商用車液力自動變速器建模及性能優(yōu)化

摘要：通過Matlab/Simulink建立重型商用車液力自動變速器的系統(tǒng)模型及控制策略模型，同時建立發(fā)動機模型及整車動力學模型，并根據(jù)車輛的實際參數(shù)進行模型參數(shù)化。建立PI控制器模型實現(xiàn)車輛模型對輸入工況路譜的跟隨功能。通過模型仿真分析重型液力自動變速器系統(tǒng)的控制策略，根據(jù)仿真結(jié)果及整車設定的性能指標對變速器的控制策略進行優(yōu)化，以達到變速器與發(fā)動機及整車的匹配優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：液力自動變速器；控制策略；Simulink/Stateflow；仿真分析

液力自動變速器是目前商用車中應用較為廣泛的自動變速器之一，主要由液力變矩器、行星排及液壓系統(tǒng)組成。電控系統(tǒng)控制離合器的結(jié)合和釋放實現(xiàn)行星排機構(gòu)不同的組合方式，實現(xiàn)車輛行駛過程中的變速和變矩。液力自動變速器具有變速穩(wěn)定、換擋平穩(wěn)，能夠有效提高車輛的乘坐舒適性及可靠性；其不足之處在于結(jié)構(gòu)復雜、傳遞效率低、油耗高。因此對匹配液力自動變速器的車輛來說動力性和經(jīng)濟性指標顯得尤為重要。

近年來汽車保有量逐年增加，汽車尾氣排放及對石油的過度消耗所引發(fā)的環(huán)境、能源問題日益嚴重，對于傳統(tǒng)動力的車輛來說如何有效地控制汽車尾氣排放仍然非常重要。因此，如何優(yōu)化變速器的控制策略，使發(fā)動機盡大可能地工作在高效區(qū)域降低燃油消耗、降低排放顯得尤為重要。

本文以理論分析、模型仿真相結(jié)合的方法，搭建了發(fā)動機、液力自動變速器及整車動力學模型進行，并通過仿真結(jié)果闡述如何根據(jù)整車參數(shù)、指標來進行控制策略的優(yōu)化。

整車系統(tǒng)模型搭建

本文以搭載一款6速液力自動變速器的重型車輛為例，對其結(jié)構(gòu)進行分析簡化，并進行系統(tǒng)建模及仿真分析。所選車輛的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，主要包含發(fā)動機、液力自動變速器、主減速器及輪胎等部件。

1.發(fā)動機模型建立

傳統(tǒng)動力發(fā)動機的工作原理是利用燃料（汽油、柴油）在氣缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生的熱能，通過氣體受熱膨脹推動活塞移動，再經(jīng)過連桿傳遞到曲軸使其旋轉(zhuǎn)做功。為完成這一過程，需要發(fā)動機中的各個系統(tǒng)在電控單元的控制下精密配合以達到最佳的性能。

發(fā)動機系統(tǒng)的模型涉及進排氣、噴油、點火及燃料的燃燒做功等過程，若采用正向建模則建模非常復雜。因此，本文從實際工程角度出發(fā)，根據(jù)發(fā)動機的臺架數(shù)據(jù)進行發(fā)動機系統(tǒng)的模型建立。

發(fā)動機的特性可以通過3張?zhí)匦詧D來體現(xiàn)：

1）發(fā)動機扭矩圖，即不同節(jié)氣門不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速時對應的發(fā)動機扭矩圖，如圖2所示。

2）發(fā)動機功率圖，即不同節(jié)氣門不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速時對應的發(fā)動機功率圖。

3）同時還需要發(fā)動機的萬有特性圖，即不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速及發(fā)動機扭矩時對應的燃油消耗率曲線等信息，如圖3所示。

依據(jù)上述提到的發(fā)動機特性圖，對發(fā)動機系統(tǒng)建立查表模型，如圖4所示。發(fā)動機系統(tǒng)通過當前的節(jié)氣門踏板和轉(zhuǎn)速信息輸出當前時刻的扭矩，傳遞到傳動系用來驅(qū)動車輛，同時通過轉(zhuǎn)速和扭矩信息輸出當前時刻的功率和燃油效率信息，用于分析計算。

