越野汽车液力变矩器和机械自动变速器换挡规律研究

汽　车　工　程AutomotiveEngineering

2007(Vol.29)No.3

2007052

越野汽车液力变矩器和机械自动变速器换挡规律研究

张　泰

1,3

,葛安林,唐春学,董　武,蒋　涛,阚玉来

23333

(11青岛理工大学汽车交通学院,青岛　266033;　21吉林大学,长春　130022;　31长春一东离合器股份有限公司,长春　130012)

[摘要]　根据越野汽车行驶特点,按照发动机与液力变矩器合理匹配的原则,确定了共同工作特性和最佳动

力换挡点。制定的液力变矩器和机械自动变速器的综合换挡规律,既可满足低挡位越野性能和机动性能的要求,又可在良好路面、高挡位行驶时满足燃油经济性的要求。

关键词:越野汽车;机械自动变速器;综合换挡规律

AStudyonShiftScheduleofOff2roadVehiclewithTCandAMT

ZhangTai,GeAnlin,TangChunxue,DongWu,JiangTao&KanYulai

31ChangchunYidongClutchCo.,Ltd.,Changchun　130012

1,323

3

3

3

11AutomotiveandTransportationCollegeofQingdaoTechnologicalUniversity,Qingdao　266033;　21JilinUniversity,Changchun　130022;

[Abstract]　Accordingtothedrivingfeaturesoftheoff2roadvehicleandtheprincipleofpropermatchingbe2tweenengineandtorqueconverter(TC),thecharacteristicsofconcertedworkandthebestdynamicshiftpointaredetermined.TheoverallshiftschedulewithTC+AMT(automaticmechanicaltransmission)isworkedout,whichmeetsboththerequirementsofoff2roadperformanceandmaneuverabilityatlowgearsaswellasfueleconomyathighgearsonbetterroad.

Keywords:Off2roadvehicle;Automaticmechanicaltransmission;Overallshiftschedule

与发动机进行匹配的W305液力变矩器在台架

前言

越野汽车采用液力变矩器(TC)与机械式自动

[1]

变速器(AMT)共同工作,不但在起步、低挡位时充分利用液力变矩器传递平稳、低速比转矩大等特点,保证越野汽车良好的动力性、通过性、越野性和乘坐舒适性,而且又具有AMT效率高、成本低等特点,保证了燃油经济性、操纵方便性等特性。然而,要充分发挥TC和AMT的优点,关键是如何实现发动机、TC和AMT的合理匹配,找出它们共同工作的最佳工作点,使得传动系统总体效果最佳,改善换挡品质,进而实现影响乘坐舒适性的冲击度达到最小,提高操纵方便性。

试验台上进行性能试验得到的原始特性见图1。

图1　W305液力变矩器原始特性

从图1试验结果来看,W305变矩器具有混合透穿性,即速比在0～013的范围内是负透穿性,其余为正透穿性。汽车在怠速和起步时,泵轮输出的转矩相对较小,作用在发动机上的转矩也较小,所以起步时加速柔和,不会因为突然加速而产生过大的冲

1　发动机与TC共同工作特性

　　原稿收到日期为2006年2月28日,修改稿收到日期为2006年5月23日。

2007(Vol.29)No.3张泰,等:越野汽车液力变矩器和机械自动变速器换挡规律研究・　227・

击;正常行驶时,随着汽车行驶阻力的减小,涡轮转速升高,速比增大,这时泵轮上的转矩相应下降,这正符合汽车的使用要求,能充分发挥发动机的动力性能。在同一油门情况下,涡轮的输出转速增大,车速提高,从而提高燃油经济性。

W305变矩器的高效率区域为速比i>015,效率η>01804,要充分发挥变矩器的效率,除了在起步加速满足越野汽车的通过性工况外,在正常行驶时,还应该使变矩器处在i>015的状态下工作,只有这样,才能充分发挥液力变矩器的特性。

