基于雙重目標(biāo)的液力變矩器閉鎖過(guò)程控制策略研究?

李春芾，席軍強(qiáng)，顧宏弢，陳慧巖

(1.內(nèi)蒙古大學(xué)交通學(xué)院，呼和浩特 010070； 2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京 100081；3.中國(guó)北方車(chē)輛研究所車(chē)輛傳動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072)

前言

液力變矩器具有變速變矩、轉(zhuǎn)矩適應(yīng)性好和傳動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，但它降低了車(chē)輛燃油經(jīng)濟(jì)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(mén)開(kāi)度這樣一個(gè)很狹窄的范圍，隨著對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性要求的提高，6擋以上自動(dòng)變速器的液力變矩器閉鎖范圍已經(jīng)擴(kuò)展到2擋。

國(guó)內(nèi)外對(duì)閉鎖離合器控制策略展開(kāi)了大量的研究。文獻(xiàn)[1]中主要對(duì)液力變矩器閉解鎖規(guī)律和滑摩控制進(jìn)行了建模仿真。文獻(xiàn)[2]中以履帶式工程車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行了換擋過(guò)程中液力變矩器閉解鎖控制策略的仿真。文獻(xiàn)[3]中以車(chē)速和節(jié)氣門(mén)開(kāi)度為主要參數(shù)制定了閉鎖控制策略。文獻(xiàn)[4]中通過(guò)道路試驗(yàn)分析了國(guó)外大功率液力機(jī)械自動(dòng)變速器液力變矩器的閉解鎖規(guī)律和控制策略。文獻(xiàn)[5]中對(duì)液力變矩器的滑摩控制方法進(jìn)行了理論研究；文獻(xiàn)[6]中對(duì)閉鎖離合器的滑摩控制策略進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[7]中對(duì)閉鎖離合器接合的非線(xiàn)性特性進(jìn)行了魯棒控制。文獻(xiàn)[8]中對(duì)閉鎖離合器電液執(zhí)行系統(tǒng)響應(yīng)特性進(jìn)行分析，并建立閉鎖離合器滑摩控制器。文獻(xiàn)[9]中進(jìn)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(xiàn)[10]中針對(duì)起步工況閉鎖離合器滑差控制關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)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(duì)閉鎖過(guò)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(guò)程是由液力工況轉(zhuǎn)為機(jī)械工況的過(guò)渡過(guò)程，控制不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生較大沖擊。閉鎖過(guò)程好壞的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有沖擊度和滑摩功兩個(gè)指標(biāo)，但二者通常相互矛盾。過(guò)于追求平順性會(huì)導(dǎo)致閉鎖離合器滑摩功過(guò)大，加快摩擦片溫升和磨損，而為降低滑摩功過(guò)多縮短閉鎖時(shí)間，則會(huì)造成閉鎖沖擊過(guò)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(guò)建模仿真對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速按等斜率下降的閉鎖過(guò)程沖擊度進(jìn)行了計(jì)算分析，并推導(dǎo)此過(guò)程的滑摩時(shí)間和滑摩功計(jì)算公式，分析了閉鎖離合器壓力系數(shù)和滑摩時(shí)間的選取方法，在此基礎(chǔ)上提出了基于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速目標(biāo)軌跡的閉鎖控制策略，并進(jìn)行了實(shí)車(chē)試驗(yàn)研究。

1 閉鎖過(guò)程動(dòng)力學(xué)建模與閉鎖品質(zhì)仿真分析

圖1為閉鎖離合器閉鎖過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型。圖中，Me，MP，Mt，MCL和 M0分別為發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī) 泵輪構(gòu)件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、渦輪及與其連接質(zhì)量的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和整車(chē)與變速器輸出軸相聯(lián)的慣量換算到輸出軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ωe，ωt和 ω0分別為發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪軸和變速器輸出軸的角速度。

圖1 閉鎖離合器閉鎖過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型

根據(jù)圖1建立閉鎖過(guò)程動(dòng)力學(xué)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(dòng)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(guò)程沖擊度定義閉鎖過(guò)程沖擊度為

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

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩可通過(guò)穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合表示為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和油門(mén)開(kāi)度的二元多項(xiàng)式函數(shù)[11]，通常閉鎖過(guò)程油門(mén)開(kāi)度不變或變化不大，則在一定油門(mén)開(kāi)度下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩可表示為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的多項(xiàng)式函數(shù):

式中:ne為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；f(ne)為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的多項(xiàng)式函數(shù)。

由式(3)～式(6)并注意到泵輪轉(zhuǎn)速等于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，得到閉鎖沖擊度為

