液力传动汽车动力系统共同工作特性建模分析.pdf

第8 期2023年8 月机械设计与制造Machinery Design&Manufacture185液力传动汽车动力系统共同工作特性建模分析程丽群，左付山？，文爱民！（1.南京交通职业技术学院汽车工程学院，江苏南京2 1118 8;2.南京林业大学汽车与交通工程学院，江苏南京2 10 0 0 0）摘要：变矩器的闭锁工况是液力传动系统的共同工作的重要组成部分，直接影响传动效率。针对液力传动汽车传动系统共同工作特性和闭锁点进行分析。对发动机外特性进行分析，建立柴油机的数学模型，通过对实验数据的分析，获取数学模型的拟合曲线；对液力变矩器的变矩性能进行分析，并建立其数学模型；对动力传递系统的共同工作特性进行分析，运用最小二乘法建立共同工作的数学模型，包括输入和输出特性；根据传统闭锁理论,对闭锁式液力变矩器的闭锁点进行分析；根据数学模型,基于AOVAT搭建动力传递系统的分析模型，对工作特性进行分析;基于实车测试，对发动机和液力变矩器的共同工作特性及闭锁特性进行分析,并与机械传递系统进行对比。结果可知：动力系统的数学模型可由多项式拟合；在四档时即最高档时，在闭锁点后两种传动状态下牵引力变化值最小；通过液力变矩器的输出特性曲线，与闭锁机械工况的曲线交点，获得闭锁点的转速；研究系统为1336 r/min，模型分析为1317 r/min，实车测试为130 2 r/min;三者误差小于3%,表明分析方法和结果的准确性，为此类设计提供参考。关键词：汽车；液力传动系统；动力系统；闭锁工况；模型；共同工作中图分类号：TH16;U469.4文献标识码：A(1.School of Automotive Engineering,Nanjing Vocational Insititute of Transport Technology,Jiangsu Nanjing 211188,China;2.College of Automobiles and Transportation,Nanjing Forestry University,Jiangsu Nanjing 210000,China)Abstract:The locking condition of the torque converter is an important part of the common work of the hydraulic transmission system,which directly affects the transmission eficiency.The cooperation property and locking points of the hydraulic transmission system wasanalyzed.The external characteristics of the engine was analyzed,and the mathematical model of the diesel engine was established.Thefiting curve of the mathematical model through the analysis of the experimental data was obtained.The torque conversion performanceof the hydraulic torque converter was analyzed,and its mathematical model was obtained.The cooperation property of the torque con-verter was analyzed,and the least square method was used to establish a mathematical model of the cooperation,including input andoutput characteristics.According to the traditional blocking theory,the blocking point of the lock-up torque converter was analyzed.Ac-cording to the mathematical model,the analysis model of the power transmission system was built based on AOVAT,and the workingcharacteristics were analyzed.Based on the actual