液力傳動(dòng)車輛閉鎖充油動(dòng)態(tài)緩沖特性優(yōu)化

魏巍， 彭卉， 劉旭， 簡(jiǎn)洪超， 謝文浩， 閆清東， 朱浩月

(1.北京理工大學(xué) 車輛傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081； 2.北京電動(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心， 北京 100081； 3.中國(guó)北方車輛研究所， 北京 100072； 4.江蘇匯智高端工程機(jī)械創(chuàng)新中心有限公司， 江蘇 徐州 221004)

0 引言

液力變矩器是利用工作輪葉片與工作液體之間的相互作用，從而引起機(jī)械能和液體能的轉(zhuǎn)換來(lái)傳遞動(dòng)力，能夠無(wú)級(jí)地變速、變矩的元件。通過(guò)閉鎖離合器的使用，控制液力工況和機(jī)械工況的切換，能夠提高車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的效率[1]。液力變矩器閉鎖過(guò)程會(huì)產(chǎn)生較大的動(dòng)載荷，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)造成沖擊和損害，因此需要對(duì)閉鎖動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行控制，減少?zèng)_擊振動(dòng)、延長(zhǎng)系統(tǒng)零部件壽命。

北京理工大學(xué)閆清東等[2]通過(guò)對(duì)閉鎖式液力變矩器的液力、滑摩、機(jī)械這3個(gè)工況進(jìn)行分析，建立動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)了閉解鎖控制策略，并通過(guò)仿真驗(yàn)證閉解鎖控制策略的有效性；Yan等[3]設(shè)計(jì)了基于權(quán)重的閉鎖規(guī)律優(yōu)化方法，綜合考慮閉鎖前后液力變矩器輸出轉(zhuǎn)矩的變化和發(fā)動(dòng)機(jī)的慣性能量釋放，優(yōu)化了基于油門開度和渦輪轉(zhuǎn)速的雙參數(shù)閉解鎖規(guī)律，保證了車輛具有良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性；吉林大學(xué)王松林等[4]研究了液力變矩器閉鎖技術(shù)對(duì)裝載機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響，與相同結(jié)構(gòu)條件不帶閉鎖離合器的裝載機(jī)進(jìn)行對(duì)比，分析得出閉鎖技術(shù)能顯著提高裝載機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性；孫文濤等[5]對(duì)液力變矩器閉鎖過(guò)程進(jìn)行了分析，將閉鎖過(guò)程分為初始充油、開環(huán)控制和閉環(huán)控制3個(gè)階段，對(duì)每個(gè)階段分別采取不同的控制策略，提出了自適應(yīng)控制策略，并通過(guò)仿真驗(yàn)證該策略能改善閉鎖品質(zhì)。影響液力變矩器閉鎖品質(zhì)的因素很多，包括閉鎖規(guī)律、閉解鎖緩沖充油特性等。

上述工作主要圍繞著閉解鎖規(guī)律和閉鎖控制策略展開，沒(méi)有考慮閉鎖充油動(dòng)態(tài)緩沖特性對(duì)閉鎖過(guò)程的影響。本文以某型閉鎖式液力變矩器為例，從閉鎖充油動(dòng)態(tài)緩沖特性緩沖規(guī)律的設(shè)計(jì)和優(yōu)化入手，以提高閉鎖品質(zhì)為目的，對(duì)閉鎖動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析；通過(guò)聯(lián)合仿真方法對(duì)閉鎖緩沖規(guī)律中緩沖升壓階段的斜率進(jìn)行優(yōu)化，搭建實(shí)物臺(tái)架對(duì)優(yōu)化閉鎖緩沖規(guī)律前后的閉鎖品質(zhì)進(jìn)行分析，驗(yàn)證優(yōu)化方法的正確性和合理性。

1 閉鎖充油動(dòng)態(tài)緩沖特性計(jì)算模型

閉鎖式液力變矩器由泵輪、渦輪、導(dǎo)輪等部件組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 閉鎖式液力變矩器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure diagram of a locking hydrodynamic torque converter

