装载机用发动机与液力变矩器匹配方法研究
装载机是目前应用最为广泛的土方作业机械之一，对其动力传动系统的性能有着特殊的要求。国内对装载机动力性能的评价仍然不够成熟，不仅需要消耗大量人力、物力，效率还很低。本文在充分研究了国内外装载机用发动机与液力变矩器匹配方法的前提下，提出利用计算机辅助软件MATLAB编写程序，提高了工作效率。本文的主要内容有对发动机与液力变矩器现有的评价指标进行分析，构建装载机液压系统工作参数测试系统，应用nSoft数据处理软件分析处理试验数据，输出图形曲线和匹配结果，提高了匹配的计算效率。关键词 发动机，匹配，评价指标，数据处理，液力变矩器目 录
1 绪论 1
1.1 课题背景和研究意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 研究目标和研究内容 2
2 发动机的性能指标 3
2.1 发动机主要性能指标 3
2.2 发动机特性 3
3 液力变矩器性能 5
3.1 液力变矩器的主要性能指标 5
3.2 液力变矩器的主要特性 6
4 发动机与液力变矩器匹配的评价指标 8
4.1 发动机与液力变矩器的匹配原则 8
4.2 发动机与液力变矩器共同工作的输入特性曲线 8
4.3 发动机与液力变矩器共同工作的输出特性曲线 10
4.4 发动机与液力变矩器匹配方案 11
5 发动机与液力变矩器匹配计辅软件的实现 12
5.1 软件编写思路 12
5.2 软件设计方法 13
5.3 软件用途 16
6 装载机液压测试系统的建立 16
6.1 装载机参数测试用传感器的选用 16
6.2 装载机测试系统用传感器的标定 17
6.2.1 传感器标定方法 17
6.2.2 传感器的动态标定过程 17
6.2.3 传感器的静态特定过程 17
6.3 数据采集系统建立 19
6.4 装载机实机实验 21
6.4.1 典型作业工况 21
6.4.2 采样频
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
6.2 装载机测试系统用传感器的标定 17
6.2.1 传感器标定方法 17
6.2.2 传感器的动态标定过程 17
6.2.3 传感器的静态特定过程 17
6.3 数据采集系统建立 19
6.4 装载机实机实验 21
6.4.1 典型作业工况 21
6.4.2 采样频率的确定 22
6.4.3 试验数据的采集 22
6.5 典型工况下发动机与液力变矩器的匹配 24
6.6 匹配结果分析 26
结 论 28
致 谢 39
参考文献 30
1 绪论
1.1 课题背景及研究意义
从1920年第一台装载机被发明出来以来，装载机以其作业速度快，灵活性好，操纵简便等优点普遍应用于道路、建筑、水利、矿山等建设工程当中。主要用来铲运土壤、砂石、煤炭等散状物料，也可对矿石、硬土等固状物料做适当铲挖作业。装载机工作时负荷变化很大，当发生负荷由小到大急剧变化的情况，很可能导致发动机停止工作，甚至熄火。所以装载机一般都采用液力机械传动的方式来取代机械传递动力。加装了液力变矩器在发动机与变速器之间，提高了装载机的适应性，也就是说当负荷荷突然增大，降低发动机输出转速，增大扭矩克服增大的负荷。反之，当负荷减小时自动提高车速，减小牵引力。液力传动利用液体作为工作介质，传动非常柔和平稳，能吸收振动和冲击，提高发动机使用寿命。
近年来，因为液力变矩器具有较好的自适应性、无级变速、稳定的低速性能等优点，所以液力变矩器普遍应用于装载机的主传动轴上，由此发动机与液力变矩器的组合形成了一种新的动力装置，该装置输入输出性能的好坏不仅取决于发动机或液力变矩器各自的性能，两者之间匹配的合理性对各自性能的施展以及整体的各项性能均有较大影响。而当液力变矩器选择不妥当，或者与发动机匹配不合理，都可能使发动机无法在额定工作点邻近工作，液力变矩器也无法在高效区工作，进而导致装载机的动力下降，耗油量增多，工作效率降低。因此，研究发动机和液力变矩器匹配的新方法，探索发动机和液力变矩器共同输入输出的特征，对于我国装载机的发展有很重大的意义。
