王安麟,章明犬,李文嘉,程偉
(同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院, 201804, 上海)
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采用裝載機整機實驗的液力變矩器性能匹配指標
王安麟,章明犬,李文嘉,程偉
(同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院, 201804, 上海)
針對液力變矩器的設(shè)計、選配過程與整機循環(huán)工況載荷的非關(guān)聯(lián)性問題,提出了采用面向整機循環(huán)作業(yè)工況的液力變矩器性能匹配指標評估液力變矩器部件與整機系統(tǒng)匹配效果的方法。相較于傳統(tǒng)液力變矩器靜態(tài)臺架實驗,該方法是通過基于整機功率流原理下的液力變矩器的性能實驗,在統(tǒng)計整機典型工況下液力變矩器特性參數(shù)分布的基礎(chǔ)上,將關(guān)聯(lián)整機載荷的速比分布合理有效地應(yīng)用于液力變矩器與整機的性能匹配指標中。實例應(yīng)用結(jié)果表明,該性能匹配指標能體現(xiàn)整機載荷分布的側(cè)重性,可用于針對具體機型的載荷特點定制化設(shè)計和選配液力變矩器。
液力變矩器;裝載機實驗;性能匹配;典型工況
土方工程機械車輛在復(fù)雜惡劣工況下行駛工作時,液力變矩器作為柔性傳動部件,對保持整機動力性、緩沖減振等性能有重大的作用[1],同時也能有效防止外載荷波動對傳動部件的損害,但是由于液力傳動相對機械齒輪傳動而言,其傳動效率和傳動扭矩均是隨轉(zhuǎn)速時刻變化的,因此明確液力變矩器在整機作業(yè)過程中的性能表現(xiàn),對基于整機系統(tǒng)進行定制化設(shè)計、選配液力變矩器有著指導(dǎo)意義。
對液力變矩器進行特性研究的傳統(tǒng)方式主要有:通過臺架實驗探究液力變矩器的靜態(tài)外特性,近年來的主要發(fā)展在于進行熱平衡方面的研究[2],以改善液力變矩器特性;利用現(xiàn)代數(shù)字化仿真技術(shù),例如計算流體動力學(xué)仿真分析液力變矩器的動態(tài)特性[3-4]和內(nèi)部流場特征[5-6]。數(shù)字化仿真技術(shù)的進步方向在于提高數(shù)值計算的精度以及探究流場動態(tài)演變過程,為此,近年來開始引入格子波爾茲曼統(tǒng)計力學(xué)[7]研究液力變矩器。
無論臺架實驗探究還是數(shù)值仿真分析,均是對液力變矩器進行部件層面的設(shè)計改進工作,未將液力變矩器部件與整機系統(tǒng)載荷特征相聯(lián)系,無法從整機角度對液力變矩器部件提出相應(yīng)的技術(shù)要求。因此,本文基于裝載機系統(tǒng)功率流動原理及結(jié)構(gòu)特點,設(shè)計了整機典型工況下液力變矩器性能實驗,采用先進的環(huán)形變壓器供電的應(yīng)變式扭矩傳感器技術(shù)測量傳動軸扭矩,實現(xiàn)了整機實時、在線、多通道的能量、控制信號的采集,并依據(jù)傳動原理反求出了液力變矩器的輸入輸出,量化統(tǒng)計了液力變矩器在裝機作業(yè)時的特性參數(shù)分布規(guī)律,進一步提出基于整機循環(huán)工況的液力變矩器性能匹配指標。該指標對基于整機工況特點定制化設(shè)計、選配液力變矩器有一定的指導(dǎo)作用。
1.1 裝載機整機系統(tǒng)分析
為了明確實際作業(yè)時作為傳動關(guān)鍵部件的液力變矩器性能表現(xiàn),必須對整機系統(tǒng)架構(gòu)及作業(yè)時的能量流動特點進行系統(tǒng)性分析。作為工程機械整機裝載機,其相對汽車整車而言最顯著的特點是外界載荷的突變性以及工況的復(fù)雜性,機構(gòu)的靈活性以及多系統(tǒng)的耦合作用。
圖1 裝載機系統(tǒng)示意圖
