详情

原文传递回流式液力机械传动系统设计方法研究

论文题名：	回流式液力机械传动系统设计方法研究
关键词：	回流式液力机械;传动系统;参数优化;动态特性;匹配设计
摘要：	非公路车辆通常配备液力机械自动变速器以适应恶劣的工作环境和复杂多变的工况。尽管液力机械变速器具有低速增扭、无级调速、柔性传动等优点，能有效地增强车辆在低速重载工况下的作业能力，并降低动载荷和冲击载荷对各部件的破坏，但其效率低的缺陷限制了车辆燃油经济性和工作效率的提升。随着石油资源的日渐枯竭以及我国的经济发展模式逐步由劳动密集型向高科技型转变，液力机械变速器的这一性能劣势逐渐凸显。为此，寻找一种能够保留液力变矩器特色优点且效率更高的传动方案迫在眉睫。　　由于回流式传动系统具有较高的效率和较大的失速变矩比，且能在整个车速范围内无级变速，故其可有效改善乘用车辆的燃油经济性和动力性。结合液力变矩器和回流式变速器各自的性能优点，本文提出了基于液力变矩器的回流式传动方案。为优化装有回流式液力机械变速器车辆的燃油经济性和动力性，本文从传动系统的结构设计、参数优化设计、动态特性分析、匹配优化和换挡策略设计及实验验证这五方面开展了研究，主要研究内容如下：　　（1）在回流式液力机械传动系统中，回流式液力机械传动装置和挡位变速器的传动比相互配合以达到系统所需的最大速比范围。由于挡位变速器的作用是扩大传动装置的速比范围，因此回流式液力机械传动结构设计的关键在于定速比调速装置挡位数的确定。而判断定速比调速装置换挡时回流式液力机械传动装置的速比是否连续变化则是确定其挡位数的重要依据。根据此一思想，分析了定速比调速装置换挡时传动装置速比的变化情况，得出升挡后传动装置在高挡位能有效工作的速比区间极其狭窄，降挡后传动装置的速比急剧减小，导致发动机的转速迅速增大。据此，选择了回流式液力机械传动系统的最终结构。同时，比较了其与分流式液力机械传动的所有24种基础构型的性能优劣，发现回流式液力机械传动系统在部分速比区间的效率更高、失速变矩比更大，从而证明了所设计的结构更优。　　（2）针对回流式液力机械传动系统结构已定而参数未知的问题，通过考虑非公路车辆（以轮式装载机为例）的典型的工作行为和传动系统的传动特性，建立了以整个车速范围内传动系统的平均效率和车辆最大牵引力为目标函数，以挡位变速器的挡位数、泵轮叶片出口角和液力变矩器直径等7个参数为设计变量的优化模型。揭示出在不同挡位数下的Pareto最优解集内，平均效率和最大牵引力增加/减小的原因。分析了挡位数对平均效率和最大牵引力的影响。比较了回流式液力机械传动系统和传统液力机械传动系统的效率和车辆最大牵引力，得出：采用优化后的回流式液力机械传动方案使传动系统的平均效率和最大变矩能力分别增大了3%和6.6%。　　（3）建立了关于回流式液力机械传动系统效率和变矩比的动力学模型。在模型中，考虑了受传动系统输出转速、转矩影响的液力变矩器内流场的摩擦损失、冲击损失及行星齿轮机构的轴承摩擦损失。基于装载机的典型工况，采用正交试验法识别出影响回流式液力机械传动系统瞬时效率和瞬时变矩比的两个显著因素。在不同的液力变矩器直径和定速比调速装置速比下研究了传动系统的动态特性。在典型工况下，揭示了传动系统在稳态和动态下的效率差、变矩比差随时间的变化规律，为提高传动系统在非稳态工况下的效率和变矩比提供了理论指导。　　（4）回流式液力机械传动系统和传统液力机械传动系统的功率流形式和液力变矩器安置方式的不同，使得其能容特性曲线相较于后者更易发散；这会导致与之相连的发动机的效率偏低、动力输出不足。基于传动系统挡位数为5时的Pareto最优解集，以低透穿度的液力变矩器作为调速元件，在全功率匹配和部分功率匹配模式下，对传动系统和发动机进行了匹配优化设计，有效地降低了发动机的燃油消耗率，提高了传动系统的输出功率。针对换挡后发动机的工作状态和传动系统效率的变化，分别以换挡前后的车辆驱动功率之差最小和瞬时燃油消耗量之差最大为目标，设计了回流式液力机械传动系统的动力性和经济性换挡策略。与传统未考虑传动系统效率的最佳换挡策略相比，尽管计及传动系统效率的最佳换挡策略未能确保在换挡后发动机工作在最大功率点和最高效率点，但依然使车辆的最大加速时间和燃油消耗量分别减少了7.7%和3.6%。以上研究丰富了回流式液力机械变速器的设计理论体系，并为其工程化应用和自动换挡策略的开发提供了理论支撑。　　（5）搭建了回流式液力机械传动系统的试验台架。测得了传动系统在稳态和动态条件下的输入转矩、转速和输出转矩、转速。据此，获得了传动系统基本特性数据。通过对比，验证了回流式液力机械传动系统设计方法研究结果的正确性。
作者：	刘小军
专业：	机械工程
导师：	孙冬野
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆大学
学位年度：	2021