工程机械发动机与液力变矩器匹配方法研究.docx
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工程机械发动机与液力变矩器匹配方法研究
毕业设计(论文)
设计(论文)题目:
工程机械发动机与液力变矩器匹配方法研究
姓名秦浩
学院(系)专科部
专业工程机械
年级
指导老师
年月日
目录
摘要3
第一章绪论5
1课题背景及意义5
2国内研究状况6
第二章发动机与液力变矩器的匹配计算7
2.1发动机与液力变矩器匹配计算方法概述7
2.2匹配计算过程7
2.2.1发动机的净外特性7
2.2.2液力变矩器的原始特性8
2.2.3共同工作的输入特性8
2.2.4共同工作的输出特性8
2.3液力传动匹配分析9
2.3.1起动扭矩MT09
2.3.2变矩器的运动学工作范围dn9
2.3.3变矩器的动力学工作范围dM9
2.3.4高效范围内平均输出功率NTPj9
2.3.5高效范围内平均单位油耗量gePj9
2.4算例10
2.5总结12
2.6液力变矩器与发动机匹配的计算机分析软件12
2.6.1设计思想12
2.6.2软件功能12
2.6.3软件总体结构13
2.6.4程序流程13
第三章各参数对车辆动力性能和经济性能的影响15
3.1简述15
3.2主要部件的基本性能分析15
3.2.1柴油发动机15
3.2.2液力变矩器16
3.2.3分动箱17
3.2.4其他部件17
3.3高速工程车柴油发动机与液力变矩器合理匹配的原则17
3.4配过程分析17
3.4.1发动机的负荷特性17
3.4.2液力变矩器的特性18
3.4.3发动机与液力变矩器共同工作19
第四章总结22
4.1分析结论22
4.2心得体会22
参考文献23
摘要
随着国家机械工业的不断发展,由于液力传动的一系列优点,液力传动在工程机械领域得到了广泛的应用。
液力传动设计中发动机与液力变矩器的匹配是设计的关键技术之一,常规设计计算多采用作图与手工计算相结合的方法,计算时间长、计算精度差,因此,利用计算机快速计算的优点,研究发动机与液力变矩器匹配的计算方法具有实际意义。
针对工程机械液力传动系统动力匹配计算的复杂性,采用VisualBasic编写动力匹配计算机辅助计算软件来进行计算更为简单快捷,并提出了用MatrixVB编写软件的方法,使软件的开发过程更加简捷高效。
本文主要研究工作如下:
(1)针对发动机万有特性图曲线数据很难利用的问题,研究如何读取发动机万有特性图以快速准确地得到发动机的外特性,得到比较准确的发动机外特性数据,并利用软件来实现,为以后的相关设计开发提供一个有效的工具。
(2)针对动力匹配程序开发的复杂性,本文提出了利用MatrixVB辅助编写动力匹配计算机辅助计算软件的方法,使软件的开发过程更加简捷高效。
新方法同样适用于其它的涉及复杂数据处理的软件编制。
(3)对现有的发动机与液力变矩器的匹配进行计算,分析各参数对车辆动力性能和经济性能的影响。
关键字:
发动机;液力变矩器;VisualBasic
Abstract
Asthecountrythedevelopmentofthemachineryindustry,becauseoftheadvantagesofaseriesofhydraulictransmission,hydraulictransmissioninthefieldofengineeringmachineryhasbeenwidelyused.Hydraulictransmissiondesignofengineandhydraulictorqueconverterisoneofthekeytechnologiesofmatchingdesign,theconventionaldesignandcalculationwithdrawingandmanualcalculation,longcomputingtime,calculationaccuracy,therefore,usingcomputerrapidcalculationresearchofadvantages,thematchingbetweenengineandtorqueconvertercalculationmethodhaspracticalsignificance.Thehydraulictransmissionsystemofmechanicalengineeringpowermatchingcalculationcomplexity,usingVisualpreparedBasicpowermatchingcomputeraidedcalculationsoftwareforthecalculationissimplerandquicker,andputforwardtouseMatrixVBwritingsoftwareforthenewmethod,thesoftwaredevelopmentprocessmoresimpleandefficient.Themainresearchworksareasfollows:
(1)theengineuniversalperformancecurvedataaredifficulttouse,studyhowtoreadtheenginemaptoquicklyandaccuratelygettheengineexternalcharacteristic,obtainmoreaccurateengineperformancedata,andusesoftwaretorealize,forthefutureofdesignanddevelopmenttoprovideavalidtool.