由液力變矩器的轉(zhuǎn)矩平衡公式及穩(wěn)態(tài)特性，得到液力變矩器的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式為

(1)

式中：IB為發(fā)動(dòng)機(jī)與前傳動(dòng)件換算到泵輪輸入端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；IT為液力變矩器渦輪輸出軸之后的各部分傳動(dòng)件換算到渦輪輸出端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；MeB為發(fā)動(dòng)機(jī)等效至泵輪輸入端的轉(zhuǎn)矩；MB為泵輪的輸入轉(zhuǎn)矩；MT為渦輪的輸出轉(zhuǎn)矩；MC為閉鎖離合器摩擦轉(zhuǎn)矩；MrT為阻力矩等效至渦輪輸出端的轉(zhuǎn)矩；ωB為泵輪軸的轉(zhuǎn)速；ωT為渦輪軸的轉(zhuǎn)速。

在液力變矩器的閉鎖過(guò)程中，根據(jù)閉鎖狀態(tài)的不同，摩擦轉(zhuǎn)矩分別為：

1)閉鎖離合器分離，摩擦轉(zhuǎn)矩為

MC=0 N·m.

(2)

2)閉鎖離合器結(jié)合過(guò)程中，摩擦轉(zhuǎn)矩[6]為

MC=μdFsjreZ，

(3)

式中：μd為動(dòng)摩擦系數(shù)；Fsj為摩擦片的法向壓緊力；re為有效半徑；Z為摩擦副數(shù)。

本文使用的閉鎖離合器摩擦片材料為銅基粉末冶金，其動(dòng)摩擦系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式[6]為

μd=0.130 879exp(-0.005 447 74Δω)，

(4)

式中：Δω為主、被動(dòng)摩擦片之間的滑摩速差。

3)閉鎖離合器完全結(jié)合，摩擦轉(zhuǎn)矩為

MC=Me，

(5)

式中：Me為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。

利用動(dòng)力傳動(dòng)建模工具SimDriveline對(duì)共同工作模型進(jìn)行建模，如圖2所示。

圖2 液力變矩器與閉鎖離合器共同工作模型Fig.2 Co-working model of hydrodynamic torque converter and locking clutch

圖2中面板信號(hào)為來(lái)自油壓控制模塊的信號(hào)。當(dāng)油壓信號(hào)值低于閉鎖離合器模塊的結(jié)合油壓閾值時(shí)，變矩器前后兩端的慣量運(yùn)動(dòng)按液力工況進(jìn)行動(dòng)力學(xué)求解；當(dāng)油壓信號(hào)值高于結(jié)合油壓閾值時(shí)，閉鎖離合器滑摩，此時(shí)按過(guò)渡工況進(jìn)行求解；當(dāng)前后兩端慣量轉(zhuǎn)速差達(dá)到允許值時(shí)，則認(rèn)為閉鎖離合器結(jié)合，按閉鎖工況進(jìn)行求解。

2 充油特性

在閉鎖離合器結(jié)構(gòu)和閉鎖點(diǎn)確定的條件下，針對(duì)車輛實(shí)際使用情況，設(shè)定低擋、中小油門開度下不閉鎖，大油門和高擋下達(dá)到閉鎖點(diǎn)之后進(jìn)行閉鎖，對(duì)閉鎖離合器控制油路的充油特性進(jìn)行設(shè)計(jì)。將閉鎖離合器充油過(guò)程分為快速充油、緩沖升壓和階躍升壓[7]3個(gè)階段，如圖3所示。

圖3 閉鎖充油控制曲線示意圖Fig.3 Schematic diagram of locking filling control process

圖3中0～t0為快速充油階段，電磁閥向閉鎖離合器油缸內(nèi)的剩余空間及油道充油，使活塞克服閉鎖離合器背壓開始移動(dòng)，直到消除閉鎖離合器摩擦片的間隙，使摩擦片完全貼合為止。此階段不影響閉鎖品質(zhì)，應(yīng)快速完成，充油時(shí)間和充油壓力主要由液壓系統(tǒng)的自身特性決定。此階段結(jié)束壓力p0大小為

(6)

式中：pb為等效背壓；Mmax為渦輪傳遞最大轉(zhuǎn)矩；μj為靜摩擦系數(shù)；re為等效半徑；Ap為控制油壓對(duì)活塞的作用面積；k0=0.4～0.6.

