发动机与液力变矩器匹配研究现状分析

10.16638/ki.1671-7988.2019.07.051发动机与液力变矩器匹配研究现状分析*尹建阁1，杨文斌1，雷英栋2（1.同济大学浙江学院机械与汽车工程系，浙江嘉兴314051；2.嘉兴职业技术学院机电与汽车学院，浙江嘉兴314051）摘要：发动机与液力变矩器的之间的良好匹配可以提高工程车辆的动力性、燃油经济性以及减少排放。

文章通过大量文献总结了工程机械发动机和液力变矩器匹配研究的基本思路，并从匹配方法、匹配优化、匹配评价等方面对二者匹配的研究现状进行了综述和研究展望。

关键词：发动机；液力变矩器；匹配；研究现状中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2019)07-152-03Literature review on matching of engine and torque converter*Yin Jiange1, Yang Wenbin1, Lei Yingdong2( 1.Tongji Zhejiang College, Zhejiang Jiaxing 314051; 2. Jiaxing V ocational Technical College, Zhejiang Jiaxing 314051 )Abstract: 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.Kewwords: Engine; torque converter; match; automatic transmissionCLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2019)07-152-03引言液力机械传动系统在工程车辆中应用广泛。

该系统由发动机作为动力输出，动力经过液力变矩器（或液力耦合器）以及机械传动部件传递到驱动轮。

当采用液力变矩器后，不能能改善工程车辆的牵引特性，而且还能提高其对剧烈载荷变化的适应能力，同时亦能减少振动和冲击，避免发动机熄火，实现无级变速。

目前国内各大高校和科研院所针对发动机和液力变矩器的匹配开展了广泛深入的研究。

基本的研究思路是对原始实验数据整理分析、建立相应的模型、绘制特性曲线、计算或提取有关参数、对整车的动力性和经济性等进行单一或综合评价。

其中，发动机的特性一般包括“扭矩-转速特性Te-n”、“油耗率-转速特性ge-n”、“功率-转速特性Pe-n”；液力变矩器的特性一般包括“变矩器系数-速比特性K-i”、“转矩系数-速比特性λ-i”、“效率-速比特性η-i”。

发动机与液力变矩器共同工作的输出特性是指共同工作时，输出力矩、输出功率、发动机的燃油消耗率和发动机转速与液力变矩器涡轮转速之间的关系。

共同输出特性的绘制方法一般如下：1）根据共同工作输入特性的一系列交点找到一系列相应的数值；2）根据变矩器的传动比找出相应的变矩比，根据公式计算共同工作时涡轮转速；3）根据公式计算共同工作时泵轮输入功率；4）根据公式，计算共同工作时涡轮转速、涡轮输出转矩、涡轮输出功率和效率；5）对应传动比，作者简介：尹建阁（1983-），女，硕士，副教授，就职于同济大学浙江学院机械与汽车工程系，从事机电液一体化研究工作。

基金项目：浙江省教育厅一般科研项目Y201636408。

152尹建阁 等：发动机与液力变矩器匹配研究现状分析153将涡轮输出转速、泵轮输入转矩（交点提取数据）、泵轮输入功率、涡轮输出转矩、涡轮输出功率、效率数据制表；6）根据计算出的数据进行公式拟合绘制全功率匹配共同工作输出特性和部分功率匹配共同工作输出特性。

[1][2]从上述分析不难看出，在进行发动机和液力变矩器匹配研究室，需要处理大量的试验数据，应用有效的手段进行特性曲线图表分析，对分析结果还需要建立评价指标和相应的评价体系。

为更好地深入开展研究，对目前发动机和液力变矩器匹配国内研究现状分析十分必要。

1 研究现状1.1 共同工作点算法研究发动机与液力变矩器共同工作点的确定是液力传动车辆动力传动系统优化匹配的关键。

从特性曲线上看就是确定一簇负荷抛物线与发动机扭矩特性曲线的交点，采用的方法一般有几何近似算法、解析算法和优化算法。

江苏理工大学商高高等[3][4]将求共同工作点的问题，可归结为求一个一元多次方程在[n min ,n max ]区间上的根的问题。

求解过程可以通过逐渐缩小自变量区间大小从而加速计算出共同点。

北京理工大学李春芾等采用matlab 中的polyfit 命令高次（4~6次）拟合发动机的转矩特性曲线，采用N 分法、牛顿法、直接求根法对匹配点进行计算[5]。

同济大学王建超等[6]采用线性拟合的方式求解共同工作点，可以将数据的拟合误差降低为零。

北京理工大学唐正华等[7]构建液力机械传动系统模型，基于图论思想构造动力学方程组，利用Gr bner basis 符号算法求解得到发动机与液力变矩器的共同工作点。

