基于Matlab的液力变矩器与发动机匹配计算与分析

设计、研究、分析　Ｄｅｓｉｇｎ、Ｒｅｓｅａｒｃｈ＆Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｌ　２０１７３￣第２期　基于Ｍａｔｌａｂ的液力变矩器与发动机匹配计算与分析　可帅　，罗静。，冯治国　，李长虹　（１．贵州大学机械工程学院，贵州贵阳５５００２５；２．贵州凯星液力传动机械有限公司，贵州遵义５６３０００）　摘要：液力变矩器与发动机的合理匹配直接关系着整车动力性，经济性的优良与否。对于车辆不同的性能要求和　路况差别，匹配的侧重点又会有很大区别，首先，通过分析发动机和液力变矩器的基本特性和匹配计算过程，建立匹　配计算的数学模型，根据匹配目标的要求列出匹配评价指标。其次，通过利用Ｍａｔｌａｂ软件编程完成ＷＰ１３型发动机　和ＤＭ１５２Ａ型液力变矩器的匹配计算。最后，结合各档变速档位的传动比和传动效率计算出档位的牵引力，验证匹　配计算的准确性。　关键词：液力变矩器发动机匹配Ｍａｔｌａｂ　中图分类号：ＴＨ１１２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００２—６８８６（２０１７）０２—００４１—０５　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｍａｔｃｈｉｎｇ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｔｏｒｑｕｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ａｎｄ　ｅｎｇｉｎｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｍａｆｌａｂ　ＫＥ　Ｓｈｕａｉ，ＬＵＯ　Ｊｉｎｇ，ＦＥＮＧ　Ｚｈｉｇｕｏ，ＬＩ　Ｃｈａｎｇｈｏｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｍａｔｃｈｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｔｏｒｑｕｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ａｎｄ　ｅｎｇｉｎｅ　ｃｏｎｃｅｒｎｓ　ｔｈｅ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｐｏｗｅｒ　ａｎｄ　ｅｃｏｎｏｍｙ．Ａｃ—　ｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｒｏａｄ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｖｅｈｉｃｌｅｓ，ｔｈｅ　ｅｍｐｈａｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｔｃｈｉｎｇ　ｉｓ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ．　Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｒｏｕｇｈ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｍａｔｃｈｉｎｇ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅ　ａｎｄ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｔｏｒｑｕｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｂａｓｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｍａ￣ｅｍｍｉｃＭ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｍａｔｃｈｉｎｇ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｂｕｉｈ．Ａｎｄ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ　ｏｆ　ｍａｔｃｈｉｎｇ　ｗｅｒｅ　ｇｉｖｅｎ　ａｃ—　ｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｔａｒｇｅｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｔｃｈｉｎｇ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅ　ｍａｔｃｈｉｎｇ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＷＰ１３　ｅｎｇｉｎｅ　ａｎｄ　ＤＭ１５２Ａ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｔｏｒｑｕｅ　ｃｏｎ・　ｖｅｒｔｅｒ　ｗａｓ　ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ　ｂｙ　ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ　ｉｎ　Ｍａｔｌａｂ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｒａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅａｃｈ　ｇｅａｒ　ｗａｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｔｏ　ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｔｃｈｉｎｇ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｒａｔｉｏ　ａｎｄ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｇｅａｒｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｔｏｒｑｕｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ｅｎｇｉｎｅ，ｍａｔｃｈｉｎｇ，Ｍａｔｌａｂ　０　引言　装有液力变矩器的车辆，在发动机和变矩器匹　良也难以充分发挥作用…。匹配的好坏直接关系　着整车动力性，经济性的优良与否。因此很有必要　对两者的匹配过程进行分析研究，根据具体的要求　匹配出最佳的动力性能或经济性　Ｊ。而对于车辆　配良好的情况下具有良好的适应性，舒适性，更重要　的是在起步和爬坡时具有更加强劲的动力性。但是　如果两者不能得到很好的匹配，即使发动机性能优　不同的性能要求和路况差别，匹配的侧重点又会有　很大区别。　牵・牵・牵・夺・夺・夺・夺・÷・夺・夺・幸・夺・夺・夺・夺・专・夺・夺・夺・夺・牵・夺・夺・夺・夺・夺・夺・夺・夺・夺・夺・夺・夺・夺・夺・夺・牵・夺・夺・÷・夺・夺・夺・夺・夺・夺・　［６］　陈关君，咸婉婷，刘宗瑞，等．齿轮轴承温度遥测系统　设计［Ｊ］．传感器与微系统，２０１２，３１（６）：８３—８６．　作者简介：郭海东（１９８５一），男，陕西宝鸡人，工程师，硕士，　主要从事航空动力装置结构强度与振动飞行试验　与验证。　［７］　秦大同，谢里阳．机械设计手册［Ｍ］．北京：化学工业　出版社．２０１１．　［８］　薛飞．虚拟装配技术分析和研究［Ｊ］．现代制造，２０１２　（１２）：１３５—１３６．　收稿日期：２０１６—１２—０５　・４１・　ｊ　弋锻摘ＩＭⅪｏｄ　ｅ　ｍ　Ｍ　ａｃｈｉⅡｔ坷　１　匹配目标与量化指标　１．１　匹配目标　速上限ｎ　与下限ｎ　的比值，ｄ　＝　ｎ，ｔ２。　３）高效范围扭矩比ｄ　。变矩器高效范围中的涡　Ｍｅ　１）为使车辆获得　最好的起步性能往往　轮扭矩上限　挖与下限　ｎ的比值。体现变矩器承受　／。　希望变矩器低转速比　负载抛物线能最大限　度地接近并通过发动　≥　／。　外界负载的能力，ｄ　＝　。　４）高效范围平均输出功率Ｐ　。反映出来变矩器　的正常工作情况下的动力性能。　