傳動系統(tǒng)液力變矩器功能控制仿真研究

朱 緯

同濟大學汽車學院，上海 200092

本項研究工作旨在建立一個仿真模型，用于仿真模擬液力變矩器在傳動系統(tǒng)內的功能。該模型存在的兩個部分：液力變矩器的功能模型和液力變矩器的控制模型。該仿真模型結合鎖止離合器的開閉兩個不同的工況來計算模擬的液力變矩器的工作狀態(tài)。

文章第一部分描述了液力變矩器的基本功能。第二部分描述了液力變矩器在鎖止離合器打開的工況下的功能仿真模型。第三部分描述液力變矩器在鎖止離合器閉鎖工況下的功能仿真模型。第四部分描述了液力變矩器的控制仿真模型。整個模型的建立使用MATHLAB/ Simulink軟件。

1 液力變矩器的功能描述

液力變矩器是由三個部分組成的閉環(huán)工作系統(tǒng)：液力變矩器的泵輪與發(fā)動機飛輪相連被發(fā)動機驅動。液力變矩器的渦輪與變速箱渦輪軸相連。液力變矩器的導輪通過一個單向離合器固定連接于變速箱導輪軸上。 泵輪通過離心旋轉將ATF油泵入渦輪，渦輪與之對應地通過流道轉向推動液流并吸收了液流的能量。導輪通過必要的扭矩反饋將渦輪輸出的液流流向重新定向，使之進入泵輪流道。這形成了一個持續(xù)完整的閉環(huán)。當渦輪轉速上升，變矩器內部的流場會逐步形成液流的耦合狀態(tài)。接近耦合的過程中，作用在導輪上的力會逐步減小并最終在液流耦合點達到0。液力變矩器中液流的耦合通?？偸前殡S著泵輪與渦輪一定的滑差。滑差的存在伴隨著動力的損失以及總效率的降低。伴隨著鎖止離合器的閉鎖作用的介入，當渦輪和泵輪的工作達到耦合時，滑差影響可以去除，使得液力變矩器的效率達到100%。

圖1表述了液力變矩器的功能示意圖。液力變矩器的泵輪連接發(fā)動機驅動軸。同時變速箱中的油泵也由發(fā)動機驅動軸通過驅動鏈驅動。油泵為液力變矩器的鎖止離合器提供油壓。液力變矩器的渦輪與變速箱的渦輪軸相連。液力變矩器的工作中有2種鎖止離合器的工況：鎖止離合器打開和閉鎖。

2 液力變矩器在鎖止離合器打開的工況下的功能仿真模型

當鎖止離合器打開的時候，作用在液力變矩器中的扭矩關系可以在圖1和圖2中描述。公式如下：

扭矩TTCpump和TTCturbine由下列公式計算，形成扭矩T[Nm]轉速ω[rad/s]的關系特性：

λTC[-]=液力變矩器的功率因子

ρoil[kg/m3]=油的密度

dTC[m]=液力變矩器流場的直徑

μTC[-]=液力變矩器的增扭系數

液力變矩器的功率因子和增扭系數都與液力變矩器的速比vTC[-]對應:

特別要注意的是，在液力變矩器的實際使用中，有一些增益因子是需要考慮的。所以，很多液力變矩器設計商使用以下計算公式:

圖1 液力變矩器的功能示意圖

圖2 在鎖止離合器打開工況下的液力變矩器扭矩

圖3 在鎖止離合器打開工況下的TTC和JTC_sum

Cf[10-6kg·m/rpm2]=液力變矩器的容能系數

g [m/s2]=重力加速度

t [-]=放大因子(液力變矩器的增扭系數)=μTC

e [-]=液力變矩器的速比=vTC

在鎖止離合器打開工況下，作用在鎖止離合器上的實際扭矩和最大可能扭矩可以由如下公式計算：

μsliding_Tclockup[-]=(實際)液力變矩器鎖止離合器滑動摩擦系數

μstiction_Tclockup[-]=鎖止離合器靜摩擦系數

ρTClockup[Pa]=(當前) 鎖止離合器油壓

ATClockup[m2]=鎖止離合器有效壓盤面積

rm_Tclockup[m]=鎖止離合器的摩擦片有效半徑

zTClockup[-]=鎖止離合器的摩擦片數量

這里選用滑動摩擦力和靜摩擦力的區(qū)別在于滑動摩擦系數是不隨速度變化而變化。

圖3描述了在鎖止離合器打開工況下TC的扭矩TTC和轉動慣量JTC_sum的確定，可如下計算：

3 液力變矩器在鎖止離合器閉鎖工況下的功能仿真模型

當鎖止離合器閉鎖的時候，作用在液力變矩器中的扭矩可以在圖4和圖5中描述。公式如下：

圖5描述了在鎖止離合器閉鎖工況下TC的扭矩TTC和轉動慣量JTC_sum的確定，可如下計算：

表1總結了兩種閉鎖離合器工況下的液力變矩器狀態(tài)：

鎖止離合器的狀態(tài)由下面的邏輯運算所確定(19) (20) 。邏輯表2決定了表3中的鎖止離合器狀態(tài)。

圖4 在鎖止離合器閉鎖工況下的液力變矩器扭矩

圖5 在鎖止離合器閉鎖工況下TTC和 JTC_sum

表1 液力變矩器狀態(tài)總結

表2 鎖止離合器狀態(tài)邏輯表

表3 鎖止離合器狀態(tài)

4 液力變矩器的控制仿真模型

在液力變矩器的控制仿真模型中，在液力控制部分，出于簡化模型的考慮，油壓的大小并沒有和變速箱中的油泵的工作相關聯(lián)，這與實際情況有一定出入。

液力變矩器鎖止離合器的閉鎖油壓取決于控制油路壓力的電磁閥的控制電流ITClockup:

電磁閥的控制電流ITClockup由控制液力變矩器的電控模塊決定。

在之前的液力變矩器的功能仿真模型部分已經介紹過，由于鎖止離合器閉鎖的作用，當泵輪和渦輪處于耦合工況時，兩者的滑差可以去除。當車速上升達到一定速度諸如20[km/h]時，電控單元會通過電流發(fā)出指令給電磁閥要求鎖止離合器閉鎖。當鎖止離合器閉鎖時，液力變矩器的銷量達到100%。當鎖止離合器閉鎖，并且車速下降到一定速度諸如15[km/h]時，電控單元會通過發(fā)出指令給電磁閥要求鎖止離合器打開。

鎖止離合器開閉控制的設計是集合在變速箱控制單元TCU內部的。此仿真模型模擬了4種鎖止離合器油壓控制狀態(tài)，見表4:

表4 鎖止離合器油壓目標狀態(tài)status_Luc_n

鎖止離合器目標油壓pTClockup_desired由電流ITClockup計算得到。它與公式(21)中的pTClockup值相同。

5 總結和展望

該論文研究的目的在于建議液力變矩器傳動系統(tǒng)的計算仿真模型，有助于對于液力變矩器的選型及功率研究提供一定參考意義。同時該研究還可以擴展到整個傳動系統(tǒng)的集成仿真。

[1]Dynamik der Kraftfahrzeuge，4 edition. Manfred Mitschke Henning Wallentowitz

[2]SAE. Advances in engineering，volume 5: Design practices Passenger car automatic transmissions.

[3]MathWorks Inc.. MATLAB HELP Documents. MathWorks. 2001

[4]黃宗益.現(xiàn)代轎車自動變速器原理和設計.同濟大學出版社