发动机与液力变矩器匹配在传动系统的设计中是一项很有前景的技术，在过去，装载机用发动机与液力变矩器的匹配，是通过大量的实验和计算得来的，工作效率低，工作强度大。现在，合理的利用现代化的计算机技术能够很好地解决这一问题，计算机辅助软件能够对发动机和液力变矩器的匹配进行模拟，精确有效的提高了匹配的准确性，大大缩短了工作时间，节约资源。
1.2 国内外研究现状
国外研究发动机与液力变矩器匹配优先从整机性能出发，考虑整机的功率、能耗和协调性。所以国外对装载机整机建模仿真开展了大量研究。以美国爱荷华大学发布的NADS和德国 dSPACE 公司发布的dSPACE为主要的实时仿真系统代表。
S.Sarata，Y.Weeramhaeng 等提出用直线和回旋曲线模拟装载机运行和铲掘的轨迹，此方法可以生成装载机作业时的最优轨迹。W.Yossawee，T.Tsubouchi 研究了装载机的“V”型作业轨迹，给出了求解装载机初始位置和最终位置的方法。M.Marzouk，O.Moselhi 设计了一款系统能够使装载机在铲土作业时实现自动化，由文献[13]可知。
国内对于装载机传动系统的优化主要还是研究发动机与液力变矩器匹配。理论上，应该先选择装载机的发动机，再根据发动机各项数据和不同用途，匹配最为合理液力变矩器。实际上，发动机选择众多，理论匹配方案必然造成资源利用不合理，因此，研究已有发动机与变矩器的合理匹配，是最为行之有效的方法。
王国彪针对求解两者共同工作点的问题，提出的优化算法不仅能精确求解出共同工作点且结果唯一，与几何近似算法和解析算法相比有一定优势。叶金飘、叶水堤在优化算法基础上提出了弦截法，简化共同工作点算法，为发动机与液力变矩器的匹配提供了一种快捷的途径。常绿指出了发动机与液力变矩器的三种功率匹配方式缺点，以动力性为目的提出了满意度函数，采用线性加权组合满意度的方法，对匹配进行优化。孙跃东、周萍等对匹配原则、评价指标和评价方法进行了分析研究。焦生杰、余亮给出了各步骤的数值计算算法及匹配的评价参数，并用 VB 语言编写程序软件，实现了计算机辅助软件的计算与分析，由文献[11]可知。
国内尽管有许许多多的研究人员已经深入研究了发动机与液力变矩器的匹配，也总结了相关的匹配方法和原则，但实际应用到装载机上的却比较少。很多国内厂家选用发动机与液力变矩器时，为了避免出错，直接采购由国外匹配好的发动机与液力变矩器的型号组合。这对国产装载机的推广极为不利。
1.3 研究目标和研究内容
（1）查阅相关文献资料，获取发动机与液力变矩器原始工作特性数据。
1 绪论 1
1.1 课题背景和研究意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 研究目标和研究内容 2
2 发动机的性能指标 3
2.1 发动机主要性能指标 3
2.2 发动机特性 3
3 液力变矩器性能 5
3.1 液力变矩器的主要性能指标 5
3.2 液力变矩器的主要特性 6
4 发动机与液力变矩器匹配的评价指标 8
4.1 发动机与液力变矩器的匹配原则 8
4.2 发动机与液力变矩器共同工作的输入特性曲线 8
4.3 发动机与液力变矩器共同工作的输出特性曲线 10
4.4 发动机与液力变矩器匹配方案 11
5 发动机与液力变矩器匹配计辅软件的实现 12
5.1 软件编写思路 12
5.2 软件设计方法 13
5.3 软件用途 16
6 装载机液压测试系统的建立 16
6.1 装载机参数测试用传感器的选用 16
6.2 装载机测试系统用传感器的标定 17
6.2.1 传感器标定方法 17
6.2.2 传感器的动态标定过程 17
6.2.3 传感器的静态特定过程 17
6.3 数据采集系统建立 19
6.4 装载机实机实验 21
6.4.1 典型作业工况 21
6.4.2 采样频
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
6.2 装载机测试系统用传感器的标定 17
6.2.1 传感器标定方法 17
6.2.2 传感器的动态标定过程 17
6.2.3 传感器的静态特定过程 17
6.3 数据采集系统建立 19
6.4 装载机实机实验 21
6.4.1 典型作业工况 21
6.4.2 采样频率的确定 22
6.4.3 试验数据的采集 22
6.5 典型工况下发动机与液力变矩器的匹配 24
6.6 匹配结果分析 26
