聶文福，周元豪，高 錦

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

1 前言

對(duì)于一款通用性較強(qiáng)的特種車輛底盤而言，需要搭載不同的上裝系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)特殊的功能需求。此時(shí)需要底盤為上裝提供動(dòng)力支持，用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)、液壓油泵等動(dòng)力源。因此底盤會(huì)在變速器或分動(dòng)器預(yù)留取力器接口，通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)取力器的轉(zhuǎn)速/扭矩可調(diào)。

目前，常用的分動(dòng)器取力多為機(jī)械控制方式。根據(jù)上裝取力需求，手動(dòng)打開取力器開關(guān)，再單獨(dú)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)恒定轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)變速器鎖止擋位，調(diào)節(jié)分動(dòng)器掛入空擋。此種方式操作步驟繁瑣，容易因?yàn)椴僮鞑划?dāng)導(dǎo)致分動(dòng)器或取力器打齒，影響使用壽命，甚至損壞。轉(zhuǎn)速控制方面比較單一，沒有形成閉環(huán)控制，系統(tǒng)受負(fù)載影響較大。同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行效能沒有進(jìn)行深入研究，難以實(shí)現(xiàn)節(jié)油降噪和多用途的目的。

2 研究?jī)?nèi)容

本文以配置有大功率電控發(fā)動(dòng)機(jī)、6速自動(dòng)變速器以及全時(shí)全速分動(dòng)器（自帶取力器）等總成的重型特種車輛為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究分動(dòng)器取力全速控制的實(shí)現(xiàn)方法，在滿足上裝取力需求的情況下，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在高效的工作區(qū)間，以達(dá)到輸出扭矩最優(yōu)和節(jié)油降耗的目的。

3 技術(shù)方案

3.1 取力器轉(zhuǎn)速控制能力分析

本系統(tǒng)為特種車輛典型匹配型式，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、分動(dòng)器（帶取力器）和控制系統(tǒng)，如圖1所示。取力器動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)變速器傳遞給分動(dòng)器后通過(guò)取力器法蘭輸出。

圖1 系統(tǒng)組成及控制原理圖

其中發(fā)動(dòng)機(jī)ECU能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，控制轉(zhuǎn)速范圍600～2100r/min，控制精度≤1%；變速器TCU能夠?qū)ψ兯倨髑斑M(jìn)擋進(jìn)行鎖擋控制，變速器各擋位速比如表1所示；取力器集成于分動(dòng)器本體，與分動(dòng)器輸入軸直連，速比1:1，通過(guò)氣動(dòng)撥銷控制結(jié)合/脫離。

表1 變速器各擋位速比

根據(jù)上述動(dòng)力傳動(dòng)路徑及傳動(dòng)比，可得取力器轉(zhuǎn)速計(jì)算公式：

扭矩計(jì)算公式（此處忽略傳動(dòng)損耗）：

式中：n——取力器輸出轉(zhuǎn)速；n——發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速；T——取力器輸出扭矩；T——發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩；i——變速器各擋位速比；i——分動(dòng)器取力器速比。

充分分析上裝控制需求，結(jié)合車輛底盤動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行能力及式（1）計(jì)算，取力器適合工作轉(zhuǎn)速區(qū)間為200～3000r/min。

3.2 控制策略研究

該車輛發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線如圖2所示，通過(guò)分析，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在1000～1400r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，油耗率最低，輸出扭矩最大，效率最高，因此在設(shè)計(jì)控制算法時(shí)，盡可能使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在這一區(qū)間。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線（扭矩/油耗率）

由公式（1）可得發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速簡(jiǎn)化計(jì)算公式：

對(duì)取力器目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行每40r/min等分處理，通過(guò)式（3）計(jì)算不同擋位下，各取力器轉(zhuǎn)速需要的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速值，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速最優(yōu)工作區(qū)間，確定變速器換擋點(diǎn)。同時(shí)根據(jù)式（2）計(jì)算取力器輸出功率，可滿足3種不同動(dòng)力輸出模式，包括經(jīng)濟(jì)、常規(guī)和動(dòng)力，如圖3所示。經(jīng)濟(jì)模式下，輸出扭矩較小，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗偏低；動(dòng)力模式下，輸出扭矩大，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗偏高。