圖3中t0～t1為緩沖升壓階段，經(jīng)歷時(shí)間為滑摩時(shí)間，閉鎖離合器主、被動(dòng)摩擦片間的間隙消除后開始滑摩并傳遞轉(zhuǎn)矩，直到主、被動(dòng)摩擦片同步，實(shí)現(xiàn)完全結(jié)合為止。該階段的緩沖斜率對(duì)液力變矩器閉鎖過(guò)程的閉鎖品質(zhì)起著決定性影響[8]。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，將第2階段緩沖升壓充油特性設(shè)計(jì)為線性，有

(7)

式中：p1為緩沖階段的結(jié)束壓力；kp為緩沖升壓階段的緩沖斜率；k1=1.2～1.4；Ab為等效背壓有效接觸面積。

圖3中t1～t2為階躍升壓階段，p2為閉鎖結(jié)束壓力，此階段閉鎖離合器已完全結(jié)合，因而急促升壓，不會(huì)影響平穩(wěn)性。為防止閉鎖離合器意外打滑，要保證足夠大的油壓。升壓時(shí)間由系統(tǒng)自身特性決定，時(shí)間極短，可忽略不計(jì)。

3 閉鎖控制油壓優(yōu)化模型

閉鎖品質(zhì)表示閉鎖性能的好壞，閉鎖品質(zhì)的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有：

1)滑摩時(shí)間?；r(shí)間長(zhǎng)，閉鎖離合器結(jié)合得平穩(wěn)，但產(chǎn)生的滑摩功大，容易造成閉鎖離合器摩擦元件的燒結(jié)，影響摩擦元件的使用壽命。滑摩時(shí)間短，則閉鎖沖擊大。因此需要控制閉鎖離合器的滑摩時(shí)間。

張盈盈獨(dú)具慧眼，投資阿甘的回報(bào)就是最好的說(shuō)明。阿甘的事業(yè)現(xiàn)在做得風(fēng)生水起，張盈盈是最大的股東。張盈盈謙虛：“我可從來(lái)沒(méi)有夢(mèng)想過(guò)他有一天成為有錢人?！?/p>

2)滑摩功。閉鎖離合器在結(jié)合過(guò)程中，摩擦片相互接觸，產(chǎn)生滑摩，傳遞轉(zhuǎn)矩。在此過(guò)程中，閉鎖離合器消耗的功為滑摩功[9]。理論計(jì)算求得滑摩功Wfc和滑摩功率Pfc分別為

(8)

Pfc=MC(ωB-ωT).

(9)

3)沖擊度。沖擊度是指車輛縱向速度對(duì)時(shí)間的二次導(dǎo)數(shù)，即車輛縱向加速度的變化率[10]。根據(jù)渦輪轉(zhuǎn)速和車速的關(guān)系，可得沖擊度為

(10)

式中：rz為車輪半徑；ig為變速箱傳動(dòng)比；ib為差速器傳動(dòng)比；ic為輪邊減速器傳動(dòng)比；Mz為等效阻力矩；IV為與渦輪軸相連的換算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

根據(jù)(10)式推導(dǎo)，可以看出渦輪輸出轉(zhuǎn)矩變化越劇烈，沖擊度越大，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的沖擊載荷越大，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的平順性和壽命有很大影響。

對(duì)緩沖升壓階段的斜率進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用多目標(biāo)優(yōu)化方法，將滑摩時(shí)間、沖擊度、滑摩功作為3個(gè)分目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)造閉鎖品質(zhì)評(píng)價(jià)函數(shù)Y，則閉鎖品質(zhì)評(píng)價(jià)函數(shù)可以表示為

(11)

(12)