針對上述特點,可以將裝載機系統(tǒng)分為傳動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)。如圖1所示,傳動系統(tǒng)線路為從發(fā)動機將動力傳輸?shù)诫p變(液力變矩器與變速箱),通過前后傳動軸將能量傳到前后驅(qū)動橋,經(jīng)橋內(nèi)的中央傳動及輪邊減速,轉(zhuǎn)化為輪胎的牽引力輸出。液壓系統(tǒng)動力來源同樣是發(fā)動機,輸出軸分流帶動工作泵、變速泵、轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)動,分別作用于工裝液壓缸、雙變液壓油路及轉(zhuǎn)向缸。由于兩系統(tǒng)動力來源相同,因此作業(yè)時根據(jù)工況需求協(xié)調(diào)能量供應(yīng)。對于傳動系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)的控制均來源于駕駛員對于擋位、油門、工裝手柄等的操縱,由這些控制信號可直接明確當(dāng)前的工況。
1.2 液力變矩器特性分析
土方機械例如裝載機等常用二級雙渦輪液力變矩器,其靜態(tài)特性一般由效率、傳動比和能容表示
(1)
(2)
(3)
式中:Tp、Tt分別為液力變矩器輸入轉(zhuǎn)矩和輸出轉(zhuǎn)矩;ωp、ωt分別為液力變矩器輸入轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)速;η和K分別為變矩器的效率和轉(zhuǎn)矩比;λB為泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù);ρ、g分別為油液密度和重力加速度;D為變矩器的有效直徑;nB為泵輪轉(zhuǎn)速;Mbg為液力變矩器泵輪能容。針對YJSW315型雙渦輪液力變矩器,開展傳統(tǒng)靜態(tài)臺架實驗,限定泵輪轉(zhuǎn)速為1 600 r/min,逐步提高渦輪轉(zhuǎn)速,測得相應(yīng)的泵渦輪轉(zhuǎn)矩,繪制出的靜態(tài)特性參數(shù)隨速比i變化的曲線如圖2所示,最高效率達到82.19%,啟動轉(zhuǎn)矩比為4.14。
圖2 雙渦輪液力變矩器靜態(tài)特性
盡管圖2中的液力變矩器性能經(jīng)過了臺架實驗的驗證,但是實際液力變矩器裝機工作過程中涉及的是零部件與整機的匹配耦合作用,液力變矩器實際工作的邊界條件是動態(tài)的,受到整機的工況、載荷以及駕駛員的操作習(xí)慣等因素的影響,因此,為了解液力變矩器在整機作業(yè)時的實際性能表現(xiàn),必須開展基于典型工況的整機動態(tài)實驗。
2.1 實驗設(shè)計原理
在裝載機整機傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,液力變矩器與變速箱構(gòu)成雙變,出入口分別與傳動軸和發(fā)動機相連??紤]到實際安裝空間以及傳感器位置要求,無法直接測量變矩器出入口的扭矩、轉(zhuǎn)速。因此,為得到變矩器出入口的參數(shù)值,可以通過測量整機系統(tǒng)的相關(guān)參量,依據(jù)功率流動原理反求出變矩器的特性。
液力變矩器的特性參數(shù)包括入口泵輪的轉(zhuǎn)速、扭矩,出口渦輪的轉(zhuǎn)速、扭矩。在入口部分,由于液力變矩器泵輪與發(fā)動機同軸,故其轉(zhuǎn)速即為發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。由圖1可見,液力變矩器泵輪軸分別經(jīng)齒輪傳動帶動工作泵、變速泵以及轉(zhuǎn)向泵工作,故實際的液力變矩器泵輪轉(zhuǎn)矩輸入為
(4)
(5)
式中:T0為發(fā)動機的輸出扭矩;TG1為工作泵、變速泵輸入軸的合扭矩;TG2為轉(zhuǎn)向泵輸入軸的扭矩;Te為其他附件例如風(fēng)扇等的合轉(zhuǎn)矩;iG1為發(fā)動機輸出軸與工作泵、變速泵輸入軸間齒輪傳動的傳動比;iG2為發(fā)動機輸出軸與轉(zhuǎn)向泵輸入軸間齒輪傳動的傳動比;η1為泵對應(yīng)的容積效率;η2為泵對應(yīng)的機械效率。由于結(jié)構(gòu)空間狹小,無法直接測得發(fā)動機輸出軸扭矩,其具體扭矩值可通過發(fā)動機臺架實驗外特性與整機工作時的油門開度信號配合得到。該裝載機所選配的發(fā)動機型號為WD10G220E23,其外特性如圖3所示。
