無(wú)級(jí)變速車輛起步液力變矩器分段滑差控制?

雷雨龍，扈建龍，付 堯，賈玉哲，王林波，程 靖

(1.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130025； 2.一汽解放汽車有限公司，長(zhǎng)春 130011)

前言

傳統(tǒng)的液力變矩器閉鎖控制規(guī)律主要分為單參數(shù)和兩參數(shù)控制[1]，但這些方法缺少對(duì)起步過(guò)程的干預(yù)，仍存在液力傳動(dòng)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速偏高、轉(zhuǎn)速波動(dòng)大和引起功率損失等問(wèn)題。液力變矩器閉鎖離合器的滑差控制是指在一定工況下閉鎖離合器不閉鎖而存在微小滑摩，既發(fā)揮了液力變矩器的緩沖減振作用又提高了整車的燃油經(jīng)濟(jì)性[2]。國(guó)內(nèi)外對(duì)閉鎖離合器的滑差控制進(jìn)行了大量的研究，主要集中在基于整個(gè)行車過(guò)程中，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度、穩(wěn)定性和抗干擾能力，而特定于起步工況的滑差控制研究相對(duì)較少，燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性均有待進(jìn)一步優(yōu)化[3-17]。

本文中針對(duì)傳統(tǒng)閉鎖控制在起步工況中存在的問(wèn)題，提出了一種基于發(fā)動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)速控制的閉鎖離合器起步滑差分段控制策略。首先確定了恒轉(zhuǎn)速控制的目標(biāo)轉(zhuǎn)速；其次，以減小沖擊度為目標(biāo)對(duì)閉鎖離合器目標(biāo)滑差率進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)采用前饋和反饋的控制方法實(shí)現(xiàn)閉鎖離合器的起步滑差控制，干預(yù)起步過(guò)程，實(shí)現(xiàn)機(jī)械與液力的雙流混合傳動(dòng)。在提高起步加速響應(yīng)的同時(shí)，改善傳動(dòng)系統(tǒng)效率和起步過(guò)程燃油經(jīng)濟(jì)性。

1 模型搭建

本文中以圖1所示的無(wú)級(jí)變速器傳動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，研究液力變矩器閉鎖離合器的起步滑差控制。其中，液力變矩器由閉鎖離合器、導(dǎo)輪、渦輪和泵輪組成。

圖1 傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖

1.1 傳動(dòng)系統(tǒng)建模

本文中選擇鋼-銅基摩擦材料組成的摩擦副建立離合器模型，靜摩擦因數(shù)μ0為0.12，動(dòng)摩擦因數(shù)μd主要受離合器主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差、接合壓力、溫度等因素影響，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將其近似表示為主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差(滑差轉(zhuǎn)速)Δn的函數(shù)，由文獻(xiàn)[18]得

式中：α取 0.000 570 486；Δn=np-nt，np為主動(dòng)片轉(zhuǎn)速(泵輪轉(zhuǎn)速)，nt為從動(dòng)片轉(zhuǎn)速(渦輪轉(zhuǎn)速)，r/min。

摩擦接觸面數(shù)為n時(shí)，在離合器接合油壓Fc下，閉鎖離合器所能傳遞的轉(zhuǎn)矩為

式中：Rc為金屬摩擦片的有效半徑。Rc的近似公式為

式中：R1和R2分別為摩擦片的外徑和內(nèi)徑，m。

1.2 液力變矩器液壓系統(tǒng)建模

閉鎖離合器液壓控制系統(tǒng)如圖2所示。閉鎖離合器TCC液壓控制系統(tǒng)由脈沖寬度調(diào)制電磁閥A、閉鎖離合器調(diào)壓閥B、閉鎖離合器啟動(dòng)閥C、閉鎖離合器換擋閥D、變矩器限制閥E、單向球閥和冷卻器組成。該系統(tǒng)有兩路輸入油路，分別為主油路main pressure和control 3，兩者的油壓均來(lái)自主油路調(diào)壓閥的變矩器。

圖 2中：pctl，1為脈沖寬度調(diào)制電磁閥 A，A3口的輸出壓力；pctl，2為閉鎖離合器調(diào)壓閥B，B3口的輸出壓力；pctl，3為變矩器限制閥 E 的輸入壓力；pctl，4為變矩器限制閥E的輸出壓力；pload為閉鎖油路壓力；pcool為冷卻油路壓力；pen為閉鎖離合器換擋閥D，D3口的輸出壓力；pz為主油路壓力。

2 閉鎖離合器起步滑差控制策略

本文中提出了一種起步過(guò)程中的閉鎖離合器分段控制策略，如圖3所示，控制邏輯如圖4所示。

2.1 tc1～t1階段控制

將該階段分為快速充油階段和保壓階段。tc1～tc2為快速充油階段，采用與油溫相關(guān)的開(kāi)環(huán)控制，根據(jù)油溫查表，直接輸出控制量。tc2～t1為保壓階段，控制方法與快速充油階段相同，其目的在于維持離合器接合側(cè)的壓力，離合器片的空行程被消除，離合器處于滑摩的臨界狀態(tài)。