(2)writingapracticaldynamicmatchingsoftware;forthepowermatchingprogramdevelopmentcomplexity,thispaperproposestheuseofMatrixVBassistedpreparationofpowermatchingcomputeraidedcalculationsoftwarethenewmethod,thesoftwaredevelopmentprocessmoresimpleandefficient.Thenewmethodisalsoapplicabletootherinvolvingcomplexdataprocessingsoftware.(3)theexistingengineandhydraulictorqueconvertermatchingcalculation,analysisofvariousparametersonvehiclepowerperformanceandeconomyperformanceinfluence.
Keywords:
engine;torqueconverter;VisualBasic
第一章绪论
1课题背景及意义
液力变矩器是以液体为工作介质的一种非刚性扭矩变换器,是液力传动的型式之一。
它有一个密闭工作腔,液体在腔内循环流动,其中泵轮、涡轮和导轮分别与输入轴、输出轴和壳体相联。
动力机(内燃机、电动机等)带动输入轴旋转时,液体从离心式泵轮流出,顺次经过涡轮、导轮再返回泵轮,周而复始地循环流动。
泵轮将输入轴的机械能传递给液体。
高速液体推动涡轮旋转,将能量传给输出轴。
液力变矩器靠液体与叶片相互作用产生动量矩的变化来传递扭矩。
液力变矩器不同于液力耦合器的主要特征是它具有固定的导轮。
导轮对液体的导流作用使液力变矩器的输出扭矩可高于或低于输入扭矩,因而称为变矩器。
输出扭矩与输入扭矩的比值称变矩系数,输出转速为零时的零速变矩系数通常约2~6。
变矩系数随输出转速的上升而下降。
液力变矩器的输入轴与输出轴间靠液体联系,工作构件间没有刚性联接。
液力变矩器的特点是:
能消除冲击和振动,过载保护性能和起动性能好;输出轴的转速可大于或小于输入轴的转速,两轴的转速差随传递扭矩的大小而不同;有良好的自动变速性能,载荷增大时输出转速自动下降,反之自动上升;保证动力机有稳定的工作区,载荷的瞬态变化基本不会反映到动力机上。
液力变矩器在额定工况附近效率较高,最高效率为85~92%。
叶轮是液力变矩器的核心。
它的型式和布置位置以及叶片的形状,对变矩器的性能有决定作用。
有的液力变矩器有两个以上的涡轮、导轮或泵轮,借以获得不同的性能。
最常见的是正转(输出轴和输入轴转向一致)、单级(只有一个涡轮)液力变矩器。
兼有变矩器和耦合器性能特点的称为综合式液力变矩器,例如导轮可以固定、也可以随泵轮一起转动的液力变矩器。
为使液力变矩器正常工作,避免产生气蚀和保证散热,需要有一定供油压力的辅助供油系统和冷却系统。
液力变矩器是广泛应用于工程领域的关键部件,其性能的好坏直接影响工程机械整机的性能和使用寿命。
随着工程机械整机性能的提高,对变矩器性能指标的要求也越来越高。
目前工程机械及其变矩器的设计工作,常用计算方法都是近似的,需经试验验证,以判断所设计的新产品是否在可靠性,工程机械中的轮式装载机、铲运机、矿用卡车、轮式起重机、推土机等广泛采用液力机械传动底盘,能消除冲击和振动,过载保护性能和起动性能好;输出轴的转速可大于或小于输入轴的转速,两轴的转速差随传递扭矩的大小而不同;有良好的自动变速性能,载荷增大时输出转速自动下降,反之自动上升;保证动力机有稳定的工作区,载荷的瞬态变化基本不会反映到动力机上.液力变矩器的突出优点主要表现在能自动匹配负荷、防止动力传动装置过载、便于维护保养、改善车辆动力性能、降低排放污染等。
在液力传动系统设计中,发动机与液力变矩器的匹配时最关键的技术,本文研究分析了发动机与液力变矩器的匹配原理及其计算方法的深入研究。
