液力元件在车辆系统仿真中的应用

1.静态模型

液力传动装置有液力变矩器、液力偶合器和液力减速器。

图7.4.14（a）所示的液力变矩器的动态简图中指出了两质量之间的流体动力学关系（分别对应泵轮和涡轮）。当泵轮与涡轮转速相同时（nB＝nT），流体作用在导轮上的反力矩为0；当nB≠nT时，在泵轮上作用有阻力矩－TP，在涡轮上作用有主动力矩TT，且

式中　D——工作轮的有效直径；

K——变矩比，它是iy＝nT／nB的函数；

ρ——工作液体密度；

λB、λT——泵轮、涡轮力矩系数。

图7.4.14　液力传动装置动态简图

（a）液力变矩器；（b）液力偶合器；（c）液力减速器

变矩器的效率为

变矩器原始特性决定着其静态模型性能，包括K＝f（iy）、η＝f（iy）和λB＝f（iy）3种特性，由试验来确定。

如图7.4.14（b）所示，液力偶合器的动态简图与液力变矩器的动态示意图的区别在于缺少一个与固定端导轮的连接，其K＝1，不能变矩。

一些坦克传动中使用液力减速器（液力制动器），如图7.4.14（c）所示。非工作状态下内腔是空的，调节该空腔的工作液填充率可导致液力减速器转动轮制动力矩的变化。在液力减速器动力学示意图中表示为运转端和固定端的流体力学关系。

运转泵轮的制动力矩为

式中　α（t）——外部调节参数，0≤α（t）≤1。

2.变矩器动态模型

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图7.4.15　液力变矩器的动态系统力学模型

液力变矩器在非稳定工况（加速、减速和制动等）下工作时的动态特性是指泵轮和涡轮轴上的动态扭矩TP、－TT，泵轮和涡轮的角速度ωP、ωT及转速比iy与时间的关系曲线。

以广泛应用于军用车辆上的三元件向心涡轮液力变矩器作为研究对象，研究中假设不考虑液力变矩器在偶合器工况下工作时的导轮惯性力矩。

三元件向心涡轮液力变矩器的动态系统力学模型（不考虑机械损失）如图7.4.15所示。图中，为非稳定工况下，泵轮和涡轮轴上的动态扭矩；为非稳定工况下，泵轮和涡轮轴上的动态液力扭矩；IP、IT为泵轮及泵轮轴、涡轮及涡轮轴等主要旋转零件的转动惯量。

根据牛顿定律，由图7.4.15可得数学模型

其中，泵轮和涡轮在非稳定工况时的动态液力扭矩分别为

式中　——稳定工况下，液力变矩器泵轮和涡轮轴上的液力转矩；

IPy、ITy——泵轮和涡轮中工作液体的转动惯量；

FPy、FTy——泵轮和涡轮叶片间流道几何参数的形状因素；

Q——变矩器循环圆内的液体循环流量。

由上式可以看出，在非稳定工况下，液力变矩器泵轮和涡轮轴上的动态液力转矩由静态液力转矩加上或减去泵轮和涡轮内的工作液体的惯性力矩，该惯性力矩由工作液体沿循环圆方向循环流动的惯性力矩和随泵轮或涡轮一起旋转产生的惯性力矩组成。

将式（7.4.44）代入式（7.4.43）得

上式为液力变矩器在非稳定工况时的动态数学模型。

液力变矩器在非稳定工况下工作时，如果保证液力变矩器具有足够高且稳定的进、出口油压，使进入变矩器的循环流量Q稳定不变，则可忽略工作液体沿循环圆方向循环流动的惯性力矩。此时，式（7.4.45）可以简化为

由于工作液体的转动惯量IPy、ITy与泵轮或涡轮及其连接轴等主要零件的转动惯量IP、IT相比非常小，因此在一般的计算中也可将工作液体的转动惯量IPy、ITy忽略，则动态模型进一步简化为