， ， ，

(1.北京特種車輛研究所， 北京 100072； 2.車輛傳動國家重點實驗室， 北京 100072)

引言

起動性能是陸用車輛的一項非常重要的評價指標，常用來評價整車的動力性能。液力機械傳動系統(tǒng)目前已廣泛應(yīng)用于工程車輛、軍用車輛等領(lǐng)域[1]，對影響車輛起動性能的相關(guān)因素進行深入研究并提出相應(yīng)改進策略，具有十分重要的意義。

對于車輛起動性能的影響因素及改進策略，國內(nèi)學(xué)者做了大量的研究工作。文獻[2-5]提出了發(fā)動機壓縮比、起動電機功率、起動系統(tǒng)傳動比、起動轉(zhuǎn)速、起動阻力矩、燃油霧化效果、配氣正時、起動油量修正系數(shù)、點火時刻、 蓄電池性能等起動性能影響因素，文獻[4]和文獻[6]提出了進氣預(yù)熱、機體加熱、噴入起動液、蓄電池保溫等起動輔助措施。但上述研究主要立足于通過改進發(fā)動機的技術(shù)狀態(tài)來提高整車起動性能，沒有考慮傳動系統(tǒng)各部件對整車起動性能的影響，而對于目前廣泛采用的液力機械傳動車輛而言，傳動系統(tǒng)的功率消耗是影響車輛起動性能的一個重要因素。針對這一現(xiàn)狀，以某型液力機械傳動車輛為研究對象，借助傳動試驗臺模擬發(fā)動機起動過程，采用部件級穩(wěn)態(tài)試驗和系統(tǒng)級動態(tài)試驗相結(jié)合的方法確定傳動系統(tǒng)各部件對車輛起動性能的影響程度。

1 功率流分析與試驗方案設(shè)計

1.1 傳動系統(tǒng)功率流分析

液力機械綜合傳動裝置一般由液力變矩器、變速機構(gòu)、前傳動、匯流排、轉(zhuǎn)向機構(gòu)(中小功率一般為液壓轉(zhuǎn)向機構(gòu))、電液自動操縱系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、風(fēng)扇傳動機構(gòu)等部件組成，能實現(xiàn)車輛的自動或手動換檔、無級轉(zhuǎn)向等功能。對于液力機械傳動車輛而言，從發(fā)動機輸出的功率傳遞至傳動系統(tǒng)后，功率流一般分為四路，如圖1所示。第一路傳遞至液壓系統(tǒng)的輔助油泵；第二路傳遞至風(fēng)扇傳動機構(gòu)；第三路傳遞經(jīng)液力變矩器傳遞至變速機構(gòu)；第四路傳遞至轉(zhuǎn)向泵馬達，以實現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向。其中，變速分路和轉(zhuǎn)向分路的功率經(jīng)匯流排匯流后，經(jīng)側(cè)傳動機構(gòu)傳遞至主動輪。

圖1 液力機械傳動車輛動力傳遞路線

由于車輛起動過程中擋位處于空擋狀態(tài)，方向盤置于零位，因此變速和轉(zhuǎn)向分路無功率輸出。此外，由于傳動系統(tǒng)為自動變速，沒有主離合器將動力中斷，屬于動力換擋，因此，在發(fā)動機起動過程中無法實現(xiàn)發(fā)動機和動力的功率流分隔，發(fā)動機起動過程中需要同時帶動輔助油泵、液力變矩器泵輪等構(gòu)件。綜上所述，傳動系統(tǒng)的起動阻力矩來自于與發(fā)動機直接相連的部件，這主要包括：輔助油泵、風(fēng)扇傳動機構(gòu)、變矩器泵輪、轉(zhuǎn)向泵。研究傳動系統(tǒng)對車輛起動性能的影響主要是分析研究上述四類部件在發(fā)動機起動時的阻力矩分布情況。

