DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.02.009
基于典型工况液力变矩器匹配性能的优化
王振宝，秦四成
(吉林大学 机械科学与工程学院，吉林 长春，130022)
摘要：针对目前发动机与液力变矩器匹配方式存在的不足，为合理优化液力变矩器与发动机的匹配性能，测试装载机典型工况下工作系统的载荷情况，并对测试数据进行处理，得到V型铲装工况下全功率匹配和部分功率匹配实际消耗的转矩。以灰色关联度为基础建立液力变矩器与发动机匹配的多目标优化模型，根据处理后的试验数据对某ZL50装载机的液力变矩器有效循环圆直径进行优化，优化后整体匹配性能提高3.8%。研究结果表明：基于典型工况的优化方法能够提高发动机与液力变矩器的匹配性能，可以为液力变矩器的优化设计和合理匹配提供参考。
关键词：液力变矩器；匹配；优化；装载机
中图分类号：TH137 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2017)02-0331-06
Optimization of matching on torque converter with engine based on typical operating condition
WANG Zhenbao, QIN Sicheng
(College of Mechanical Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China)
Abstract: In order to avoid the deficiencies of matching between engine and torque converter, and reasonable matching between engine and hydraulic torque converter, some actual tests were performed under typical operating condition. After segmentation, mergence, filtration, elimination of abnormal value, the engine torque actually consumed by working pumps and auxiliary device was obtained on V shovel loading conditions. The evaluation method of the hydraulic torque converter and engine matching was established based on grey relational analysis method. With a hydraulic torque converter of ZL50 loader as an example, the effective diameter of circular circle on hydraulic torque converter was optimized in view of the shovel loading cycle condition. After optimization, the matching performance of engine and torque converter increases by 3.8%. The results show that the optimal matching scheme can be improved based on typical operating condition, which can provide reference for the proper matching between engine and hydraulic torque converter.
Key words: torque converter; matching; optimization; wheel loader
液力变矩器作为一种液力传动装置，在工作过程中与发动机配合工作，两者匹配后可以看作一种新的动力装置，车辆动力性和经济性在很大程度上取决于二者之间的匹配是否合理[1]。目前，液力变矩器与发动机常用的匹配方式有全功率匹配、部分功率匹配和折衷匹配等，常绿等[2-5]在此基础上，建立了发动机与液力变矩器匹配的多目标优化模型，对匹配性能进行了优化，但装载机作业工况复杂，载荷变化频繁，不论采用何种匹配方式都难以同时满足牵引工况和铲掘工况的作业要求，同时按照一定比例扣除外特性转矩，不符合装载机实际作业情况，从而无法真正实现装载机匹配方式的优化设计。针对这种情况，本文作者通过制定无量纲的匹配评价指标，并采用层次分析法和熵权法相结合进行综合赋权，建立了液力变矩器与发动机匹配的评价方法；在此基础上，测试了装载机V型铲装工况工作系统的载荷情况，进而对某ZL50装载机液力变矩器与发动机的匹配进行了典型工况下的优化。
