裝載機用液力變矩器試驗研究

裝載機用液力變矩器試驗研究

扭振特性研究車輛動力性能的扭曲振動研究是動態(tài)振動研究的相對基礎(chǔ)和重要課題。而液力變矩器因能夠?qū)崿F(xiàn)車輛平穩(wěn)起步、吸收扭振等優(yōu)點而成為傳動系統(tǒng)的重要組成。目前國內(nèi)外涉及變矩器扭振特性研究的公開資料并不多,文獻在實際臺架試驗中發(fā)現(xiàn)扭振正向透過液力變矩器,文獻采用集中質(zhì)量法建立了含變矩器的整車扭振力學模型。文獻對三種液力變矩器進行動態(tài)特性臺架試驗,發(fā)現(xiàn)某循環(huán)圓扁平結(jié)構(gòu)變矩器在18Hz附近出現(xiàn)強的扭振共振點,扭矩波動的能量可激發(fā)出下游傳動系部件的模態(tài)振動。文獻對變矩器鎖止離合器閉鎖、部分滑移、不閉鎖等工況下傳動系轉(zhuǎn)速波動特性進行了對比研究。本研究對某雙渦輪變矩器扭振特性進行了試驗分析,為評價變矩器動態(tài)特性提供了試驗依據(jù)。1泵輪轉(zhuǎn)動慣量模型穩(wěn)態(tài)工況下三元件液力變矩器力學模型如圖1所示。圖1中,k2為變矩器泵輪和渦輪之間的等效扭轉(zhuǎn)剛度;c2為變矩器等效阻尼參數(shù);JB為變矩器泵輪部分的轉(zhuǎn)動慣量;J'T為歸一化后變矩器渦輪部分的轉(zhuǎn)動慣量;nB為變矩器泵輪轉(zhuǎn)速;nT為變矩器渦輪轉(zhuǎn)速;MB為變矩器泵輪轉(zhuǎn)矩;MT為變矩器渦輪轉(zhuǎn)矩。其中:式中:JT———變矩器渦輪的實際轉(zhuǎn)動慣量iγ———渦輪與泵輪的轉(zhuǎn)速比失速工況下三元件液力變矩器力學模型如圖2所示。圖2中,xC為變矩器輸入端角位移;x3為變矩器動力輸出軸端角位移,失速工況下其值為0。變矩器對于低頻扭振激勵相當于一扭轉(zhuǎn)剛度無窮小的純阻尼元件,c1為其等效阻尼參數(shù);而對于高頻扭振激勵變矩器則相當于一低通濾波器,低頻扭振能量可透過系統(tǒng),等效扭轉(zhuǎn)剛度為k2的線性彈簧元件與阻尼元件c2并聯(lián)以實現(xiàn)該功能。失速工況下該彈簧阻尼系統(tǒng)傳遞函數(shù)可表示為:式中:ω———扭振角頻率2罩輪與泵輪連接雙渦輪變矩器因起動時高變矩比,低轉(zhuǎn)速比范圍有較好的動力性和經(jīng)濟性等特點在裝載機上應用廣泛。其結(jié)構(gòu)示意如圖3所示,罩輪與泵輪通過螺栓剛性聯(lián)接,發(fā)動機的動力經(jīng)彈性板傳遞給罩輪及泵輪,當變矩器低轉(zhuǎn)速比時,超越離合器處于楔緊狀態(tài),這時2個渦輪就像1個整體渦輪一樣共同傳遞扭矩。隨著車速增高,外阻力的減小,二級渦輪的轉(zhuǎn)速逐漸增高,超越離合器分離,這時動力只通過二級渦輪傳給變速箱,一級渦輪處于空轉(zhuǎn)狀態(tài),對外無動力輸出。3電機轉(zhuǎn)速加減速控制臺架測試系統(tǒng)布置圖及實物圖如圖4、圖5所示。兩HBM轉(zhuǎn)速扭矩傳感器分別接在變矩器超越離合器總成的動力輸入、輸出端。功率300kW輸入電機動力經(jīng)轉(zhuǎn)速扭矩傳感器、聯(lián)軸器進入被測變矩器離合器總成,功率460kW輸出電機給被測系統(tǒng)加載以實現(xiàn)功率平衡。由于裝載機實際工作時,起步后泵輪轉(zhuǎn)速一般會很快升高到2000r/min以上,而二渦輪轉(zhuǎn)速則根據(jù)負載情況相對較緩慢地從靜止上升到某轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。