1.2 傳動系統(tǒng)起動扭矩試驗方案設(shè)計

研究發(fā)動機起動過程中傳動系統(tǒng)阻力的實質(zhì)是弄清傳動系統(tǒng)各部件在發(fā)動機起動過程中分消耗的功率值。為此，首先需要對發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工作條件下傳動系統(tǒng)各部件的輸入轉(zhuǎn)速和扭矩進行測試。對于各傳動部件而言，此時發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速為定值，從發(fā)動機到各傳動部件的傳動比也是固定的，只需測得各傳動部件的輸入扭矩即可。此外，上述數(shù)據(jù)是在穩(wěn)態(tài)條件下完成測得的試驗數(shù)據(jù)，缺乏動態(tài)過程由于慣性作用導(dǎo)致扭矩增加的試驗數(shù)值，因此，有必要在整機上開展動態(tài)過程扭矩測試。

總體試驗方案如圖2所示。試驗分為部件級穩(wěn)態(tài)試驗和系統(tǒng)級動態(tài)試驗兩種。部件級穩(wěn)態(tài)試驗主要是以傳動部件為測試對象，測試發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工作條件下傳動系統(tǒng)各直連部件的功率消耗值，實際操作時通過測試傳動部件輸入扭矩將其換算為發(fā)動機輸出端的扭矩值。系統(tǒng)級動態(tài)試驗主要是以整個傳動系統(tǒng)為測試對象，通過模擬發(fā)動機起動過程中的轉(zhuǎn)速變化情況，測試傳動系統(tǒng)輸入扭矩的變化歷程，而后讀取其瞬態(tài)峰值和穩(wěn)態(tài)均值。

圖2 傳動系統(tǒng)起動扭矩試驗方案

鑒于某高速履帶車輛存在低溫起動困難現(xiàn)象，以該車傳動裝置作為研究對象開展試驗研究。該傳動裝置輔助油泵共有5個，且始終與發(fā)動機直接相連，分別標記為P1泵、P2泵、P3泵、P4泵、P5泵。風(fēng)扇傳動機構(gòu)采用液黏離合器向風(fēng)扇傳遞來自前傳動的動力。液力變矩器向變速機構(gòu)傳遞直駛動力。泵馬達機構(gòu)向轉(zhuǎn)向分路傳遞動力，發(fā)動機起動時轉(zhuǎn)向泵處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。因此，傳動系統(tǒng)起動扭矩試驗主要是對發(fā)動機起動過程中傳動裝置的5個輔助油泵、液黏離合器、液力變矩器、轉(zhuǎn)向泵進行扭矩測試，在此基礎(chǔ)上通過系統(tǒng)級動態(tài)試驗驗證各部件對整個傳動系統(tǒng)起動扭矩的貢獻值。

2 部件級穩(wěn)態(tài)試驗

為保證各傳動部件實測扭矩的可比性，測試前規(guī)定試驗用油統(tǒng)一采用10 W-40重負荷動力傳動通用潤滑油，將油溫控制在(100±3) ℃。試驗結(jié)果描述時，被試部件輸入轉(zhuǎn)速和扭矩均轉(zhuǎn)換為發(fā)動機轉(zhuǎn)速和發(fā)動機輸出端扭矩。由于發(fā)動機起動后穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速為怠速800 r/min，重點研究800 r/min時各傳動部件的工作扭矩。

2.1 輔助油泵工作扭矩試驗

5個輔助油泵均由前傳動提供動力。其中，P1泵、P2泵和P3泵由同一個直齒輪Z1提供動力，P4泵和P5泵由另一直齒輪Z2提供動力。因此，試驗時從上述兩個直齒輪處直接測量對應(yīng)油泵的工作扭矩。試驗結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯觯?dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速由800 r/min 逐步上升至1800 r/min時，Z1齒輪端(即P1泵、P2泵、P3泵)的扭矩隨之逐步上升，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速位于1800 r/min與2500 r/min之間時，Z1齒輪端扭矩?zé)o明顯變化，保持在52.5 N·m左右。Z2齒輪端扭矩隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升呈線性上升趨勢，但變化幅度較小，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速由800 r/min上升至2500 r/min的整個過程中，Z2齒輪端扭矩上升值為0.1 N·m。

