毕业设计（论文）铲土机械发动机与液力变矩器的匹配计算

1、摘 要 由于现代社会的不断发展，作为现代化基础建设主要工具和手段的工程机械扮演着重要的角色。工程机械设备是集机、电、液一体化和信息、激光等高新技术以及审美艺术于一身的现代机电产品，并且正在向着自动化、远距离控制和智能化等方向发展。铲土机械作为现代工程机械很重要的一种设备也是如此。铲土机械主要用于铲装土壤、沙石、煤炭、石灰等散状物料，也可对矿石、硬土等作轻度铲挖作业，换装不同的辅助工作装置还可以进行推土、起重、破碎等作业。由于铲土机械具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点，因此广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建筑工程。 在我国，铲土机械经历了5060年的发展后，到20世纪9

2、0年代中末期国外铲土机械技术已达到相当高的水平。基于液压技术、微电子技术和信息技术的各种智能系统已广泛应用于铲土机械的设计、计算操作控制、检测监控、生产经营和维修服务等各个方面，使铲土机械在原来的基础上更加“精致”，其自动化程度也得以提高，从而进一步提高了生产效率，改善了司机的作业环境，提高了作业舒适性，降低了噪声、振动和排污量，保护了自然环境，最大限度地简化维修、降低作业成本，使其性能、安全性、可靠性、使用寿命和操作性能都达到了很高的水平。 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

3、。本文主要研究工作如下:（1）对于现今的铲土机械的发动机和液力变矩器进行简单的介绍和分析。（2）对铲土机械的发动机和液力变矩器其的匹配计算进行分析计算。关键字：发动机；液力变矩器； abstract due to the continuous development of modern society, modern infrastructure as main tool and means of mechanical engineering plays an important role. engineering machinery and equipment is set machine,

4、 electricity, liquid and information integration, laser technology and aesthetic art in one of the modern mechanical and electrical products, and is more automatic, remote control and intelligent development. earth-moving machinery as a modern engineering machinery is very important in a device is s

5、o. shoveling machine mainly used for loading soil, sand, coal, limestone and other bulk materials, is also available on the ore, hard soil for mild shovel digging, dress up different auxiliary device can also carry out bulldozing, lifting, crushing and other operations. as a result of shoveling mach

6、ine is operating speed, high efficiency, good mobility, convenient operation and other advantages, it is widely used in highway, railway, construction, utilities, ports, mines and other construction projects. in our country, earth-moving machinery after 50 60years of development, to the end of ninet

7、een ninties of foreign earth-moving machinery technology has reached a very high level. based on the hydraulic technology, microelectronic technology and information technology has been widely used in all kinds of intelligent systems earth-moving machinery design, calculation of operation control, m

8、onitoring, production and repair services of all aspects, so that the earth machinery in the original basis of more refined, the automation degree is improved, thereby further improving production efficiency, thus improving the operating environment for drivers, improving operation comfort, reduced

9、noise, vibration and pollution, protect the natural environment, maximally simplified repair, reduces the operation cost, make its performance, safety, reliability, service life and operation performance have reached a very high level. along with the development of the machinery industry, because of

10、 the advantages of a series of hydraulic transmission, hydraulic transmission in the field of mechanical engineering has been widely applied. hydraulic transmission design of engine and hydraulic torque converter is one of the key technologies of matching design. the main research works are as follo

11、ws: (1) the earth machinery of the engine and hydraulic torque converter are introduced and analyzed. (2) for earth-moving machinery of the engine and hydraulic torque converter and its matching calculation analysis.keywords: engine; torque converter; 第一章 铲土机械的发动机1.1 铲土机械的分类 铲土机械主要分为装载机，铲运机和推土机：1.1.