为了得到精确的共同工作点,在计算中利用[2]

Matlab中的函数fzero()计算发动机与TC输出特

T

性的交点,即:ne=fzero[function(ne),ne],从而求出发动机转矩Te与TC泵轮所能传递转矩TP在不同油门α和不同速比i工况下的共同工作点转速ne,同时计算出与ne相对应的发动机实际传递的转矩Te和泵轮实际输出的转矩TP。根据所计算出的各wt

wtwt

wt图3　TC+AMT动力简化模型

所传递转矩;Tg为车辆行驶阻力矩;TP为液力变矩器泵轮转矩;Tt为涡轮转矩;Ie为发动机曲轴等旋转部件的当量转动惯量;IP为泵轮与刚性旋转部件当量转动惯量;It为涡轮与刚性旋转部件的当量转动惯量;Ig为不同挡位变速器到车轮旋转部分当量转ωP、ωt、ωg为对应的角速度。动惯量;ωe、根据力平衡关系,可建立如下数学模型(Ie+IP)dωe/dt=Te-Tp(1)ωt/dt=Tt-Tcs(2)Itd

ωg/dt=Tcs-Tg(3)Igd

ωt=ω(4)iP由于发动机与TC的共同工作输出特性已经确定,可以在此基础上直接研究AMT的换挡规律。不同挡位下的驱动力Ft为

(5)Ft=Tηtmi0ign/r

式中ηm为液力变矩器后的机械效率;ign为n挡下的传动比。根据式(5)和发动机与TC的共同工作输出特性,可计算出在不同速比和不同挡位情况下,在共同工作点工作时不同车速汽车的驱动力(图4)。

参数的具体数值,绘制发动机与TC共同工作的输入特性,具体结果见图2。

图2　发动机与TC共同工作的输入特性

从图2可看出,发动机与TC的匹配基本上在低

油耗区,证明燃油经济性好;同时还包容了最大输出功率,因此说明发动机与TC的匹配较为合理。再者,速比在i=0时,亦即在车辆起步时,共同工作输出转矩基本上接近发动机的最大转矩工作点,这样就可以充分发挥液力变矩器在低速比时大转矩的输出特点,增加了越野汽车的通过性。

图4　TC+AMT时1～5挡的牵引特性

从图4可看出,由于TC的作用,装备有TC+AMT的越野汽车在低速时的驱动力大于AMT的驱

2　越野汽车换挡规律理论分析

根据动力学原理,带有TC+AMT的越野汽车动力传动系统可以简化为图3所示模型。

图3中Te为发动机输出转矩;Tcs为换挡离合器

动力,这无疑增加了越野汽车的越野性和通过性。同时,在道路条件较好的工况下,为了解决TC效率低的缺点,可以通过闭锁来解决。

根据汽车对平顺性的要求,按照最佳动力性的原则,理想换挡点前后的加速度应该一致,所以汽车

・　228・汽　车　工　程2007年(第29卷)第3期

换挡规律可用如下方程求得最佳换挡点。

(6)a=dvn/dt=dvn+1/dt

式中vn为换挡前速度;vn+1为换挡后速度。

将式(1)～式(5)代入式(6),并设换挡时坡度很小,整理后则有Ttni0ignηCDAm

rr

-

α与车速v时的最佳换挡点。

wtwt

共同工作点ne时发动机输出的转矩Te,经TC变矩使得涡轮输出转矩Tt用于驱动汽车。

3　制定TC+AMT换挡规律

vn-mg(fn+θn)

22

21115

-

δ/n=

δ/n+1

(7)

Ttn+1i0ign+1ηm

CDA

21115

vn+1-mg(fn+1+θn+1)

