液力变矩器下汽车的动力性与通过性

熊藜 陈世林

重庆交通大学 机电与车辆工程学院 重庆市 400074

1 引言

液力变矩器在汽车的动力传动系统中占有至关重要的地位，主要作用一是传递转速和转矩，二是使得发动机与自动变速箱以非刚性的连接，以便于自动变速箱自动换挡。目前市面上常见的AT纯自动变速器、CVT无级变速器均含有液力变矩器。为了使得发动机在任何车速下都能发出最大的有效功率，以克服汽车在较低车速下后备功率小，动力性差以及汽车在松软路面上土壤阻力增大等不良工况，因此对于其性能的研究有着重要的实用意义。

图1 三种发动机功率平衡与驱动力-行驶阻力平衡图

2 不同发动机动力性关系

在研究装有液力变矩器汽车的动力性之前，首先分析活塞式内燃机、活塞式蒸汽机以及等功率发动机所能发出最大功率的前提下的不同特性曲线与驱动力与行驶阻力图，进一步确定出三者在动力性上面的区别。如图1所示。

可以看出，在活塞式内燃机、活塞式蒸汽机所发出的最大功率均等于等功率发动机的情况下，三者动力性却有显著的差异。活塞式内燃机在低速工况下，后备功率很低，且能发出的驱动力也较小，这与发动机在低转速下发出功率较低有直接关系；而活塞式蒸汽机明显在这方面优于活塞式内燃机，但相较于等功率发动机，所能发出的驱动力与后备功率仍有一定差距。

图2 3挡变速器汽车与等功率发动机汽车的动力性

对于活塞式内燃机，在不安装变速器的情况下只能爬上坡度低于10%的坡度，而活塞式蒸汽机能爬上大于30%的坡度，等功率发动机在理论上则能爬上任一坡度，其使用外特性显然是最优的。

3 理想汽车的发动机特性

在此基础上，将等功率发动机看作是一种最为理想的发动机特性。实际情况下，为了使活塞式内燃机汽车具有接近于等功率发动机的功率，汽车上会安装分级式变速器已达到改善动力性的目的。由图2可知。

当变速器的挡位越多，则发动机更有可能以最大功率工作。其原因在于挡位数越多，在某一指定的行驶车速下，均能对应某一挡位发出相应的最大驱动力。这样采用无级变速器，在保证无级变速器的机械效率等于分级式变速器的前提下便可以使得活塞式内燃机一直以最大功率工作。

要实现无级变速，前提是保证无级变速器的传动比随对应的车速按发动机曲轴转速与车速之间的函数变化，

其中，ig为无级变速器传动比，i0为主减速器传动比，r为车轮半径，np为发动机所发出的最大功率对应的转速，ua车速。

图3 装有液力变矩器与四挡变速器汽车动力特性图

4 液力变矩器下的汽车驱动特性

4.1 液力变矩器下汽车动力特性推导

目前汽车上最常见的无极传动便是液力变矩器，液力变矩器的性能是通过无因次特性来表征。无因次特性指的是根据变矩比K、传动效率以及泵轮转矩系数随着变矩器速比i的变化规律，由变矩器的台架试验得到。

获得液力变矩器下的汽车的输出特性，可根据公式（2）、（3）求出

4.2 液力变矩器下汽车动力性分析

利用MATLAB编程得到装有液力变矩器与四档变速器汽车的动力驱动力-行驶阻力与发动机转速图，如下图3所示

该图为双纵坐标标度的特性图，左纵坐标代表了装有液力变矩器的驱动力与行驶阻力图。可以看出液力变矩器的目的并不在于提高汽车在良好路面上的动力性，在高速区的驱动力与分级式变速器大致相同；但在低速区内，动力性相较而言更优。因此，液力变矩器改善了汽车在低速区动力不足，后备功率不强等缺点，使得汽车原地起步更加简便，换挡平稳且发动机不易熄火。

5 液力变矩器汽车在特定路面上对通过性的影响

5.1 汽车在松软路面充气轮胎的受力类型

充气轮胎在松软路面上受到的力分为压实阻力、推土阻力与轮胎的弹性迟滞阻力。弹性迟滞阻力是轮胎的加载曲线与卸载曲线不重合造成轮胎内部摩擦损失引起能量损失，构成的一种阻力形式。由于车身整体重量通过车轮作用给地面造成对地面土壤的挤压与纵向推力，形成相互之间的作用力与反作用力即压实阻力与推土阻力。

图4 不同土壤条件下充气轮胎的滚动情况

5.2 液力变矩器汽车在通过性方面的优势

通过前面图3的仿真结果可以看出，装有液力变矩器的汽车在车速低的区域内有良好的驱动力，从而使得行驶在松软路面或雪地上的汽车，行驶阻力增大的状况下仍能克服众多不利因素，具备良好的通过性。

6 结语

在充分分析液力变矩器在换挡轻便，换挡过程平稳可靠，无冲击和振动等作用的基础上，利用MATLAB的编程与绘图功能，得到了汽车在装有液力变矩器的双纵坐标标度的动力特性图，并提出了汽车在松软路面或雪地上通过性上的优势。