李春芾，席軍強，顧宏弢，陳慧巖

(1.內(nèi)蒙古大學交通學院，呼和浩特 010070； 2.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081；3.中國北方車輛研究所車輛傳動重點實驗室，北京 100072)

前言

液力變矩器具有變速變矩、轉(zhuǎn)矩適應性好和傳動平穩(wěn)等優(yōu)點，但它降低了車輛燃油經(jīng)濟性，因此液力變矩器普遍采用閉鎖離合器。液力變矩器閉鎖可減少燃油消耗4%～8%[1]，最初液力變矩器的閉鎖區(qū)域僅限于高擋高速和小油門開度這樣一個很狹窄的范圍，隨著對燃油經(jīng)濟性要求的提高，6擋以上自動變速器的液力變矩器閉鎖范圍已經(jīng)擴展到2擋。

國內(nèi)外對閉鎖離合器控制策略展開了大量的研究。文獻[1]中主要對液力變矩器閉解鎖規(guī)律和滑摩控制進行了建模仿真。文獻[2]中以履帶式工程車輛動力學模型為基礎(chǔ)，進行了換擋過程中液力變矩器閉解鎖控制策略的仿真。文獻[3]中以車速和節(jié)氣門開度為主要參數(shù)制定了閉鎖控制策略。文獻[4]中通過道路試驗分析了國外大功率液力機械自動變速器液力變矩器的閉解鎖規(guī)律和控制策略。文獻[5]中對液力變矩器的滑摩控制方法進行了理論研究；文獻[6]中對閉鎖離合器的滑摩控制策略進行了仿真和試驗研究。文獻[7]中對閉鎖離合器接合的非線性特性進行了魯棒控制。文獻[8]中對閉鎖離合器電液執(zhí)行系統(tǒng)響應特性進行分析，并建立閉鎖離合器滑摩控制器。文獻[9]中進行了液力變矩器閉鎖離合器滑差的前饋控制加反饋控制研究。文獻[10]中針對起步工況閉鎖離合器滑差控制關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。

上述研究主要集中在閉鎖規(guī)律和控制策略及滑摩控制的研究，對閉鎖過程沖擊度、滑摩功和二者關(guān)系平衡的研究較少。液力變矩器閉鎖的過程是由液力工況轉(zhuǎn)為機械工況的過渡過程，控制不當會產(chǎn)生較大沖擊。閉鎖過程好壞的評價指標主要有沖擊度和滑摩功兩個指標，但二者通常相互矛盾。過于追求平順性會導致閉鎖離合器滑摩功過大，加快摩擦片溫升和磨損，而為降低滑摩功過多縮短閉鎖時間，則會造成閉鎖沖擊過大。本文中研究在保證沖擊度要求的前提下，盡可能減少滑摩功的控制策略，通過建模仿真對發(fā)動機轉(zhuǎn)速按等斜率下降的閉鎖過程沖擊度進行了計算分析，并推導此過程的滑摩時間和滑摩功計算公式，分析了閉鎖離合器壓力系數(shù)和滑摩時間的選取方法，在此基礎(chǔ)上提出了基于發(fā)動機轉(zhuǎn)速目標軌跡的閉鎖控制策略，并進行了實車試驗研究。

1 閉鎖過程動力學建模與閉鎖品質(zhì)仿真分析

圖1為閉鎖離合器閉鎖過程動力學模型。圖中，Me，MP，Mt，MCL和 M0分別為發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、泵輪轉(zhuǎn)矩、渦輪轉(zhuǎn)矩、閉鎖離合器的摩擦轉(zhuǎn)矩和變速器輸出軸的輸出轉(zhuǎn)矩；Je，Jt，J0和JV分別為發(fā)動機 泵輪構(gòu)件轉(zhuǎn)動慣量、渦輪及與其連接質(zhì)量的轉(zhuǎn)動慣量、輸出軸轉(zhuǎn)動慣量和整車與變速器輸出軸相聯(lián)的慣量換算到輸出軸上的轉(zhuǎn)動慣量；ωe，ωt和 ω0分別為發(fā)動機、渦輪軸和變速器輸出軸的角速度。