vehicle test,the joint working characteristics and locking characteristics of the engineand the hydraulic torque converter were analyzed and compared with the mechanical transmission system.The results show that:themathematical model of the engine speed characteristic can be fitted with a second-order polynomial and afirst-order polynomial.In thefourth gear,that is,the highest gear,the traction change value is the smallest in the two transmission states after the lock point.The in-tersection point of the torque converter output curve and the mechanical condition is used as the locking point when the engine throttle isfully opened.The research system is 1336r/min,the model analysis is 1317r/min,and the actual vehicle test is 1302r/min.The error ofthe three is less than 3%,indicating the accuracy of the analysis method and results,which provide reference for this type of design.Key Words:Vehicle;Hydraulic Transmission System;Transmission System;Lock-up Condition;Model;Cooperation文章编号：10 0 1-39 9 7(2 0 2 3)0 8-0 18 5-0 5Modeling and Analysis of Transmission System CooperationProperty of the Hydraulic Transmission VehicleCHENG Li-qun,ZUO Fu-shan,WEN Ai-min1引言发动机与液力变矩器是液力传动汽车传动系统的重要组成单元，二者的共同工作输入输出特性，是影响液力传动汽车动力传递的重要因素，对其匹配情况进行分析，是车辆动力性能计算来稿日期：2 0 2 2-0 6-11基金项目：江苏省高校 青蓝工程 资助项目（苏教师2 0 19-0 3)；国家级职业教育教师教学创新团队课题（YB2020060104)作者简介：程丽群，（19 8 0-）,女，江西临川人，本科，副教授，主要研究方向：汽车设计与制造；左付山，（19 6 9-），男，江苏盐城人，硕士研究生，副教授，主要研究方向：汽车性能测试与评价技术的基础。为提高传动效率，实现发动机的低档位进行牵引制动和排气制动，目前通常采用具有闭锁功能的变矩器。液力变矩器的效率不是一直递增的，当变距比趋近1时效率明显下降，这时闭锁变矩器可实现机械传动，提高效率。当变矩器处于闭锁工况186时，发动机和变速箱直接为机械传动，当需要制动时，可以通过低档位进行牵引制动和排气制动。开展闭锁式变矩器与发动机的匹配及对车辆的牵引性能和传动效率的影响研究,具有重要的应用价值。国内外学者进行了一定研究：文献2 采用软件分析方式，对动力传递系统的选型进行研究，根据不同的动力匹配获取最优的设计方案；文献3 通过试验测试，分析爬坡工况下，动力传递系统的匹配情况及影响因素；文献4 搭建发动机和液力变矩器的数学模型，基于软件仿真，获取二者工作匹配性；文献5采用硬件在环测试方式，获取不同档位时，系统的共同工作特性；文献6 采用G-Star建立发动机模型，利用AMESim建立变矩器模型,联合二者建立系统模型，验证对传递效率的影响。针对液力传动汽车动力系统共同工作特性和闭锁点进行分析。对发动机外特性进行分析,建立柴油机的数学模型,通过对实验数据的分析，获取数学模型的拟合曲线；对液力变矩器的数学模型进行分析；对动力系统的共同工作特性进行分析，运用最小二乘法建立共同工作的数学模型，包括输人和输出特性；根据传统闭锁理论，对闭锁式液力变矩器的闭锁点进行分析；根据数学模型,基于AOVAT搭建动力传递系统的分析模型,对工作特性和闭锁点进行分析；基于实车测试，对发动机和液力变矩器的共同工作特性及闭锁特性进行分析,验证分析的准确性。