结 论 28
致 谢 39
参考文献 30
1 绪论
1.1 课题背景及研究意义
从1920年第一台装载机被发明出来以来，装载机以其作业速度快，灵活性好，操纵简便等优点普遍应用于道路、建筑、水利、矿山等建设工程当中。主要用来铲运土壤、砂石、煤炭等散状物料，也可对矿石、硬土等固状物料做适当铲挖作业。装载机工作时负荷变化很大，当发生负荷由小到大急剧变化的情况，很可能导致发动机停止工作，甚至熄火。所以装载机一般都采用液力机械传动的方式来取代机械传递动力。加装了液力变矩器在发动机与变速器之间，提高了装载机的适应性，也就是说当负荷荷突然增大，降低发动机输出转速，增大扭矩克服增大的负荷。反之，当负荷减小时自动提高车速，减小牵引力。液力传动利用液体作为工作介质，传动非常柔和平稳，能吸收振动和冲击，提高发动机使用寿命。
近年来，因为液力变矩器具有较好的自适应性、无级变速、稳定的低速性能等优点，所以液力变矩器普遍应用于装载机的主传动轴上，由此发动机与液力变矩器的组合形成了一种新的动力装置，该装置输入输出性能的好坏不仅取决于发动机或液力变矩器各自的性能，两者之间匹配的合理性对各自性能的施展以及整体的各项性能均有较大影响。而当液力变矩器选择不妥当，或者与发动机匹配不合理，都可能使发动机无法在额定工作点邻近工作，液力变矩器也无法在高效区工作，进而导致装载机的动力下降，耗油量增多，工作效率降低。因此，研究发动机和液力变矩器匹配的新方法，探索发动机和液力变矩器共同输入输出的特征，对于我国装载机的发展有很重大的意义。
发动机与液力变矩器匹配在传动系统的设计中是一项很有前景的技术，在过去，装载机用发动机与液力变矩器的匹配，是通过大量的实验和计算得来的，工作效率低，工作强度大。现在，合理的利用现代化的计算机技术能够很好地解决这一问题，计算机辅助软件能够对发动机和液力变矩器的匹配进行模拟，精确有效的提高了匹配的准确性，大大缩短了工作时间，节约资源。
1.2 国内外研究现状
国外研究发动机与液力变矩器匹配优先从整机性能出发，考虑整机的功率、能耗和协调性。所以国外对装载机整机建模仿真开展了大量研究。以美国爱荷华大学发布的NADS和德国 dSPACE 公司发布的dSPACE为主要的实时仿真系统代表。
S.Sarata，Y.Weeramhaeng 等提出用直线和回旋曲线模拟装载机运行和铲掘的轨迹，此方法可以生成装载机作业时的最优轨迹。W.Yossawee，T.Tsubouchi 研究了装载机的“V”型作业轨迹，给出了求解装载机初始位置和最终位置的方法。M.Marzouk，O.Moselhi 设计了一款系统能够使装载机在铲土作业时实现自动化，由文献[13]可知。
国内对于装载机传动系统的优化主要还是研究发动机与液力变矩器匹配。理论上，应该先选择装载机的发动机，再根据发动机各项数据和不同用途，匹配最为合理液力变矩器。实际上，发动机选择众多，理论匹配方案必然造成资源利用不合理，因此，研究已有发动机与变矩器的合理匹配，是最为行之有效的方法。
王国彪针对求解两者共同工作点的问题，提出的优化算法不仅能精确求解出共同工作点且结果唯一，与几何近似算法和解析算法相比有一定优势。叶金飘、叶水堤在优化算法基础上提出了弦截法，简化共同工作点算法，为发动机与液力变矩器的匹配提供了一种快捷的途径。常绿指出了发动机与液力变矩器的三种功率匹配方式缺点，以动力性为目的提出了满意度函数，采用线性加权组合满意度的方法，对匹配进行优化。孙跃东、周萍等对匹配原则、评价指标和评价方法进行了分析研究。焦生杰、余亮给出了各步骤的数值计算算法及匹配的评价参数，并用 VB 语言编写程序软件，实现了计算机辅助软件的计算与分析，由文献[11]可知。
国内尽管有许许多多的研究人员已经深入研究了发动机与液力变矩器的匹配，也总结了相关的匹配方法和原则，但实际应用到装载机上的却比较少。很多国内厂家选用发动机与液力变矩器时，为了避免出错，直接采购由国外匹配好的发动机与液力变矩器的型号组合。这对国产装载机的推广极为不利。
1.3 研究目标和研究内容
（1）查阅相关文献资料，获取发动机与液力变矩器原始工作特性数据。
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