D和中间传动比Iq对动力性指标φD、经济性指标φeco影响的主效应图。从图中可以看出，随着设计因子数值水平由低到高，两个性能指标系数均是先增大后减小，可见，在因子D和Iq取值范围内存在一个最优值，使动态匹配性能达到最好。

主效应分析给出了本次DOE中两个设计因子D和Iq对于动态匹配性能评价指标影响的大致平均趋势，至于D和Iq各自对响应量的影响是否受彼此不同水平的制约，还要看二者之间的交互效应。

图7　D-Iq交互效应分析图Fig.7 Interactive effect analysis

图7所示分别是D和Iq两个设计因子对动力性指标φD、经济性指标φeco影响的交互效应关系，从图7中可见两个设计因子交互效应明显。

如图7（a）、图7（b）所示，在D和Iq对动力性指标φD的影响中，当Iq处于低水平时，φD随着D单调下降，而当Iq处于高水平时，φD随着D单调上升；当D处于低或高水平时，φD均随Iq增大而先上升后下降，但φD最高点出现时对应Iq的取值不同，分别为0.63、1.01.如图7（c）、图7（d）所示，在变矩器有效直径D和中间传动比Iq对经济性指标φeco的影响中，当Iq处于低水平时，φeco随着 D单调下降，而当Iq处于高水平时，φeco随着D单调上升；当D处于低水平或高水平时，φeco均随Iq增大而先上升后下降，但φeco最高点出现时对应Iq的取值不同，分别为0.55、1.18.

图8　油门开度的各种分布规律概率密度函数Fig.8 Probability density functions of throttle opening degree

图9　不同分布规律下柴油机油门开度随时间的取值Fig.9 Throttle opening degrees under different probability distributions

3.2油门开度的影响

若考虑在实际使用中，柴油机油门开度是不断变化的，为研究油门开度对上述最优匹配区域的影响，暂不进行液力变矩器闭锁操作，计算了油门开度固定在100%、80%、60%时的动力性、经济性指标分布规律，同时，考虑到实际油门开度分布的不同统计规律，分别对服从均匀分布、正态分布、韦伯分布的油门开度变化统计规律，依次进行油门随时间变化时的动态匹配性能分析。图8给出了不同油门开度分布的概率密度函数，考虑到一般大功率柴油机在油门开度小于40%时转速输出范围较窄，柴油机常常工作在非稳定特性段，因此实际使用较少，可不考虑油门开度小于等于40%的情况。图8中的油门开度正态分布的均值为70%，标准差为10%；油门开度韦伯分布的尺度参数是90%，形状参数是15%，相对于正态分布，韦伯分布是一种偏态分布，它确定的油门开度比正态分布更偏向油门增大的方向。各种分布规律下油门开度随时间的取值如图9所示。

上述设定的油门开度及不同变化规律下的动力性、经济性计算结果如图10、图11所示，从中可见，不同油门开度和不同油门变化规律下，动力性指标φD和经济性指标φeco随D和Iq不同组合的分布趋势与图4、图5大致相似。

从图10中见，随着油门开度的增加，动力性指标最优匹配区域的形状相似，但最优区域的动力性指标取值不断增大，油门开度较低时，动力性指标整体取值普遍较低；在油门按不同分布规律变化时，最优匹配区域的形状相似，但动力性指标取值各不相同，其油门开度平均值越大，动力性指标数值越大，且最优匹配区域的面积也最大。从图11可见，油门开度对经济性指标最优匹配区域的形状影响明显，且最优匹配区域的位置会随着不同的油门开度产生变化，一般地，油门开度或其平均值增大时，经济性系数最优匹配区域的范围逐渐增大，且最优匹配区域内经济性系数取值也逐渐增大。

3.3变矩器闭解锁规律的影响

对于闭锁式液力变矩器，当车辆起步、换挡或爬坡时，闭锁离合器解锁，变矩器在液力工况工作，动力性好；当车辆在平坦路面上行驶时，闭锁离合器闭锁，它作为机械传动部件工作，其传动效率可达0.97～0.98［9］，具有机械传动效率高的特点。设计合理的闭解锁控制规律既能保证车辆的动力性，同时又可改善传动系统的经济性。

图10　油门开度对动力性指标φD最优匹配区域的影响Fig.10 The influence of throttle opening degree on the optimal matching region of φD