圖1 閉鎖離合器閉鎖過程動力學模型

根據(jù)圖1建立閉鎖過程動力學方程為

式中:k(i)為液力變矩器的變矩比，是變矩器速比i的函數(shù)；ig為變速器傳動比。由式(1)和式(2)得

式中:λB(i)為泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)，1/((r/min)2·m)，是變矩器速比i的函數(shù)；ρ為變矩器油密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；D為變矩器有效圓直徑，m；np為泵輪轉(zhuǎn)速，r/min。

參照換擋過程沖擊度定義閉鎖過程沖擊度為

式中:rd為驅(qū)動輪半徑，m；i0為從變速器輸出軸到驅(qū)動輪的傳動比。

發(fā)動機轉(zhuǎn)矩可通過穩(wěn)態(tài)試驗數(shù)據(jù)擬合表示為發(fā)動機轉(zhuǎn)速和油門開度的二元多項式函數(shù)[11]，通常閉鎖過程油門開度不變或變化不大，則在一定油門開度下發(fā)動機轉(zhuǎn)矩可表示為發(fā)動機轉(zhuǎn)速的多項式函數(shù):

式中:ne為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/min；f(ne)為發(fā)動機轉(zhuǎn)速的多項式函數(shù)。

由式(3)～式(6)并注意到泵輪轉(zhuǎn)速等于發(fā)動機轉(zhuǎn)速，得到閉鎖沖擊度為

式中MV為車輛行駛阻力轉(zhuǎn)換到輸出軸上的阻力矩，N·m。

由式(7)可知，如果忽略液力傳動部分引起的沖擊，閉鎖沖擊度可近似表示為

理想情況下j＝0，則可以解出關(guān)于發(fā)動機轉(zhuǎn)速ne的軌跡方程，也就是說閉鎖過程如果發(fā)動機轉(zhuǎn)速按照這個軌跡方程變化，那么閉鎖過程沖擊度會非常小，但這個方程形式較復雜且需要車輛的相關(guān)參數(shù)，為了簡化，令d ne/d t為常數(shù)，即發(fā)動機轉(zhuǎn)速按等斜率下降，此時式(10)的第2項為零，因此只要d ne/d t較小，沖擊度總可以滿足要求。為驗證此方法沖擊度的大小及d ne/d t的選取，進行了仿真計算分析。為確認液力傳動對閉鎖沖擊的影響，仍根據(jù)式(8)和式(9)進行油門全開時閉鎖過程沖擊度的實例仿真。仿真所用參數(shù)見表1和表2。

表1 發(fā)動機和變矩器的特性參數(shù)

表2 車輛參數(shù)

仿真結(jié)果如圖2和圖3所示。圖2中，閉鎖時間為1s，發(fā)動機轉(zhuǎn)速從1 800下降到1 300r/min，則d ne/d t＝500，閉鎖沖擊度小于 0.41m/s3；圖 3 中，閉鎖時間縮小到0.5s，其他條件不變，閉鎖沖擊度小于0.7m/s3。前蘇聯(lián)推薦的沖擊度限值為25.5m/s3，德國推薦的沖擊度限值為10m/s3，我國推薦的沖擊度限值為17.64m/s3，以上仿真的沖擊度遠小于3國的限值，說明發(fā)動機轉(zhuǎn)速按等斜率下降方法的可行性。

閉鎖品質(zhì)的好壞除考慮沖擊度外還要考慮滑摩功，下面求出發(fā)動機轉(zhuǎn)速按等斜率變化時滑摩時間和滑摩功表達式。由式(1)并考慮到?jīng)_擊度較小時可以認為渦輪角加速度為常數(shù)，則有

式中C為常數(shù)。

根據(jù)式(11)，并注意到發(fā)動機角加速度為常數(shù)，可求出發(fā)動機等斜率下降階段的滑摩時間為

圖2 閉鎖過程發(fā)動機轉(zhuǎn)速按等斜率下降1s沖擊度仿真計算結(jié)果

圖3 閉鎖過程發(fā)動機轉(zhuǎn)速按等斜率下降0.5s沖擊度仿真計算結(jié)果

式中:tm為滑摩時間；ωe0為初始的發(fā)動機角速度；ωt0為初始時的渦輪轉(zhuǎn)速；e，分別為滑摩過程閉鎖離合器平均摩擦轉(zhuǎn)矩、發(fā)動機平均轉(zhuǎn)矩和泵輪平均轉(zhuǎn)矩。