2发动机与变矩器共同工作模型液力传动车辆动力传递系统根据其结构特点，其动力性能分析流程，如图1所示。首先，需要分析发动机与液力变矩器的共同工作输出特性，并对其匹配情况进行分析。内燃机离散数据动力机净外特性曲线辅助油泵参数液力变矩器原始特性曲线工液力变矩器离散数据Fig.1 The Whole Process of Vehicle Dynamic Performance2.1共同工作模型发动机外特性曲线是以一组实验室数据给出的，隐含着发动机转速与发动机输出扭矩、功率、比燃油消耗率的关系，这种关系没有确定的解析表达式。发动机的速度特性中外特性段为单凹曲线，调速特性段近似直线7 。因此，发动机的特性曲线可以用一个二次多项式和一次多项式来拟合，即发动机外特性曲线的解析式为：Jao+ainag+aana(ndmlinnananlian)式中：Ma一发动机净扭矩，Nm；na一输至液力变矩器泵轮的转速,r/min。程丽群等：液力传动汽车动力系统共同工作特性建模分析项式进行曲线拟合8,可以写作：K=ao+aji+ai?+asi+.+ajig=bo+bri+b2i2+b3i3+.+bjiIn=Co+ci+cai2+cgi+.+cjil式中：K、入vn、i 一变矩器的变矩系数、泵轮扭矩系数、效率和传动比;,vic一代数多项式的待定系数，(j=0、1、2、3、)。2.1.1输入模型输人模型可有效描述，当转速比i变化时，对应系统的转速和扭矩的变化。二者的共同工作曲线，如图2 所示。AM2ImaxA0nmin图2 发动机与液力变矩器共同输人特性Fig.2 Common Input Characteristics of Engine and Torque Converter车辆牵引（闭锁）特性车辆加速特性车辆总体参数车辆爬坡能力共同工作输出（闭锁）特性共同工作输入特性图1车辆动力系统分析过程第8 期液力变矩器的原始特性是反映泵轮扭矩系数入、效率n、变矩系数K随转速比i的变化规律，可表示为：K=K(i)入B=入(i)(n=n(i)具有正透穿性的液力变矩器的原始特性曲线可采用代数多(3)MA*n.Nnmax根据图中所示，确定共同输入特性，泵轮的转速不同,则表示对应的转矩吸收9,二者共同工作的条件可写作：M;=Mi(ng=ni根据式(4)可知,输入特性即是M（n a）与M(ng)的交点,如动力机与变矩器匹配评价指标图2 中所示的交点。（循环工况的）燃油经济性评与外特性段曲线方程联立,得：Mau=aotainata.niM=0.13825 9.8 ng/KMa=MB(n=nB解得：-a/aa-4ao(ao-0.13825 9.8 ng/K)nBl.2=2(a-0.13825 9.8/K)由图3中几何关系，可知：n g()=max(n i,m2)与调速特性段曲线方程联立，可得：(1)(Ma=bo+bindM=0.13825 9.8 ng/KMa;=MB(ndj=nB(2)(4)(5)(6)(7)(8)No.8Aug.2023解得：-b1/bz-4b。0.138 2 59.8 n g/KnB3.4=20.138259.8/K2同理,可得：ng(2)=maxing3,ng4f结合图3的几何关系,实际交点所对应的转速为ng=mining(l)，ng(2)）/，利用Mg=0.13825x9.8nz/K求得所对应的M，值。于是，得出变矩器与发动机的共同工作的离散交点：（nBi,MBi）（i=i,i 2，i，n 为所求得交点的数目)。2.1.2输出模型主要描述：输出扭矩M、输出功率N、比燃料消耗量g。（电动机没有这一项）和发动机（泵轮)转速n等与涡轮转速n之间的关系 。由共同工作输入特性计算时,求出的交点的转速nB值，计算其对应的涡轮转速n值。nT=inB根据液力变矩器原始离散数据中提供的不同的转速比i,在液力变矩器原始特性曲线上分别求出对应的变矩比T.R值。由共同工作输入特性计算时求出的交点的扭矩M值计算其对应的涡轮转速M值。M=T.RMB计算出各交点对应的涡轮功率n值。N=Mang/9550由共同工作输入特性计算时求出的交点转速n值，通过发动机外特性中的比燃料消耗量曲线计算其对应的涡轮比燃料消耗量gr值12 。通过最小二乘法，由这些新的离散点就可以拟合出涡轮输出扭矩M涡轮输出功率N、涡轮比燃料消耗量gT三条输出特性曲线。拟合过程中，三条曲线的次数分别为3次、4 次、2次，可得发动机与变矩器共同工作输出特性曲线。2.2液力变矩器闭锁点选取液力变矩器出现闭锁时，系统由液压传动，转变为机械传动，此时通过两种传动工况的输出特性联合，即可获得闭锁点10 ,如图3所示n。