圖3 發(fā)動機特性
圖3中發(fā)動機的實驗外特性T-n曲線可擬合為多項式(6)與(7)加以表達。發(fā)動機空載最高轉(zhuǎn)速與油門開度關(guān)系表達式(8)可通過空擋時整機油門開度測試得到。整機工作時發(fā)動機的實際轉(zhuǎn)矩輸出值為T0=min(T1,T2)。
T1=b0nk+b1nk-1+…+bk-1n+bk
(6)
T2=h(n-n0)
(7)
(8)
式中:T1為發(fā)動機外特性曲線段某一轉(zhuǎn)速對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值;T2為某一油門開度對應(yīng)的調(diào)速段直線上該轉(zhuǎn)速對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值;h為調(diào)速段直線的斜率。式(8)表示的是發(fā)動機零轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速n0與油門踏板位移x0之間的對應(yīng)關(guān)系。至此,將T0代入式(4)即可得到液力變矩器泵輪入口轉(zhuǎn)矩。
在液力變矩器的出口部分,變矩器與變速箱組成了裝載機的重要部件雙變,由于結(jié)構(gòu)原因無法直接測量變矩器出口參數(shù),較好的解決方案在于測量前后橋傳動軸的力學(xué)參數(shù)以及整機實時的擋位信號,對應(yīng)求出變矩器出口轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩,具體轉(zhuǎn)化關(guān)系為
(9)
(10)
式中:TCO為液力變矩器出口轉(zhuǎn)矩;nCO為液力變矩器出口轉(zhuǎn)速;TSF、TSB分別為前后傳動軸轉(zhuǎn)矩;TS為變速箱輸出轉(zhuǎn)矩;nS為傳動軸轉(zhuǎn)速;iS1、iS2、iSR分別為變速箱1、2擋以及倒擋傳動比;XD為換擋位移。至此,可得到整機作業(yè)過程中,外部載荷實時變化時的液力變矩器特性參數(shù)分布情況。
2.2 傳感器選型安裝
整機實驗傳感器的選型主要依據(jù)整機系統(tǒng)待測參數(shù)取值范圍和整機結(jié)構(gòu)特點。由于該裝載機整機實驗采集參量涉及傳動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng),選用的傳感器包括扭矩、壓力、位移、轉(zhuǎn)速等多種類型傳感器,因此需要保證各部分參量的采集信號在數(shù)據(jù)采集儀中兼容,故采集儀應(yīng)同時包括通用模擬量通道和轉(zhuǎn)速通道,確保能實時、多通道采集整機系統(tǒng)信號。各傳感器的具體選型情況見表2。
裝載機整機實驗傳感器的選配安裝重點在于要考慮到惡劣的工作環(huán)境和劇烈的載荷波動對傳感器性能的影響。由于裝載機的工作場所灰塵多且整機的振動沖擊較大,因此傳感器需要有專門的防塵和抗沖擊保護措施。此外,對于液壓系統(tǒng)壓力可采用通用管接頭直接連接壓力傳感器測量或從流量傳感器的外接口引出測量,其間必須采用膠水密封防止泄漏。對于安放在駕駛室的數(shù)據(jù)采集儀既要固定牢固,也要采取墊泡沫等減振方式。考慮到裝載機動作自由度較高,多種類型傳感器的線路布置統(tǒng)一,要基于整機動作幅度對線路長度留有相應(yīng)裕量。尤其針對傳動軸低頻動態(tài)扭矩的測量,既要滿足底盤苛刻的空間尺寸要求,要有專門的防塵措施,還要保證傳動軸橫向擺動與縱向起伏運動過程中,傳感器不會與底盤撞擊,這便要求特殊的安裝固定形式。本實驗中采用先進的環(huán)形變壓器供電的應(yīng)變式扭矩傳感器[8]測量動態(tài)傳動扭矩,在應(yīng)用之前要經(jīng)過專門的扭矩加載實驗臺進行標定,其扭矩與電壓的關(guān)系為
