特種車輛分動器取力全速控制技術(shù)研究

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

對于一款通用性較強的特種車輛底盤而言，需要搭載不同的上裝系統(tǒng)以實現(xiàn)特殊的功能需求。此時需要底盤為上裝提供動力支持，用于驅(qū)動發(fā)電機、液壓油泵等動力源。因此底盤會在變速器或分動器預留取力器接口，通過控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)取力器的轉(zhuǎn)速/扭矩可調(diào)。

目前，常用的分動器取力多為機械控制方式。根據(jù)上裝取力需求，手動打開取力器開關(guān)，再單獨調(diào)節(jié)發(fā)動機恒定轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)變速器鎖止擋位，調(diào)節(jié)分動器掛入空擋。此種方式操作步驟繁瑣，容易因為操作不當導致分動器或取力器打齒，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)受負載影響較大。同時對發(fā)動機運行效能沒有進行深入研究，難以實現(xiàn)節(jié)油降噪和多用途的目的。

2 研究內(nèi)容

本文以配置有大功率電控發(fā)動機、6速自動變速器以及全時全速分動器（自帶取力器）等總成的重型特種車輛為研究對象，重點研究分動器取力全速控制的實現(xiàn)方法，在滿足上裝取力需求的情況下，使發(fā)動機運行在高效的工作區(qū)間，以達到輸出扭矩最優(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)動機、變速器、分動器（帶取力器）和控制系統(tǒng)，如圖1所示。取力器動力由發(fā)動機經(jīng)變速器傳遞給分動器后通過取力器法蘭輸出。

圖1 系統(tǒng)組成及控制原理圖

其中發(fā)動機ECU能夠?qū)Πl(fā)動機進行轉(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擋進行鎖擋控制，變速器各擋位速比如表1所示；取力器集成于分動器本體，與分動器輸入軸直連，速比1:1，通過氣動撥銷控制結(jié)合/脫離。

表1 變速器各擋位速比

根據(jù)上述動力傳動路徑及傳動比，可得取力器轉(zhuǎn)速計算公式：

扭矩計算公式（此處忽略傳動損耗）：

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

充分分析上裝控制需求，結(jié)合車輛底盤動力系統(tǒng)運行能力及式（1）計算，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)動機外特性曲線如圖2所示，通過分析，發(fā)動機工作在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，因此在設計控制算法時，盡可能使發(fā)動機工作在這一區(qū)間。

圖2 發(fā)動機外特性曲線（扭矩/油耗率）

由公式（1）可得發(fā)動機實際輸出轉(zhuǎn)速簡化計算公式：

對取力器目標轉(zhuǎn)速進行每40r/min等分處理，通過式（3）計算不同擋位下，各取力器轉(zhuǎn)速需要的發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速值，結(jié)合發(fā)動機轉(zhuǎn)速最優(yōu)工作區(qū)間，確定變速器換擋點。同時根據(jù)式（2）計算取力器輸出功率，可滿足3種不同動力輸出模式，包括經(jīng)濟、常規(guī)和動力，如圖3所示。經(jīng)濟模式下，輸出扭矩較小，發(fā)動機油耗偏低；動力模式下，輸出扭矩大，發(fā)動機油耗偏高。

圖3 變速器換擋控制策略

通過MATLAB/Simulink對圖3換擋控制策略進行建模，運用Stateflow模塊實現(xiàn)轉(zhuǎn)速與換擋點算法邏輯，采用Switch模塊實現(xiàn)3種模式的切換輸出，全速控制算法模型如圖4所示。輸入信號包括運行模式和取力器需求轉(zhuǎn)速，輸出信號包括需要變速器鎖止的擋位和需求的發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

圖4 全速控制算法模型

3.3 控制方案

通過上述分析，取力器全速控制能夠滿足200～3000r/min連續(xù)可調(diào)，可實現(xiàn)經(jīng)濟、常規(guī)、動力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（簡稱PCU）、調(diào)速旋鈕、模式開關(guān)、分動器擋位電磁閥及反饋信號開關(guān)、取力器工作電磁閥及反饋信號開關(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)，獲取目標轉(zhuǎn)速和模式，并對車輛狀態(tài)、故障信息進行判斷，滿足取力器工作條件時，控制取力器結(jié)合、分動器掛空擋、變速器進入目標擋位、發(fā)動機進入目標轉(zhuǎn)速，同時反饋工作狀態(tài)給組合儀表。采用一鍵式控制的方式，使操作變得更簡單、高效。同時系統(tǒng)預留外部CAN總線控制接口，控制優(yōu)先級低于調(diào)速旋鈕開關(guān)?？刂屏鞒倘鐖D5所示，取力器外部控制報文見表2。

表2 取力器外部控制報文

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)動機轉(zhuǎn)速控制和變速器擋位控制模型進行聯(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，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。此時發(fā)動機控制轉(zhuǎn)速為1500r/min，變速器鎖止擋位為4擋，滿足設計要求。

圖7 階躍信號仿真結(jié)果

輸入為正弦信號，需求的取力器轉(zhuǎn)速從200r/min緩慢上升至3000r/min，再緩慢下降至200r/min。此過程中，發(fā)動機控制轉(zhuǎn)速和變速器控制擋位如圖8所示，通過分析，發(fā)動機轉(zhuǎn)速工作在1000～1400r/min區(qū)間時的需求轉(zhuǎn)速占總數(shù)的77%，滿足設計要求。

圖8 正弦信號仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文首先對特種車輛取力器運行能力進行分析，通過車輛動力總成輸出效能，確定轉(zhuǎn)速控制范圍和控制方法。為使發(fā)動機工作在最優(yōu)轉(zhuǎn)速區(qū)間，通過分段階梯分析，制定控制策略。通過MATLAB/Simulink實現(xiàn)控制算法，并進行聯(lián)合仿真分析，滿足取力器全速控制的設計要求。

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