MHFig.3Turbine Locking Point Design图3中所示的nivnzvnsvn分别为两种工况下系统最低和最高运行速度。实际分析时，两个工况的发动机运行速度范围是相同的，而交点对应的转速则存在差异，发生闭锁时，速度会出现明显的降低。根据闭锁点分析，液力传动与机械输出特性曲线数学模型联立，则：机械设计与制造Me(nagnt)=M(nn,nr)(9)等式左侧为变矩器输出特性曲线，闭锁后机械工况的特性曲线。即为两曲线的交点，如图所示曲线交点为9 4 5Nm/1336r/min，(10)此时发动机为油门全开工况，即为该工况的闭锁点。同理，若变矩器闭锁后发动机的扭矩和功率都大于未闭锁时涡轮的扭矩和功率，闭锁后的牵引力曲线也会较未闭锁时的牵引力有所增加，也就是说闭锁后车辆将加速，即提高了运输效率，达到了选配闭锁式液力变矩器的目的。3基于AOVAT系统工作特性分析采用Visualbasic语言环境编辑发动机、变矩器、变速箱等的特性，后台数据库采用Access数据库，基于AOVAT3.0搭建整车动力性能分析系统，实现功能的多样化和界面的人性化，即同步计算车辆动力性和燃油经济性。所用发动机为QSL9300HP,采(11)用手动闭锁式液力变矩器CL5452。共同工作特性曲线为发动机扭矩的二次曲线和液力变矩器扭矩二次曲线，根据液力变矩器与发动机数学模型拟合曲线的交点，确定共同工作点。系统的输出特性，如图4 所示。Mt/Nm(12)1600F1280F(13)960F640F3200235470705940117514101645188021152350Fig.4 Co-Working Output Characteristics3.1机械传动与液力传动动力性对比采用手动闭锁式液力变矩器，为提高动力的传递效率和系统的运行速度，在合适的档位和速度下对变矩器实施闭锁。假设变矩器处于闭锁状态也就是动力传递属于纯机械传动时，其动力性能,如图5所示。IE/kW240r216M192168144 n2n4图3涡轮闭锁点设计187(14)Ni/kWgel/(g/kW.h)721316001711280128-9608564043320一0nt/(r/min)图4 共同工作输出特性50%40%n1209650%7248240481216202428323640/(kW/h)图5机械传动状态下牵引力曲线Fig.5 Traction Curve Under Mechanical Transmission30%20%40%10%0%30%20%10%0%No.8188机械设计与制造从图中可以看出，动力以机械传动的方式传递会出现动力的由图可知，主要原因是液力变矩器当涡轮转速到达一定值中断现象。并且由于液力变矩器的作用(失速变距比K1),使得后，其效率下降，在合理闭锁点闭锁后，涡轮与泵轮联接在一起，在发动机较低转速阶段液力传动的牵引力远远要大于机械传动发动机输出的扭矩不再经过液力传动而直接传递给车轮，从而提的牵引力，有效提高了卡车的启动性能和防熄火性能。高了传动效率，并且保证了车辆行驶的平顺性。其次采用高档对比图中曲线可以看出，由于柴油发动机具有调速特性，当闭锁可以避免每档闭锁解锁的繁琐操作，实用性更强。高档闭锁发动机转速大于标定转速时，发动机扭矩基本成线性下降，最高时，机械传动的牵引力与液力传动情况下牵引力差值最小，闭锁转速达到标定转速的(1.1 1.2)倍。在最高转速处发动机的输出时车辆引起的冲击最小。扭矩为0。由此可以解释上图中，机械传动状态下每档牵引力随4动力传递系统测试分析转速先增加后减小，直至为0。此牵引特性明显区别与汽油机的为验证模型分析结果的准确性，利用某动力传递系统试样台牵引特性,后者各档的牵引力特性曲线互不相交,也不存在牵引架进行测试，系统采用QSL9300HP发动机，采用手动闭锁式液力为零的点，即各档的动力不连续，动力连接需要靠离合器的摩力变矩器CL5452；变速箱采用美国德纳DANA公司的R36441擦作用。变速箱，四个前进挡，四个倒退档，各档的传动比分别为：5.33、3.2变矩器闭锁分析2.22、1.2 6、0.7 2；通过水力测功机模拟负载工况，变对负载情况进应用动力传递系统的闭锁模块进行模拟分析，得出当液力变行调整，试验所用NI采集仪为NICrio-9024实时平台和C系列矩器闭锁后，整车的牵引性能和燃油消耗等方面的具体变化。即NI9025模拟信号输人模块，试验台和采集模块，如图8 所示。闭锁式液力变矩器与发动机共同工作的输出特性，如图6 所示。