机最大扭矩点。特别　是ｉ＝０抛物线能通过　＾ｆｍ　Ｐ…　发动机最大扭矩点。　图１理想匹配原则曲线　如图１中线ｉ　。　２）为了能充分利用发动机的最大功率，希望变　矩器的最高效率的抛物线能够通过发动机最大净功　率对应的转矩点。这样能最大程度的利用发动机的　最大功率，变矩器的最大效率，来提高车辆的动力　性。如图１中线ｉ　。　３）为了使车辆能有最低的油耗，希望发动机与　液力变矩器的共同工作范围（特另０是卵Ｉ＞７５％的高　效范围）能处于发动机燃料消耗最低工况的范围之　内　。　以上是理想中的最佳匹配，上面三种理想情况　可以转化为以下三式求解极小值的情况，现实中发　动机最大扭矩点，最大功率点和最低耗油量的点往　往不在同一转速，所以整车的动力性，经济性不能同　时保证。　Ｆ…（Ｘ）：Ｉ　。　一　∞ｌ　（１）　（Ｘ）＝Ｉ　。一　Ｉ　（２）　ｎ１　１　（…１）２　Ⅳ　（　）　Ｊ　一　‘　（３）　其中：　…——发动机最大净扭矩；　——变矩器　ｉ＝０速比工况下输入特性抛物线与发动机净扭矩　特性交点对应的扭矩；Ｍｐ——发动机最大功率点对　应的发动机扭矩；　——变矩器最大效率输入特　性抛物线与发动机净扭矩特性交点对应的扭矩。　１．２　匹配量化指标　１）变矩器最大输出扭矩　。即为整车起步扭　矩，反应整车的起步、加速、爬坡负载等动力性能。　２）高效范围速比ｄ　变矩器高效范围的涡轮转　・４２・　Ｐ　：　ｒＰ（１２ｔ）　ｔｂｔ２一，ｌ＇ｔｌ　Ｊ　ｎ・１　５）高效范围内的单位耗油量ｇ　体现高效范围　下的经济性能　Ｊ。　ｇｅ　：—＿ｌ　Ｊ　ｇ　（ｎｔ）ｄｎ　２　匹配过程特性分析　２．１　发动机外特性　发动机外特性是指在发动机全负荷（汽油机为　节气门全开）时所测出来的功率、扭矩或者燃油消　耗率随着转速变化的曲线。当燃料供给机构位置达　到最大时，所得到的是总功率特性，而把燃料供给调　节机构调到其它位置下得到的特性称为部分速度特　性。发动机的主要指标有：动力性能指标（扭矩　、　功率Ｐ　及转速１１，）和经济性指标（油耗ｇ　）。对于已　知试验数据的发动机数学模型的建立方法，可以用　最小二乘法拟合出发动机扭矩，耗油量功率与转速　的关系。其中发动机扭矩是与转速相关的一元函数。　如下所示　Ｊ：　ｋ　Ｍ。＝∑Ａｉｎ　（ｉ＝０，１，…，ｋ）　其中：　一发动机的扭矩；ｎｅ一发动机转速；　一多　项式系数；　一多项式阶数。　２．２　变矩器特性　２．２．１　变矩器原始特性　变矩器的原始特性是利用变矩器的台架试验，　利用定转速或者定扭矩得出一些离散的数据点，利　用Ｍａｔｌａｂ中插值计算得出任意不同泵轮输入速度　与扭矩下，涡轮的转速和扭矩。从而计算出泵轮涡轮　的转速比　、扭矩比　、能容系数Ａ　变矩器效率叼。　把Ｋ，叼这些特性参数与ｉ的值对应标在图上，连接　起来就可得出Ａ　＝厂（ｉ）、Ｋ＝　ｉ）及叼＝　ｉ）的　关系曲线。　２．２．２　变矩器输入特性（负载特性）　变矩器输入特性表示其泵轮在不同速比工况下　所能吸收传递转矩的能力，是指泵轮扭矩　与泵　轮转速　问的关系，液力变矩器施加于发动机的负　荷性能完全由泵轮的转矩变化特性决定　］。　２．３　发动机与液力变矩器共同工作特性　２．３．１　共同输入特性　发动机和变矩器稳定工作的前提是两者有一样　的转速和扭矩。即两者共同稳定工作的必要条件是：　＝％，ｎ　＝　。把实验所得到液力变矩器负载特　性曲线和发动机净外特性曲线以相同的比例绘制在　同一图上，即可得到柴油发动机与液力变矩器共同　工作的输入特性曲线。发动机的净特性曲线和变矩　器的输入特性曲线簇的一系列交点即为共同的稳定　咖瑚咖咖咖啪姗　工作点。　ｍ　２．３．２　共同输出特性　通过共同的输入特性可以得到一系列的变矩器　３猫姗　　和发动机稳定工作的离散点，将这些离散点拟合出　扭矩输出曲线，根据不同工况下的速比ｉ，变矩比　，　计算出涡轮轴的转速　，扭矩　。有发动机对应转　｝速下的耗油量可得出共同工作下的耗油量ｇ　¨Ｊ。　伽姗鲫瑚姗咖咖　２　２．３．３　牵引特性　牵引特性是发动机与液力变速器共同工作下对　霉｛瑚抖　ｌ　整车的综合动力特性，主要表现在车辆净牵引力Ｆ　６　和爬坡度Ｏｄ两个方面，是匹配结果的最终体现¨　。　３　７３　ＭＴｉ　ｃｑ　ｃ　．Ｆｔ—Ｆ　ｆ　５　—１　００—０ｒ，　ｎ　其中：ｒ一车轮轮胎半径；ｉｃ一变速器总的传动比；　Ｆ厂轮胎与地面的摩擦力；ｍ一整车的质量；叼　一车　轮轮胎半径。　