裝載機(jī)閉鎖式液力變矩器的閉鎖控制及仿真分析

惠記莊+張金龍+雷景媛+程順鵬+胡浩

摘 要：為了提升裝載機(jī)的傳動效率、降低油耗，以某型號裝載機(jī)為研究對象，在探討閉鎖式液力變矩器特性的基礎(chǔ)上，分析了液力變矩器的閉解鎖對裝載機(jī)的影響，創(chuàng)建了以渦輪轉(zhuǎn)速與油門開度為主要控制參數(shù)的閉鎖控制系統(tǒng)，并建立了閉鎖控制與裝載機(jī)各部件的SIMULINK模型，對閉鎖控制及裝載機(jī)整車模型進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明：閉鎖控制模型契合制訂的閉鎖控制方法，整車模型閉鎖后的工況也與實際相符，說明所建閉鎖控制系統(tǒng)和方法正確合理。

關(guān)鍵詞：裝載機(jī)；閉鎖控制；SIMULINK；閉鎖式液力變矩器

中圖分類號：U415.514 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1000-033X（2017）03-0095-08

Abstract： In order to enhance the transmission efficiency of the loader and reduce the fuel consumption， a model loader was taken as the object of study. Based on the characteristics of the lock-up torque converter， the influence of the locking-unlocking of the torque converter on the loader was analyzed. The lock-up control system was established with turbine speed and throttle opening being the main parameters. SIMULINK model of lock-up control and loader components was built， and the simulation analysis was carried out. The results show that the lock-up control model is in accordance with the developed lock-up control method， and the working condition of the whole model is also consistent with the actual situation， indicating that the lock-up control system and method are correct and reasonable.

Key words： loader； lock-up control； SIMULINK； lock-up hydraulic torque converter

0 引 言

近些年來，隨著全球不可再生資源的日益枯竭，許多發(fā)達(dá)國家都在大力發(fā)展節(jié)能環(huán)保技術(shù)。裝載機(jī)作為工程機(jī)械的主要機(jī)型之一，也開始逐漸應(yīng)用閉鎖式液力變矩器[1-5]，并配合相應(yīng)的閉鎖控制技術(shù)實現(xiàn)節(jié)能減排。這種技術(shù)不僅保留了普通液力變矩器能使車輛起步平穩(wěn)、換擋平順、操作方便等優(yōu)點，而且解決了其傳動效率低的問題。

國內(nèi)外很多機(jī)構(gòu)已經(jīng)對裝載機(jī)的閉鎖控制技術(shù)展開了相關(guān)研究，如日本小松、美國DANA和卡特彼勒等企業(yè)均推出過應(yīng)用該技術(shù)的裝載機(jī)；北京航空航天大學(xué)的Xi L等提出了一種閉鎖控制算法，通過MATLAB/SIMULINK編程模擬了該閉鎖控制算法并進(jìn)行了車輛系統(tǒng)的仿真分析，為車輛閉鎖性能的研究提供了參考；吉林大學(xué)王松林就液力變矩器閉鎖節(jié)能技術(shù)開展了相關(guān)研究，并通過試驗驗證了在車輛上應(yīng)用閉鎖技術(shù)從而實現(xiàn)節(jié)能的可行性[6]。

由于國內(nèi)外對于閉鎖控制技術(shù)的研究主要集中在液力變矩器本身，并不完全滿足裝載機(jī)在工程實踐中的使用需求，且閉鎖控制參數(shù)選擇的不同時會造成在實際應(yīng)用中閉鎖效果有較大差異，所以從不同角度研究裝載機(jī)的閉鎖控制仍具有重要意義[7]。本文參考現(xiàn)有研究成果，根據(jù)某型號裝載機(jī)的工況，設(shè)計適用于裝載機(jī)閉鎖式液力變矩器閉鎖控制系統(tǒng)和方法；通過MATLAB/SIMULINK創(chuàng)建裝載機(jī)的閉鎖控制模塊和整車的模型進(jìn)行仿真分析。

