液力传动车辆动力特性

液力传动是以液体动能来传递或交换能量的。采用液力传动的车辆，由于发动机曲轴和主动轮之间是非刚性的动力联系，因此能保证坦克平稳起步，在各挡低速工况时发动机不致熄火；便于实现不切断动力的换挡和自动操纵，提高了操纵方便性；能够起到减振、吸振、减缓冲击的作用，防止发动机和传动装置过载，有利于提高机件工作的可靠性和使用寿命。另外，这种传动装置由于传递牵引力平稳，因此可以提高车辆在附着性能不良的地面上的通过性；装有液力变矩器的车辆，当外界阻力增大时，在发动机曲轴转速变化不大的情况下，随着涡轮轴转速降低，所传递的扭矩可以在一定范围内增加。这种自适应的变矩特性不仅能充分地利用发动机的功率，而且可以减少变速箱的排挡数。但由于目前在车辆上采用的液力变矩器，其变矩系数为2～4，而车辆所遇到的外阻力变化范围比这个数值大得多，因此为了保证比较高的液力传动效率，一般还必须串联一个具有3个甚至更多排挡数的变速箱。

1.发动机与液力变矩器共同工作的输入特性

发动机与液力变矩器共同工作的输入特性是指液力变矩器在不同的转速比i时，与发动机共同工作的转矩和转速的变化特性。它是研究发动机与液力变矩器匹配的基础，也是研究发动机与液力变矩器共同工作输出特性的基础。

下面简述发动机和液力变矩器共同工作输入特性的计算过程及方法。

（1）在绘制共同工作的输入特性曲线时，首先应该知道液力变矩器的原始特性及发动机的净转矩外特性。同时，应知道工作液体的密度ρ和液力变矩器的有效直径D。

（2）在液力变矩器的原始特性曲线图上，给定若干液力变矩器的工况（即转速比i）。对于普通的单级液力变矩器，可选择起动工况的i＝0；高效区（η等于75%～80%）的转速比i1和i2；最高效率工况i*和最大转速比工况（空载工况）imax等。

（3）根据给定的转速比i，由液力变矩器原始特性曲线的转矩系数λB＝f（i）曲线分别定出转矩系数值λB0、λB1、、λB2、λBM和λBmax等。为了作图精确，可以根据需要增加转速比i的数目，并确定相应的λB的数值。

（4）根据所确定的不同i时的转矩系数值及液力变矩器的有效直径D，应用液力变矩器泵轮的转矩计算公式计算并绘制液力变矩器泵轮的负荷抛物线。当λB随i的变化规律不同，即液力变矩器的透穿性不同时，将得到一条或一组负荷抛物线。

（5）将发动机的净转矩外特性与液力变矩器的负荷抛物线，以相同的坐标比例绘制在一起，即得发动机与液力变矩器共同工作的输入特性，如图7.1.11所示。

图7.1.11　发动机和液力变矩器共同工作输入特性

负荷抛物线与发动机转矩外特性曲线的一系列交点就是最大油门开度（或最大供油）时，发动机与液力变矩器共同工作的稳定点。由最小转矩系数和最大转矩系数所确定的两条负荷抛物线所截取的转矩外特性曲线部分，即为处于发动机外特性下，两者共同工作的范围。

同理，由最小转矩系数和最大转矩系数所确定的两条负荷抛物线与转矩部分特性曲线的交点所确定的曲线范围，为在发动机部分供油时，发动机与液力变矩器共同工作的范围。

影响共同工作范围宽度的主要因素是液力变矩器的透穿性。具有不同透穿性的液力变矩器与发动机共同工作的特性曲线如图7.1.12所示。

对于不透穿的液力变矩器，由于泵轮的转矩系数λB不随转速比i变化，因此在不同的转速比i下只有一条负荷抛物线。此时，共同工作的全部范围为由C0 A0所确定的一段负荷抛物线。而发动机处于外特性和部分特性下工作时，则为曲线上的某一点，如图7.1.12（a）所示。

对于具有正透穿性的液力变矩器，由于λB随i的增大而减小，因此共同工作的整个范围是由一束随i增大而逐渐向右移动的负荷抛物线组成的，如图7.1.12（b）所示。工作范围A0 A*Am Cm C0的大小和宽窄取决于液力变矩器透穿性系数的大小。

对于具有负透穿性的液力变矩器，由于λB随i的增大而增大，因此共同工作的全部范围是由一束随i增大而逐渐向左移动的负荷抛物线所组成的，如图7.1.12（c）所示。

对于具有混合透穿性的液力变矩器，由于λB随i的变化是先增大后减小，因此共同工作的整个范围是由以λB最大时的i的负荷抛物线为上界，以imax的负荷抛物线为下界所组成的面积A′A0 Am Cm C0所决定的。其中，有一部分工作范围（即A′A0 C0 Cm）是重叠的，如图7.1.12（d）所示。

图7.1.12　不同透穿性的液力变矩器与发动机共同工作的特性曲线

由发动机和液力变矩器共同工作的输入特性来评价两者的匹配是否合理时，单从共同工作范围的面积大小来看是不够的，还必须了解共同工作范围在发动机全部工作范围中的位置，也就是在发动机外特性和部分特性的那一区段。

最理想的匹配就是共同工作所利用的发动机工作区段，能满足车辆的工作需要，同时还能兼顾到下列几个方面。

（1）在液力变矩器的整个工作范围内，应能充分利用发动机的最大有效功率。因为功率利用率高，就能保证车辆有较高的平均速度。为此，要求最高效率时的负荷抛物线通过发动机最大净功率的转矩点TjN。但如果仅考虑一点的情况，还不能说明变负荷下工作时的功率利用，所以希望高效区的共同工作点在最大功率点附近，即i1和i2两负荷抛物线应在最大功率点Nej的两侧。