B-2 Project7.30.hprojMyComputerE翼DependenciesDForalBuild SpecificationsENI-CRU09024-016DA94D(169.254.84198)/K，FPGA Target(RIO0,RIO-9118)Chassis(cRIO-9118)180021312801280120200840640320320920nt/6/aia)-19-3001发动机号图6 液力变矩器闭锁前后共同工作输出曲线Fig.6 Curves Before and After Locking of the Torque Converter从图中明显看出，当涡轮转速n到达1317 r/min左右时，涡轮的扭矩曲线(M),功率曲线(kW）,以及燃油消耗率(g/(kWh)有一个明显的跳跃。这就是采用单参数控制即控制涡轮转速nr液力变矩器闭锁后，改为纯机械传动体现出来的发动机扭矩以及功率特性曲线(忽略离合器的结合过程)。由此可知，当高速档变矩器闭锁，车辆改为机械传动后，共同工作输出特性都有明显的提高,如图7 所示。TE/kW240F2161921681441209650%724824048121620 2428323640/(kW/h)图7 发动机与变矩器高档闭锁的牵引力特性曲线Fig.7 Traction Characteristic Curve of Engine andTorque Converter High-Grade LockAug.2023FPGA程序读取传感器数据1600中口ChassisvoOMod2Mod3ModsMod440MHzOnboardClockFiFOfpga.viFIFOfpga2.iFIFOfpgal.viI-FIFOMod2WFIFOMod3FIFOMod4I-FIFOMod5Mod2(Slot2,Nt9205)Mod3(Slot3,NE9423)Mod4(Slot4,N9205)Mod5(Slot5,N9853)BuildSpecificationsDependenciesFIFOhost.vi0FIFOhostL.viFIFOhost2.viDependenciesBuild Specifications13C3.341rnit50%-40%30%.20%40%10%主程序存储数据NIII生成图8 试验测试Fig.8Test System车辆采用闭锁变矩器，可以提高动力传动效率，液力变矩器的效率不是一直递增的，当变距比趋近1时效率明显下降，这时闭锁变矩器可实现机械传动，提高效率；还可以实现发动机制动，当闭锁变矩器时，发动机和变速箱直接为机械传动，当需要制动时，可以通过发动机的低挡位进行发动机牵引制动和发动机排气制动，各档闭锁牵引特性曲线，如图9 所示。TE/kW240P216A19250%16840%1441209650%724830%24F20%0481210%0%30%.-20%40%10%主-0%16202428323640/(kW/h)图9 各档闭锁牵引特性曲线Fig.9 Traction Characteristic Curve of Each Gear Blocking由图中整车各档的牵引特性曲线可知,每个档位的牵引力曲线都有一个明显的改变。在每个档位牵引力变化对应的车速一30%20%10%0%No.8Aug.2023一对应发动机与变矩器共同工作的涡轮转速值的变化点，就是变矩器的闭锁点。从图中明显看出，在低档位进行变矩器的闭锁不但不能达到闭锁的目的，而且还会使车辆在运行过程中发生抖动的现象，这是因为在低档位的转速下发动机输出到车轮的扭矩和涡轮输出到车轮的扭矩差值较大，较大的扭矩差会使车辆出现抖动，车速不稳。液力传动和机械传动两种传动状态下牵引力特性测试数据，如图10、图11所示。25020031500100500051015元2 0 2 5303540速度(km/h)(a)输出力7016050%）4030201000510152025303540车速(km/h)(b)负载特性图10 液力传动各档牵引力特性Fig.10 Traction Characteristics of VariousGears of Hydraulic Transmission200150100500060505201000Fig.11 Traction Characteristics of VariousGears of Mechanical Transmission机械设计与制造通过对图10、图11所示的两种传动状态下离散数据的分析，可知，液力传动时，一档2.6 km/h、二档5.3km/h、三档9.3km/h、四档16.3km/h，机械传动时，一档2.2 km/h、二档5.2 km/h、三档9.2 km/h、四档16.2 km/h为各档牵引力曲线交点附近相对应的离散点，也就是说，应用闭锁理论，液力传动时各档在此离散点后进入闭锁状态，即机械传动状态。