图11　油门开度对经济性指标φeco最优匹配区域的影响Fig.11 The influence of throttle opening degree on the optimal matching region of φeco

变矩器即将闭锁的速比称为闭锁速比，闭锁速比的设计往往需要根据实际使用要求确定，常见闭解锁规律有动力型闭解锁规律、经济型闭解锁规律、制动型闭解锁规律、转向型闭解锁规律、改善闭锁品质的闭解锁规律、综合型闭解锁规律等［10］。一般而言，各种闭解锁规律中的闭锁速比常选在偶合器工况转换点附近，闭锁速比提前，闭锁冲击度增大，但机械工况范围扩大，变矩器整体效率提高；闭锁速比推后，闭锁冲击度减小，但机械工况范围缩小，变矩器整体效率降低［11］。液力变矩器何时闭锁对于柴油机与变矩器所组成系统的功率、扭矩和燃油消耗率均有影响，因此变矩器闭锁速比对最优匹配区域也会有影响。为此，在ETC测试循环下，令油门开度服从均匀分布，按照变矩器闭锁速比Ib依次为0.75，0.76，…，0.85，分别计算系统在变矩器可闭锁的情况下，动态匹配的动力性指标、经济性指标，计算结果如图12、图13所示，从中可见，不同变矩器闭锁速比Ib下，动力性指标φD和经济性指标φeco随D和Iq不同组合的分布趋势仍与与图4、图5大致相似，仅局部分布有所差异。

从图12中可见，在所研究的闭锁速比Ib范围内，闭锁速比Ib从低到高变化时，动力性指标φD的最优区域形态相似，但面积逐渐增大。从图13中可见，闭锁速比Ib对经济性指标φeco的影响较为显著：当Ib较低（Ib≤0.82）时，φeco的最优区域往往呈点状分布，即仅在个别的D-Iq组合下经济性较好；当Ib较高（Ib＞0.82）时，φeco最优区域扩大为片状分布，此后，闭锁速比的影响作用减弱，这与变矩器闭锁时已经完全换相至偶合器工况相一致。

图12　闭锁速比对动力性指标φD最优匹配区域的影响Fig.12 The effect of the lock ratio on the optimal matching region of φD

4 结论

1）车用柴油机与液力变矩器动态匹配的影响因素分为结构性因素和使用性因素，结构性因素是主要影响因素，使用性因素是相对次要的因素。

2）作为结构性因素的变矩器有效直径和中间传动比，在二者取值的不同组合范围内，存在一个最优区域，可分别使动态匹配的动力性和经济性指标达到最优，并且二者对动态匹配性能影响的交互作用明显，即二者对最终性能的影响规律受彼此不同水平的制约。

3）作为使用性因素的油门开度和变矩器闭锁速比，均会对动态匹配的动力性和经济性指标的分布产生影响，导致最优匹配区域位置和最优指标数值有所变化，但大趋势仍与纯结构性因素的影响规律相一致，并且使用性因素对系统经济性指标的影响比对动力性指标的影响明显。

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Analysis of Dynamic Matching Factors of High-power Diesel Engine and Hydrodynamic Torque Converter

LIU Shu-cheng1，YAN Qing-dong2，XING Qing-kun1
（1.Science and Technology on Vehicle Transmission Laboratory，China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072，China；2.School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

In order to study the dynamic matching of hydrodynamic transmission system for armored vehicles，the influence factors of the dynamic matching of high-power diesel engine and hydrodynamic torque converter are analyzed.The reasonable definitions of dynamic matching power and economic indexes of the system consisting of diesel engine and hydrodynamic torque converter are given.A calculation program for dynamic matching performance of diesel engine and hydrodynamic torque converter is established by combining the neural network model of diesel engine based on finite test data with computational fluid dynamics simulation model of converter based on the hybrid flow channel method.The structural factors of influencing the matching performance are analyzed through design of experiment，and the main effect and interaction effect of which the effective diameter of converter and the intermediate drive ratio affect the matching performance are obtained.The influences of throttle opening and torque converter’s locking ratio on the optimal dynamic matching region are also analyzed.The results show that the structural factors are the main factors which affect the dynamic matching performance，and the application factors are the relative secondary factors.However，the application factors can cause a change in the location of opti-mal matching region and the values of optimal indexes to a certain extent.

ordnance science and technology；diesel engine；hydrodynamic torque converter；dynamic matching