圖3 輔助油泵工作扭矩測定結(jié)果

2.2 液黏離合器帶排扭矩試驗

液黏離合器是風(fēng)扇傳動的調(diào)速功能部件，發(fā)動機工作過程中，液黏離合器分為分離、滑摩和結(jié)合三種工作狀態(tài)[7]。按照預(yù)定控制策略，當(dāng)發(fā)動機冷卻液溫度較低時，風(fēng)扇處于停止?fàn)顟B(tài)，液黏離合器為分離狀態(tài)；當(dāng)發(fā)動機冷卻液溫度上升到一定程度后，液黏離合器進入滑摩狀態(tài)，風(fēng)扇以中速運行；當(dāng)發(fā)動機冷卻液溫度繼續(xù)上升到另一設(shè)定溫度后，風(fēng)扇進入高速運轉(zhuǎn)工況，液黏離合器處于完全結(jié)合狀態(tài)。顯然，液黏離合器的后兩種工作狀態(tài)與風(fēng)扇負載相關(guān)，僅第一種狀態(tài)與負載無關(guān)。一般情況下，發(fā)動機起動是指其冷態(tài)起動，這時冷卻液溫度一般達不到風(fēng)扇工作的溫度下限，因此研究液黏離合器對發(fā)動機起動的影響程度主要是測試其分離狀態(tài)下的工作扭矩，即帶排扭矩。試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 液黏離合器帶排扭矩測定結(jié)果

試驗結(jié)果表明，在整個發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)液黏離合器帶排扭矩變化范圍較小，僅為7.5 N·m。發(fā)動機轉(zhuǎn)速800 r/min時液黏離合器帶排扭矩為28 N·m，發(fā)動機轉(zhuǎn)速1100 r/min時液黏離合器帶排扭矩達到峰值29.5 N·m。

2.3 液力變矩器工作扭矩試驗

液力變矩器的工作狀態(tài)分為兩種。第一是帶載狀態(tài)，由于輸出端的載荷作用，變矩器處于調(diào)速過程，速比不同其扭矩不同。第二是空轉(zhuǎn)狀態(tài)，即后端變速機構(gòu)空擋，液力變矩器渦輪軸無功率輸出，僅為克服自身功率損失的空轉(zhuǎn)扭矩。在發(fā)動機起動過程中，液力變矩器處于第二種工作狀態(tài)，但是由于空轉(zhuǎn)狀態(tài)下液力變矩器內(nèi)油量不確定，此時扭矩測量難度較大。為此，在臺架上對其全充油狀態(tài)進行扭矩測定試驗。

設(shè)定發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2000 r/min，調(diào)節(jié)渦輪輸出轉(zhuǎn)速使液力變矩器轉(zhuǎn)速比滿足0～1的工作范圍，測定每一轉(zhuǎn)速比狀態(tài)下液力變矩器的輸入扭矩。

液力變矩器泵輪輸入扭矩為[8]：

Mb=ρgλn2D5

(1)

式中，Mb為泵輪輸入扭矩(N·m)；ρ為傳動油液密度 (kg/m3)；g為重力加速度(9.8 N/kg)；λ為泵輪扭矩系數(shù)(無量綱)；nb為泵輪轉(zhuǎn)速(r/min)；D為泵輪有效直徑(m)。其中，ρ、g、D均為定值，λ與轉(zhuǎn)速比為一一對應(yīng)關(guān)系。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)速比一定時，泵輪輸入扭矩Mb與泵輪轉(zhuǎn)速nb的關(guān)系為：