12、1推土机 推土机是土方工程机械的一种主要机械，按行走方式分为履带式和轮胎式两种.因为轮胎式推土机较少。本文主要讲述履带式推土机的结构与工作原理。 推土机开挖的基本作业是： a.铲土 b.运土 c.卸土。1.1.2铲运机 铲运机是一种能综合完成挖土、运土、卸土、填筑、整平的机械。按行走机构的不同可分为拖式铲运机和自行式铲运机。按铲运机的操作系统的不同，又可分为液压式和索式铲运机。铲运机操作灵活，不受地形限制，不需特设道路，生产效率高。1.1.3装载机 装载机是一种广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建设工程的土石方施式机械，它主要用于铲装土壤、砂石、石灰、煤炭等散状物料，也可对矿石、硬土

13、等作轻度铲挖作业。换装不同的辅助工作装置还可进行推土、起重和其他物料如木材的装卸作业。在道路、特别是在高等级公路施工中，装载机用于路基工程的填挖、沥青混合料和水泥混凝土料场的集料与装料等作业。此外还可进行推运土壤、刮平地面和牵引其他机械等作业。由于装载机具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点，因此它成为工程建设中土石方施工的主要机种之一。本文主要对装载机和推土机进行分析研究。1.2 国内的几种工程机械发动机 工程机械发动机要求最主要的是动力强劲，所以选用才有发动机目前主流的有以下几种柴油发动机：1.2.1 潍柴系列发动机 wd615系列柴油机，wd615，w表示water(意思是水冷

14、）d表示上diesel（柴油机）在一起就表示是水冷柴油机；它是潍柴动力欧洲研发中心采用世界顶尖技术和全新设计理念研发的新一代柴油机，刷新国内重型柴油机中多项性能指标，具有更省油、更强劲、更可靠、更安全的优点，主要经济指标达到世界领先水平。wd12柴油机是潍柴动力针对重型汽车市场开发研制的先进动力产品，是目前国内唯一成熟的最大排量柴油机。其功率覆盖336马力480马力，与现有同类同功率发动机相比，综合运行油耗降低10-15%，动力性提高30%，可以保证整车高效、高速运行，是目前国内重型汽车理想的升级动力。wd12系列柴油机技术优势： 更省油;相同载重，油耗降低15%，节省使用成本;排量大，进气量

15、大；配套专用p12高压油泵，燃油喷射雾化更好；配套专用高效增压器，进气效率较高；使用wd12发动机燃烧更充分，油耗更低;12升大排量，扭矩提高30%，动力更强劲:wd12发动机排量大，低速（1000r/min）扭矩提高30%；使整车加速性能更好；最大扭矩大，使整车载重能力更强；大扭矩范围宽，在12001650转范围内均能输出大扭矩，使整车在各种工况下均能高效运行，可大大提高运营效率，实现“多拉快跑”的目的.wd12柴油机排量达到12升，与现有同类同功率发动机相比升功率最低，柴油机整机的可靠性得到极大提高，曲轴、连杆、轴瓦等零部件使用寿命更长；同时延缓了机油老化速度，延长了更换机油的周期，给用户

16、带来可观的直接收益。1.2.2上柴系列发动机上海柴油机股份有限公司（简称上柴公司） 前身上海柴油机厂1958年，第一台自行设计、完全国产化的6135柴油机在此诞生，开创了中国中等功率高速柴油机制造的先河。1964年，6135柴油机为国产第一台t120推土机配套，并通过整机鉴定。1969年又成功为国产第一台zl40装载机配套，奠定了上柴公司作为国内工程机械行业最主要的动力供应商的地位。c6121柴油机具有以下几点技术优势：可靠性好、寿命长；动力强劲；燃油耗率低；高原适应行强等。为适应较大的工况变化。c6121柴油机扭矩储备系数能达到1.1-1.4。这使所配套的工程机械实际作业中，无论工况怎么变化