３　匹配计算实例　３．１　发动机的外特性曲线　发动机的外特性曲线是在制动试验台架上测　出的。保持发动机在最大节气门开度情况下，在　发动机的转速未定的前提下，测取在这一工况下　的扭矩、功率、比耗油等，然后调整被测机载荷，改　变发动机转速，重复进行上述的步骤。可得出不　同转速下的具体参数，通过连接这些点，可得到功　设、研究、分析Ｄｅｓｉｇ　ｎ　Ｒ　ｌ　’ｗ　．　ｅｓｅａｒｃｈ＆Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｌＩ　２　７年第２期　…率曲线、扭矩曲线和比燃料消耗量曲线，它们与相　应的转速区域对应。本文采用的ＷＰ１３．５５０发动　机具体参数由潍柴公司实验提供，发动机采用增　压中冷的吸气方式最大程度地摄取氧含量，不仅　能较好的增强发动机的动力性，而且可以明显的　降低油耗。其额定功率为４０５　ｋＷ，额定转速为　２　１００　ｒ／ｍｉｎ，最大扭矩２　３００　Ｎ・Ｉｎ，气缸数为６　个，具体数据见表１所示。　表１　ＷＰ１３．５５０发动机外特性数据　转速／扭矩／　油耗率／　功率／转速／扭矩／　油耗率／　功率／　（ｒ／ｒａｉｎ）Ｎ・／１３（ｇ／ｋｗ・ｈ）ｋＷ（ｒ／　ｎ）Ｎ・／！ｑ（　ｋｗ・ｈ）ｋｗ　５２．４　９３．８　１４２．９　１７９．４　２１５．０　螂嘟猢　湖　２５３．４　２８９．４　７　４　２懈　　７　６啪　　７　３ｌ３，１　利用Ｍａｔｌａｂ拟合可以画出ＷＰ１３．５５０发动机的　外特性曲线。从图２中可以明显看出，发动机最高　｝，　２　功率、最大扭矩、最低耗油率对应的转速处于不同的　转速范围，因此根据匹配要求的不同，三者匹配权重　，‘２　２　２　１　ｌ　关系也不同。　嘟　，‘２　２　２　２　２　∞　ｍ　”　９　４　３　ｌ　Ｏ　４　３　３　３　３　４　４７　５８　９２　　９　５Ｏ　５Ｏ　一ｑ．ｍ　　一、一３　４　６　ｌ　３　７　图２　ＷＰ１３．５５０发动机的外特性曲线　３．２变矩器原始特性曲线　液力变矩器内部的叶片结构导致了流体的复杂　性，利用现有的理论计算出来的性能参数与实际中　往往具有很大的差别，因此对于液力变矩器的特性　曲线往往采用实验的方法进行研究。利用凯星液力　传动机械有限公司的试验台（图３），对国产ＤＭ１５２　．柏．　６　２ｌＯ　３　１　６３　曲鞋孵最繁　瑚　观　弋以。　Ｉ　Ｍ　ｏｄ　ｅ　ｒｎ　型变矩器进行原始特性测试。利用定速比输入转速　得出不同速比工况下的输入扭矩和转速。该型号的　变矩器尺寸较大，主要应用于重型车辆。变矩器流　道直径Ｄ＝４２１　ｍｍ，在０速比工况下的最大变矩比　为１．７７，最高效率为，７＝Ｏ．８５６。　图３　液力变矩器试验台架　利用实验测得的变矩器数据点，分别以变矩比、　能容系数、效率为纵坐标拟合得到ＤＭＩ５２型变矩器　进行原始特性曲线（图４）。　１　８　Ｊ　一　——　ｌ　７　、　＼　蓉菜　数　，＿一　、、　Ｏ・９　１・６　＿壹矩　０　８　９　１　５　＼　＼　Ｏ・７　１　４　釜　／　一　＼　、＼　、　Ｏ６　童　／　＼＿　ｓ婪　懈　１．２　一　１　１　／　磊寨　＼、　０４　０　３　・　６箍　ｌ　／　一　ｎ２　０・９　－　１　Ｏ・１　０－８　ｎ　０　０１　０　２　０　３　０４　０　５　０　６　０　７　０．８　０　９　转速比／ｉ　图４变矩器原始特－眭曲线　３．３　匹配程序计算　利用Ｍａｔｌａｂ　强大的编程能　力，设计出一套　完整的匹配分析　程序（图５），只需　要把实验得出的　发动机数据和变　矩器的数据输入　程序即可快速完　图５匹配程序设计流程　成匹配过程，同时根据变矩器速比、效率以及整车的　一些具体参数就能仿真得出整车的行驶牵引力图等　相关数据。相比于企业生产中繁琐的手工计算极大　地提高了匹配效率。　变矩器的负载特性曲线是一族以变矩器的能容　・４４・　系数为参数经过原点的抛物线，由于发动机在传递　动力的同时往往伴随着防爆损耗、转向泵空载、变速　泵等辅助设备能量损失，在匹配的时候往往在原外　特性数据的基础上扣除１０％～１５％的损失得到发　动机的净外特性曲线　Ｊ，本文采用扣除１５％计算。　变矩器的负载特性抛物线和发动机的净外特性曲线　交点就是两者共同匹配工作点，从图６中可以看出　变矩器最低负载抛物线，最高负载抛物线和发动机　净外特性曲线构成了两者共同工作的稳定区域。