(2)

式中，c為定值。

在發(fā)動機轉(zhuǎn)速2000 r/min狀態(tài)下，測得每一轉(zhuǎn)速比時泵輪轉(zhuǎn)速nb和泵輪扭矩Mb，便可由式(2)算得對應(yīng)的c值。根據(jù)不同轉(zhuǎn)速比對應(yīng)的c值，可算出發(fā)動機轉(zhuǎn)速800 r/min時液力變矩器泵輪端的工作扭矩。試驗結(jié)果如表1所示。

表1 液力變矩器工作扭矩測定結(jié)果 N·m

2.4 轉(zhuǎn)向泵空轉(zhuǎn)扭矩試驗

試驗方法與輔助油泵工作扭矩測定方法相似。測得發(fā)動機轉(zhuǎn)速800 r/min時轉(zhuǎn)向泵空轉(zhuǎn)扭矩為87 N·m。

2.5 試驗結(jié)果分析

從試驗結(jié)果看，在傳動油溫100 ℃條件下，車輛掛空擋模擬發(fā)動機怠速狀態(tài)，傳動系統(tǒng)各部件工作扭矩由大到小依次為：液力變矩器工作扭矩144～448 N·m，轉(zhuǎn)向泵空轉(zhuǎn)扭矩87 N·m，輔助油泵工作扭矩51.64 N·m，液黏離合器帶排扭矩28 N·m。不考慮液力變矩器的輸出功率，其他部件所需扭矩為166.64 N·m，其中轉(zhuǎn)向泵和輔助油泵所占比重較大，應(yīng)針對這兩路功率輸出采用相應(yīng)的減小扭矩措施。由于P1泵為主泵，其作用是向整個液壓油路供油，可在P1泵后端并聯(lián)一個卸荷閥，發(fā)動機起動時將卸荷閥打開，P1泵從油箱抽出的液壓油直接返回到油箱，其它油泵無液壓油輸入，齒輪處于無負荷空轉(zhuǎn)狀態(tài)，從而最大限度減小發(fā)動機起動時泵組帶來的阻力。若考慮液力變矩器的輸出功率，在液力變矩器全充油工況下，與其他部件相比，其扭矩貢獻值最大，表明進入傳動系統(tǒng)的功率主要經(jīng)液力變矩器傳遞至變速機構(gòu)，這正是傳動系統(tǒng)的主要功能，與設(shè)計策略一致。

3 系統(tǒng)級動態(tài)試驗

3.1 試驗方法

系統(tǒng)級動態(tài)試驗的主要內(nèi)容是以整個傳動系統(tǒng)為研究對象，測量不同油溫條件下發(fā)動機起動過程中傳動系統(tǒng)的實時扭矩，重點是瞬態(tài)峰值和穩(wěn)態(tài)均值。試驗時輸入轉(zhuǎn)速的設(shè)定需模擬發(fā)動機起動過程。發(fā)動機起動過程分為兩個階段，第一階段是起動電機帶動發(fā)動機飛輪旋轉(zhuǎn)并達到發(fā)動機起動轉(zhuǎn)速，第二階段是發(fā)動機依靠自身輸出扭矩克服后端負載，將輸出轉(zhuǎn)速提升至怠速轉(zhuǎn)速。以此為依據(jù)，結(jié)合試驗條件，確定起動過程中傳動系統(tǒng)扭矩測定試驗方法。

動力傳動設(shè)備試驗一般采用交流電機作為驅(qū)動裝置，負載可選用水力測功機、電渦流測功機、磁粉制動器、液壓加載器、機械加載器、直流電機或交流電機[9，10]。本次試驗采用交流電機為動力源和加載設(shè)備，并根據(jù)整車重量配置相應(yīng)的轉(zhuǎn)動慣量。試驗分兩種工況進行：第一種是電機提速工況，即空擋狀態(tài)下起動電機輸入轉(zhuǎn)速由0勻速上升至200 r/min，持續(xù)時間為5 s；第二種是發(fā)動機自行起動工況，即空擋狀態(tài)下輸入轉(zhuǎn)速由0勻速上升至800 r/min，持續(xù)時間為5 s。