1 匹配性能评价指标与权重
1.1 匹配性能评价指标
根据液力变矩器与发动机匹配的原则，制定以下5项匹配性能评价指标，为了消除各指标数值差别较大的影响，对其进行标准化处理[6-7]。
1) 最大转矩输出系数a1，表示车辆克服起步和加速等较大负荷工况的能力：
(1)
式中：T1为传动比i=0时液力变矩器负荷抛物线与发动机净转矩曲线的交点转矩；Tmax为发动机最大净输出转矩。
2) 最大功率输出系数a2，表示液力变矩器实际最高效率工况与理想工况的接近程度：
(2)
式中：PeH为发动机最大净输出功率；ηmax为液力变矩器的最高效率；P1为液力变矩器最高输出功率。
3) 高效工作区宽度系数a3，表示发动机与液力变矩器共同工作的速度范围：
(3)
式中：nw1和nw2为液力变矩器效率η=0.75时对应的涡轮转速；nmax为涡轮轴输出的最大转速。
4) 功率输出系数a4，表示高效工作区范围内发动机功率的平均利用程度：
(4)
式中：
为η不小于0.75时液力变矩器的平均效率；
为η不小于0.75时液力变矩器涡轮轴的平均输出功率。
5) 燃油消耗率系数a5，表示液力变矩器与发动机共同工作区范围内的经济性：
(5)
式中：
为平均有效燃油消耗率；gmax和gmin分别为发动机燃油消耗率的最大值和最小值。
根据式(1)~(5)的定义可知：a1，a2，a3，a4和a5越大，对应的发动机与液力变矩器的匹配性能越好。
1.2 评价指标权重
上述每个评价指标都反映了匹配性能的不同侧面，不同类型车辆的要求不同，需根据车辆实际工作情况要求，对评价指标进行加权处理。为了克服主、客观赋权法单独使用的不足，本文采用层次分析法和熵权法相结合对各指标进行综合赋权，各评价指标权重确定的主要步骤如下[8-10]：
1) 成立专家组，利用九标度法判断指标之间的相对重要性，建立决策判断矩阵B。
2) 计算判断矩阵B的最大特征值及对应的特征向量，特征向量归一化后作为层次分析法的权向量。
3) 计算一致性指标CI和一致性比率CR，进行一致性检验：
(6)
其中：RI为平均随机一致性指标。当CR＜0.1时，认为判断矩阵B满足一致性，评价指标可以接受，否则判断矩阵B重新赋值修正。
4) 由m个匹配方案构建熵权法的评价矩阵U。
5) 对矩阵U进行标准化，并计算各评价指标的熵为
(7)
其中：
；r=1，2，…，m；j=1，2，…，5。
6) 计算熵权法中各指标的权重为
(8)
7) 组合权重的计算公式为
(9)
式中：
为层次分析法确定的各指标的主观权重；
为熵权法确定的客观权重。
2 基于灰色关联度法评价函数的构建
灰色关联分析是建立在充分利用客观数据的基础上，得到各个方案与最优理想方案的接近度，从而进行决策。灰色关联分析法能够处理信息不完全明确的灰色系统，对于小样本无规律指标的评价问题决策准确性较高[11-12]。本文有m个匹配方案，每个方案有5项指标，令x0为理想方案，则x0与xr关于第j个指标的关联系数为
(10)
式中：
；
；ρ为分辨系数，取值区间为[0，1]，取ρ=0.5。
第r个匹配方案与理想方案的关联度为
(11)
3 试验与数据处理
装载机主要的作业工况有铲装和牵引等，在铲装过程中，装载机承受的载荷大且变化频繁，是影响装载机使用性能的主要工况，针对装载机常用的V型铲装作业方式进行试验。
1) 试验要求。选择整机工作性能良好的某ZL50装载机采用V型铲装作业方式进行试验，使测试样本达到100个工作循环以上，以保证测试结果的可信度。
2) 测试内容与方法。测试液力变矩器输出转速、装载机挡位信号和各工作泵工作压力等，采用网络数据采集器，每秒采集100数据点，可以实现实时同步测量，并由测量计算机系统记录、分析。
液压泵工作压力与其消耗的发动机转矩关系式为
(12)
式中：T为消耗的发动机转矩；p为工作泵压力；q为工作泵排量。
按照文献[13-15]提出的分段合并、滤波、去除异常值及式(12)等对数据进行处理，结果如图1和图2所示。
图1 液压系统消耗的转矩
Fig. 1 Engine torque consumed by hydraulic system
图2 各工作泵和辅助装置消耗的转矩
Fig. 2 Engine torque consumed by working pumps and auxiliary devices