1 閉鎖式液力變矩器閉鎖控制

1.1 液力變矩器的特性

1.1.1 原始特性

液力變矩器的原始特性與其本身機(jī)械結(jié)構(gòu)有關(guān)。在穩(wěn)定工況下泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)λB、效率η及變矩系數(shù)K與渦輪和泵輪的轉(zhuǎn)速比i之間的函數(shù)關(guān)系如式（1）所示，關(guān)系曲線如圖1所示。

1.1.2 輸入特性

液力變矩器的輸入特性體現(xiàn)了在不同轉(zhuǎn)速比i下，變矩器泵輪轉(zhuǎn)矩TB隨泵輪轉(zhuǎn)速nB變化的關(guān)系。泵輪的轉(zhuǎn)矩可用公式（2）求解。

1.2 閉鎖式液力變矩器在裝載機(jī)上的應(yīng)用

1.2.1 閉鎖式液力變矩器對裝載機(jī)驅(qū)動力的影響

液力變矩器安裝在發(fā)動機(jī)和變速箱之間，能夠自適應(yīng)載荷的突變，具有減速增矩的作用[8-9]；而閉鎖式液力變矩器中安裝有閉鎖離合器，通過控制其閉解鎖來切換機(jī)械傳遞工況與液力變矩工況。

在液力變矩工況下，其工作特性與普通液力變矩器相一致；而在機(jī)械傳遞工況下，閉鎖離合器接合，渦輪與泵輪結(jié)合構(gòu)成一個整體，相當(dāng)于一個剛性聯(lián)軸器[10-13]。取裝載機(jī)油門開度50%，將發(fā)動機(jī)與液力變矩器匹配，得到2種工況下的車速-驅(qū)動力曲線，如圖2、3所示。

分析圖2、3可知：車速相同時，液力變矩工況下的驅(qū)動力與機(jī)械傳遞工況下相比具有大且平順的優(yōu)點，但在一定車速后會小于機(jī)械傳遞下的驅(qū)動力。

1.2.2 閉鎖控制對裝載機(jī)的影響

以裝載機(jī)前進(jìn)1擋為例，在同一坐標(biāo)系中，2種工況下的車速-驅(qū)動力曲線如圖4所示。若裝載機(jī)在A點閉鎖，則A、B、C三點所圍成的陰影部分的面積就是閉鎖后增加的功率輸出，其傳動效率得到明顯提升，并且對應(yīng)車速下車輛的驅(qū)動力也顯著提升。

1.3 裝載機(jī)閉鎖點的計算

車輛閉鎖控制若采用單參數(shù)，通?？蛇x擇渦輪轉(zhuǎn)速、車速或擋位。但對于裝載機(jī)，選擇單參數(shù)無法確保在各種油門開度及低擋位下的動力性和經(jīng)濟(jì)性[14-16]。綜合考慮裝載機(jī)的實際工況，選取雙參數(shù)（即油門開度與渦輪轉(zhuǎn)速）作為主要控制參數(shù)，選擇擋位、發(fā)動機(jī)水溫和制動信息作為輔助控制參數(shù)，建立閉鎖控制系統(tǒng)。

計算渦輪轉(zhuǎn)速首先要進(jìn)行閉鎖點的計算。

1.3.1 不同工況下閉鎖點的計算

結(jié)合裝載機(jī)的工況篩選出待選的閉鎖點。

（1）以耦合工況作為閉鎖點。

當(dāng)變矩器的輸入轉(zhuǎn)矩與輸出轉(zhuǎn)矩相等時，即當(dāng)變矩系數(shù)K=1時，裝載機(jī)處在耦合工況。此時變矩器的作用相當(dāng)于液力耦合器，閉鎖后對車輛沖擊小。耦合工況下的傳動效率約為80%，轉(zhuǎn)速比im=0.804 6。

（2）以高效率工況作為閉鎖點。

取變矩器效率高于75%時的區(qū)域為高效率區(qū)，臨界點為高效率點。閉鎖后裝載機(jī)效率顯著提升，油耗降低。計算出較小和較大的高效工況點的轉(zhuǎn)速比分別為im1=0.475 3和im2=0.878 6。

