車用大功率柴油機與液力變矩器動態匹配影響因素分析

劉樹成，閆清東2，邢慶坤

（1.中國北方車輛研究所車輛傳動重點實驗室，北京100072；2.北京理工大學機械與車輛學院，北京100081）

車用大功率柴油機與液力變矩器動態匹配影響因素分析

劉樹成1，閆清東2，邢慶坤1

（1.中國北方車輛研究所車輛傳動重點實驗室，北京100072；2.北京理工大學機械與車輛學院，北京100081）

為研究裝甲車輛液力傳動系統的動態匹配問題，對車用大功率柴油機與液力變矩器動態匹配的影響因素進行了分析。對柴油機和液力變矩器所組成系統動態匹配的動力性和經濟性指標進行了合理定義。將基于有限試驗數據的柴油機神經網絡模型和基于混合流道法的變矩器計算流體力學仿真模型相結合，構建了柴油機與液力變矩器動態匹配性能計算程序。依據該計算程序對影響匹配性能的結構性因素進行試驗設計分析，找出了變矩器有效直徑和中間傳動比對匹配性能影響的主效應和交互效應；分析了油門開度和變矩器閉鎖速比等使用性因素對最優動態匹配區域的影響規律。結果表明：結構性因素是影響動態匹配性能的主要因素，使用性因素是相對次要因素，但使用性因素會在一定程度上造成最優匹配區域的位置和最優指標數值的變化。

兵器科學與技術；柴油機；液力變矩器；動態匹配

0 引言

目前，動力傳動系統性能匹配與優化問題是提高坦克裝甲車輛機動性的有效手段，是滿足未來坦克機動性需求的必由之路［1］。大功率液力機械傳動系統動力裝置的性能不僅取決于柴油機和液力變矩器本身的性能，更取決于二者的匹配情況。以往，對于柴油機與液力變矩器的匹配主要以穩態匹配為主［2-4］，一般只能在發動機全油門下的穩定工況實現理想匹配，在其他工況下則不能實現最優的匹配效果。而且，不能反映實際車輛油門開度變化、變矩器閉解鎖控制等使用性因素的影響。西方發達國家很早就開始了坦克裝甲車輛動力裝置動態匹配的計算研究［1］，動態匹配是更符合車輛實際情況的匹配，可以更有效地指導車輛液力傳動系統設計。

常見柴油機與液力變矩器動態匹配性能影響因素主要有柴油機油門操作規律、變矩器有效直徑、變矩器的閉鎖規律以及柴油機與變矩器之間的中間傳動比等。在這些影響因素中，液力變矩器的有效直徑D和中間傳動比Iq，屬于在設計階段就已確定的結構性因素；柴油機油門操作規律和變矩器的閉鎖規律是車輛在具體使用中的影響環節，屬于使用性因素。在具體車輛使用條件下，D-Iq的組合代表了柴油機和液力變矩器在匹配型譜中的匹配方案：有效直徑D與變矩器液力扭矩之間是5次方關系，它直接決定了所選擇的系列化變矩器的型號；中間傳動比Iq可以調節柴油機輸出特性在渦輪軸轉速上的對應范圍。當有效直徑增大時，整個工作范圍向左移動，反之向右移動。當柴油機與液力變矩器之間設置中間傳動比以后，柴油機傳遞給變矩器的轉速和扭矩都發生變化，當Iq＞1時，柴油機輸出扭矩增大，轉速降低；當Iq＜1時，輸出扭矩降低，轉速增加。

本文首先分析液力變矩器的有效直徑D和中間傳動比Iq對系統動態匹配性能的影響，找出D-Iq的最優匹配區域，同時分析車輛具體使用過程中，柴油機油門開度與變矩器閉鎖速比設計兩個方面對D-Iq最優匹配區域的影響規律。

1 動態匹配評價指標

追求戰場全域機動作戰的坦克裝甲車輛，常以動力性和經濟性作為動力系統性能考核指標。柴油機與變矩器組成的動力系統的動力性可由功率輸出系數以及扭矩輸出系數來評價，經濟性可用燃油消耗率系數評價。

柴油機與變矩器組成的動力系統的功率輸出主要影響到車輛的最高車速、平均速度等動力性指標，而系統的扭矩輸出則直接影響車輛的加速性、最大爬坡度等動力性指標。因此功率輸出系數和扭矩輸出系數反映了該系統動力性的兩個方面，系統整體動力性能指標可由功率輸出系數和扭矩輸出系數加權得到。

分別定義柴油機與液力變矩器組成的動態匹配系統的功率輸出系數φN、扭矩輸出系數φM和燃油消耗率系數φg.