式中MV為車(chē)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(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ne的軌跡方程，也就是說(shuō)閉鎖過(guò)程如果發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速按照這個(gè)軌跡方程變化，那么閉鎖過(guò)程沖擊度會(huì)非常小，但這個(gè)方程形式較復(fù)雜且需要車(chē)輛的相關(guān)參數(shù)，為了簡(jiǎn)化，令d ne/d t為常數(shù)，即發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速按等斜率下降，此時(shí)式(10)的第2項(xiàng)為零，因此只要d ne/d t較小，沖擊度總可以滿(mǎn)足要求。為驗(yàn)證此方法沖擊度的大小及d ne/d t的選取，進(jìn)行了仿真計(jì)算分析。為確認(rèn)液力傳動(dòng)對(duì)閉鎖沖擊的影響，仍根據(jù)式(8)和式(9)進(jìn)行油門(mén)全開(kāi)時(shí)閉鎖過(guò)程沖擊度的實(shí)例仿真。仿真所用參數(shù)見(jiàn)表1和表2。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)和變矩器的特性參數(shù)

表2 車(chē)輛參數(shù)

仿真結(jié)果如圖2和圖3所示。圖2中，閉鎖時(shí)間為1s，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)? 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(shí)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(guó)推薦的沖擊度限值為10m/s3，我國(guó)推薦的沖擊度限值為17.64m/s3，以上仿真的沖擊度遠(yuǎn)小于3國(guó)的限值，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速按等斜率變化時(shí)滑摩時(shí)間和滑摩功表達(dá)式。由式(1)并考慮到?jīng)_擊度較小時(shí)可以認(rèn)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(dòng)機(jī)角加速度為常數(shù)，可求出發(fā)動(dòng)機(jī)等斜率下降階段的滑摩時(shí)間為

圖2 閉鎖過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速按等斜率下降1s沖擊度仿真計(jì)算結(jié)果

圖3 閉鎖過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速按等斜率下降0.5s沖擊度仿真計(jì)算結(jié)果

式中:tm為滑摩時(shí)間；ωe0為初始的發(fā)動(dòng)機(jī)角速度；ωt0為初始時(shí)的渦輪轉(zhuǎn)速；e，分別為滑摩過(guò)程閉鎖離合器平均摩擦轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)平均轉(zhuǎn)矩和泵輪平均轉(zhuǎn)矩。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速按等斜率下降的閉鎖滑摩過(guò)程時(shí)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(jìn)一步求得滑摩功為

由式(13)和式(15)可知滑摩時(shí)間與初始發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)間越短，滑摩功越少。圖4為β/(β-1)隨β增大的變化趨勢(shì)。隨著β的增大，β/(β-1)減小逐漸變緩，增大到一定值之后對(duì)減小滑摩功的作用已不大，且β過(guò)高會(huì)在閉鎖離合器完成接合時(shí)引起較大的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)而形成沖擊，因此β不宜取值過(guò)大。在控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速按等斜率下降時(shí)需要指定其斜率，即滑摩時(shí)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(mǎn)足要求則重新調(diào)整目標(biāo)滑摩時(shí)間，直至滿(mǎn)足滑摩功要求。例如當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)初始角速度為ωe0＝170rad/s，ii＝0.7 時(shí)，指定目標(biāo)滑摩時(shí)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(xiàn)[12]和文獻(xiàn)[13]可知這個(gè)數(shù)值遠(yuǎn)小于重型車(chē)輛離合器許用的滑摩功，所以滿(mǎn)足要求。增加β值可以減少滑摩時(shí)間，從而減少滑摩功，但β不宜過(guò)大，一方面會(huì)造成滑摩時(shí)間過(guò)小而不易控制，另一方面易于產(chǎn)生沖擊，經(jīng)計(jì)算推薦β取值在1.05～1.2之間，滑摩時(shí)間不大于1s。

圖4 β/(β-1)隨β增大的變化趨勢(shì)

2 閉鎖過(guò)程控制策略試驗(yàn)研究

2.1 控制策略

圖5為液力變矩器閉鎖過(guò)程自動(dòng)控制的原理曲線(xiàn)，整個(gè)過(guò)程以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速作為控制參數(shù)，分成4個(gè)階段。

(1)快速充油階段 如圖5中ab段，此時(shí)電磁閥占空比使電磁閥全開(kāi)，液壓油快速充滿(mǎn)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(pán)與從動(dòng)盤(pán)接觸，快速充油時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)否則會(huì)直接產(chǎn)生沖擊，可通過(guò)仿真或試驗(yàn)確定一個(gè)初始值，再根據(jù)溫度進(jìn)行一定的修正。

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)較小的值并以較小的斜率增長(zhǎng)，直到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在單位時(shí)間內(nèi)的下降量大于目標(biāo)值，進(jìn)入下一階段控制。