2国内研究状况
我国自1958年开始自行设计并制造液力传动元件。
“卫星号”液力传动内燃机车采用了两套735kw柴油机和两个相同的运行变矩器,开创了我国独立设计、制造液力传动车辆的历史,使我国的液力传动技术得到了迅速稳定的发展。
目前国内在装载机、铲运机、推土机等工程机械上己经广泛应用了液力传动和液力机械传动。
在上世纪七八十年代国内很多科研人员已经对液力传动中发动机与液力变矩器的匹配进行了深入的研究,形成了成熟的匹配理论。
但是在实际液力传动系统的设计中,相关的匹配理论实际应用很少。
由于国内发动机及液力变矩器的性能及型式系列等问题,很多工程机械厂家选用外国的发动机与液力变矩器,在采购采用国外公司的零部件时由国外公司直接给出发动机与液力变矩器的型号组合,国内公司对具体的匹配了解很少,这极大影响了工程机械的设计生产。
第二章发动机与液力变矩器的匹配计算
2.1发动机与液力变矩器匹配计算方法概述
为提高工程机械对剧烈载荷变化的适应能力,其主传动系统一般采用液力机械动。
对于液力机械传动的工程机械而言,其动力性和经济性不仅取决于发动机和液力变矩器各自的性能,而且还与它们之问的匹配有关。
各自性能良好的发动机与液力变矩器,如果匹配不当,工程机械也难以获得良好的动力性和经济性。
在产品设计和自动变速技术研究中,发动机与液力变矩器的匹配计算是一项基础工作。
由于数值计算量很大,一般都采用计算机来完成。
发动机与液力变矩器的共同工作特性通常用共同工作的输入特性和输出特性来表示,其关键在于共同工作点的确定,即在不同的工况下来求解发动机的有效扭矩特性曲线与液力变矩器的泵轮负荷抛物线的交点,并据此求出液力变矩器涡轮轴的转速、扭矩、输出功率和效率等参数。
为提高工程机械对剧烈载荷变化的适应能力,其主传动系统一般采用液力机械传动。
对于液力机械传动的工程机械而言,其动力性和经济性不仅取决于发动机和液力变矩器各自的性能,而且还与它们之问的匹配有关。
各自性能良好的发动机与液力变矩器,如果匹配不当,工程机械也难以获得良好的动力性和经济性。
在产品设计和自动变速技术研究中,发动机与液力变矩器的匹配计算是一项基础工作。
由于数值计算量很大,一般都采用计算机来完成。
发动机与液力变矩器的共同工作特性通常用共同工作的输入特性和输出特性来表示,其关键在于共同工作点的确定,即在不同的工况下来求解发动机的有效扭矩特性曲线与液力变矩器的泵轮负荷抛物线的交点,并据此求出液力变矩器涡轮轴的转速、扭矩、输出功率和效率等参数。
由于液力变矩器具有良好的自适应性,能改善车辆的起步性能、操纵性能等,故在工程机械、高级轿车和船舶上应用广泛。
发动机与液力变矩器合理匹配是液力传动车辆传动系中主要问题之一,当发动机与液力变矩器组合后,可视为一种新的动力装置,具有新的性能特性,其输出特性的好坏对整机的动力性和经济性有很大的影响。
2.2匹配计算过程
2.2.1发动机的净外特性
目前,在运输车辆和工程机械中,广泛采用各种柴油机与汽油机作为动力装置,这些发动机的性能,通常用速度特性来表示。
发动机的速度特性是指发动机的功Nf、扭矩Mf、每小时燃料消耗量GT或比燃料消耗量ge随发动机转速nf变化的关系。
发动机的净外特性是指发动机实际输至泵轮轴的功率和扭矩。
所以应扣除各辅助设备消耗的功率和扭矩,得净特性。
2.2.2液力变矩器的原始特性
表示液力变矩器性能,最常用的就是原始特性。
原始特性能够确切的表示一系列不同转速、不同尺寸而几何相似的液力变矩器的基本性能。
原始特性是指扭矩系数λB、变矩比K、效率η随转速比i变化的关
系。
2.2.3共同工作的输入特性
发动机与液力变矩器结合时,只有在转速和扭矩相等时,才能稳定的共同工作。
即:
MB=Mfj×iq
nf=iq×nB
式中,Mfj、nf分别为发动机的扭矩和转速;MB、nB分别为液力变矩器泵轮的扭矩和转速。
发动机与液力变矩器共同工作的输入计算,其本质就是求解发动机净扭矩特性与泵轮负载抛物线的一系列交点。
2.2.4共同工作的输出特性