功率輸出系數φN：在一系列設定的動態過程中，變矩器渦輪軸在這段時間內平均輸出功率與原柴油機額定輸出功率的比值，它反映了柴油機與變矩器匹配以后對原有柴油機額定功率的利用程度。φN的表達式為

式中：Ne為發動機額定功率；Nta為渦輪軸在一系列設定的動態過程中的平均輸出功率，其計算公式為

式中：j為預設的不同動態過程，j=1，2，3，…，m；T1、T2分別為動態過程j的起止時刻；Nt（t）為相應動態過程中渦輪軸輸出功率隨時間t變化的函數。

扭矩輸出系數φM：在一系列設定的動態過程中，液力變矩器渦輪軸在這段時間內的平均輸出扭矩與柴油機外特性最大輸出扭矩的比值，它反映了柴油機與變矩器匹配以后對原有柴油機最大扭矩的利用程度。φM的表達式為

式中：Memax為對象柴油機外特性最大輸出扭矩；Mta為渦輪軸在一系列設定的動態過程中的平均輸出扭矩，其計算方法為

式中：Mt（t）為相應動態過程中渦輪軸輸出扭矩隨時間t變化的函數。

燃油消耗率系數φg：在一系列設定的動態過程中，原柴油機額定工況下燃油消耗率與變矩器渦輪軸在這段時間內的平均等效燃油消耗率的比值，它反映了柴油機與液力變矩器匹配以后對原有柴油機經濟區域的利用程度。

燃油消耗率系數φg計算公式為

式中：gn為額定工況下的燃油消耗率；gta為在一系列設定的動態過程中換算到渦輪軸輸出端的平均等效燃油消耗率，其計算公式為

式中：gt（t）為一系列設定的動態過程中從渦輪軸觀測的等效燃油消耗率隨時間t變化函數。由于液力變矩器在啟動工況和變矩器速比為1的工況下，輸出功率可為0，這時計算得到的gt（t）為無窮大。因此，在（5）式中將gta放在分母位置，這時在啟動工況和變矩器速比為1的工況下，計算得到的燃油消耗率系數φg接近于0，說明燃油經濟性較差，反之，φg越大說明系統燃油經濟性越好。

柴油機和液力變矩器結合以后的動力裝置的動力性可用功率輸出系數φN、扭矩輸出系數φM來評價，經濟性可以用燃油消耗率系數φg來評價。為此，定義動力性評價指標

經濟性評價指標

式中：h、?、λ分別為相應的權重系數，在評價時，可按照層次分析法或者專家經驗來確定其數值［5］。

2 動態匹配性能計算程序

首先，采用臺架試驗的方法，獲得對象柴油機多種穩態和動態工況下的特性數據，并進行組合神經網絡擬合，建立基于有限試驗數據的柴油機神經網絡模型［6］，可以根據柴油機不同工況，確定柴油機的輸入輸出特性。

基于導輪空轉工況無葉片法仿真方法［7］，建立包含有葉片模型和無葉片模型相結合的液力變矩器混合流道計算流體力學（CFD）模型，可以根據液力變矩器導輪是否空轉自適應選擇相應流道模型，對變矩、偶合、反傳等工作相位進行較為準確的預測。

將基于有限試驗數據的柴油機神經網絡模型和液力變矩器混合流道CFD模型相結合，構建柴油機與液力變矩器動態匹配計算模型，并基于Isight平臺建立動態匹配性能預測程序，如圖1所示，其中虛線框內部分是柴油機與液力變矩器動態匹配計算模型。動態匹配評價循環歷程采用最常用的發動機動態評價循環—歐洲瞬態循環（ETC）規范進行動態加載，如圖2所示。