圖5 液力變矩器閉鎖過(guò)程自動(dòng)控制原理

(3)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等斜率下降的目標(biāo)進(jìn)行控制，滑摩時(shí)間由式(13)確定，選取 β＝1.05～1.15，由前面計(jì)算分析可知滑摩時(shí)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(jiàn)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(duì)應(yīng)電磁閥占空比的高電平持續(xù)時(shí)間(周期一定)；Δu(k)為對(duì)應(yīng)電磁閥占空比的高電平持續(xù)時(shí)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(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與渦輪轉(zhuǎn)速接近時(shí)，進(jìn)入完全接合控制。為減少完全接合時(shí)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，可適當(dāng)調(diào)低占空比，當(dāng)達(dá)到同步之后占空比再等斜率上升一段時(shí)間然后完全打開(kāi)電磁閥，使閉鎖離合器完全接合。

圖7 閉鎖過(guò)程控制策略試驗(yàn)結(jié)果

2.2 試驗(yàn)研究

針對(duì)前面的控制策略，以裝用美國(guó)Allison大功率液力機(jī)械自動(dòng)變速器的某重型車(chē)輛為平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)車(chē)試驗(yàn)。圖7為試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)中快速充油時(shí)間為100ms，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等斜率下降的閉環(huán)控制階段目標(biāo)時(shí)間為1s，圖7(a)中試驗(yàn)快速充油之后由于占空比增加過(guò)快而使發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)，這說(shuō)明產(chǎn)生了較大的閉鎖沖擊。圖7(b)中試驗(yàn)快速充油之后減小占空比的增長(zhǎng)斜率，平穩(wěn)過(guò)渡到了閉環(huán)控制階段，這說(shuō)明開(kāi)環(huán)控制階段(bc段)一定要控制好占空比的大小和增長(zhǎng)速率，否則很容易產(chǎn)生沖擊。需要說(shuō)明的是試驗(yàn)車(chē)輛用的閉鎖電磁閥為電液比例閥，它在占空比為16%時(shí)已處于全開(kāi)狀態(tài)，此時(shí)閉鎖離合器進(jìn)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(yàn)過(guò)程的沖擊度變化曲線(xiàn)。圖中沖擊度是通過(guò)輸出軸轉(zhuǎn)速信號(hào)間接求得，由于信號(hào)干擾、轉(zhuǎn)速波動(dòng)等原因使誤差較大，但它能反映閉鎖過(guò)程的沖擊情況。以閉鎖前的沖擊度為參考，認(rèn)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(xiàn)。由圖8可知，閉鎖過(guò)程的沖擊度很小，說(shuō)明這個(gè)過(guò)程平穩(wěn)無(wú)沖擊，證明了仿真分析的正確性和控制策略的可行性。實(shí)際車(chē)輛在行駛過(guò)程中沖擊度并不能完全為零，這是由于傳動(dòng)系轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和路面阻力的隨機(jī)輸入等原因所造成的，在仿真分析時(shí)將車(chē)輛視為剛體且忽略了傳動(dòng)系轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和路面的隨機(jī)輸入，因此仿真值比實(shí)際值小。閉鎖后車(chē)輛沖擊度有所變大，是由于液力工況變成了機(jī)械工況的原因。

圖8 閉鎖過(guò)程沖擊度變化曲線(xiàn)

圖9 為圖7(b)所示試驗(yàn)過(guò)程閉鎖離合器滑摩功試驗(yàn)結(jié)果，此滑摩功通過(guò)數(shù)值積分得到，由于數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔較短，故其誤差也較小。由圖9可知，整個(gè)閉鎖過(guò)程的滑摩功約為28.3kJ，其中開(kāi)環(huán)控制階段滑摩功約為6kJ，發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)算的結(jié)果接近，說(shuō)明上述理論分析的正確性。

圖9 閉鎖過(guò)程滑摩功試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

針對(duì)重型車(chē)輛液力變矩器閉鎖控制策略進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)研究，建立了閉鎖過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型，推導(dǎo)了閉鎖過(guò)程沖擊度公式。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等斜率下降的閉鎖過(guò)程沖擊度進(jìn)行了仿真，并推導(dǎo)了此工況下的滑摩時(shí)間和滑摩功公式，進(jìn)而分析了沖擊度與滑摩時(shí)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(shí)間計(jì)算提供依據(jù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了閉鎖控制策略的實(shí)車(chē)試驗(yàn)，得出如下結(jié)論。

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

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速按等斜率下降的閉鎖過(guò)程的滑摩時(shí)間和滑摩功可以計(jì)算得到，它隨著閉鎖離合器壓力系數(shù)β的增大而減小，當(dāng)β大于1.2后對(duì)減小滑摩功的作用不大，且滑摩時(shí)間過(guò)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(shí)間為1s左右。

(3)液力變矩器閉鎖過(guò)程控制初期的快速充油時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，充油后開(kāi)環(huán)控制階段的初始占空比及其增長(zhǎng)率不宜過(guò)大，否則容易產(chǎn)生沖擊。發(fā)動(dòng)機(jī)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。