三种情况闭锁点，对应转速，如表1所示。表1闭锁点转速对比Tab.1 Comparison of Locking Point Speed发动机转速/r/min理论分析1336一档模型分析+二档实车测试+三档+四档+一档+二档+三档+四档+一档+二档三档+四档1020车速(km/h)(a)输出力-1020车速(km/h)(b)负载特性图11机械传动各档牵引力特性189误差2.61%13171.15%1302一对比可知，理论分析、模型分析、实车测试的闭锁点转速基本一致，误差控制在2%以内。根据各档牵引力变化趋势和大小分析，在四档时即最高档时，在闭锁点后两种传动状态下牵引力变化值最小。也就是说在该档位闭锁后，闭锁瞬间车辆牵引力不会变化，而且发动机在转身继续升高的过程中，车辆会继续加速，但加速度变化不大，速度不会瞬间提升，不会由于车速改变造成冲击，影响行车舒适性。当车辆在下坡行车时，为了实现发动机的牵引制动性能和发动机排气制动功能，可以在行车时的任意车速下进行闭锁。液力变矩器闭锁后，车辆实现机械传动，发动机牵引制动和排气制动功能可增强车辆的行车安全性。5结论(1)柴油机的速度特性数学模型可以用一个二次多项式和一次多项式来拟合，柴油机扭矩曲线（抛物线）和调速特性曲线（直线)两段组成，功率和油耗曲线为抛物线；(2)油门全开工况的闭锁点，由输出曲线与机械工况输出曲线交点确定；所研究系统为1336r/min，模型分析为1317 r/min，实车测试为130 2 r/min；（3）在四档时即最高档时，在闭锁点后两种传动状态下牵引力变化值最小；通过对液力变矩器进行自锁可以提高车速从而提高运输效率；（4)理论分析、仿真模型与实测闭锁点对应转速误差小于3%，表明分析方法和结果的准确性，为此类设计提供参考。参考文献1刘良.基于混合进化算法的汽车传动系优化研究J.机械设计与制3040+一档+二档+三档+四档3040造,2 0 16(11):19 4-19 7.(Liu Liang.Optimization of automobile powertrain based on hybrid evo-lutionary algorithm 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Effect其中,温度控制效果对比,如图11(a)所示。温度控制误差对比，如图11(b)所示。MAE和RMSE误差，如图11(c)所示。从图11可以看出,与常规的PID控制方式相比,系统采用BP神经网络PID控制算法时冷却水的温度控制效果更好。结果显示,系统采用BP神经网络PID控制算法具有更高的精度，均方根误差和平均绝对误差也更小。6结论(1)系统中的温度和流量信号采集模块以及步进电机驱动模块均可正常工作,硬件电路与软件接口的设计无误。2)仿真与试验结果表明，与传统PID控制相比,系统采用BP神经网络PID控制策略，超调量更小，控制精度更高，误差更小，具有更好的冷却水温度调节效果。（3)系统能够实现MPCVD设备运行过程中冷却水温度的自动控制，能够对样品台的温度变化做出及时的响应，具有一定的工程实际意义。参考文献1江彩义.微波等离子体技术制备金刚石膜的工艺研究D.昆明：昆明理工大学,2 0 17.(Jiang Cai-yi.Research on the preparation of diamond film by micro-wave plasma technology D.Kunming:Kunming University of Scienceand Technology,2017.)2翁俊.新型MPCVD装置制备大面积金刚石膜的研究D.武汉：武汉工程大学,2 0 11.Aug.2023viceD.Wuhan:Wuhan Institute of Technology,2011.)3文凯，张颖，朱昊，等.基于MC9S12单片机的汽车发动机智能冷却泵控制系统设计J.机电工程技术，2 0 2 0,4 9(9)：9 6-9 8+2 2 4.(Wen Kai,Zhang Ying,Zhu Hao,et al.Design of intelligent coolingpump control system for automobile engine based on MC9S12 microcon-troller JJ.Mechanical&Electrical Engineering Technology,2020,49(9):96-98+224.)4顾超.变截面零件的热成形模具冷却系统设计方法研究D.长沙：湖南大学,2 0 19.(Gu Chao.Study on 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