此类方法具有较强的通用性和实用性。

1.2 匹配优化研究当发动机的功率一定时，可以通过改变液力变矩器的循环圆有效直径、中间传动比、泵轮力矩系数等来改善匹配效果。

优化结果的评价指标一般包括最大输出转矩、高效转速范围、高效动力范围、高效区域平均输出功率和高效区域的平均油耗等[8]。

同济大学刘钊等[9]以液力变矩器涡轮轴最大输出功率为目标函数，以液力变矩器的循环圆直径为设计变量，获得平均输出最大功率。

中南大学胡仕成等[10]以优化液力变矩器循环圆直径为目标，按工程车辆直线行驶工况、正常联合工况和极限联合工况进行约束，获得最大的输出功率。

贵州大学彭正虎等[11]以车辆的涡轮的输出功率最佳和启动转矩最大为优化目标，建立目标函数，运用遗传算法对液力变矩器的有效圆直径进行优化，获得了较大的输出功率、启动扭矩、和涡轮有效功率。

为了满足各种工况，最理想的液力变矩器是其输入特性曲线通过各个工况所要求的发动机净转矩点。

对各种工况进行匹配优化将会得到不同的变矩器循环圆有效直径。

除了优化变矩器循环圆直径，陈凯等[12]根据一维束流理论对液力变矩器叶片进行设计，建立以泵轮出口角和导轮进口角为设计变量的多目标优化模型，使用遗传算法进行液力变矩器与发动机的匹配优化，获得3个目标的最优边界构成一个曲面，边界上的任意一点都是最优解。

1.3 匹配方法及评价体系在匹配与设计方面的研究主要集中在发动机与液力变矩器匹配的影响因素以及匹配策略上。

如长安大学张泽宇等[13]通过采集前轴扭矩、主油泵压力与换挡信号进行工况判定，建立不同工况点的匹配控制原则，利用发动机的转速感应控制系统调节油门开度，稳定转速和输出扭矩与转速到液力变矩器泵轮，自适应匹配工作状态。

淮阴工学院常绿等[14]将发动机与液力变矩器匹配的各项评价指标归一化处理，所得评价值构建匹配性能网状评价图，定义用户对匹配满意度，根据目标函数优化液力变矩器循环圆有效直径。

潍柴动力张建全等计算装载机6个运行工况下液力变矩器循环圆的有效直径，拟合发动机和液力变矩器共同工作输入特性曲线，计算共同工作点，构建接近度网状图，计算接近度。

以接近度最小匹配最佳，即动力性和燃油经济性得到改善。

[15]吉林大学王振宝等[16]根据匹配原则，制定5项无量纲的匹配评价指标，采用层次分析法和熵权法相结合进行综合赋权，基于灰色关联度法构建评价函数，建立发动机与液力变矩器的匹配评价方法。

上海理工大学孙跃东等[17]基于各转速工况概率相等，计算出9类非积分和积分参数评价指标，通过人工权衡法、综合指标法和平均加权法，对匹配方案进行对比评价。

1.4 匹配软件设计传统的匹配计算主要是作图法和解析法，工作量和计算误差大。

利用matlab 图形化用户界面（GUI ）和matlab 强大的矩阵计算能力来完成发动机与液力变矩器的匹配计算，方便、直观、精度高，而且可以进一步分析匹配结果，从而优选匹配方案。

如采用线性拟合发动机和液力变矩器特性，应用matlab 语言编写计算和绘图程序，设计的发动机与液力变矩器匹配GUI 界面生成EXE 文件可以在PC 机上独立运行，操作简单、方便[6]，如定义匹配评价指标，编写计算非积分参数和积分参数程序[17]，或编写数值计算程序，编写匹配界面等[18][19][20]。

也可以用Access 建立发动机与液力变矩器的数据库，以Visual Basic 6.0为平台，利用MatrixVB 编写动力匹配软件[21]。

或者应用VB 语言与Matlab 混合编程的方法，以MicrosoftExcel 作为后台数据库，开发液力传动车辆匹配计算软件[22]。

1.5 匹配仿真分析在匹配仿真方面，张泽宇等利用AMESim 软件建立不同工况转速感应传动模型，模拟装载机的V 型作业方式载荷谱，对其进行建模与仿真计算[13]。

北京理工大学洪清泉等基于ADAMS 建立发动机、液力变矩器和闭锁离合器数学模型，并组成共同工作的虚拟样机，实现仿真过程控制，得到发动汽车实用技术154 机与液力变矩器共同工作时的动态特性[23]。

此外在试验测试方面，淮阴工学院徐礼超等[24]在获取装载机典型作业物料与作业比例的基础上，按照常用的作业方式对装载机开展实机试验，得到反映装载机液压系统消耗发动机转矩数据，为发动机净转矩的求取提供了一种较合理的方法。

2 总结与展望综上，从六个方面研究了发动机与液力变矩器匹配的问题。

在匹配方法和匹配优化结果研究中，液力变矩器循环圆直径都是非常重要的一个变量。

在工作点的选取中，对于工作点的区域求解相当于一个元多次方程的求解，可以从数学和计算机辅助计算上解决以及通过计算机仿真可以得到匹配动态特性。

试验验证是理论结合实际的重要手段。

此外，不同的工程车辆在不同工况下对发动机与液力变矩器匹配的研究具有重要的影响，可以从特定的工况去考虑匹配问题，寻求更为特定适用的发动机与液力变矩器之间的匹配。