高原环境下的起步性能试验

对于全域机动车辆而言，高海拔环境下的使用条件和环境状况相对于平原地区有很大差异，对车辆的机动性会产生较大影响。作为影响车辆快速机动能力的一项重要指标，车辆起步性能与车辆所处的环境条件有直接关系。科学分析高海拔环境车辆起步性能的影响因素，制定有针对性的高原环境条件下的起步性能试验方法，对于车辆论证、研制、试验和使用具有重要意义。

在装备试验中多次发现，不同型号车辆在平原地区起步性能良好，但在4 500 m以上的高海拔环境下存在起步困难问题，针对这一现状，在系统开展车辆起步性能分析的基础上，从现有的试验标准方法入手，提出高原起步性能试验方法。

高原环境起步性能试验的主要目的是测试高原试验环境条件下，动力传动系统起步动态过程的特性，包含起步时间、加速度等，检验发动机功率满足车辆起步的能力，考核车辆在发动机功率下降和变矩系数减小双重条件下的起步性能。

高原环境起步性能试验需要具有专门的环境试验室，能够模拟高原状态空气压力和成分含量，动力传动系统起步的路面阻力通过制动器的摩擦力矩进行模拟。

（一）影响因素分析

1.车辆起步过程动力学分析

高海拔环境下车辆的起步性能是指车辆在高海拔环境下起步的难易程度，也就是车辆迅速安全地起步的能力。下面通过对液力机械传动车辆起步过程动力学分析来研究高海拔环境车辆起步性能的影响因素。

（1）车辆起步模型。

对于液力机械传动车辆而言，一般来说，发动机动力传递路线如图3-128所示。其中，一部分功率由冷却风扇、进排气装置等损耗，另一部分由油泵等辅助系统损耗，剩余功率经液力变矩器最终传递至两侧主动轮，这部分功率称为净功率，对应的扭矩称为净扭矩。

图3-128　液力机械传动车辆动力传递路线

（2）车辆完成起步的条件。

根据地面车辆直线行驶理论，车辆完成起步应满足以下两个条件：

第一，车辆在行驶方向上所具有的牵引力不小于其所受起步阻力，即

第二，车辆在行驶方向上所具有的牵引力不大于其附着力，即

2.高海拔环境车辆起步性能影响因素分析

基于车辆动力的起步性能影响因素分析。

从动力传递路线可以看出，影响车辆起步性能的因素有发动机净扭矩、液力变矩器的变矩系数、传动和行动系统总效率、主动轮工作半径等，各参数对车辆牵引力及起步性能的影响如表3-27所示。

表3-27　车辆牵引力影响因素

与平原相比，在高海拔环境下上述5个参数中发动机净扭矩和变矩系数容易发生显著变化。同时，在一定条件下，可通过对传动系统局部结构的调整来改变传动和行动系统总效率或传动系统总传动比，以改善车辆的起步性能。

（1）发动机净扭矩。

在高原地区，大气压力和含氧量随海拔高度增大而减小的程度比较明显。据试验统计，海拔高度每增加1 000 m，大气压力约下降11.5%，空气密度约减少9%，不同海拔高度的气压和空气密度变化情况如表3-28所示。

表3-28　不同海拔高度条件下气压和空气密度变化情况

高海拔地区气压和空气密度的下降，使得压燃式柴油机的气缸充气密度降低，过量空气系数减小，从而导致燃烧不充分，后燃性严重，工作粗暴，燃油消耗量增大，排气黑烟严重，废气有害物质排放量大大增加，功率下降。图3-129为某型柴油机平原和海拔4 500 m高海拔环境下的外特性。

图3-129　某型柴油机平原和高原外特性

可以看出，与平原工况相比，高海拔环境下发动机在怠速、最大扭矩转速、标定功率点的扭矩分别下降47.9%、18.4%、24.0%。从下降趋势看，两头下降多，中间下降少，即以最大扭矩点为起点向两侧延伸，发动机扭矩下降率逐渐增大。同样，发动机净扭矩的变化情况与之相似。而车辆起步性能的好坏，在很大程度上取决于发动机的低速特性，即低转速区域的扭矩输出情况，因此，发动机低转速区域扭矩的下降程度直接影响车辆的起步性能。(www.xing528.com)

（2）液力变矩器变矩系数。

液力变矩器的变矩系数K用以表征液力变矩器的变矩能力，即变矩器在一定范围内无级地改变泵轮向涡轮传递功率的能力。对于固定型号的变矩器，一般认为其与速比呈确定的线性关系，即