17、，因有高的功率和扭矩储备，柴油机响应快、克服阻力能力强，保证了作业效率。它在全负荷工况燃油消耗率可达到206，彭绝既有耗率仅为0.5，单机参数明显低于国内同类柴油机。1.2.3玉柴系列发动机玉柴集团创建于1951年，是全球最大的独立柴油发动机生产基地、中国最大的中小型工程机械生产出口基地，被誉为“中国绿色动力之都”。相较以上两种发动机的性能在装载机上的应用玉柴发动机动力小各种性能只使用与小型铲土机械。 yc4d系列柴油机是为适应工程机械使用特点而开发的小排量柴油机。动力强劲：扭矩储备率可达15%以上,克服突变能力强,完全满足工程机械对动力性的要求。可靠耐用：严格按德国fev公司机械开发程序进行

18、可靠性开发，在正常运行条件下整机大修期大于10000小时。经济舒适：台架全负荷最低燃油耗，增压机220g/kwh以下，非增压机225g/kwh以下；排放满足gb 20861-2007非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值和测量方法第阶段限值（等同欧标准），yc4108zg可满足第阶段限值（等同欧标准）。与国内同类机型相比，振动更小，噪声更低，使用更舒适。通用性好，维护方便：零部件通用化程度高，该系列机型市场覆盖面广，配件货源充足，维修保养方便。1.2.4 康明斯系列发动机 康明斯推土机nt855-c280燃油直喷涡轮增压式柴油机 该发动机的特点：可靠性高，使用寿命长。 动力强劲，响应迅速，燃

19、油直喷系统将每一滴燃油的能量尽量发挥。 经济性好、燃油、机油消耗低燃油最低消耗低于212g/kwh。 绿色、环保，高效废气涡轮增压器改善了燃烧，降低了燃油比油耗，排放指标良好。 康明斯b系列3.3升小型工程机械柴油机，由康明斯和小松联合开发，包括机械式和全电控两大系列，60-110马力（45-82千瓦），满足欧美非公路用机动设备第三阶段排放标准（tier 3/stage iiia），广泛应用于小型挖掘机、叉车、发电机组、滑移装载机、空压机和高空作业车等工程机械设备。康明斯b3.3系列发动机以可靠性高、使用成本低著称，自问世以来倍受全球工程机械企业的青睐。应用广泛：适用于各种小型工程机械。性能可

20、靠，性价比高：功率高达110马力。故障率低，运营效率高，节约成本。噪音低，更环保，燃油经济性好：采用深度刚性曲轴箱和优化加强筋设计，振动隔离式气门室盖，多种降噪选件。柴油直接喷射，降低热损失率，启动更迅速，降低了排放量，能够满足欧美非公路用机动设备第三阶段排放标准(tier 3/stage iiia)。构紧凑，易操作，安装维护更便捷：同等发动机构造更简洁，重量轻，安装保养更便捷。主要维护件可以布置在发动机的一侧，方便维护保养。1.3装载机和推土机的发动机的性能区别 相对于装载机来说推土机的发动机在转矩和扭矩方面要求要低的多，由于大部分的推土机是履带式的，在动力性能方面要求要比装载机高；而装载机

21、由于其作业场所复杂所以要求其有交好的灵活性能，其发动机在转矩和扭矩方面的要求要比推土机高，另外由于装载机的液压系统比推土机复杂所以在发动机方面装载机的发动机就更高了。 第二章 铲土机械的液力变矩器2.1 液力变矩器的工作原理 液力变矩器的工作原理：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。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

22、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26。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

23、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。2.2液力变矩器的应用 国外已普遍将液力传动用于轿车、公共汽车、豪华型大客车、重型汽车、某些牵引车及工程机械和军用车辆等。以美国为例，自70年代起,每年液力变矩器在轿车上的装备率都在90%以上，产

