張洪生，時 巖，秦琳琳，孫成全

(1.南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.75134部隊 保障處，廣西 崇左 532200)

液力變矩器閉鎖離合器滑差控制策略

張洪生1，時 巖1，秦琳琳1，孫成全2

(1.南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.75134部隊 保障處，廣西 崇左 532200)

以提高液力變矩器傳遞效率為目標，采用兼顧沖擊度和滑磨功的閉鎖離合器滑差控制策略，以及前饋和反饋相結(jié)合的控制方法，既能有效避免車輛運行狀態(tài)的突變對閉鎖離合器滑差過程的影響，又能保證閉鎖離合器滑差過程中的準確性和穩(wěn)定性。建立閉鎖離合器的滑差控制模型，并對其進行仿真。仿真結(jié)果表明，應(yīng)用該滑差控制策略的閉鎖離合器可以在同時滿足沖擊度和滑磨功的要求下，最大限度地提高傳遞效率。

閉鎖離合器；滑差控制；液力變矩器

0 引言

液力機械式自動變速系統(tǒng)中的液力變矩器具有傳動平穩(wěn)的優(yōu)點，但也一直存在著效率不夠高的問題，導(dǎo)致裝有液力機械式自動變速器(AT)的汽車比一般手動檔的汽車經(jīng)濟性差，因此引入了閉鎖離合器。變矩器閉鎖后會造成車輛振動和噪聲的增加，所以最初閉鎖技術(shù)僅應(yīng)用在高檔高速、小油門開度這樣一個很狹窄的區(qū)域[1]。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，大部分裝有液力機械式自動變速器的汽車在二檔及以上便應(yīng)用閉鎖離合器滑差控制策略。

國內(nèi)外很多學(xué)者都對離合器滑差過程的控制進行了研究。陳清洪等[2]對滑差過程的最優(yōu)控制進行了研究，將沖擊度作為約束條件，控制滑磨功達到最小，意在解決閉鎖離合器滑磨過程的共性問題，且具備一定的通用性；Kumaraswamy Hebbale[3]等人建立了液力變矩器閉鎖離合器的滑差控制模型，利用前饋壓力控制算法計算閉鎖離合器的壓緊油壓，在瞬態(tài)條件下可以及時修改滑差參考值。本文提出的液力變矩器閉鎖離合器的滑差控制采用前饋和反饋控制方法相結(jié)合，以提高液力變矩器的效率為目標，同時將沖擊度和滑磨功作為約束條件，制定車輛不同工作狀態(tài)下的目標滑差值和功率分配比，從而計算出閉鎖離合器的控制油壓。

1 帶閉鎖離合器的液力變矩器動力學(xué)模型分析

帶閉鎖離合器的液力變矩器簡化模型如圖1所示。發(fā)動機和輸入端連接，自動變速器和輸出軸連接。帶閉鎖離合器的液力變矩器的運動可以分為3種工況：純液力變矩工況、滑差工況、閉鎖工況?；罟r的系統(tǒng)動力學(xué)模型用微分方程表示如下：

主動部分：

(1)

被動部分：

(2)

其中：J1為轉(zhuǎn)換到閉鎖離合器主動部分的轉(zhuǎn)動慣量；J2為轉(zhuǎn)換到閉鎖離合器被動部分的轉(zhuǎn)動慣量，一般J2≥J1；ω1、ω2分別為閉鎖離合器主、被動部分的角速度；Te為發(fā)動機轉(zhuǎn)矩；TR為輸出阻力矩，在結(jié)合過程中認為其是定值；TB為泵輪轉(zhuǎn)矩；TT為渦輪轉(zhuǎn)矩，TT=KTB，K為液力變矩器的變矩比；TF為閉鎖離合器摩擦力矩。

2 滑差控制區(qū)域的確定

滑差控制的最終目的是為汽車的燃油經(jīng)濟性和乘坐舒適性提供一個最佳的平衡，它是通過改變閉鎖離合器摩擦元件的壓緊油壓來實現(xiàn)的，在進行滑差控制之前首先要確定滑差控制區(qū)域。根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速、節(jié)氣門開度和檔位等參數(shù)，可以判斷是否啟用滑差控制，其遵循的原則如下：①發(fā)動機轉(zhuǎn)速低以及車輛起步、換檔時，為液力變矩工況，使發(fā)動機低轉(zhuǎn)速的扭矩波動完全被隔離；②發(fā)動機為高轉(zhuǎn)速，且液力變矩器的轉(zhuǎn)速比大于某一定值時，啟用滑差控制，目標滑差值由實際滑差值和油門開度來決定。