发动机与液力变矩器共同工作的输出特性,是指液力变矩器输出轴上的扭矩MT,功率NT,发动机耗油量GT和比耗油量ge,以及发动机转速nf随输出轴(涡轮轴)转速变化的曲线。
在得到共同工作点后,按下式求解共同工作的输出特性:
nT=i×nB
MT=K×MB
geT=ge/η
式中:
nT、MT、NT、geT为涡轮轴的转速、扭矩、功率和比油耗量;nB、MB为泵轮的转速和扭矩;i、K、η为液力变矩器的转速比、扭矩系数和效率。
将得到的共同工作的输出特性的离散数据,拟合曲线,绘制出发动机与液力变矩器共同工作的输出特性。
发动机与液力变矩器共同工作的输出特性是车辆牵引计算的基础。
液力变矩器与发动机共同工作的输出特性是研究液力变矩器与发动机共同工作时涡轮扭矩MT、发动机(泵轮)转速,nB、涡轮轴输出功率NT、发动机的燃油消耗比geT小变矩器效率η等随涡轮转速nT的变化规律,根据这些曲线,可对变矩器和发动机共同工作的性能指标作出具体分析和评价,并据此对工程机械的作业牵引性能进行分析。
对于自动变速技术的研究,η曲线有重要意义。
根据发动机和液力变矩器共同输入特性即可计算液力变矩器涡轮轴的各输出参数,将求得的各离散点利用最小二乘法进行拟合,以,nT为横坐标所得到的曲线,即为二者共同工作的输出特性曲线。
2.3液力传动匹配分析
发动机与液力变矩器共同工作的性能,直接影响车辆的动力性能和经济性能,因而应对其作量化评价。
常用的评价指标有如下几个:
2.3.1起动扭矩MT0
起动扭矩由发动机与液力变矩器共同工作的输出特性求得,即转速为0时,涡轮轴上的输出扭矩。
起动扭矩表示车辆起动、加速和克服负载的能力。
2.3.2变矩器的运动学工作范围dn
变矩器的运动学工作范围是指液力变矩器在高效范围内,即效率不低于75%的范围内,涡轮轴转速的变化范围,它反映了高效工作范围的宽广程度。
运动学工作范围dn=nT2/nT1。
2.3.3变矩器的动力学工作范围dM
变矩器的运动学工作范围是指液力变矩器在高效范围内,涡轮轴扭矩的变化范围,它反映了变矩器适应外负荷变化的能力。
动力学工作范围dM=MT1/MT2。
2.3.4高效范围内平均输出功率NTPj
通过共同工作的输出特性,求取高效范围内,涡轮轴上功率NT与转速nT之间的关系,应用离散数组来表示。
通过公式:
计算出高效范围内平均输出功率NTPj。
2.3.5高效范围内平均单位油耗量gePj
通过共同工作的输出特性,求取高效范围内,平均单位油耗量gePj与转速nT之间的关系,应用离散数组来表示。
通过公式:
计算出高效范围内平均单位油耗量gePj。
动力经济性的综合指标:
E=NTPj/gePj。
2.4算例
某发动机净外特性与液力变矩器的原始特性的曲线如表1和表2所示。
已知变矩器传动油密度为860kg·m-3,变矩器有效直径0.315m,发动机与液力变矩器直接联接,即前传动比iq=1。
表1发动机外特性数据
表2液力变矩器原始特性数据
由于得不到辅助元件消耗的功率,故按经验将发动机外特性数据,扣除15%得到发动机的净外特性,拟合数据绘制曲线。
根据表2的数据,并利用插值计算得到效率为0.75时即高效工况的负载抛物线,将液力变矩器的输入特性即负载抛物线和发动机的净扭矩特性,以相同的坐标比例绘制在同一张图上,即得发动机与液力变矩器共同工作的输入特性,如图1所示:
图1发动机与液力变矩器共同工作的输入特性
图2发动机与液力变矩器共同工作的输出特性
发动机净扭矩特性曲线与液力变矩器各工况负载抛物线的交点,即为液力变矩器在对应工况的稳定工作点,其对应的转速和扭矩,即为共同工作时发动机与泵轮轴的转速和传递的扭矩。
将输出特性的参数列表,并以涡轮转速为横坐标,涡轮的扭矩、功率和油耗量为纵坐标,即的发动机与液力变矩器共同工作的输出特性,如图2所示。
2.5总结
以上是利用MATLAB强大的矩阵计算能力来进行匹配计算,不仅速度快,且计算精度高。
但是由于计算过程中耗费大量的计算时间而且计算过程中容易出现失误,很可能导致计算误差;出现失误后效验繁杂!