表2 傳感器選型及采集通道設(shè)置
(11)
(12)
式中:TS1,TS2分別為前、后傳動軸對應(yīng)的扭矩值;V1、V2分別為扭矩傳感器測量出的模擬電壓值;TO為變速器的輸出扭矩。部分傳感器安裝圖如圖4所示。
(a)壓力、流量傳感器 (b)環(huán)形變壓器供電的應(yīng)變式扭矩傳感器 (c)多通道數(shù)據(jù)采集儀圖4 傳感器安裝圖
2.3 實驗工況設(shè)計
整機實驗工況設(shè)計主要依據(jù)實驗待測參量及實驗?zāi)康陌才?其中實驗過程依據(jù)從單一工況到復(fù)雜綜合工況進行。單一工況主要為了測量未知參量,例如油門開度測試、擋位位移測試等,復(fù)雜綜合工況主要為了測試裝載機在實際作業(yè)時的性能表現(xiàn),按行走路線分類主要包括V型、L型以及T型等典型工況[9]。針對上述各種實驗工況,在明確各實驗采集參量的基礎(chǔ)上,為保證實驗的可重復(fù)性,要嚴格規(guī)范實驗條件,例如規(guī)定晴天、土質(zhì)為常用的松散土,場地保證一定的平整度。除此之外,對各實驗工況要重復(fù)進行,保證實驗數(shù)據(jù)的準確性。具體實驗工況安排見表3。
3.1 數(shù)據(jù)處理
根據(jù)式(6)、(7),由發(fā)動機實驗數(shù)據(jù)利用最小二乘擬合出其對應(yīng)的外特性表達式(13)、(14),故實際
表3 實驗工況安排
的發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩為min(T1,T2)?;诳論跤烷T開度測試,分別記錄油門踏板位移和發(fā)動機轉(zhuǎn)速隨時間變化的數(shù)據(jù),經(jīng)最小二乘擬合得到空載時發(fā)動機轉(zhuǎn)速n0與油門踏板位移x間的關(guān)系式(15),其具體的擬合曲線如圖5所示。
T1=-3.927×10-7x3+0.001 303x2-
1.248x+1 145
b、退出保護裝置中控制回路斷線告警H92保護定值。需出新定值單,將 H92 控制回路斷線告警由ON改為OFF。此時控制回路斷線由位置接點的硬接點信號W135上送后臺,保護裝置邏輯不再判控制回路斷線。
(13)
(14)
n0=-0.183 5x2+118x-1.676×104
(15)
圖5 發(fā)動機轉(zhuǎn)速與油門踏板位移擬合結(jié)果
基于式(13)、(14)、(15)以及實時的發(fā)動機轉(zhuǎn)速、油門踏板位移,可以得到發(fā)動機實時的輸出轉(zhuǎn)矩。結(jié)合式(4)、(5)可以計算得到液力變矩器入口實時的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速。就液力變矩器出口而言,為得到其扭矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù),在整機實驗過程中,需要得到實時變速箱的擋位信號,為此,對整機進行擋位位移測試,確定變速箱不同擋位時,位移傳感器不同區(qū)段的分界值。根據(jù)實時測定的前后傳動軸扭矩,結(jié)合相應(yīng)的擋位信息,依據(jù)式(9)、(10)可以求得液力變矩器出口實時的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速。
3.2 整機循環(huán)工況下的液力變矩器特性參數(shù)分析
在液力變矩器靜態(tài)臺架實驗基礎(chǔ)上,為了深入了解液力變矩器裝機工作過程中的性能表現(xiàn),需要分析整機工作過程中的液力變矩器特性。由于整機工作時外部載荷時刻變化,發(fā)動機對液力變矩器的動力輸出也在油門開度、外負載影響下隨時改變,這便導(dǎo)致變矩器出入口特性參數(shù)隨時間變化的無規(guī)律性。由于液力變矩器對載荷高頻的不敏感性,其每一時刻動力特性與靜態(tài)外特性曲線上的點大體相對應(yīng),整機實驗的最大益處在于能反映各種典型工況下變矩器動力特性參數(shù)分布規(guī)律,因此,對液力變矩器效率、轉(zhuǎn)矩比、傳動比加以統(tǒng)計,具體統(tǒng)計結(jié)果如圖6、圖7所示。