2.液力自動變速器系統(tǒng)建模

液力自動變速器主要構(gòu)成包含液力變矩器、行星齒輪組、液壓系統(tǒng)以及電控單元。本文從液力自動變速器的系統(tǒng)控制及動態(tài)建模的角度介紹液力變矩器、閉鎖離合器、行星齒輪組及離合器制動器的建模過程。液力自動變速器結(jié)構(gòu)簡圖如圖5所示，由圖可見此6速自動變速器由三組行星排、2組旋轉(zhuǎn)離合器、3組制動器組成。

液力自動變速器根據(jù)當前工況條件在電控單元的控制下執(zhí)行不同的離合器組合實現(xiàn)6個前進位和一個倒擋，擋位的離合器分配見表1。

（1）液力變矩器建模 液力變矩器借助于液體的高速運動來傳遞功率，具有無級變速和變扭的功能，主要由泵輪、渦輪、導輪及閉鎖離合器組成。

液力變矩器作為動力傳遞部件，與之相關(guān)的四個參數(shù)分別是泵輪扭矩Tp、泵輪轉(zhuǎn)速Np、渦輪扭矩Tt和渦輪轉(zhuǎn)速Nt，四個變量中的兩個變量已知，則可以通過如下公式求得另外兩個變量。

液力變矩器的特性可以通過如下關(guān)參數(shù)表示：

變矩器速比n

n=Nt/Np" " " " " " " " " " " " " " " " （1）

變矩器扭矩比t

（2）

變矩能容系數(shù)K

（3）

變矩器效率E

E=nt" " " " " " " " " " " " " " " " " "（4）

此款變速器匹配的液力變矩器特性曲線如圖6所示。通過液力變矩器特性曲線建立液力變矩器的查表模型，根據(jù)當前時刻泵輪轉(zhuǎn)速和渦輪轉(zhuǎn)速得到變矩器速比，從而得到對應的渦輪扭矩及效率，實現(xiàn)其無級變速和變扭功能，同時當液力變矩器達到耦合狀態(tài)時進行閉鎖控制。

（2）行星輪系建模 液力自動變速器的機械結(jié)構(gòu)主要由行星齒輪組構(gòu)成，單個行星排由四部分組成：太陽輪、行星輪、行星架和齒圈。

行星排各部件之間的轉(zhuǎn)速、扭矩關(guān)系滿足如下公式

ωsS+ωrR=ωc（R+S）" " " " " " " " " "（5）

Ts+Tr-Tc=0" " " " " " " " " " " " " " （6）

TrS=TsR" " " " " " " " " " " " " " " " （7）

式中 Ts——太陽輪扭矩；

Tc——行星架扭矩；

Tr——齒圈扭矩；

ωs——太陽輪角速度；

ωr——齒圈角速度；

ωc——行星架角速度；

R——齒圈齒數(shù)；

S——太陽輪齒數(shù)；

C——行星架齒數(shù)。

本文根據(jù)以上公式對單個行星排進行建模，并通過離合器和制動器進行了連接和固定體現(xiàn)液力自動變速器的實際結(jié)構(gòu)。

（3）離合器系統(tǒng)建模 電控單元控制離合器的結(jié)合和分離控制實現(xiàn)變速器擋位的切換，因此離合器的建模對變速器換擋質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用。