由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速按等斜率下降的閉鎖滑摩過程時間一般小于1s，則其滑摩功可近似表示為

由式(11)、式(12)和式(14)可進一步求得滑摩功為

由式(13)和式(15)可知滑摩時間與初始發(fā)動機角速度ωe0成正比，滑摩功與ωe0平方成正比，閉鎖離合器壓力系數(shù)β越大，滑摩時間越短，滑摩功越少。圖4為β/(β-1)隨β增大的變化趨勢。隨著β的增大，β/(β-1)減小逐漸變緩，增大到一定值之后對減小滑摩功的作用已不大，且β過高會在閉鎖離合器完成接合時引起較大的轉(zhuǎn)矩波動而形成沖擊，因此β不宜取值過大。在控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速按等斜率下降時需要指定其斜率，即滑摩時間，這樣根據(jù)式(13)即可求出β值，按式(15)求出滑摩功，如滑摩功不滿足要求則重新調(diào)整目標滑摩時間，直至滿足滑摩功要求。例如當發(fā)動機初始角速度為ωe0＝170rad/s，ii＝0.7 時，指定目標滑摩時間為 1s，并結(jié)合表1的原始數(shù)據(jù)，由式(13)求出 β＝1.09，由式(15)求出滑摩功為23.6kJ，由參考文獻[12]和文獻[13]可知這個數(shù)值遠小于重型車輛離合器許用的滑摩功，所以滿足要求。增加β值可以減少滑摩時間，從而減少滑摩功，但β不宜過大，一方面會造成滑摩時間過小而不易控制，另一方面易于產(chǎn)生沖擊，經(jīng)計算推薦β取值在1.05～1.2之間，滑摩時間不大于1s。

圖4 β/(β-1)隨β增大的變化趨勢

2 閉鎖過程控制策略試驗研究

2.1 控制策略

圖5為液力變矩器閉鎖過程自動控制的原理曲線，整個過程以發(fā)動機轉(zhuǎn)速作為控制參數(shù)，分成4個階段。

(1)快速充油階段 如圖5中ab段，此時電磁閥占空比使電磁閥全開，液壓油快速充滿閉鎖離合器液壓腔(有的閉鎖離合器是放油控制)，控制的目的是使閉鎖離合器壓盤與從動盤接觸，快速充油時間不能過長否則會直接產(chǎn)生沖擊，可通過仿真或試驗確定一個初始值，再根據(jù)溫度進行一定的修正。

(2)發(fā)動機轉(zhuǎn)速緩慢下降階段 如圖5中bc段，快速充油后占空比降到一個較小的值并以較小的斜率增長，直到發(fā)動機轉(zhuǎn)速在單位時間內(nèi)的下降量大于目標值，進入下一階段控制。

圖5 液力變矩器閉鎖過程自動控制原理

(3)發(fā)動機轉(zhuǎn)速等斜率下降的閉環(huán)控制階段如圖5中cd段，cd段按發(fā)動機轉(zhuǎn)速等斜率下降的目標進行控制，滑摩時間由式(13)確定，選取 β＝1.05～1.15，由前面計算分析可知滑摩時間選取大于1s的數(shù)值。cd段為閉環(huán)控制，采用數(shù)字遞推PID控制方法，控制原理見圖6，式(16)為數(shù)字遞推PID控制算法公式。

圖6 閉環(huán)控制階段數(shù)字遞推PID控制原理圖

式中:u(k)為對應電磁閥占空比的高電平持續(xù)時間(周期一定)；Δu(k)為對應電磁閥占空比的高電平持續(xù)時間值的增量；Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)；Kd為微分系數(shù)。

(4)完全接合階段 當發(fā)動機轉(zhuǎn)速與渦輪轉(zhuǎn)速接近時，進入完全接合控制。為減少完全接合時的轉(zhuǎn)矩波動，可適當調(diào)低占空比，當達到同步之后占空比再等斜率上升一段時間然后完全打開電磁閥，使閉鎖離合器完全接合。