由圖6典型工況特性參數(shù)分布圖可知,V型、L型以及T型工況下液力變矩器的特性參數(shù)分布基本一致。由其中液力變矩器效率分布圖可知,盡管液力變矩器設(shè)計過程中要求高效區(qū)盡可能寬,但實際作業(yè)時液力變矩器大部分時間段工作于中低效率區(qū),這主要是由于3種典型工況中裝載機空載行駛的時間相對較短,液力變矩器常處于低速重載工況,圖6a中轉(zhuǎn)矩比大于1的分布比例可證實這一點;另一方面,轉(zhuǎn)矩比大于4.14大約占到15%,這說明實際工況載荷偶爾超出液力變矩器的帶載能力,整機出現(xiàn)過載現(xiàn)象。
(a)轉(zhuǎn)矩比分布
(b)效率分布圖6 3種典型工況下液力變矩器轉(zhuǎn)矩比、效率分布
(a)單一工況
(b)典型工況圖7 3種典型工況下的傳動比分布
單從液力變矩器傳動比分布圖可知,空載1擋和空載倒退的傳動比分布趨勢基本一致,原因在于兩者變速箱傳動比較為接近,工況特征比較相似,由于載荷、車速均較小,液力變矩器絕大多數(shù)時間工作于接近耦合器工況,空載2擋中液力變矩器較多工作于切換工況附近;在典型工況中,由于擋位的頻繁切換以及載荷的時變性,其傳動比分布較為復(fù)雜,但3個峰值區(qū)對應(yīng)的低速重載工況、切換工況、耦合器工況反映了典型工況的綜合性特征。
基于整機現(xiàn)場實驗的液力變矩器特性分析,將液力變矩器性能與整機工況、載荷相聯(lián)系,直接表明了兩者的物理映射關(guān)系,相較于通過靜態(tài)臺架實驗對液力變矩器單個部件進行特性分析而言,這種在整機系統(tǒng)運行過程中分析部件性能的方法更為全面、客觀。
3.3 基于整機循環(huán)工況的液力變矩器性能匹配指標
(16)
(17)
由式(16)、(17)可知,計算功率輸出系數(shù)、燃油消耗率系數(shù)過程中運用的都是平均功率和平均油耗。為更準確地表明液力變矩器與整機匹配工作中的動力性、經(jīng)濟性表現(xiàn),在功率輸出系數(shù)與燃油消耗率系數(shù)計算中,平均功率和平均油耗均利用基于實際工況統(tǒng)計出的權(quán)重分布計算的綜合有效功率和綜合有效油耗替代
(18)
(19)
(20)
圖8 典型工況平均傳動比分布綜合圖
從液力變矩器部件層面而言,其與整機性能匹配的作用體現(xiàn)在對液力變矩器部件葉柵設(shè)計提出基于整機載荷層面的要求,該實驗得出的液力變矩器傳動比分布規(guī)律可以反映出整機作業(yè)時液力變矩器工作的高頻區(qū)。實際設(shè)計出的液力變矩器在不同傳動比下工作時效率差別很大,為提高液力變矩器在循環(huán)工況下的綜合效率,在液力變矩器設(shè)計過程中定義效率水平lη,lη值越大,即說明液力變矩器的綜合效率水平越高。為實現(xiàn)液力變矩器與整機的性能匹配,該參數(shù)可作為在液力變矩器部件設(shè)計過程中的評價指標。
(21)
為說明效率水平lη作為液力變矩器與整機匹配評價指標的合理性,選取A、B兩種液力變矩器,其在不同傳動比下對應(yīng)的效率取值如圖9所示。當(dāng)為文中的裝載機選配液力變矩器時,基于傳統(tǒng)的高效區(qū)、最高效率等指標都無法決定選配液力變矩器A還是B。由計算結(jié)果可知,液力變矩器A的效率水平值明顯大于B,故針對文中實驗的裝載機,液力變矩器A與整機的匹配效果優(yōu)于液力變矩器B。
(22)
(23)
圖9 液力變矩器效率曲線
在部件與整機匹配、部件詳細設(shè)計過程中,分別基于裝載機整機實驗分析結(jié)果提出了各自的性能匹配指標,在今后基于整機機型的液力變矩器選配以及液力變矩器部件的設(shè)計都將更多地考慮整機實際作業(yè)時的工況特點以及液力變矩器特性參數(shù)分布情況。