24、量在800万台以上，在市区的公共汽车上，液力变矩器的装备率近于100%，在重 型汽车方面，载货量30-80t的重型矿用自卸车几乎全部采用了液力传动。迄今为止，在功率超过735kw，载货量超过100t的重型汽车上，液力传动也得到了应用。如阿里森(allison)的clbt9680系列液力机械变速器就应用于功率为882.6kw、装载量为108t的矿用自卸车上，在某些非公路车辆上，在大部分坦克及军用车辆上也装备了液力传动。在欧洲和日本，近年来装备液力传动的车辆也有显著增加。国外较大吨位的装载机、推土机等工程机械多数都采用了液力传动。 我国在50年代就将液力变矩器应用到红旗牌高级轿车上，70年代又将液

25、力变矩器应用于重型矿用汽车上。目前，我国车辆液力变矩器主要应用于列车机车、一些工程机械和新一代的主战坦克及步兵战车等车辆上。液力传动在国内工程机械上的应用始于60年代，由天津工程机械研究所和厦门工程机械厂共同研制的zl435装载机上的液力传动开始的。80年代由天津工程机械研究所研制开发了yj单级向心涡轮液力变矩器叶栅系统和yjsw双涡轮液力变矩器系列。 两大系列目前已成为我国国内工程机械企业的液力变矩器的主要产品。其产品的主要性能指标已达到国外同类产品的先进水平。80年代北京理工大学为军用车辆研制开发了ch300、ch400、ch700、ch1000系列液力变矩器，突破大功率、高能容、高转速液

26、力变矩器的设计与制造关键技术，达到国际先进水平，满足了军用车辆的使用要求。一些合资企业生产的轿车和重型载重车等也应用了进口的液力变矩器。同国外相比，我国车辆应用液力变矩器虽然有了一定基础，但应用范围窄，数量较小，在中型载货汽车、公共汽车、越野汽车等车辆上没有应用或应用极少。西部大开发和我国经济的大发展，交通运输、水利水电、建筑业、能源等领域将是发展重点，因此液力变矩器在我国有广阔的市场。2.3液力变矩器的应用现状2.3.1 普通三工作轮闭锁式液力变矩器 普通三工作轮闭锁式液力变矩器结构简单，车辆起动和低速行使时，主要利用变矩器的增矩性能，换档时利用变矩器的缓冲性能，高速时将变矩器闭锁，充分利用

27、机械传动的高效性能。 2.3.2 多工作轮液力变矩器 多工作轮液力变矩器主要用于需要起动转矩大的工程机械和车辆，和需要液力变矩器多工况工作的机械上。 2.3.3 可调（导叶）式液力变矩器 可调（导叶）式液力变矩器当负载需作双向运动，对动力性能具有恒速或恒力等特殊牵引特性要求时，液力变矩器必须具有可调节反馈控制的功能，并在动态指标方面满足一定的要求。主要应用领域是，具有特种牵引要求的各种军、民用机械，如空中加油软管曳绕卷盘机械，主被动双向运动恒力加载试验机械，大型固定式提升机械，陆基或船基水下物件曳绕机械等。 2.3.4牵引-制动型液力变矩器 牵引-制动型液力变矩器在保证牵引能力的同时，充分利用

28、液力变矩器的减速制动性能。俄罗斯研制了一种牵引-制动型液力变矩器。 国内的研究人员曾对液力变矩器的制动工况做过一些研究和探索，但是并没有形成系统的完善的理论，没有结合具体的车辆设计出具体结构。北京理工大学正在研究牵引-制动型液力变矩器，已完成了工作原理和设计理论的研究，在23年内可研制出产品样机。 2.4流场理论的发展现状 液力变矩器是叶轮机械的一种。液体在液力变矩器工作轮流道中的流动是粘性、不可压缩的三维不稳定流动。 基于建模和计算的复杂性和液力变矩器流场的特殊性，长期以来在工程中采用的是一维流动理论，即束流理论。由于它的简便性和一定的合理性，因而具有工程实用价值，目前得到广泛应用的液力变矩