（3）以最高效率工況作為閉鎖點。

當(dāng)變矩器處在最高效率時，裝載機(jī)的傳動效率已無法繼續(xù)提高，將其設(shè)置為閉鎖點，能夠較好地發(fā)揮變矩器自身的高效率。此時裝載機(jī)最高效率工況下的轉(zhuǎn)速比i*=0.694 7。

根據(jù)以上幾種工況，計算出不同油門開度下裝載機(jī)的閉鎖點，見表1。

1.3.2 傳統(tǒng)閉鎖點

采用傳統(tǒng)閉鎖點作為裝載機(jī)的閉鎖點，當(dāng)變矩器處于同等油門開度時，機(jī)械傳遞與液力變矩2種工況下的渦輪轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線交點的轉(zhuǎn)速為nΔ，轉(zhuǎn)速比為iΔ。

傳統(tǒng)閉鎖點在閉鎖時的轉(zhuǎn)矩雖然相等，但在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)其閉鎖品質(zhì)較差。原因是其在閉鎖時的轉(zhuǎn)速差在不同的油門開度下都比較大，導(dǎo)致了閉鎖后發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下降較多，對發(fā)動機(jī)和傳動系統(tǒng)造成的沖擊明顯[17-20]。各閉鎖點的轉(zhuǎn)速差如圖5所示。

1.4 裝載機(jī)閉鎖控制方法

1.4.1 閉解鎖條件

滿足以下條件時，裝載機(jī)可以閉鎖。

（1）發(fā)動機(jī)充分暖機(jī)，裝載機(jī)能夠在各類負(fù)載下正常作業(yè)。

（2）發(fā)動機(jī)在閉鎖后不產(chǎn)生劇烈的擾動。

（3）車速比較高且能夠確保傳動系統(tǒng)平穩(wěn)工作。

以下情況裝載機(jī)必須解鎖。

（1）油門關(guān)閉時，為減少尾氣排放，降低油耗，裝載機(jī)要解鎖。

（2）當(dāng)裝載機(jī)制動及換擋時，要解鎖以確保動力傳遞平順。

1.4.2 閉鎖方案

（1）駕駛員通常會選擇前進(jìn)1或2擋來進(jìn)行鏟裝作業(yè)。此時的外負(fù)載受作業(yè)情況變化影響因而不具備規(guī)律性。選取耦合工況點im為閉鎖點以獲得較高的動力性和環(huán)境適應(yīng)性。

（2）裝載機(jī)前進(jìn)3或4擋通常為行駛工況，此時外界負(fù)載變化較小。對于前進(jìn)3擋而言，選擇最高效率工況點im1作為閉鎖點可以較好地利用液力變矩器本身的高效率。通過分析圖5和圖6可知：選擇前進(jìn)4擋和后退擋的閉鎖點時，若選擇較小的高效工況點im1作為閉鎖點，閉鎖范圍較大，但閉鎖品質(zhì)較差（對比傳統(tǒng)閉鎖點），而選擇較大的高效工況點im2作為閉鎖點時，則相反。

（3）裝載機(jī)冷卻水溫度處于正常工作區(qū)間內(nèi)時保持原狀態(tài)；低于預(yù)設(shè)溫度時，裝載機(jī)強(qiáng)制解鎖；反之，強(qiáng)制閉鎖。

（4）裝載機(jī)處在制動狀態(tài)時，必須進(jìn)行解鎖；反之，允許裝載機(jī)閉鎖。

（5）為了保證裝載機(jī)低速時的動力性，設(shè)定油門開度處在50%以下時裝載機(jī)解鎖。

（6）在換擋及制動時裝載機(jī)解鎖。

（7）為了防止液力變矩器頻繁閉解鎖，設(shè)定渦輪轉(zhuǎn)速差在50 r·min-1內(nèi)變矩器維持原狀態(tài)。

1.4.3 閉解鎖控制流程

進(jìn)行閉鎖時，閉鎖控制系統(tǒng)需要獲取的模擬信號有油門開度、渦輪轉(zhuǎn)速與冷卻水溫度，脈沖信號有閉解鎖狀態(tài)、制動信號；需要獲取的開關(guān)信號為擋位信號。系統(tǒng)循環(huán)獲取這些信號并進(jìn)行比較判斷，以控制閉解鎖，執(zhí)行的步驟如下。