式中：W為滑摩功；ω1、ω2、ω3分別為滑摩時(shí)間、沖擊度和滑摩功的加權(quán)系數(shù)，加權(quán)系數(shù)大小的選取考慮車輛行駛過(guò)程中對(duì)動(dòng)力性和閉鎖品質(zhì)的要求，具體數(shù)值由專家打分的形式獲得，ω1=0.25，ω2=0.50，ω3=0.25；top、jop、Wop分別為各單目標(biāo)的最優(yōu)值；tmin、jmin、Wmin為各目標(biāo)函數(shù)變動(dòng)范圍的最小值；tmax、jmax、Wmax為各目標(biāo)函數(shù)變動(dòng)范圍的最大值；[t]為最長(zhǎng)滑摩時(shí)間；[j]為許用沖擊度；[W]為許用滑摩功。

對(duì)閉鎖過(guò)程開展數(shù)學(xué)仿真軟件MATLAB和多學(xué)科優(yōu)化軟件Isight聯(lián)合仿真，建立如圖4所示的仿真優(yōu)化流程。設(shè)置閉鎖過(guò)程動(dòng)力學(xué)仿真的初始值，包括擋位、油門開度、負(fù)載、緩沖斜率kp；調(diào)用Simulink仿真模型計(jì)算得到初始工況的滑摩時(shí)間、沖擊度、滑摩功以及各單目標(biāo)函數(shù)值；調(diào)用Isight 優(yōu)化組件，優(yōu)化算法采用最優(yōu)拉丁超立方設(shè)計(jì)尋求多目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)值，輸出優(yōu)化結(jié)果，計(jì)算結(jié)束。

圖4 閉鎖品質(zhì)優(yōu)化流程圖Fig.4 Flow chart of locking quality optimization

圖5 閉鎖評(píng)價(jià)函數(shù)圖Fig.5 Schematic diagram of locking quality evaluation function

圖5中，隨著緩沖斜率的增加，閉鎖品質(zhì)評(píng)價(jià)函數(shù)值先降后升。當(dāng)kp在圖5中a或c范圍內(nèi)取值時(shí)，即當(dāng)緩沖升壓階段斜率過(guò)大或過(guò)小時(shí)，閉鎖評(píng)價(jià)函數(shù)值較大，閉鎖品質(zhì)較差；當(dāng)kp在圖5中b范圍內(nèi)取值時(shí)，閉鎖評(píng)價(jià)函數(shù)值較小，閉鎖品質(zhì)較優(yōu)，其中水平線以下表示可接受的閉鎖品質(zhì)值；當(dāng)緩沖斜率kp=4.788時(shí)，閉鎖品質(zhì)評(píng)價(jià)函數(shù)值最小，此時(shí)閉鎖品質(zhì)最佳。

4 仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證

搭建試驗(yàn)臺(tái)架，對(duì)閉鎖式液力變矩器在不同的充油特性下進(jìn)行閉鎖試驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)架的布置圖和實(shí)物圖分別如圖6和圖7所示。試驗(yàn)給定發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度72%，閉鎖前變矩器速比0.8，給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩750 N·m. 采用快速原型控制器作為控制系統(tǒng)的下位機(jī)，其能通過(guò)自動(dòng)代碼生成技術(shù)，將建模與仿真階段的控制算法模型下載到控制器硬件中，連接實(shí)際控制對(duì)象，進(jìn)行控制算法的試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖6 試驗(yàn)臺(tái)布置結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Layout of test rig

圖7 試驗(yàn)臺(tái)的實(shí)物圖Fig.7 Photograph of test rig

圖8為優(yōu)化前、后的閉鎖充油特性曲線，仿真和試驗(yàn)得到的閉鎖品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果如圖9～圖11所示。仿真過(guò)程和試驗(yàn)過(guò)程的曲線走勢(shì)基本一致，仿真最大誤差為9.64%.