（2）为使车辆具有良好的燃料经济性，希望共同工作的整个范围能够在发动机的燃油消耗量最低值gemin的工况附近，这样就可以使车辆的燃油消耗量较小。

（3）为使车辆在起步工况或爬最大坡度的工况下能够获得最大的输出转矩，希望液力变矩器在低转速比时的负荷抛物线（特别是i＝0时的负荷抛物线）能通过发动机的最大转矩点。

一般说来，同时满足以上几项要求是比较困难的，特别是对于不可透穿的液力变矩器，由于负荷抛物线的分布很窄，甚至是一条线，因而只能满足上述要求的一种；对于可透穿的液力变矩器，则由于负荷抛物线的分布较广，同时满足上述3项要求存在一定的可能性。

为了使共同工作特性满足上述3项要求，可以通过下列措施来达到。

（1）在液力变矩器型式一定的情况下，调整有效直径D来改变共同工作的输入特性。由图7.1.13可以看出，当有效直径增大时，即D＞D′，整个工作范围向左方移动；当有效直径减小时，整个工作范围向右方移动。因此，可以根据使用的要求，选择液力变矩器的不同有效直径，来达到较好的匹配性能。

图7.1.13　不同有效直径的液力变矩器与发动机共同工作的特性曲线

（2）在发动机和液力变矩器间安装中间传动。发动机经过中间传动后，输出的转矩和转速发生变化，转矩T＝Te ieB；转速n＝ne／ieB。由图7.1.14可以看出，当ieB＞1时，输出的转矩增大，转速降低，即转矩外特性曲线向左上方移动，相对地，共同工作范围向右下方移动；当ieB＜1时，输出的转矩降低，转速增大，即转矩外特性曲线向右下方移动，相对地，共同工作范围向左上方移动。因此，通过调整中间传动的传动比ieB，也可达到较好的匹配性能。

图7.1.14　不同前传动比的液力变矩器与发动机共同工作的特性曲线(www.xing528.com)

2.发动机与液力变矩器共同工作的输出特性

共同工作的输出特性是指发动机与液力变矩器共同工作时，涡轮轴输出转矩TW，涡轮轴输出功率PW，发动机每小时燃油消耗量GW，比燃油消耗量geW和泵轮（发动机）转速nB等与涡轮轴转速nW之间的关系。

当发动机与液力变矩器组合后，其输出特性与发动机特性完全不同了，如同形成一种新的动力装置。可以按如下的方法和步骤，获得发动机与液力变矩器共同工作的输出特性曲线。

（1）绘制液力变矩器的原始特性曲线及发动机与液力变矩器共同工作的输入特性曲线。

（2）根据共同工作的输入特性曲线，确定在不同转速比i时，液力变矩器负荷抛物线与发动机转矩外特性相交点的转矩TB和转速nB，由发动机的外特性曲线确定对应的每小时燃油消耗量GW或比燃油消耗量ge。一般选择i0、i1、i*、i2、iM和imax等有代表性的工况，但为了作图准确，也可以多选一些工况。

（3）根据选定的传动比i值，在液力变矩器原始特性曲线上，确定对应的变矩比K值和效率η值。

（4）根据选定的传动比i及此传动比时负荷抛物线与发动机外特性曲线交点的转速nB值，计算涡轮转速nW，即

根据有关公式，分别计算在上述涡轮转速下的有关参数（TW、PW等）。其中

（5）将上述计算所得数据列表，并以涡轮转速为横坐标，其他参数为纵坐标，进行绘图，即得发动机与液力变矩器共同工作的输出特性曲线，如图7.1.15所示。

图7.1.15　发动机与液力变矩器共同工作的输出特性曲线

发动机和液力变矩器共同工作的输出特性是进行液力传动车辆牵引特性和动力特性计算的基础。

3.牵引特性和动力特性曲线

车辆液力传动系统简图如图7.1.16所示。在求解具有液力传动系统车辆的牵引特性和动力特性曲线时，可以将发动机和液力变矩器看作一个完整的新“动力装置”，其输出特性就是发动机与液力变矩器共同工作的输出特性。根据求解发动机与液力变矩器共同工作的输出特性过程中用到的式（7.1.8）和式（7.1.9），可以确定液力变矩器涡轮轴上的输出转矩TW与对应的转速nW的关系曲线就相当于这个新“动力装置”的转矩外特性曲线。下面的步骤，可以按照前面所述的方法进行，只需将发动机的外特性更换为涡轮轴上的共同工作输出特性即可。

图7.1.16　车辆液力传动系统简图

1—发动机；2—液力变矩器；3—变速箱；4—转向机构；5—侧传动。

根据涡轮转速计算车辆车速的公式为

式中　ii——第i挡涡轮轴到驱动轮之间的传动系统的总传动比。

根据涡轮转矩计算车辆发动机牵引力的公式为

式中　η′——涡轮轴到驱动轮之间的传动装置和行动装置的总效率。

求出每一挡的动力特性曲线以后，依次计算其他各挡的动力特性曲线。将计算结果按顺序填入表7.1.2，这种方法在进行计算时是比较方便的。

表7.1.2　具有液力传动装置的坦克的牵引计算表

续表

装有综合式液力变矩器的液力传动装置的车辆，其动力特性曲线如图7.1.17所示，变速箱有3个前进挡，该曲线图由上述方法绘制。显而易见，这种传动装置的动力特性比较接近于理想的动力特性，该曲线就是具有液力传动车辆动力性的理论计算模型。

图7.1.17　具有液力传动装置的坦克的动力特性曲线