圖7 閉鎖過程控制策略試驗結(jié)果

2.2 試驗研究

針對前面的控制策略，以裝用美國Allison大功率液力機械自動變速器的某重型車輛為平臺進行了實車試驗。圖7為試驗結(jié)果。試驗中快速充油時間為100ms，發(fā)動機轉(zhuǎn)速等斜率下降的閉環(huán)控制階段目標時間為1s，圖7(a)中試驗快速充油之后由于占空比增加過快而使發(fā)動機轉(zhuǎn)速快速跌落，并造成渦輪轉(zhuǎn)速和輸出軸轉(zhuǎn)速產(chǎn)生較大波動，這說明產(chǎn)生了較大的閉鎖沖擊。圖7(b)中試驗快速充油之后減小占空比的增長斜率，平穩(wěn)過渡到了閉環(huán)控制階段，這說明開環(huán)控制階段(bc段)一定要控制好占空比的大小和增長速率，否則很容易產(chǎn)生沖擊。需要說明的是試驗車輛用的閉鎖電磁閥為電液比例閥，它在占空比為16%時已處于全開狀態(tài)，此時閉鎖離合器進行快速充油，之后的初始占空比為6.4%。

圖8為圖7(b)所示試驗過程的沖擊度變化曲線。圖中沖擊度是通過輸出軸轉(zhuǎn)速信號間接求得，由于信號干擾、轉(zhuǎn)速波動等原因使誤差較大，但它能反映閉鎖過程的沖擊情況。以閉鎖前的沖擊度為參考，認為其接近零，將求得的沖擊度按比例縮小得到圖8所示的沖擊度曲線。由圖8可知，閉鎖過程的沖擊度很小，說明這個過程平穩(wěn)無沖擊，證明了仿真分析的正確性和控制策略的可行性。實際車輛在行駛過程中沖擊度并不能完全為零，這是由于傳動系轉(zhuǎn)矩波動和路面阻力的隨機輸入等原因所造成的，在仿真分析時將車輛視為剛體且忽略了傳動系轉(zhuǎn)矩波動和路面的隨機輸入，因此仿真值比實際值小。閉鎖后車輛沖擊度有所變大，是由于液力工況變成了機械工況的原因。

圖8 閉鎖過程沖擊度變化曲線

圖9 為圖7(b)所示試驗過程閉鎖離合器滑摩功試驗結(jié)果，此滑摩功通過數(shù)值積分得到，由于數(shù)據(jù)采集的時間間隔較短，故其誤差也較小。由圖9可知，整個閉鎖過程的滑摩功約為28.3kJ，其中開環(huán)控制階段滑摩功約為6kJ，發(fā)動機轉(zhuǎn)速等斜率下降階段(AB段)滑摩功約為22.3kJ，與按照式(13)和式(15)計算的結(jié)果接近，說明上述理論分析的正確性。

圖9 閉鎖過程滑摩功試驗結(jié)果

3 結(jié)論

針對重型車輛液力變矩器閉鎖控制策略進行了理論分析和試驗研究，建立了閉鎖過程動力學模型，推導了閉鎖過程沖擊度公式。對發(fā)動機轉(zhuǎn)速等斜率下降的閉鎖過程沖擊度進行了仿真，并推導了此工況下的滑摩時間和滑摩功公式，進而分析了沖擊度與滑摩時間和滑摩功之間的關(guān)系，指出了閉鎖離合器壓力系數(shù)的合理取值范圍，為滑摩時間計算提供依據(jù)，并在此基礎(chǔ)上進行了閉鎖控制策略的實車試驗，得出如下結(jié)論。

(1)液力變矩器閉鎖過程發(fā)動機轉(zhuǎn)速按一定的等斜率下降的沖擊度遠小于許用值，為閉鎖過程控制提供了一種有效方法。

(2)發(fā)動機轉(zhuǎn)速按等斜率下降的閉鎖過程的滑摩時間和滑摩功可以計算得到，它隨著閉鎖離合器壓力系數(shù)β的增大而減小，當β大于1.2后對減小滑摩功的作用不大，且滑摩時間過短容易產(chǎn)生沖擊，考慮到盡量減小滑摩功的要求，宜選取β＝1.05～1.2，滑摩時間為1s左右。

(3)液力變矩器閉鎖過程控制初期的快速充油時間不宜過長，充油后開環(huán)控制階段的初始占空比及其增長率不宜過大，否則容易產(chǎn)生沖擊。發(fā)動機轉(zhuǎn)速按等斜率下降的閉環(huán)控制階段采用增量PID控制策略可獲得較理想的效果。