因此試驗中使輸入電機轉(zhuǎn)速保持在2100r/min,以模擬實際整機工況下發(fā)動機的常用轉(zhuǎn)速。調(diào)節(jié)輸出電機勵磁電壓,使動力輸出端轉(zhuǎn)速從300r/min緩慢上升到2000r/min,以HBM測試系統(tǒng)記錄下轉(zhuǎn)速扭矩傳感器拾取的轉(zhuǎn)速、扭矩波動信號。4扭矩波動的三維特性分析變矩器超越離合器總成動力輸入端、輸出端扭矩信號經(jīng)去毛刺、去平均項后,以LMS.test.lab分析軟件進行分析。動力輸入端扭矩波動的三維功率譜如圖6所示,可以看出,由于動力輸入端(泵輪)轉(zhuǎn)速保持在2100r/min左右,其轉(zhuǎn)頻的一階扭振成分即35Hz成分扭矩波動量級最為突出,其次為70Hz的二階成分。去平均項后的輸入端扭矩波動時域信號片段如圖7所示,可以看出扭矩波動最大幅值約20N·m。該扭矩波動應主要來自動力源電機激勵的扭振成分及泵輪組件的動不平衡余量。實際整機工況下,來自柴油發(fā)動機的扭矩波動幅值會更加突出。輸出端扭矩波動的三維功率譜如圖8所示?？梢钥闯?轉(zhuǎn)速1200r/min左右為一分界線,輸出端轉(zhuǎn)速高于1200r/min以后,變矩器進入高轉(zhuǎn)速比區(qū),扭矩波動信號普遍趨弱,這表明,來自動力輸入端的扭振激勵基本為變矩器隔離并吸收。該雙渦輪變矩器呈現(xiàn)此特性可能與一渦輪在輸出端轉(zhuǎn)速1200r/min附近退出工作有關(guān)。超越離合器分離、一渦輪退出工作后,來自泵輪的高速流體需穿過高速空轉(zhuǎn)的一渦輪才能驅(qū)動二渦輪,流體介質(zhì)扭振波的能量因受一渦輪的剪切、擾動而衰減。由圖8還可看出,輸出端轉(zhuǎn)速在低于1200r/min左右,變矩器出于低轉(zhuǎn)速比區(qū),泵輪轉(zhuǎn)頻的一階成分,即35Hz左右扭矩波動信號較為突出。對應的動力輸出端扭矩波動時域信號如圖9所示,可以看到35Hz左右頻率成分主導的扭矩波動幅值接近80N·m,遠大于圖7中輸入端扭矩波動幅值。這一方面表明35Hz頻率成分扭振可有效正向透過該液力變矩器傳遞到下游傳動系。另一方面也提示該變矩器存在扭振放大環(huán)節(jié)。進一步分析發(fā)現(xiàn)圖8中40Hz左右有一較較強共振線,而在圖6中并未發(fā)現(xiàn)該頻率的扭矩波動成分,考慮到一渦輪結(jié)構(gòu)及約束情況類似于一循環(huán)對稱特征懸臂梁結(jié)構(gòu),因此估計,40Hz共振可能與一渦輪彎曲模態(tài)有關(guān),當扭振激勵源特征頻率接近40Hz時,該模態(tài)可對扭矩波動起到放大作用。文獻也表示,其18Hz頻率共振點可能與變矩器某零部件的彎曲模態(tài)有關(guān)。還可從圖6中觀察到70Hz左右的二階扭振成分,圖8中卻沒有相應能量的扭矩波動成分,這表明70Hz頻率成分扭振基本為變矩器正向隔離并吸收。由于變矩器對于高頻扭振激勵相當于一低通濾波器,因此可以認為,高于70Hz的扭振成分該變矩器可以有效衰減并吸收,實際上從圖8的頻率范圍內(nèi)也沒有觀察到高于70Hz的突出扭矩波動成分。圖9也可看出,扭矩波動主導成分為低頻成分,圖中高頻扭矩波動成分應來自變矩器下游。5下傳動組件共振對某雙渦輪液力變矩器進行臺架扭振特性試驗,得出如下結(jié)論:(1)變矩器高轉(zhuǎn)速