步驟1：判斷此時的閉鎖控制模式，若不是手動模式則執(zhí)行步驟2。

步驟2：判斷是否制動，若正在制動，則輸出解鎖信號，否則執(zhí)行步驟3。

步驟3：判斷是否換擋，若正在換擋，則輸出解鎖信號，否則執(zhí)行步驟4。

步驟4：獲取擋位信號，若此時為空擋，則輸出解鎖信號，否則執(zhí)行步驟5。

步驟5：獲取水溫信號，若此時水溫介于60 ℃和90 ℃之間，則維持當(dāng)前信號輸出不變；若水溫大于90 ℃，則輸出閉鎖信號；若水溫小于60 ℃，則輸出解鎖信號；完成后執(zhí)行步驟6。

步驟6：獲取此時的油門開度α、擋位和渦輪轉(zhuǎn)速n1。根據(jù)擋位和油門開度α確定渦輪閉鎖時的理論轉(zhuǎn)速n2。將此渦輪轉(zhuǎn)速的實際值n1與理論值n2相比較。若n2-50

2 仿真模型的建立

2.1 閉鎖控制模型的建立

依照前文制訂的控制方法，需要為閉鎖控制模型輸入的信號包括：閉解鎖狀態(tài)（在模型內(nèi)）、渦輪轉(zhuǎn)速、油門開度、制動信息、冷卻水溫度以及擋位信息。

建立的閉鎖控制SIMULINK仿真模型如下。

2.2 液力變矩器模型的建立

根據(jù)液力變矩器的特性，其仿真模型可以抽象為輸入渦輪轉(zhuǎn)速和泵輪轉(zhuǎn)速、輸出渦輪轉(zhuǎn)矩和泵輪轉(zhuǎn)矩。根據(jù)式（1），采用插值法擬合出其原始特性曲線，依據(jù)式（2）求其輸入特性，得出仿真模型，如圖8所示。

2.3 發(fā)動機(jī)模型的建立

柴油發(fā)動機(jī)的數(shù)學(xué)模型為

根據(jù)此數(shù)學(xué)模型，發(fā)動機(jī)可轉(zhuǎn)化為輸入外負(fù)載與油門開度、輸出轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的仿真模型。將相關(guān)數(shù)據(jù)賦予到相應(yīng)模塊中，獲得發(fā)動機(jī)的仿真模型，如圖9所示。

2.4 變速箱模型的建立

變速箱的數(shù)學(xué)模型為

仿真模型輸入轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和擋位，并按照相應(yīng)擋位的傳動比轉(zhuǎn)換后輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，如圖10所示。

2.5 裝載機(jī)-地面模型的建立

一般情況下，裝載機(jī)在地面上行駛作業(yè)時，需要克服的行駛阻力主要有以下4種。

根據(jù)式（7）建立裝載機(jī)-地面的仿真模型見圖11。

2.6 整車模型的建立

按照裝載機(jī)的運(yùn)行模式，將其各個部件的仿真模型相連，得到整車仿真模型見圖12。

3 仿真分析

3.1 閉鎖控制模型的仿真

輸入如圖13所示的周期信號來模擬冷卻水溫度的變化，對閉鎖控制模型進(jìn)行激勵。對應(yīng)閉鎖信號的變化如圖14所示。

模擬裝載機(jī)某一加減擋過程，對擋位信息進(jìn)行驗證。擋位與閉鎖信號的關(guān)系如圖15所示。

3.2 整車模型的仿真

首先在不進(jìn)行閉鎖控制的情況下進(jìn)行仿真。設(shè)置油門開度為70%、非制動狀態(tài)、3擋、中途不換擋、冷卻水溫為75 ℃，為裝載機(jī)部分模塊賦予適當(dāng)?shù)某踔岛?，進(jìn)行整車模型的仿真。在某一過程中，得到泵輪、渦輪轉(zhuǎn)速曲線，如圖16所示，得到轉(zhuǎn)矩曲線如圖17所示。