圖3 變速器換擋控制策略

通過(guò)MATLAB/Simulink對(duì)圖3換擋控制策略進(jìn)行建模，運(yùn)用Stateflow模塊實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速與換擋點(diǎn)算法邏輯，采用Switch模塊實(shí)現(xiàn)3種模式的切換輸出，全速控制算法模型如圖4所示。輸入信號(hào)包括運(yùn)行模式和取力器需求轉(zhuǎn)速，輸出信號(hào)包括需要變速器鎖止的擋位和需求的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖4 全速控制算法模型

3.3 控制方案

通過(guò)上述分析，取力器全速控制能夠滿足200～3000r/min連續(xù)可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、常規(guī)、動(dòng)力3種工作模式。如圖1所示，控制系統(tǒng)包括取力器全速控制器（簡(jiǎn)稱PCU）、調(diào)速旋鈕、模式開關(guān)、分動(dòng)器擋位電磁閥及反饋信號(hào)開關(guān)、取力器工作電磁閥及反饋信號(hào)開關(guān)。

系統(tǒng)以PCU為控制中心，采集調(diào)速旋鈕開關(guān)大小和模式開關(guān)狀態(tài)，獲取目標(biāo)轉(zhuǎn)速和模式，并對(duì)車輛狀態(tài)、故障信息進(jìn)行判斷，滿足取力器工作條件時(shí)，控制取力器結(jié)合、分動(dòng)器掛空擋、變速器進(jìn)入目標(biāo)擋位、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入目標(biāo)轉(zhuǎn)速，同時(shí)反饋工作狀態(tài)給組合儀表。采用一鍵式控制的方式，使操作變得更簡(jiǎn)單、高效。同時(shí)系統(tǒng)預(yù)留外部CAN總線控制接口，控制優(yōu)先級(jí)低于調(diào)速旋鈕開關(guān)。控制流程如圖5所示，取力器外部控制報(bào)文見表2。

表2 取力器外部控制報(bào)文

圖5 系統(tǒng)控制流程圖

3.4 仿真分析

以常規(guī)模式為例，在MATLAB/Simulink環(huán)境中搭建仿真模型，將取力器全速控制算法與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制和變速器擋位控制模型進(jìn)行聯(lián)合仿真，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)聯(lián)合仿真圖

輸入為階躍信號(hào)，以常用的1500r/min為取力器需求轉(zhuǎn)速，仿真結(jié)果如圖7所示。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)控制轉(zhuǎn)速為1500r/min，變速器鎖止擋位為4擋，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 階躍信號(hào)仿真結(jié)果

輸入為正弦信號(hào)，需求的取力器轉(zhuǎn)速?gòu)?00r/min緩慢上升至3000r/min，再緩慢下降至200r/min。此過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)控制轉(zhuǎn)速和變速器控制擋位如圖8所示，通過(guò)分析，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速工作在1000～1400r/min區(qū)間時(shí)的需求轉(zhuǎn)速占總數(shù)的77%，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 正弦信號(hào)仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文首先對(duì)特種車輛取力器運(yùn)行能力進(jìn)行分析，通過(guò)車輛動(dòng)力總成輸出效能，確定轉(zhuǎn)速控制范圍和控制方法。為使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最優(yōu)轉(zhuǎn)速區(qū)間，通過(guò)分段階梯分析，制定控制策略。通過(guò)MATLAB/Simulink實(shí)現(xiàn)控制算法，并進(jìn)行聯(lián)合仿真分析，滿足取力器全速控制的設(shè)計(jì)要求。

與傳統(tǒng)控制方式相比，該方案從發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行效能出發(fā)，在滿足取力需求、簡(jiǎn)化操作方式的情況下，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最高效的轉(zhuǎn)速區(qū)間，以達(dá)到輸出扭矩最優(yōu)和節(jié)油降噪的目的。