29、器的设计理论仍是束流理论。一元束流理论的优点是物理概念简单，设计计算工作大为简化和易于掌握等。但由于其诸多假设与变矩器内流场有很大差别，所以用一维束流理论设计出来的变矩器往往不能达到预期的性能指标，而要经过反复的试验和改进，这就大大地增加了试验量和研制周期。随着车辆、工程机械等行业对液力变矩器性能和研制周期要求的不断提高，给液力变矩器的研究提出了新的课题，研究人员在液力变矩器流场理论的研究上付出了很多努力，取得了一定进展。 在一元束流理论的基础上发展了二维流动理论。它将工作轮中的流动简化为过旋转轴心的一组平行轴面内的平面流动，每个平面内的速度分布和压力分布都是相同的。在给定了叶片的边界形态和流

30、量后，即可用数学方程求出该平面上任一点的流动参数。在二维流动理论基础上建立起来的二维或准二维性能预测和叶栅设计方法，把原来由中间平均流线所代表的进、出口速度和叶片参数改为沿进出口边或沿内外环具有某种变化规律的分布。应用二维流动理论，人们对液力变矩器的性能预测、叶性设计及绘制方法等进行了大量研究，得到了较好的效果。 总的来说，用二维流动理论描述纯离心式或轴流式工作轮中的流动情况与实际较为接近，而描述常用的向心式或一般的混流式工作轮，则与实际差别较大。 液力变矩器设计计算方法的发展方向是三维流动理论，描述粘性流体三维流动的运动方程是 纳维-斯托克斯（navier-stokes）方程，简称n-s方程

31、。由于n-s方程和欧拉方程的复杂性，直接求数值解非常困难，特别是n-s方程，到目前为止尚无法直接求解。近十多年来，人们多用有限元法和有限差分法求三维流动的微分方程或变分方程。 尽管人们对液力变矩器内流场的研究已经取得了一定的进展，但是由于液力变矩器内流场的特殊性和复杂性，完全抛开一维束流理论来进行液力变矩器设计计算的条件尚不成熟，能准确地反映液力变矩器内流场状况的理论尚未形成，液力变矩器的研究设计方法并没有从根本上得到改善，对液力变矩器还不可能进行一步到位的设计，往往要有多次反复，需要做大量的实验。 2.5设计方法的发展现状 液力变矩器的设计主要内容有叶栅系统入、出口参数设计、液流道设计、特性

32、计算、整体结构设计及供油系统设计。 叶栅系统入、出口参数设计是指根据给定的性能指标确定最佳的叶栅系统入、出口参数，包括流道的入、出口宽度和半径及叶片的入、出口角度和厚度。目前采用的设计方法有三种：基型设计、统计设计和基于流场理论的设计。 基型设计：选择性能与设计要求接近的液力变矩器作为设计基型，循环圆的形状，叶轮的布置，叶片的形状，叶片的数目，各种计算系数均参考基型选择，几何尺寸按相似原理进行确定。 统计设计：根据现有液力变矩器的种类和性能指标，有针对性地进行综合分析，统计出液力变矩器的性能和工况、叶轮尺寸及叶片角度的关系，制定出图表或解析式作为设计的参考。设计时根据性能要求选定一些参数作为设

33、计计算的初始点，根据统计图表或解析式确定所设计的液力变矩器的各项参数，从而确定叶栅系统入、出口参数。 基于流场理论的设计：目前叶栅系统入、出口参数设计的理论基础仍然是一元束流理论。根据束流理论及能量守衡定律建立叶栅系统入、出口参数设计计算的基本数学关系式，根据设计性能要求及制造工艺条件建立约束方程，然后，通过选择合适的优化目标函数、优化计算方法及初始参数进行设计计算。可以使用的方法有，渐次逼近法，采用单或多目标优化计算方法来计算最佳叶栅系统入、出口参数。 液流流道是由循环圆内、外环曲面及叶片曲面组成的，其设计包括循环圆设计和叶形设计。 循环圆设计是确定循环圆的外环形状、内环形状、设计流线形状及