根據(jù)前文制定的閉鎖方案，在這種情況下閉鎖點的轉(zhuǎn)速為1 095 r·min-1。從圖16可知，仿真時間進(jìn)行到3.335 s時，渦輪轉(zhuǎn)速剛好達(dá)到1 095 r·min-1。

再對整車模型進(jìn)行帶有閉鎖控制的仿真，在相同過程下得到閉鎖信號2（圖18）以及轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩變化曲線（圖19、20）。

從圖18可以得出，當(dāng)仿真時間進(jìn)行到3.335 s時，閉鎖控制模塊發(fā)出的閉鎖信號從“0”變化到“1”。此時液力變矩閉鎖。從圖19、20中可以得出，3.335 s后渦輪與泵輪的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩迅速變?yōu)橐恢?，完成閉鎖。

4 結(jié) 語

（1）通過分析圖13冷卻水溫度變化和圖14閉鎖信號1可知：當(dāng)冷卻水溫達(dá)到90 ℃以上時閉鎖信號變?yōu)椤?”，變矩器閉鎖。當(dāng)冷卻水溫度低于到60 ℃時，閉鎖信號變?yōu)椤?”，變矩器解鎖。另外通過分析圖15擋位與閉鎖信號可知：當(dāng)裝載機(jī)換擋時，閉鎖信號在短時間內(nèi)變?yōu)椤?”，變矩器解鎖。以上兩點說明閉鎖控制模塊可以對冷卻水溫和換擋參數(shù)的變化做出正確響應(yīng)。

（2）分析圖18閉鎖信號2，當(dāng)仿真時間為3.335 s時，渦輪轉(zhuǎn)速達(dá)到閉鎖轉(zhuǎn)速1 095 r·min-1，閉鎖信號變?yōu)椤?”，此時變矩器閉鎖，說明閉鎖控制模塊也對渦輪轉(zhuǎn)速的變化做出了正確響應(yīng)。結(jié)合公式（1），證明了閉鎖控制模塊的正確性。

（3）分析圖16、19含有和不含閉鎖控制的轉(zhuǎn)速曲線，在3.335 s時，裝載機(jī)達(dá)到閉鎖點后閉鎖，閉鎖后渦輪和泵輪轉(zhuǎn)速迅速保持一致。通過分析圖17、20含有和不含閉鎖控制的轉(zhuǎn)矩曲線可知，同樣在3.335 s時，裝載機(jī)閉鎖。泵輪和渦輪轉(zhuǎn)矩經(jīng)過短時間的擾動后也迅速調(diào)整一致，符合實際工況。這表明閉鎖完成之后，液力變矩器起到剛性聯(lián)軸器的作用，證明所建裝載機(jī)整車模型正確，閉鎖后車輛傳動系統(tǒng)變?yōu)闄C(jī)械傳動。

（4）本文仿真結(jié)果充分說明了所建閉鎖控制模型符合制訂的閉鎖控制系統(tǒng)和控制方法，并驗證了閉鎖控制系統(tǒng)和方法的正確性以及在裝載機(jī)上應(yīng)用的可行性。相對于無閉鎖控制的傳統(tǒng)裝載機(jī)，本文設(shè)計的閉鎖控制能夠提升裝載機(jī)的傳動效率、動力性和經(jīng)濟(jì)性，特別是對于需要長距離轉(zhuǎn)場運(yùn)輸作業(yè)的工況，閉鎖效果更佳。這對于裝載機(jī)的節(jié)能減排、作業(yè)效率提高具有重要意義。

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[責(zé)任編輯：杜衛(wèi)華]