式中，i为液力变矩器涡轮与泵轮的转速之比。

这是基于液力变矩器效率特性不变的前提得出的。事实上，液力变矩器在不同温度条件下传动效率会发生相应改变。

液力变矩器泵轮负荷特性按下式计算：

式中　ρ——液力变矩器用油密度；

λB——泵轮力矩系数；

Dy——变矩器循环圆直径；

nB——泵轮转速。

由上式知，变矩器泵轮负荷与其用油密度直接相关。那么，随着传动油温的下降，油的黏度和密度相应增大，发动机带动变矩器泵轮的负荷也随之增大，变矩器的传动效率相应下降。

根据变矩器传动效率ηB与变矩系数的关系ηB=Ki，在变矩器速比范围不变的条件下，随着其传动效率的下降，变矩系数也相应减小。因此，传动油温的下降会使得变矩器变矩系数减小，从而降低车辆的起步性能。

3.基于车辆阻力的起步性能影响因素分析

影响车辆起步阻力的因素有车辆总质量、地面摩擦系数、车辆行驶的坡度角、空气阻力系数、车辆迎风面积、车速、车辆行驶加速度、质量增加系数。车辆平稳起步时，车速相对较低，车辆接近于静止状态，空气阻力和加速阻力可忽略不计，因此车辆起步时行驶阻力的影响因素主要是车辆总质量、地面摩擦系数、车辆行驶坡度角。

（二）试验设计

为验证不同因素对高海拔环境车辆起步性能的影响效果，进行了不同条件下的起步性能试验。试验模拟海拔高度为4 500 m。试验按先单一因素后综合因素的原则进行，分别进行了高海拔常温条件下平坦路面起步性能试验、高海拔低气温条件下平坦路面起步性能试验、高海拔低气温条件下复杂工况起步性能试验。

（1）高海拔常温条件下平坦路面起步性能试验。

该项试验的目的是考核高原正常条件下发动机功率满足车辆起步的能力。为保证起步性能试验不受发动机自身低温供油限制、传动油温较低、路面坡度、车重变化、地面附着系数等条件的影响，试验前车辆经行驶预热，发动机水温为72℃，机油温度为74℃，传动油温为75℃，动力传动系统处于良好的工作状态。试验路面模拟平坦的土质路面。试验时，车辆以怠速状态挂1挡起步。

（2）高海拔低气温条件下平坦路面起步性能试验。

与高海拔常温条件相比，高海拔低气温条件下液力变矩器的变矩系数会减小，最终会导致车辆牵引力减小。对于高海拔常温条件下起步性能较好的车辆，在高海拔低气温条件下，由于牵引力的减小可能会造成车辆起步困难的现象。该试验项目主要考核车辆在发动机功率下降和变矩系数减小双重条件下的起步性能。为保证起步性能试验不受发动机自身低温供油限制，以及路面坡度、车重变化、地面附着系数等条件的影响，试验样车配至战斗全重，试验路面为平坦的土质路面。

试验期间，环境气温范围为-23～12℃，试验前动力传动系统经24 h自然条件冷冻。当发动机水温达到使用说明书规定的60℃使用条件后，开始起步性能试验，试验进行4次。

（3）高海拔低气温条件下复杂工况起步性能试验。

前述两项试验均模拟平坦的自然土质路面进行，且均为直驶起步工况。实际上，在车辆使用过程中经常会出现以下两种情况，即坡道起步和转向起步。当停车场地不平坦时，可能会遇到坡道起步的现象，此时车辆行驶阻力会相应增大，对车辆起步完成情况会造成一定影响。试验模拟坡度为5°的自然土质路面，坡道起步试验主要针对停车场地出现小幅度起伏的情况进行，因此模拟坡度为5°的自然土质路面。

（三）试验数据分析

通过记录发动机转速、传动两侧输出转速和转矩值、制动器油压、挡位等值，获得起步过程中，发动机转速、车速及挡位关系如图3-130所示。

图3-130　高海拔常温条件下起步性能试验结果

高海拔低气温条件下平坦路面起步试验需要记录的原始数据主要包括时间、发动机水温、传动油温和试验结果情况；高海拔低气温条件下复杂工况起步性能试验需要记录的原始数据主要包括时间、发动机水温、传动油温和坡道起步情况。

通过数据分析可得到当传动油温上升至多少温度时，车辆可完成坡道起步。因此，在进行复杂工况起步时，将传动油温提升至最佳工作范围，有利于车辆动力性能的发挥，车辆起步效果更佳。