圖2為帶有閉鎖離合器的液力變矩器的原始特性曲線。其中，i0為單純液力傳動時傳動效率最大對應(yīng)的轉(zhuǎn)速比，i1為K=1時對應(yīng)的轉(zhuǎn)速比。從圖2中可以看出，隨著轉(zhuǎn)速比i的增加，傳動效率增加，但是最高也只能到達80%左右，直到閉鎖離合器工作，效率增加最終達到1，也就是由純液力變矩工況轉(zhuǎn)化為閉鎖工況。

圖1 帶閉鎖離合器 圖2 帶有閉鎖離合器的液力

的液力變矩器簡化模型 變矩器原始特性曲線

沒有閉鎖離合器的液力變矩器傳遞效率為：

(3)

帶有閉鎖離合器的液力變矩器傳遞效率為：

(4)

對比式(3)和式(4)可知，當(dāng)K=1時，有無閉鎖離合器作用，液力變矩器的傳遞效率都是一樣的；當(dāng)K>1時，沒有閉鎖離合器的液力變矩器傳遞效率較大，且此時轉(zhuǎn)速比減??；當(dāng)K<1時，帶有閉鎖離合器的液力變矩器傳遞效率較大，此時的轉(zhuǎn)速比增大，并且液力變矩器的傳遞效率的大小與功率分配比有直接關(guān)系，功率分配比b=1時，發(fā)動機扭矩全部通過閉鎖離合器來傳遞，此時傳遞效率最高。

由于單純的液力傳遞效率低，其傳遞效率隨著轉(zhuǎn)速比的變大先增加后降低，傳遞效率有一個最大值，此時對應(yīng)的轉(zhuǎn)速比i0小于變矩比K=1時的轉(zhuǎn)速比i1。為了提高傳動系統(tǒng)的效率，在液力變矩器上加上閉鎖離合器。當(dāng)液力變矩器的效率達到最大值時，作為閉鎖離合器滑差控制的起點。雖然轉(zhuǎn)速比在i0與i1之間時，閉鎖離合器的作用會降低傳遞效率，但是它的作用同樣會使轉(zhuǎn)速比增加得更快，從而更快地達到閉鎖條件。一旦達到閉鎖條件即變扭比為1時，閉鎖離合器完全鎖止，液力傳動工況完全轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械傳動，此時的傳遞效率為最大。

綜上所述，當(dāng)轉(zhuǎn)速比在i0

3 液力變矩器閉鎖離合器的滑差控制

3.1 閉鎖離合器的滑差控制原理

閉鎖離合器在工作過程中受到車輛運行狀態(tài)中各種因素的影響，油門開度的變化直接影響發(fā)動機轉(zhuǎn)速，從而改變了液力變矩器的泵輪和渦輪的轉(zhuǎn)速差，也就是實際的滑差值。油門開度變大時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速瞬間上升，實際滑差值增大，扭矩波動水平也有所增加，如果此時目標滑差值不變，閉鎖離合器按照原來的目標滑差值繼續(xù)跟進，會產(chǎn)生很大的沖擊度；相反油門開度減小，實際滑差值隨之減小，為了提高傳動系統(tǒng)的效率，理應(yīng)減小目標滑差值使閉鎖離合器傳遞更大的扭矩。因此設(shè)計前饋控制器，補償油門對閉鎖離合器工作過程的影響，使得滑磨這個動態(tài)過程具有較好的時間響應(yīng)性，能夠更快地適應(yīng)車輛的不同工況[3]。

但是針對油門開度設(shè)計的前饋控制仍然避免不了其他因素對車輛的影響，比如車速、檔位等的改變所造成的實際滑差值的變化。設(shè)計反饋控制器的目的就在于使實際滑差值可以作為目標滑差值的參考并始終跟隨目標滑差值在一定的誤差范圍內(nèi)，不會偏離太多，從而保證了閉鎖離合器的正常工作。閉鎖離合器的前饋—反饋控制原理如圖3所示。