汽车在行驶过程中,为了使其功率利用率高,采用收敛型换挡规律,即大油门时换挡速度差Δv最小,使升、降挡都有较高的功率利用,动力性好;减小油门时,换挡速度差Δv增大,避免过多的换挡,且发动机可在较低转速工作,使得燃料经济性好、噪声低、行驶平稳舒适。按照最佳动力性原则,根据式(9)和TC+AMT时1～5挡的牵引特性相邻挡位、相同油门时的驱动力交点(即最佳换挡点),可计算出共同工作时不同油门时的转速、转矩、驱动力、速比以及输出功率,部分计算结果如表1、表2所示。

根据所计算结果,可建立在TC工况时的动力性换挡规律,具体换挡规律如图5。

式中Ttn为n挡行驶时涡轮输出转矩;vn为n挡行驶时车速;fn为n挡行驶时路面滚动阻力系数;θn为n挡行驶时道路坡度。同理,带n+1的符号表示n+1挡行驶时的参数。

设换挡前后车速、滚动阻力系数和道路坡度均不发生变化,则令vn=vn+1=v,fn=fn+1=f,θn=θn+1=θ,式(7)变为

i0ηm

[Ttnignδn+1-Ttn+1ign+1δn]+

rCDA

)v+mg(f+θ

2

21115

(δ=0n-δn+1)

wt

(8)

整理后发现,在共同工作点发动机转速ne和车

速v之间有如下关系

i0ig

ne

wt

=

01377ri

v

(9)

涡轮输出转矩Tt经TC又与发动机输出转矩Te

有函数关系,Te为油门开度和转速的函数,即Te=f(α,ne),将以上各式联立并整理得出车速v与油门α之间的函数关系v=f(α)。则可计算出不同油门

图5　在TC工况时的TC+AMT换挡规律

表1　1挡升2挡最佳动力换挡点参数

油门开度/%

10100201003010040100501006010070100801009010010010

发动机转速/

r・min-1

1057196119818413251901479120163215019191772274171276212430381463038146

涡轮转速/r・min-1

557140　698113825107978122113113614181351772193225919725351912535191

速比

0153015801620166016901740178018201830183

共同工作点转矩/N・m

37182　6517194197129125171160178112168159162167163125163125

涡轮转矩/N・m

52178　86122119167157100201159196162176175165160165160165160

驱动力/kN

3193　61428191111691510114113116121331213312133

车速/km・h-1

7109　71097109710981201012812185161381813818138

输出功率/kW

4141　91021418023102341194118146197561106219562195

2007(Vol.29)No.3张泰,等:越野汽车液力变矩器和机械自动变速器换挡规律研究・　229・

表2　2挡升3挡最佳动力换挡点参数

油门开度/%

10100201003010040100501006010070100801009010010010

发动机转速/

r・min-1

10631061201113331011484170165019619821632300158286710630381463038146

涡轮转速/r・min-1

528106658126781124923150107914213901471688166221919323801682380168

速比

0150015501590162016501700173017701780178

共同工作点转矩/N・m

361356010888129118198156169156137149132157134159112159112

涡轮转矩/N・m

5213482103115135149196191182182100165198165198165198165198

驱动力/kN

2145318451407102819881527177717771777177车速/km・h-1

11149111491114911149131431713021101271622916229162

输出功率/kW

414781741415822141331504019445135591616319363193

　　然而,无论发动机与变矩器怎样合理匹配,由于TC存在效率低这一弱点,从经济性的角度来看,是无法与机械传动相比的。但对于越野汽车而言,由于后勤补给相对较困难,自备燃料又相对有限,因此,在良好路面高速行驶时,要综合考虑动力性和燃油经济性,采用效率高的机械式传动,即在高挡(3、4、5挡)时TC闭锁。

综合换挡控制规律,如图7。

4　TC+AMT综合换挡规律

所谓TC+AMT综合换挡规律,就是在路况较差、且又是低挡(1、2挡)时,以保证越野汽车的牵引性、越野性和通过性为主,采用动力性好的液力传动的换挡规律;在良好路面高挡(3、4、5挡)情况下,以满足经济性为主,使TC闭锁,采用效率高的机械传动换挡规律。具体的牵引特性如图6。