3.2 試驗結(jié)果

分別進行了傳動油溫17 ℃、30 ℃、50 ℃、100 ℃四種狀態(tài)下的傳動系統(tǒng)起動扭矩試驗，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 傳動系統(tǒng)起動扭矩試驗結(jié)果 N·m

3.3 試驗結(jié)果分析

從試驗結(jié)果看，傳動油溫的變化是影響傳動系統(tǒng)起動扭矩的重要因素。在兩種試驗工況下，傳動系統(tǒng)起動扭矩的瞬態(tài)峰值和穩(wěn)態(tài)均值隨溫度變化呈非線性變化趨勢，且油溫越低起動扭矩越大。就發(fā)動機自行起動工況而言，油溫17 ℃時的起動扭矩為750 N·m，油溫100 ℃時的起動扭矩為300 N·m，前者是后者的2.5倍。

此外，在傳動油溫100 ℃時，傳動系統(tǒng)起動扭矩的穩(wěn)態(tài)均值為160 N·m，而不考慮液力變矩器輸出功率時其他部件的起動扭矩測試結(jié)果為166.64 N·m，考慮到測量誤差，兩次試驗結(jié)果基本一致。這表明，液力變矩器的空轉(zhuǎn)功率消耗不是發(fā)動機起動過程中的主要影響因素。

4 結(jié)論

(1) 對于液力機械傳動車輛而言，車輛起動過程中傳動系統(tǒng)的功率消耗是影響發(fā)動機起動效果的重要因素，在進行車輛總體設(shè)計時應(yīng)予以考慮；

(2) 試驗結(jié)果表明，傳動油溫的變化和各類油泵的功率消耗是決定傳動系統(tǒng)起動扭矩大小的關(guān)鍵因素，通過增加傳動油加溫裝置和卸荷閥等措施可減小傳動系統(tǒng)的起動扭矩；

(3) 部件級穩(wěn)態(tài)試驗和系統(tǒng)級動態(tài)試驗相結(jié)合的方法，有效解決了基于臺架試驗的傳動部件起動扭矩測量問題，為今后開展車輛起動性能影響因素分析提供了方法支持。

參考文獻：

[1] 閆清東，于濤，朱麗君，等.工程車輛液力機械傳動效率控制[J].吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2013，43(3)：602-606.

[2] 王忠，許廣舉，葉飛飛，等.低溫環(huán)境下車用起動電機的匹配研究[J].兵工學(xué)報，2010，31(5)：529-533.

[3] 徐信峰，佟長宇，喬云.柴油機起動性能主要影響因素分析[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2014，26(12)：192-193.

[4] 衛(wèi)振彪，陳明飛，李強.改善車輛柴油機冷起動性能的方法研究[J].廣西輕工業(yè)，2008，114(5)：41-42.

[5] 王巍.基于ME7系統(tǒng)的汽油機冷起動性能研究[D].長春：吉林大學(xué)，2011.

[6] 劉瑞林，靳尚杰，孫武全，等.提高柴油機低溫起動性能的冷起動輔助措施[J].汽車技術(shù)，2007，37(6)：5-8.

[7] 郭劉洋，杜明剛. 液黏離合器摩擦特性及熱負荷特性研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報，2011，31(4)：323-327.

[8] 王紅巖，芮強，高連華，等.軍用履帶車輛傳動裝置[M].北京：國防工業(yè)出版社，2014：74-81.

[9] 谷曼. 汽車變速器試驗臺加載技術(shù)的研究[J].機械設(shè)計與制造，2009，46(11)：162-164.

[10] 何耀華.汽車試驗技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2012：166-179.