34、叶片的入、出口边的轴面位置及形状。设计方法有两种：基型设计及基于统计结果和流场理论的设计。 叶片设计是在循环圆设计和叶栅系统入、出口参数设计基础上进行的，叶片的形状直接影响液流流道的形状及叶轮的制造。液力变矩器的叶片可以分为两类：可展曲面叶片和不可展曲面叶片。 叶片设计的方法可分为三种：三维设计、准三维设计和二维设计。由于流场理论研究的制约，直接进行叶片的三维曲面设计和准三维设计困难较大，而且，优势不是很明显。目前应用的叶片设计方法仍是投影于多圆柱面的等角射影原理的流线法，对此方法的研究也较深入和广泛，积累了不少经验。 2.6制造方法的发展现状 液力变矩器的制造，随着液力变矩器的结构形式及应用

35、场合不同而有所不同。叶轮的制造可以分为两大类：组装式和整体铸造式。前者叶轮的内环、外环及叶片分别采用金属板冲压或铣制而成，然后，用焊接、铆接的方法，将三部分组装成完整的叶轮，该方法具有单件成本低，加工精度和流道的表面粗糙度高的优点，但工装成本高。后者叶轮的内环、外环及叶片直接由模具浇注成一体，一般是铝铸件。根据形成流道的型芯的制法不同，工作轮的铸造方法分为整体型芯法和组合型芯法，适合于具有空间曲面形状且不等厚度的叶片的叶轮的制造。根据形成铸型型腔材料的不同，工作轮的铸造方法又可分为砂型铸造和金属型铸造。采用金属型、石膏芯复合铸造工艺生产液力变矩器铝叶轮的方法，可以提高铸件的表面粗糙度，保障尺寸

36、精度，并能铸造出叶片根部的圆角。 2.7 计算机在液力变矩器设计制造中的应用 2.7.1 计算机在液力变矩器设计制造中的应用 北京理工大学在液力变矩器的计算机辅助设计与制造等方面进行了系统深入的研究，开发了液力变矩器计算机辅助设计、制造一体化系统，该系统包含了计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助测绘、三元流流场分析和工程数据库管理系统等模块；建立了高起点的软、硬件开发环境及系统软件总体结构。实现了液力变矩器循环园、叶片及工作轮铸造模具的cad/cam。提高了叶轮的制造精度，缩短了研制周期，降低了成本。 2.7.2 计算机在液力变矩器流场理论研究中的应用 根据当前流场理论的研究成果，许多大

37、型软件公司将这些理论溶入其cae软件之中，并且在工程实践和理论研究中取得了重要成果和应用。 流场计算主要应用到的学科是cfd，即计算流体动力学。目前已经出现一大批用于cfd计算的商业及非商业软件。主要利用的数值计算方法为有限体法、有限元法和差分法等。而商业元件凭借其广泛的适用性受到了各个层次研究人员的欢迎，其中主要有fluent、ansys/flotran等计算流体动力学软件。 2.8 展望 综上所述，液力变矩器在我国有广阔的市场，入世以后，我国液力变矩器的制造业正面临着前所未有的挑战。另一方面，无论是液力变矩器的设计方法，还是其制造方法仍有许多工作值得去做。要积极推广变矩器的使用，开发新型液

38、力变矩器，并不断地改善其性能。液力变矩器的研究工作对我国工业水平的提高，对国防事业的发展都存在深远的意义。 第三章 发动机与液力变矩器的匹配计算3.1 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

39、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。实际上，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，

40、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，已满足各种作业的要求。3.2 柴油发动机与液力变矩器合理匹配的原则 (1)能够充分发挥柴油机的最大有效功率，使得变矩器的高效范围处于发动机的最大功率点附近。 (2)充分发挥柴油机的有效功率使车辆获得最大的平均速度。 (3)在起步或作业时即车辆负荷最大、变矩器在启动以及低转速时，获得最大的输出转矩；高速行驶时变矩器锁住，高效率传递动力。 (4)车辆具有良好的经济性，液力变矩器与发动机的共同工