根据涡轮转速和挡位信号将V型铲装工况的1个循环分成：空载前进、铲装、后退、前进举升、卸料空载后退5个时间段，各时间段液力变矩器与发动机匹配状态如表1所示。
由试验数据及表1计算得：1个V型铲装作业循环全功率匹配消耗的发动机转矩为121.28 N·m，部分功率匹配消耗的发动机转矩为263.97 N·m。
表1 各时间段液力变矩器的状态
Table 1 State of hydraulic torque converter in each period
4 液力变矩器与发动机匹配优化
4.1 匹配性能优化
将关联度函数作为优化目标函数，以液力变矩器的有效循环圆直径D作为设计变量，进行发动机与液力变矩器匹配性能的优化[16-17]。
1) 根据发动机和液力变矩器的原始数据及试验数据，计算发动机与液力变矩器共同工作特性，如图3所示。其中：Te为发动机外特性曲线；T1和T2分别为全功率匹配和部分功率匹配发动机净输出转矩曲线；PT1和PT2分别为全功率匹配和部分功率匹配液力变矩器输出功率曲线；TT1和TT2分别为全功率匹配和部分功率匹配液力变矩器输出转矩曲线。
图3 发动机与液力变矩器共同工作特性
Fig. 3 Jointly working characteristics of engine working together with torque converter
2) 根据发动机与液力变矩器的共同工作特性，利用式(1)~(5)计算出全功率匹配和部分功率匹配的各评价指标。
3) 重复以上步骤，分别计算出不同直径时的各评价指标值。
4) 确定评价指标的综合权重。
根据专家判断，建立如下决策矩阵：
(13)
计算得矩阵B的最大特征值λmax及对应的权向量WAHP为
(14)
验证一致性比率CR=0.001＜0.1满足一致性准则。
由不同循环圆直径得到的匹配方案构建熵权法评价矩阵：
(15)
其中：urj=αaj1+βaj2，aj1和aj2分别为相应D时的全功率匹配评价指标和部分功率匹配评价指标，α和β由作业时间比例进行确定，根据表1得：α=0.7，β=0.3。
计算得熵权法的权向量为
(16)
各匹配性能评价指标的综合权重：
(17)
5) 根据式(11)计算不同循环圆直径D对应的目标函数值，并绘制相应关系，如图4所示，当D等于0.350 m时，液力变矩器与发动机的匹配性能最优。
4.2 优化结果分析
原ZL50装载机液力变矩器的有效循环圆直径D0为0.340 m，优化后直径D′等于0.350 m。优化前后评价指标关联系数的变化如表2所示。
图4 直径D和目标函数对应的关系
Fig. 4 Corresponding relationship of D with objective function
表2 优化前后评价指标计算结果
Table 2 Calculation results of evaluation indicators before and after optimization
从表2可以看出：优化后，除ζ(2)有所降低外，其他匹配性能都有不同程度的提高，该优化结果与评价指标关联系数和权重分配有关，因此，选择合理的赋权方法对多目标优化非常重要。
随着匹配性能的优化，关联度γ逐渐增大，而且与理想值差距较小，用下式计算优化前后匹配性能提高的程度：
(18)
式中：γ′为优化后的关联度；γmax为关联度的理想值，即1。
利用式(18)计算得优化后整体匹配性能提高3.8%，通过优化，改善了液力变矩器与发动机的匹配性能，同时提高了整车的动力性和经济性。
5 结论
1) 根据液力变矩器与发动机的理想匹配原则，制定了5项量纲一的匹配评价指标，运用层次分析法和熵权法综合赋权，避免了平均分配的不合理性，采用灰色关联度法对液力变矩器与发动机匹配性能进行评价。
2) 针对V型铲装工况进行液力变矩器与发动机匹配性能的优化，避免了运行工况匹配方式单一的缺点，优化后整体匹配性能提高3.8%。结果表明采用灰色关联度法对液力变矩器与发动机匹配性能进行评价与优化是有效可行的，能够为匹配方案的设计、选取提供参考。
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(编辑 陈爱华)
收稿日期：2016-03-06；修回日期：2016-05-19
基金项目(Foundation item)：国家科技支撑计划项目(2013BAF07B04)(Project(2013BAF07B04) supported by the National Science & Technology Pillar Program)
通信作者：秦四成，教授，博士生导师，从事工程车辆节能技术研究；E-mail：qsc925@hotmail.com