圖1　動態匹配性能計算程序Fig.1 Dynamic matching performance computing program

在進行動態匹配性能評價前，為了驗證圖1中虛線框內動態匹配計算模型的準確性，對某對象柴油機和液力變矩器組成的動態匹配系統進行一系列加載和卸載試驗，將試驗數據與上述動態匹配計算模型得到的仿真值對比，結果如圖3所示，圖中依次對比了在設定的平緩卸載、平緩加載、急劇卸載和急劇加載的過程中，泵輪與渦輪的轉速、扭矩以及等效燃油消耗率隨時間的變化關系。對比結果表明，基于有限試驗數據的柴油機神經網絡模型和液力變矩器混合流道CFD模型組成的動態匹配計算模型能夠較準確仿真實際柴油機與變矩器的動態匹配過程。

圖2　ETC設定規范Fig.2 ETC setting standard

圖3　動態匹配性能試驗值與仿真值對比結果Fig.3 Comparison of test data and simulation data

柴油機與變矩器組成系統的動態負載、駕駛員對柴油機油門的動態操縱、設計人員對變矩器閉解鎖規律的設計等都會造成系統動態匹配性能的變化。利用上述動態匹配性能預測程序和ETC評價循環，在固定油門開度和確定的變矩器閉鎖點速比條件下，可對系列化液力變矩器的有效直徑D和中間傳動比Iq進行試驗設計（DOE），分析結構性因素有效直徑D和中間傳動比Iq對于動態匹配性能的影響，找出D-Iq的最優動態匹配區域；如果改變油門操作規律和變矩器閉鎖點速比，可以分析使用性因素中油門開度變化和閉鎖速比的控制對D-Iq最優動態匹配區域的影響。

3 動態匹配影響因素分析

3.1有效直徑和中間傳動比的影響

為了獨立分析結構性因素——變矩器有效直徑D和中間傳動比Iq的組合對動態匹配性能的影響，首先將柴油機油門開度設定為100%，變矩器暫不進行閉鎖操作，在ETC評價循環下，以D和Iq為設計因子，以動力性指標φD和經濟性指標φeco為響應量，（8）式中的權重系數h、?、λ根據經驗分別取為0.38、0.33、0.29［5，8］，進行D和Iq雙因子DOE，得到了D-Iq對動態匹配性能的影響規律。

如圖4所示為系統的動力性指標φD隨D和Iq取值的響應規律，圖中以顏色從藍到紅依次表示對應系數取值的大?。ㄏ峦?。從圖4中可見，在有效直徑D取0.33～0.41和中間傳動比Iq取0.500～0.720的狹長橢圓型深紅色區域內（圖中虛線所圍區域）φD最高，在此區域之外，φD逐漸降低。

圖4　D-Iq對動力性指標φD的DOE結果Fig.4 DOE results of D-Iqon φD

如圖5所示為系統的經濟性指標φeco隨D和Iq取值的響應規律，從圖5中可見，φeco隨D和Iq呈雙峰特性，在D取0.38～0.41、Iq取0.630～0.700和D取0.475～0.490、Iq取1.092～1.217的兩個區域經濟性最好（圖中虛線所圍區域），在這兩個區域以外，經濟性指標呈階梯狀下降。

圖5　D-Iq對經濟性指標φeco的DOE結果Fig.5 DOE results of D-Iqon φeco

特別地，當柴油機與變矩器之間沒有中間傳動比時，可按Iq=1從D-Iq的最優動態匹配區域中選定最優的D，并以此確定系列化的液力變矩器型號。基于DOE，還可以得到D和Iq對于動力性指標φD和經濟性指標φeco的主效應，即因子D或Iq在某個水平時所有設計試驗響應的平均趨勢。

圖6　DOE主效應分析圖Fig.6 Main effect analysis

如圖6（a）、圖6（b）所示的分別為從上述試驗設計結果分析中得出的有效直徑D和中間傳動比Iq對動力性指標φD、經濟性指標φeco影響的主效應圖。從圖中可以看出，隨著設計因子數值水平由低到高，兩個性能指標系數均是先增大后減小，可見，在因子D和Iq取值范圍內存在一個最優值，使動態匹配性能達到最好。

主效應分析給出了本次DOE中兩個設計因子D和Iq對于動態匹配性能評價指標影響的大致平均趨勢，至于D和Iq各自對響應量的影響是否受彼此不同水平的制約，還要看二者之間的交互效應。