效　率为７５％的负载抛物线与最低负载抛物线组成了　变矩器的高效率工作范围。　…　蜃　效率　遭比＼　辑　露　一　鳕鬈爹　卜最茜效辜速比　—■丽　一　；　ｌＩ　ｌ　ｌ　ｊ　ｌ　　ｌｊ　　Ｉ转速／（ｒ／ｍｉｎ）　图６变矩器和发动机共同输入特性曲线　在共同的输入特性曲线上得到了一些列不同速　比工况下变矩器与发动机节气门全开时候两者稳定　工作的交点，利用各个工况下的不同速比ｉ，变矩比　Ｋ，效率　可得到涡轮轴的功率、扭矩、油耗即变矩　器和发动机共同工作的输出特性曲线。　４　匹配结果分析　从图６中可以看出来速比为０的起步工况下的　变矩器负载特性通过发动机的最高扭矩附近，其大　小为１　９５４　Ｎ・ｉｎ与发动机的最大净扭矩１　９５７　Ｎ・ｉｎ　非常接近，根据此时工况下的扭矩比Ｋ＝１．７７可得　出起步扭矩为３　４５８　Ｎ・ｉｎ，同时变矩器最高效率抛　物线通过发动机的高功率所对应的扭矩附近，从图　中也可以看出来变矩器的高效工作区占据匹配区域　的很大范围，有助于充分利用变矩器的效率，高效区　域对应的发动机转速为１　４９４～２　１００　ｒ／ｍｉｎ是发动　机的高功率区域，有助于发动机动力性能的输出，作　为车辆最重要的起步和动力性得到了保障。　由图７共同工作的输出特性曲线，得出高效工　况下（效率叼≥７５％的高效范围）匹配的量化指标。　王琢强　三　一Ｉ｛．　，Ⅲ　拼　哥一、　器霹　图７变矩器和发动机的共同输出特性曲线　表２　匹配指标结果　根据变速器中各个档位的不同速比和涡轮轴的　输出扭矩，得到不同档位的牵引力曲线图和爬坡度　曲线图。起步为Ｉ档起步时候牵引力２８５　ｋＮ・１１１，　在最高档Ⅵ行驶时牵引力为３０　ｋＮ・ｍ。并且各档　速下车辆具备很好的起步性、动力性和爬坡能力，匹　配满足要求。　车速，（ｋｎｄｈ）　车速／（ｋｍｌｈ）　图８不同档位下牵引力　图９不同档位下爬坡　特性曲线　度曲线图　５　总结　本文提出了液力变矩器和发动机匹配分析的具　体方法，并给出了具体量化指标和匹配原理的数学　模型，为后期的优化分析打下基础，通过对具体实例　设　、研究、分析Ｉ　２０１７￥ｒ￣２Ｄｅｓｉｇｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ＆Ａｎａｌ、　ｌｙｓｉｙｓｉｓ　ｓ　Ｉ　的匹配计算，结果显示该车具备良好的动力性和经　济性，验证了匹配程序的正确性。传统手工匹配不　仅精确度不能保证而且需要大量复杂的计算，本文　利用Ｍａｔｌａｂ强大的矩阵计算仿真功能编写的匹配　仿真程序能快速准确得到最终结果，为企业生产提　供了一定的借鉴。　参考文献　［１］　才委，刘春宝．发动机与液力变矩器匹配软件的应用　［Ｊ］．工程机械，２００６，３７（１１）：７１—７４＋ｌ１５．　［２］　毛熹，何天明．发动机与液力变矩器的合理匹配分析　［Ｊ］．北京汽车，２００８（２）：２６—２８．　［３］　胡仕成，黄红波，郑永锋，田明华．工程车辆发动机与　液力变矩器匹配优化设计［Ｊ］．广西大学学报（自然科　学版），２０１３，３８（５）：１０４７—１０５１．　［４］　梁艳红，吕新民，刘雪艳．发动机与液力变矩器匹配优　化［Ｊ］．机械设计与制造，２００９（６）：１３２—１３４．　［５］　华柯伟，孙跃东，李玉成．发动机与液力变矩器的匹配　计算［Ｊ］．科技信息，２０１０（３４）：１２６—１２７．　［６］　张国芬，张文明，刘晋霞，高全峰．矿用汽车液力变矩　器与发动机匹配的研究［Ｊ］．矿山机械，２００６（１２）：４６　—４９．　［７］　王永国，刘宗其，刘海林．叉车用液力变矩器与发动机　的匹配分析［Ｊ］．ＣＡＤ／ＣＡＭ与制造业信息化，２０１２　（４）：６１—６３．　［８］　刘志更，郝志军．煤矿用防爆柴油机车辆动力性能匹　配与计算［Ｊ］．煤矿机械，２０１４，３５（４）：１８—２１．　［９］赵金悦，苏天晨，曹雪飞，乔鑫．发动机与液力变矩器　的合理匹配研究［Ｊ］．汽车实用技术，２０１６（３）：７７—　７９．　作者简介：可帅（１９８９一），男，汉族，河南漯河人，硕士研究　生，主要从事机械制造及其制动化研究。　通讯作者：冯治国（１９７８一），男，副教授，工学博士，研究方　向：机器人控制技术。　收稿日期：２０１７—０１—０５　・４５・