圖8 優(yōu)化前和優(yōu)化后閉鎖充油壓力試驗(yàn)與仿真對(duì)比Fig.8 Oil filling pressures comparison between test and simulation before and after locking optimization

圖9 優(yōu)化前和優(yōu)化后滑摩功試驗(yàn)與仿真對(duì)比Fig.9 Slippery works comparison between test and simulation before and after locking optimization

圖10 優(yōu)化前和優(yōu)化后滑摩功誤差對(duì)比Fig.10 Slippery work errors comparison before and after locking optimization

圖11 優(yōu)化前和優(yōu)化后沖擊度變化Fig.11 Jerk comparison before and after locking optimization

圖9表示了閉鎖過(guò)程中滑摩功在優(yōu)化前、后的變化情況。優(yōu)化前在緩沖滑摩階段油壓瞬間增加，閉鎖離合器主、被動(dòng)摩擦片在油壓的作用下滑摩，產(chǎn)生滑摩功。由于優(yōu)化前此階段加壓時(shí)間短于優(yōu)化后加壓時(shí)間，優(yōu)化后的油壓緩沖規(guī)律得到的試驗(yàn)滑摩功，比優(yōu)化前的試驗(yàn)滑摩功增加了11.23%，優(yōu)化后閉鎖離合器的滑摩時(shí)間為0.32 s，優(yōu)化前閉鎖離合器的滑摩時(shí)間為0.28 s，優(yōu)化后滑摩時(shí)間比優(yōu)化前增加了14.28%.

為了驗(yàn)證仿真模型輸出結(jié)果的精度，用仿真與試驗(yàn)中滑摩功的百分比誤差表征。誤差定義為

(13)

式中：δ為預(yù)測(cè)誤差；Ms、Mt分別為仿真結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖10中優(yōu)化前的仿真與試驗(yàn)滑摩功誤差最大達(dá)到0.7%，采用優(yōu)化后的閉鎖油壓，仿真與試驗(yàn)滑摩功誤差最大0.18%. 由此可知，仿真模型的預(yù)測(cè)精度得到了明顯的改善。

圖11表示了閉鎖過(guò)程中沖擊度(渦輪角加速度的導(dǎo)數(shù))在優(yōu)化前、后的變化情況。優(yōu)化前的試驗(yàn)中，由于緩沖階段充油時(shí)間極短，在閉鎖離合器即將結(jié)合時(shí)，沖擊度較大；采用優(yōu)化后的油壓緩沖規(guī)律的閉鎖試驗(yàn)中，雖然滑摩功和滑摩時(shí)間有所增加，但是閉鎖過(guò)程中的最大沖擊度比優(yōu)化前下降了62.19%，整個(gè)閉鎖過(guò)程沖擊度變化趨勢(shì)較為平穩(wěn)，沖擊度得到了明顯的改善。優(yōu)化前、后的滑摩時(shí)間、沖擊度、滑摩功對(duì)比如表1所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表

5 結(jié)論

本文在閉鎖動(dòng)態(tài)過(guò)程動(dòng)力學(xué)建模分析的基礎(chǔ)上，提出了閉鎖品質(zhì)評(píng)價(jià)函數(shù)構(gòu)建方法，以及實(shí)現(xiàn)抑制沖擊度等指標(biāo)的參數(shù)優(yōu)化方法，開展閉鎖離合器動(dòng)態(tài)緩沖特性的理論研究和試驗(yàn)驗(yàn)證，提出通過(guò)緩沖升壓階段油壓斜率來(lái)綜合控制沖擊度等指標(biāo)以提升閉鎖品質(zhì)的方法，避免了出現(xiàn)只優(yōu)化單一指標(biāo)而整體閉鎖品質(zhì)不佳的情況，從而提升了車輛的閉鎖品質(zhì)。得到結(jié)論如下：

1)對(duì)比閉鎖過(guò)程中的仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其結(jié)果基本一致，最大誤差為9.64%，所建立模型能夠?qū)﹂]鎖過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

2)試驗(yàn)結(jié)果表明優(yōu)化后的閉鎖離合器，滑摩時(shí)間和滑摩功分別增加了14.28%和11.23%，閉鎖沖擊降低了62.19%，閉鎖沖擊得到了明顯的改善，閉鎖品質(zhì)得到了提升。