圖3 閉鎖離合器的前饋—反饋控制原理

3.2 滑差控制的約束條件

在滑差控制過程中，首先要考慮的問題是閉鎖離合器的結(jié)合會不會對車輛造成很大的沖擊。為了不使乘客感受到明顯的沖擊，設(shè)置一個沖擊度的限值，即許用沖擊度[j](m/s3)，一般取最大允許沖擊度的一半，這里取[j]=10 m/s3。一旦閉鎖離合器結(jié)合時所造成的沖擊度超過這個限值，控制油壓處于保壓狀態(tài)。

通過加速度a對時間的導(dǎo)數(shù)來表示車輛的沖擊度，計算公式為：

(5)

其中：Rw為驅(qū)動輪半徑；ig和im分別為變速器和主減速器的傳動比；I2為液力變矩器渦輪、閉鎖離合器從動盤、變速器、主減速器、輪胎以及整車慣量等效到離合器從動側(cè)(渦輪側(cè))的轉(zhuǎn)動慣量集成。

為了適當(dāng)延長閉鎖離合器的壽命，對其在滑差過程中產(chǎn)生的滑磨功也要有限制。離合器滑磨功產(chǎn)生的條件是離合器主、從動盤存在轉(zhuǎn)速差，且摩擦扭矩越大，時間越久，閉鎖離合器結(jié)合所產(chǎn)生的滑磨功越多，它是通過對時間的積分計算出來的，即：

(6)

根據(jù)經(jīng)驗值設(shè)計閉鎖離合器的滑磨功限值[W]，一般取[W]=8 000 J[4]，一旦閉鎖離合器結(jié)合過程中產(chǎn)生的滑磨功超過了這個限值，停止結(jié)合過程，轉(zhuǎn)為液力變矩工況，且在一定時間內(nèi)禁止啟用滑差控制，以降低閉鎖離合器的溫度，使其恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

在本文的控制方法下，將沖擊度和滑磨功同時作為約束條件，最大限度地保證閉鎖離合器的結(jié)合對提高傳動系統(tǒng)效率的作用。

3.3 液力變矩器閉鎖離合器的滑差控制模型

3.3.1 輸入輸出模塊

在本文設(shè)計的滑差控制模型中，只有滿足下列4個條件才可以控制閉鎖離合器工作：①油門踏板開度大于0；②液力變矩器的轉(zhuǎn)速比大于某一定值(該值為液力變矩器最高效率點所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速比i0)；③發(fā)動機處于中高轉(zhuǎn)速，可以設(shè)定發(fā)動機轉(zhuǎn)速大于1 200 r/min；④閉鎖離合器的結(jié)合所引起的沖擊度和其產(chǎn)生的滑磨功都在規(guī)定的約束條件范圍內(nèi)[5]。

圖4為滑差控制模型的輸入輸出模塊。由圖4可知，閉鎖離合器滑差控制模型的輸入包括油門開度、實際滑差值、發(fā)動機實際扭矩、渦輪轉(zhuǎn)速、沖擊度限值和滑磨功限值，輸出為閉鎖離合器的控制油壓。輸入的變量都是可以通過傳感器測得或提前設(shè)定的，為已知量，作為滑差控制模型的參考，輸出量則根據(jù)這些已知量的變化而變化。

圖4 滑差控制模型的輸入輸出模塊

3.3.2 目標滑差值和功率分配比的設(shè)定模塊

圖5為目標滑差值和功率分配比的設(shè)定模塊。閉鎖離合器滑差控制最重要的兩個變量是目標滑差值和功率分配比b，兩者均可以通過表格查詢得到。目標滑差值通過油門開度和液力變矩器的實際滑差值確定其查詢表格，而功率分配比b的確定需要通過它對整車的影響來決定。