所以利用计算机编写程式进行计算势在必行。
2.6液力变矩器与发动机匹配的计算机分析软件
目前,工程机械中的轮式装载机、铲运机、矿用卡车、轮式起重机、推土机等广泛采用液力机械传动底盘,这些机械在设计计算中都必须进行发动机与变矩器的匹配及牵引计算,以保证其工作和运输工况具有良好的动力性能和行驶性能。
常规设计计算多采用作图与手工计算相结合的方法,计算时间长、计算精度差,因此,利用计算机快速计算的优点,研究发动机与液力变矩器匹配的计算方法具有实际意义。
本文利用数值计算方法,以VisualBasic可视化编程语言为工具,以Access作为后台数据库,设计开发了基于PC机和VB开发平台的匹配计算软件。
2.6.1设计思想
(1)应用软件工程的理论,采用按功能划分模块的设计方法,使整个软件各模块间既具有较强的独立性,又具有较好的统一性。
(2)软件的运行控制采用菜单和工具栏相结合的技术,使程序软件在满足各种功能的前提下,具有良好的用户界面。
(3)利用Access数据库管理工具,建立原始资料数据库,将已有的各种不同类型的发动机和液力变矩器原始特性数据存人数据库,便于查阅和调用,也可以根据需要进行添加、修改和删除。
(4)采用VB语言进行界面设计,编写计算程序,具有绘图和图形输出功能。
软件的使用和安装和常用软件同样简单方便。
2.6.2软件功能
匹配计算软件要实现的功能有以下几项:
(1)以图表的形式浏览发动机和液力变矩器的参数和特性曲线,能够对发动机和液力变矩器的特性有比较直观的了解。
(2)能够对原始数据库中的发动机和液力变矩器的数据进行实时添加、修改、删除操作,不断更新和完善数据库。
(3)实现发动机与液力变矩器匹配计算和匹配结果分析,匹配计算包括共同工作的输入计算、输出计算、牵引性能分析以及加速性能分析。
(4)能够实现不同型号发动机与同一型号变矩器以及不同型号变矩器与同一型号发动机之间的匹配计算和评价。
2.6.3软件总体结构
按不同的功能要求,主程序分为原始参数浏览和数据输入模块,发动机和变矩器匹配牵引计算模块和匹配结果分析模块三大主要模块。
每个模块下又包含不同功能的子模块,以完成软件的不同要求。
总体设计框图如图1所示,其中参数浏览模块包含柴油机、电动机、液力变矩器的原始参数及各自的特性曲线,数据输入模块包含柴油机、电动机、液力变矩器的参数输入。
2.6.4程序流程
根据上述各种功能要求以及各模块之问的联系,得出系统的数据处理流程图如图3所示。
图3程序流程图
2.6.5目前国内同类程序很多本文不再进行编写论述,在计算机应用方面也不再说明。
第三章各参数对车辆动力性能和经济性能的影响
3.1简述
为了适应高技术条件下随即多变的工程保障需要,车辆应该具有在一定的符合下,在松软地面和坎坷不平地面的作业能力,即在低俗应该具有较大的牵引力已克服地面行驶阻力的各种作业阻力;在较好的路面具有较高的行驶速度,动力主要用于提高车速和克服风的阻力,即动力输出能够自动适应不同工况时行驶阻力的变化,以满足高速行驶和低速作业的需要。
为了实现较好的动力性匹配,在高速工程车的结构上主要应采取以下措施:
采用大功率增压柴油发动机,降低车辆自重,提高比功率;采用先进的传
动系统,如液力机械或自动变速器;采用大直径、宽断面、可调压胎和轮胎中央充放气系统;采用各种特殊结构的悬挂系统;应用先进的电子技术等。
而柴油发动机和液力机械或自动变速器的共同匹配输出特性是该车动力性的关键。
事实证明,一台性能良好的发动机与一台性能良好的液力变矩器共同工作,如果匹配不当,不一定会获得良好的动力性和经济性。
要使其性能优良,必须充分发挥各自的优点,使整个系统尽可能达到动力性最好、功率分配最佳、燃油油耗最低。
因此必须对高速工程车辆的主要性能进行分析,然后对其之间的性能进行合理匹配分析,已满足高速和作业的要求。
3.2主要部件的基本性能分析
3.2.1柴油发动机
根据工程车的工作工况、质量、车速、拖牵质量和比功率要求,初步确定发动机的转速、转矩和功率,选用现有的性能可靠的柴油发动机。
性能优良的发动机,是工程车动力系统匹配的前提条件。
发动机的性能主要表现在额定功率、额定转矩、与之相适应的转速、燃料消耗特性、振动和排放等。
选择发动机时通常首先计算或估算出发动机的最大功率Pmax,再根据发动机的转矩以及相应的转速、燃料消耗等选择合适的发动机。
发动机的最大功率可以按照以下两种方法初步确定。
(1)根据最高车速来确定发动机的最大功率Pmax
式中:
G为总质量矿为滚动阻力系数;ƒ为最高车速;Cd为风阻系数;A为迎风面积;η为传动系的传动效率(由于高速时变矩器闭锁,所以η为机械总效率)。
(2)参考同类车型的比功率和总质量,确定发动机的最大功率Pma
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