離合器傳遞扭矩的特性按照下式進行離合器扭矩的計算

A=NπR2" " " " " " " " " " " " " " " "（8）

（9）

離合器處于結(jié)合過程中時傳遞的扭矩計算公式

（10）

離合器處于剛開始滑摩時傳遞的扭矩計算公式

ωtol" " " " " "（11）

離合器完全結(jié)合狀態(tài)時傳遞的扭矩等于輸入扭矩。

式中 Tclutch——離合器傳遞的扭矩；

Tin——輸入扭矩；

Tout——輸出扭矩；

R——有效半徑；

A——摩擦盤有效面積；

P——離合器壓力；

N——摩擦片數(shù)量；

μk——摩擦系數(shù)；

ωin——主動盤角速度；

ωout——從動盤角速度；

ω——主從動盤角速度差的絕對值；

ωtol——角速度公差。

三組行星排及離合器的系統(tǒng)模型如圖7所示。

（4）變速器控制系統(tǒng)模型 本文主要目的是為了驗證和優(yōu)化變速器與發(fā)動機及整車匹配的性能，因此變速性控制系統(tǒng)模型僅體現(xiàn)變速表。變速器接收到轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門信號后根據(jù)內(nèi)置變速表進行擋位切換實現(xiàn)變速和變扭，控制系統(tǒng)模型如圖8所示。

3.整車動力學建模

整車動力學建模，按照車輛參數(shù)及整車動力學公式，進行車輛動力學建模，車輛動力學模型如圖9所示。

Ttqigi0ηT/r=mgf+（CDAV2/21.15）+ma+mgslope（12）

式中 Ttq——電動機驅(qū)動扭矩（N·m）；

ig——變速器傳動比；

i0——主減速器速比；

r——輪胎滾動半徑（m）；

ηT——傳動效率；

f——滾阻系數(shù)；

CD——風阻系數(shù)；

m——整合質(zhì)量；

A——車輛迎風面積（m2）；

V——車速（km/h）；

a——加速度；

slope——坡度。

控制系統(tǒng)仿真及其優(yōu)化

1.系統(tǒng)仿真

按照前文的建模分析過程，最終的整車仿真模型如圖10所示。模型包含駕駛工況路譜輸入、通過PI控制器輸出節(jié)氣門和剎車的駕駛員模型、發(fā)動機模型、液力變矩器模型、自動變速器模型和整車動力學模型。

將工況路譜或現(xiàn)場數(shù)據(jù)導入模型后，進行仿真，通過仿真結(jié)果可以分析出發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和扭矩區(qū)間，從而分析整車的動力性和經(jīng)濟性，仿真結(jié)果如圖11所示。

2.控制策略調(diào)整優(yōu)化

根據(jù)仿真結(jié)果分析發(fā)動機的工作區(qū)間，可根據(jù)發(fā)動機特性圖及圖12進行變速器控制策略的優(yōu)化即調(diào)整控制策略或調(diào)整換擋點。

變速器控制策略優(yōu)化，根據(jù)發(fā)動機的特性曲線及換擋圖，在約束條件行進行變速器換擋點的調(diào)整，使發(fā)動機盡量工作在燃油經(jīng)濟性較好的區(qū)間。

結(jié)語

本文對匹配液力自動變速器的車輛進行結(jié)構(gòu)分析，并從控制和建模的角度分析并搭建了發(fā)動機模型、液力自動變速器模型、整車動力學模型，同時搭建了路譜和駕駛員模型，形成閉環(huán)的仿真模型。

在給定工況路譜的前提下，通過模型仿真分析整車的動力性和經(jīng)濟性，并可以根據(jù)仿真結(jié)果對整車的動力性和經(jīng)濟性進行優(yōu)化和調(diào)整。此方法有利于在開發(fā)初期加速和優(yōu)化產(chǎn)品的控制策略的建立，仿真控制算法，在保證產(chǎn)品性能的前提下節(jié)約成本、縮短開發(fā)周期。

參考文獻：

[1] 胡琪.某液力自動變速器電液比例換擋控制系統(tǒng)建模與特性分析[D].北京：北京理工大學，2016.

[2] 王葉.大功率液力自動變速器換擋過程標定方法的研究 [D].北京：北京理工大學，2014.

[3] 蔡圣棟.液力自動變速器電子控制系統(tǒng)研究與開發(fā)[D].上海：上海交通大學，2011.

[4] 陳浩東.電控自動變速器系統(tǒng)模型研究[D].長春：吉林大學，2018.