本文針對液力變矩器的設(shè)計、選配與整機循環(huán)工況載荷的非關(guān)聯(lián)性問題,取得了如下研究成果:通過對整機系統(tǒng)功率流向及液力變矩器部件特性的研究,設(shè)計出了整機在典型工況下的液力變矩器性能實驗,實時在線地完成了整機動力、控制等信號的采集工作;基于對液力變矩器特性參數(shù)的統(tǒng)計分析,揭示了在整機單工況、典型工況下液力變矩器部件的性能情況;依據(jù)整機在典型工況下液力變矩器的速比分布情況,分別在部件與整機匹配過程、部件設(shè)計過程提出了相應(yīng)的液力變矩器與整機的性能匹配指標。該指標能反映整機載荷分布的側(cè)重性,對在整機系統(tǒng)層面上定制化設(shè)計、選配液力變矩器有指導(dǎo)作用。
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(編輯 武紅江)
Performance Matching Index of Torque Converter Based on Loader Tests
WANG Anlin,ZHANG Mingquan,LI Wenjia,CHENG Wei
(School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)
A method to evaluate the matching effect between a torque converter and the loader system is proposed to solve the non-association among the torque converter design, the selection process, and the load under cyclic working condition. The method uses the torque converter performance matching index and is based on the cyclic working condition of the loader. The method is different from the traditional torque converter static bench test, and is designed and conducted based on the loader power flow route. The ratio distribution related to the load is rationally and effectively applied to the performance matching index between the torque converter and the loader on the basis of parameter distribution statistics of the torque converter under typical working condition. The results of a practical example show that the performance matching index reflects the focus of the load distribution and can be used in the process of customized design and selection of a torque converter for specific load characteristic.
torque converter; loader test; performance matching; typical working condition
2015-04-22。
王安麟(1954—),男,教授,博士生導(dǎo)師。
2012年國家重大科技成果轉(zhuǎn)化項目(財建〔2012〕258號)。
10.7652/xjtuxb201510009
TH137.332
A
0253-987X(2015)10-0054-07