圖7　D-Iq交互效應分析圖Fig.7 Interactive effect analysis

圖7所示分別是D和Iq兩個設計因子對動力性指標φD、經濟性指標φeco影響的交互效應關系，從圖7中可見兩個設計因子交互效應明顯。

如圖7（a）、圖7（b）所示，在D和Iq對動力性指標φD的影響中，當Iq處于低水平時，φD隨著D單調下降，而當Iq處于高水平時，φD隨著D單調上升；當D處于低或高水平時，φD均隨Iq增大而先上升后下降，但φD最高點出現時對應Iq的取值不同，分別為0.63、1.01.如圖7（c）、圖7（d）所示，在變矩器有效直徑D和中間傳動比Iq對經濟性指標φeco的影響中，當Iq處于低水平時，φeco隨著 D單調下降，而當Iq處于高水平時，φeco隨著D單調上升；當D處于低水平或高水平時，φeco均隨Iq增大而先上升后下降，但φeco最高點出現時對應Iq的取值不同，分別為0.55、1.18.

圖8　油門開度的各種分布規律概率密度函數Fig.8 Probability density functions of throttle opening degree

圖9　不同分布規律下柴油機油門開度隨時間的取值Fig.9 Throttle opening degrees under different probability distributions

3.2油門開度的影響

若考慮在實際使用中，柴油機油門開度是不斷變化的，為研究油門開度對上述最優匹配區域的影響，暫不進行液力變矩器閉鎖操作，計算了油門開度固定在100%、80%、60%時的動力性、經濟性指標分布規律，同時，考慮到實際油門開度分布的不同統計規律，分別對服從均勻分布、正態分布、韋伯分布的油門開度變化統計規律，依次進行油門隨時間變化時的動態匹配性能分析。圖8給出了不同油門開度分布的概率密度函數，考慮到一般大功率柴油機在油門開度小于40%時轉速輸出范圍較窄，柴油機常常工作在非穩定特性段，因此實際使用較少，可不考慮油門開度小于等于40%的情況。圖8中的油門開度正態分布的均值為70%，標準差為10%；油門開度韋伯分布的尺度參數是90%，形狀參數是15%，相對于正態分布，韋伯分布是一種偏態分布，它確定的油門開度比正態分布更偏向油門增大的方向。各種分布規律下油門開度隨時間的取值如圖9所示。

上述設定的油門開度及不同變化規律下的動力性、經濟性計算結果如圖10、圖11所示，從中可見，不同油門開度和不同油門變化規律下，動力性指標φD和經濟性指標φeco隨D和Iq不同組合的分布趨勢與圖4、圖5大致相似。

從圖10中見，隨著油門開度的增加，動力性指標最優匹配區域的形狀相似，但最優區域的動力性指標取值不斷增大，油門開度較低時，動力性指標整體取值普遍較低；在油門按不同分布規律變化時，最優匹配區域的形狀相似，但動力性指標取值各不相同，其油門開度平均值越大，動力性指標數值越大，且最優匹配區域的面積也最大。從圖11可見，油門開度對經濟性指標最優匹配區域的形狀影響明顯，且最優匹配區域的位置會隨著不同的油門開度產生變化，一般地，油門開度或其平均值增大時，經濟性系數最優匹配區域的范圍逐漸增大，且最優匹配區域內經濟性系數取值也逐漸增大。

3.3變矩器閉解鎖規律的影響

對于閉鎖式液力變矩器，當車輛起步、換擋或爬坡時，閉鎖離合器解鎖，變矩器在液力工況工作，動力性好；當車輛在平坦路面上行駛時，閉鎖離合器閉鎖，它作為機械傳動部件工作，其傳動效率可達0.97～0.98［9］，具有機械傳動效率高的特點。設計合理的閉解鎖控制規律既能保證車輛的動力性，同時又可改善傳動系統的經濟性。

圖10　油門開度對動力性指標φD最優匹配區域的影響Fig.10 The influence of throttle opening degree on the optimal matching region of φD

圖11　油門開度對經濟性指標φeco最優匹配區域的影響Fig.11 The influence of throttle opening degree on the optimal matching region of φeco