41、作范围应该在发动机燃料消耗量最低工况附近。(5)为使发动机不至于因负荷突然增大而熄火，负荷抛物线中的任何一条与发动机转矩曲线的交点应该在熄火点的右侧。3.3匹配过程分析3.3.1 特性曲线的拟合 柴油发动机的速度也行有外特性和调速特性组成。外特性区线用多项式描述；调速特性区县用直线描述。拟合方法见文献1。 通常，液力变矩器原是特性数据是关于传动比的函数。对于单极变矩器，可采用拟合方程2。 2 式中 -泵轮力矩系数 -工作液的重度 -变矩器效率 -变矩器变矩比 -拟合系数发动机与液力变矩器共同工作输入特性的曲线拟合以及发动机与液力变矩器共同工作输出特性曲线的拟合方法见文献2。3.3.2 匹配方法

42、 装载机的发动机一方面驱动液力变矩器为行走装置提供动力，另一方面驱动液压泵为工作装置提供动力以及转向和变速操作提供动力。如何进行液压和液力的功率分配只装载机设计首先要考虑的问题。一般希望发动机在其额定点工作，液力变矩器在高效去工作，是装载机具有良好的动力性和经济性。（1） 全功率匹配全功率匹配是考虑扣除液压系统的最小扭矩，即用发动机外特性转矩减去变速油泵满转、转向油泵和工作装置油泵空载扭矩，得全功率匹配净转矩特性曲线（如图1所示），为发动机额定工作点，为发动机全功率匹配额定工作点。 在图2中找到液力变矩器的最高效率点，求出对应的值（点）和值（点）。图1中的作液力变矩器时的负荷抛物线,可求得全功

43、率匹配液力变矩器的有效直径。当装载机处于运输工况是（工作装置不工作），发动机在额定点工作，变矩器效率最高，装载机动力性最佳，经济性也比较好；但当装载机满载铲掘工作时，发动机的净转矩特性曲线变为，他们的交点为，可以看出此时点远远偏离理想工作点，此时装载机的动力性比较差，造成行走速度低，工作装置动作缓慢。（2） 部分功率匹配 部分功率匹配是考虑扣除液压系统的最大扭矩，即发动机外特性转矩减去变速油泵满载、转型油泵空载、工作装置油泵满载扭矩，得到部分功率匹配净特性曲线（见图1），该曲线点为发动机部分功率匹配的额定工作点，过点作液力变矩器的负荷抛物线,可求得全功率匹配液力变矩器的有效直径。这样当装载机处

44、于满载铲掘作业是，发动机在额定点工作并发出最大功率，变矩器效率最高，装载机动力性最佳，经济性也比较好；但当装载机处于运输工况时，同理因为实际工作点偏离理想工作点，装载机的动力性比较差。（3） 折衷匹配方案 折衷匹配方案即选择直径，使得。这样运输工况和铲掘工况的动力性虽然都不是最佳但也都不是最差。折衷匹配方案是目前广泛采用的方案，但取多大则无定论，一般认定匹配点选择在比点转速在左右比较合适。3.3.3 优化匹配（1）设计变量 取设计变量为液力变矩器的有效循环圆直径，即。（2）目标函数 对有效直径的液力变矩器当时负荷抛物线为。如图1中,当装载机运输作业时，负荷抛物线与曲线交点为；当装载机铲掘作业时

45、，负荷抛物线与曲线交点为。显然可分别求得点的转速和转矩，进而求得点的功率。目标函数为： 3 式中-和点的功率，当已知发动机外特性和工作油泵参数时可求出 -系数，。考虑到装载机绝大部分时间在装载作业，取实际上，值不同，有不同的优化结果，把值分别取为0、0.4、0.4、0.6、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95、1.0得到不同的输出特性，进而求得高效区涡轮平均输出功率（见图3中散点），图中曲线为上述值和对应的值(除外）的三次拟合曲线。从图3可以看出，峰值对应的值为0.8，这说明目标函数中取是合理的。（3） 约束条件 该优化问题为一维寻优，的取值范围为.3.4 算例 以型装载机为例