图7　TC+AMT的综合换挡规律

与AMT换挡过程相比,虽然TC具有效率低的缺点,但由于TC能自动适应外界阻力及转速的变化,且可以吸收换挡引起的冲击,降低冲击度;同时在正常行驶过程中还能吸收因发动机油门抖动和路况变化引起的振动和冲击,这不仅有利于提高车辆上各零部件的使用寿命,而且还能提高换挡品质,因此TC与AMT共同工作的越野性、通过性以及平顺性要比AMT汽车的好得多。这也正是对越野汽车采用TC+AMT综合换挡规律的原因。

5　结论

根据越野汽车载荷变化大、行驶路况极其复杂的特点,以及发动机与TC合理匹配的原则,建立了适应越野汽车的TC+AMT综合换挡规律,这种换挡规律不仅确保了在低挡位时越野性、通过性和机动性等动力性要求,而且还满足在良好路面、高挡位行驶时燃油经济性的要求。

(下转第249页)

图6　1、2挡TC,3、4、5挡TC闭锁时牵引特性

按照动力性原则,根据图6所确定的最佳换挡点,建立越野汽车的TC+AMT综合换挡控制规律,

1、2挡按液力传动所建立的规律按图5进行换挡,闭锁后按AMT的规律

[3]

进行换挡。即TC+AMT的

2007(Vol.29)No.3李昊,等:后驱动桥噪声在线检测系统的研究・　249・

表2　国产小型电机声功率级对比测量试验数据

4　系统试验

为了考核系统的测量精度以及验证声强算法的正确性,在半消声室和普通房间内,分别采用十点声压法和声强法对标准声功率源和小型电机作了声功率对比测量试验。

半消声室的容积为616m×516m×5m,水磨石地面,其余5面为吸声环境,本底噪声16dB(A),使用音箱作为干扰源,距其1m处的声压级为71dB。普通房间为9m×5m×3m的普通钢混结构墙壁和水磨石地面,使用B&K4205作为干扰源,距其正上方1m处的声压级为65dB。标准声功率源选用B&K4205,其输出信号为10～100kHz白噪声,输出测量方法

十点声压法(半消声室、无干扰)声强法(半消声室、无干扰)声强法(普通房间、无干扰)声强法(普通房间、有干扰)

声功率级/dB

7211711571157212

试验结果表明,该测量系统的测量误差小于1dB,达到了工程测量精度的要求。

5　结论

为了实现在线检测后桥噪声水平,从而进行质量分等和故障识别,研制了相应的硬件和软件系统。对比试验证明,该噪声检测系统设计合理,抗干扰能力强,测量精度高,受环境噪声影响小,能很好地适应工业现场在线检测的要求,现已投入正式使用。目前,该系统工作稳定、可靠,为后桥的噪声质量控制起到了重要的保障作用。

参考文献

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[2]　林军,周晓军,陈子辰,等.驱动桥总成在线检测计算机测控系

声功率为75dB±015dB。在半消声室中选用标定过的声级计用十点声压法测量其声压级,并计算声功率级,然后使用测量系统分别在半消声室和普通房间内测量声功率级,并测量半消声室内有干扰时的声功率级。选择212kW的Y100L124型电机,其测量工作状态为空载600r/min。同样在半消声室中先选用标定过的声级计用十点声压法测量电机的声压级,并计算声功率级,然后使用测量系统分别在半消声室和普通房间内测量声功率级,并测量普通房间内有干扰时的声功率级。试验结果见表1、表2。表1　B&K4205声功率级对比测量试验数据

测量方法

十点声压法(半消声室、无干扰)声强法(半消声室、无干扰)声强法(半消声室、有干扰)声强法(普通房间、无干扰)

声功率级/dB

7515751675167518

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(上接第229页)

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