變矩器即將閉鎖的速比稱為閉鎖速比，閉鎖速比的設計往往需要根據實際使用要求確定，常見閉解鎖規律有動力型閉解鎖規律、經濟型閉解鎖規律、制動型閉解鎖規律、轉向型閉解鎖規律、改善閉鎖品質的閉解鎖規律、綜合型閉解鎖規律等［10］。一般而言，各種閉解鎖規律中的閉鎖速比常選在偶合器工況轉換點附近，閉鎖速比提前，閉鎖沖擊度增大，但機械工況范圍擴大，變矩器整體效率提高；閉鎖速比推后，閉鎖沖擊度減小，但機械工況范圍縮小，變矩器整體效率降低［11］。液力變矩器何時閉鎖對于柴油機與變矩器所組成系統的功率、扭矩和燃油消耗率均有影響，因此變矩器閉鎖速比對最優匹配區域也會有影響。為此，在ETC測試循環下，令油門開度服從均勻分布，按照變矩器閉鎖速比Ib依次為0.75，0.76，…，0.85，分別計算系統在變矩器可閉鎖的情況下，動態匹配的動力性指標、經濟性指標，計算結果如圖12、圖13所示，從中可見，不同變矩器閉鎖速比Ib下，動力性指標φD和經濟性指標φeco隨D和Iq不同組合的分布趨勢仍與與圖4、圖5大致相似，僅局部分布有所差異。

從圖12中可見，在所研究的閉鎖速比Ib范圍內，閉鎖速比Ib從低到高變化時，動力性指標φD的最優區域形態相似，但面積逐漸增大。從圖13中可見，閉鎖速比Ib對經濟性指標φeco的影響較為顯著：當Ib較低（Ib≤0.82）時，φeco的最優區域往往呈點狀分布，即僅在個別的D-Iq組合下經濟性較好；當Ib較高（Ib＞0.82）時，φeco最優區域擴大為片狀分布，此后，閉鎖速比的影響作用減弱，這與變矩器閉鎖時已經完全換相至偶合器工況相一致。

圖12　閉鎖速比對動力性指標φD最優匹配區域的影響Fig.12 The effect of the lock ratio on the optimal matching region of φD

4 結論

1）車用柴油機與液力變矩器動態匹配的影響因素分為結構性因素和使用性因素，結構性因素是主要影響因素，使用性因素是相對次要的因素。

2）作為結構性因素的變矩器有效直徑和中間傳動比，在二者取值的不同組合范圍內，存在一個最優區域，可分別使動態匹配的動力性和經濟性指標達到最優，并且二者對動態匹配性能影響的交互作用明顯，即二者對最終性能的影響規律受彼此不同水平的制約。

3）作為使用性因素的油門開度和變矩器閉鎖速比，均會對動態匹配的動力性和經濟性指標的分布產生影響，導致最優匹配區域位置和最優指標數值有所變化，但大趨勢仍與純結構性因素的影響規律相一致，并且使用性因素對系統經濟性指標的影響比對動力性指標的影響明顯。

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Analysis of Dynamic Matching Factors of High-power Diesel Engine and Hydrodynamic Torque Converter

LIU Shu-cheng1，YAN Qing-dong2，XING Qing-kun1
（1.Science and Technology on Vehicle Transmission Laboratory，China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072，China；2.School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

In order to study the dynamic matching of hydrodynamic transmission system for armored vehicles，the influence factors of the dynamic matching of high-power diesel engine and hydrodynamic torque converter are analyzed.The reasonable definitions of dynamic matching power and economic indexes of the system consisting of diesel engine and hydrodynamic torque converter are given.A calculation program for dynamic matching performance of diesel engine and hydrodynamic torque converter is established by combining the neural network model of diesel engine based on finite test data with computational fluid dynamics simulation model of converter based on the hybrid flow channel method.The structural factors of influencing the matching performance are analyzed through design of experiment，and the main effect and interaction effect of which the effective diameter of converter and the intermediate drive ratio affect the matching performance are obtained.The influences of throttle opening and torque converter’s locking ratio on the optimal dynamic matching region are also analyzed.The results show that the structural factors are the main factors which affect the dynamic matching performance，and the application factors are the relative secondary factors.However，the application factors can cause a change in the location of opti-mal matching region and the values of optimal indexes to a certain extent.

ordnance science and technology；diesel engine；hydrodynamic torque converter；dynamic matching

圖13　閉鎖速比對經濟性指標φeco最優匹配區域的影響Fig.13 The effect of the lock ratio on the optimal matching region of φeco

U463.22+1

A

1000-1093（2016）03-0385-09

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.03.001

2015-07-09

國防基礎產品創新研究項目（VTDP 3101）

劉樹成（1986—），男，工程師。E-mail：liushucheng@vip.126.com；閆清東（1964—），男，教授，博士生導師。E-mail：yanqd@bit.edu.cn