圖5 目標滑差值和功率分配比的設(shè)定模塊

3.3.3 沖擊度和滑磨功約束模塊

根據(jù)沖擊度和滑磨功的計算公式編寫程序，并對兩者加以約束，得到的沖擊度和滑磨功約束模塊如圖6所示。

圖6 沖擊度和滑磨功約束模塊

3.4 計算與仿真

通過運行Cruise中的AT整車模型得到循環(huán)數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)導(dǎo)入到閉鎖離合器滑差控制模型中，對該模型的正確性和可行性進行驗證。循環(huán)數(shù)據(jù)的油門開度變化曲線如圖7所示，目標滑差值與實際滑差值的關(guān)系如圖8所示，功率分配比變化曲線如圖9所示。

由圖7和圖8可以看出：油門開度較小時，一般情況下實際滑差值較大，此時目標滑差值接近實際滑差值，還是屬于液力工況；油門開度適中，實際滑差值小，此時的目標滑差值會更小甚至為0，控制滑差并接近閉鎖。實際滑差值影響著目標滑差值的確定同時又跟隨目標滑差值的變化，兩者之間保持一致性，使滑差控制策略得到了有效實施。另外，若是油門開度很大，接近100%，雖然在循環(huán)工況中沒有出現(xiàn)，但為了保證車輛行駛的平順性，避免發(fā)動機過大的扭矩波動通過傳動系統(tǒng)傳到車身，理論上不適合進行滑差控制，所以此時不論轉(zhuǎn)速比為多少，都不在滑差控制區(qū)。

由圖9可以看到：功率分配比隨目標滑差值的變化而變化；目標滑差值越大，功率分配比越小，接近液力變矩工況；目標滑差值越小，功率分配比越大，接近閉鎖工況。

4 結(jié)論

閉鎖離合器滑差控制是提高液力變矩器效率的有效辦法，本文采用前饋和反饋相結(jié)合的控制方法，使目標滑差值和功率分配比兩個重要變量隨車輛運行狀況的變化而做相應(yīng)的改變，從而控制閉鎖離合器的工作，在一定程度上提高了傳動效率。同時，解決了閉鎖離合器工作過程中所產(chǎn)生的沖擊度和滑磨功之間存在的共性控制問題。仿真結(jié)果表明，該控制模型具有一定的可行性，對其他離合器的結(jié)合過程的控制具有一定的借鑒作用。

圖7 油門開度變化曲線 圖8 目標滑差值與實際滑差值的關(guān)系圖9 功率分配比變化曲線

[1] 蔣小華.液力變矩器閉鎖離合器滑磨控制研究[D].重慶:重慶大學(xué),2004:6.

[2] 陳清洪,秦大同,葉心.閉鎖離合器滑磨壓力優(yōu)化控制與仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2010,22(3):699-703.

[3] Kumaraswamy Hebbale, Chunhao Lee.Model based torque converter clutch slip control[J]. SAE International,2011:21-27.

[4] 廖林清,沈余陽,張君.汽車起步過程離合器滑磨功仿真分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報,2012,26(4):5-10.

[5] Lee DY, Ju HH. Adaptive antishock coasting lock-up control of the torque converter clutch[G]//Proceeding of World Academy of Science, Engineering and Technology.[s.l.]:WASET,2006:97-102.

Slip Control Strategy of Torque Converter Lock-up Clutch

ZHANG Hong-sheng1, SHI Yan1, QIN Lin-lin1, SUN Cheng-quan2

(1.School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094,China; 2.75134 Troop of PLA, Chongzuo 532200, China)

In this paper, for improving the transmission efficiency of torque converter, a lock-up clutch slip control strategy considering the degree of impact and friction work is put forward, which uses a control method combining feed forward and feedback. It can avoid the influence of mutations of the vehicle running state on lock-up clutch slip process effectively and ensure the accuracy and stability of the slip process. The lock-up clutch slip control model is established and simulated. The simulation results show that the lock-up clutch using slip control strategy can improve the maximum transfer efficiency of hydraulic torque converter while it meets the requirements of impact and sliding friction work.

lock-up clutch; slip control; hydraulic torque converter

1672- 6413(2015)06- 0021- 03

2015- 02- 04；

2015- 10- 28

張洪生(1978-)，男，山東菏澤人，工程師，在讀碩士研究生，研究方向：汽車自動變速器技術(shù)。

U463.22+1∶TP391.7

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