46、，按上述方法优化柴油机和液力变矩器的功率匹配。原始数据包括发动机外特性数据、液力变矩器原始特性数据和各个油泵不同工况下的扭矩。考虑到计算精度和计算速度，发动机外特性数据和液力变矩器原始特性数据均取为18点。3.4.1 发动机外特性和液力变矩器原始特性数据表1 发动机外特性和液力变矩器原始特性数据发动机转速)发动机转矩发动机耗油液力变矩器的传动比液力变矩器的变矩系数液力变矩器的效率液力变矩器的能容系数1292400.0237.003.061095.751395400.0232.00.2852.1170.60397.511500400.0226.00.3121.9860.648105.071625

47、400.0223.00.4751.5900.750108.111750395.0223.00.5021.5240.765108.301875390.0224.00.5501.4310.786108.302000380.0225.00.6051.3250.802108.302125370.0227.00.6521.2440.811108.302187365.0227.00.7031.1560.813108.302250360.00227.00.7251.1230.814108.202280350.0228.00.7511.0830.813108.112307335.0229.00.7771.04

48、50.812108.112327320.0230.00.8001.0070.806108.012363289.0232.90.8470.9410.797107.912405240.0234.00.9090.8610.783106.542437177.0241.00.9720.7720.750105.162452130.0245.01.0150.7110.722102.8125000.000255.01.1600.3350.38926.88 制动工况能容系数、最高效率工况能容系数、最大传动比能容系数、最大能容系数：。3.4.2 曲线拟合和优化结果 按前述曲线拟合方法，拟合出的发动机外特性曲线如图

49、1中的，全功率匹配净转矩特性曲线,部分功率匹配净转矩特性曲线。液力变矩器的原始特性拟合曲线如图2. 按全功率匹配计算，得出液力变矩器的有效直径；按部分功率计算，得出有效直径。 液力变矩器原匹配直径m。应用拟牛顿法，得出优化的有效直径。当时负荷抛物线如图1曲线所示。3.4.3 优化结果分析 发动机额定转速为，额定转矩为，额定功率为。优化后（即当时）发动机与液力变矩器的输入和输出特性如图4和图5所示。图5中高效区涡轮转速范围为。图5中为泵轮转速、为涡轮轴输出功率、为涡轮轴输出扭矩。 把以上匹配方案的方针结果列于表2.表2中方案1、方案2、方案3和方案4分别对应全功率匹配方案、部分功率匹配方案、优化

50、前原匹配方案和优化匹配方案。表中指液力变矩器工作在高效区发动机的平均耗油率。考虑到全功率匹配（方案1）与实际要求相差较远（图1），表2中没有计算高效区涡轮平均输出功率及相应的发动机平均耗油率。 表1 几种匹配方案的比较比较项目方案1方案2方案3方案4直径0.36150.278.60.33590.3286输出功率21.2442.6743.37耗油率232.74227.82227.123.5 小结 通过以上计算和分析可知，优化匹配方案比部分功率匹配方案和全功率匹配方案在动力性、燃油经济性及满足实际工作要求方面有很大优势；传统的折衷匹配范围较大，匹配结果有很大随意性。 装载机原来的液力变矩器的有效工作直径比优化匹配方案大，原来的匹配虽然对运输工况有力，造成工作装置动作迟缓，影响了装载机的工作效率。优化匹配方案与装载机原来的匹配相比，减少了液力功率，增加了液压功率，当高效区平均总有效功率有所增加，高效区发动机的平均耗油率有所减少，优化匹配的方案优于原匹配方案。 第四章 总结4.1 分析结论 铲土机械的发动机与液力变矩器的匹配具有实际意义，铲土机械是近代施工中不可或缺的主要工程机械他们的发动机和液力变矩器在性能和功能方