2.2 t1～t2階段控制

圖3 起步過(guò)程閉鎖離合器控制過(guò)程示意圖

t1～t2階段為發(fā)動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)速控制階段，發(fā)動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)速控制的觸發(fā)條件為油門開(kāi)度變化率大于30%，且油門開(kāi)度最終穩(wěn)定在25%以上。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速前為純液力工況。

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速采用PID閉環(huán)控制，控制結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示[20-21]。選定油門踏板開(kāi)度穩(wěn)定后發(fā)動(dòng)機(jī)最低轉(zhuǎn)速作為發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲最低，效率也相對(duì)較高[22]。發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速和油門踏板開(kāi)度的關(guān)系如圖6所示。在發(fā)動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)速控制的同時(shí)進(jìn)行閉鎖離合器接合壓力的協(xié)同控制可以使液力變矩器提前達(dá)到耦合工況點(diǎn)，提高傳動(dòng)系統(tǒng)效率。

本階段由于閉鎖離合器提前介入工作，需對(duì)車輛的沖擊度進(jìn)行控制，保證車輛的舒適性。車輛起步時(shí)的沖擊度j[23]為

圖4 閉鎖離合器起步滑差控制邏輯

式中：rw為車輪滾動(dòng)半徑，m；i0為主減速比；icvt為無(wú)級(jí)變速器速比；ωpri為主動(dòng)輪角速度，rad/s。

根據(jù)德國(guó)的沖擊度推薦值，j≤10m/s3[24-25]。

恒轉(zhuǎn)速控制過(guò)程中離合器接合正壓力變化率反映駕駛員的駕駛意圖，還要考慮接合過(guò)程中的滑摩功和沖擊度，兩者與離合器主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差有關(guān)，因此要考慮滑差率的影響。由此構(gòu)建雙層模糊控制器，如圖7所示。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制結(jié)構(gòu)圖

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速

圖7 接合壓力雙層模糊控制器

對(duì)于雙層模糊控制器的第1層，將油門開(kāi)度和起步意圖分別劃分為5個(gè)模糊子集：[非常小(VS)，小(S)，中(M)，大(B)，非常大(VB)]，將油門開(kāi)度變化率劃分為7個(gè)模糊子集：[負(fù)大(NB)，負(fù)中(NM)，負(fù)小(NS)，零(Z)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)]。對(duì)于雙層模糊控制器的第2層，將起步意圖劃分為5個(gè)模糊子集：[非常小(VS)，小(S)，中(M)，大(B)，非常大(VB)]，將滑差率和接合壓力變化率分別劃分為7個(gè)模糊子集：[非常小(VS)，較小(LS)，小(S)，中(M)，大(B)，較大(LB)，非常大(VB)]。

式中：x為模糊論域輸入值；a決定了曲線的中心位置；b決定了曲線的寬度。

駕駛員起步意圖和接合正壓力變化率的模糊控制規(guī)則表分別見(jiàn)表1和表2。

隸屬度函數(shù)均選用高斯型，即

表1 駕駛員起步意圖模糊控制規(guī)則表

表2 接合正壓力變化率模糊控制規(guī)則表

2.3 t2～t3階段控制—基于滑差率的閉鎖離合器滑差控制

閉鎖離合器的滑差控制如圖8所示。為了提高響應(yīng)速度和控制精度，本文中采用滑差前饋+反饋控制。

設(shè)計(jì)前饋控制器，修正閉鎖離合器控制中受到油門開(kāi)度的影響，提高滑差控制過(guò)程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，縮短動(dòng)作時(shí)間[26]。前饋控制占空比ipwm1是油門開(kāi)度的函數(shù)：

圖8 滑差控制結(jié)構(gòu)框圖

同時(shí)，設(shè)計(jì)反饋控制器，以提高控制精度。采用基于目標(biāo)滑差率的反饋控制，根據(jù)目標(biāo)滑差率Kt和實(shí)際滑差率Ks的偏差經(jīng)自適應(yīng)模糊PID控制器得到控制滑差率變化率βk，經(jīng)離合器接合壓力模型及閉鎖離合器液壓系統(tǒng)占空比和接合壓力變化關(guān)系計(jì)算得到反饋控制占空比信號(hào)。

在滑差階段的某一時(shí)刻，閉鎖離合器所傳遞的轉(zhuǎn)矩和滑差率的變化率成正相關(guān)，接合壓力和離合器傳遞轉(zhuǎn)矩成正比關(guān)系，可得接合壓力和滑差率的變化率也成正相關(guān)關(guān)系[27]。當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)效率達(dá)到液力變矩器耦合點(diǎn)以上一定值后，退出發(fā)動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)速控制。

2.4 t3～t4階段控制—基于滑差率的閉鎖離合器閉鎖控制

傳統(tǒng)液力變矩器閉鎖控制中，當(dāng)液力變矩器速比增大并進(jìn)入耦合工況時(shí)，液力變矩器不再具有減速增轉(zhuǎn)矩的作用，此時(shí)應(yīng)使閉鎖離合器閉鎖，提高傳動(dòng)效率。對(duì)于無(wú)級(jí)變速器，液力變矩器工作區(qū)間為無(wú)級(jí)變速器受速比變化范圍限制不能進(jìn)行速比調(diào)節(jié)的區(qū)域，即最大速比區(qū)域，因此，將不同油門開(kāi)度下速比開(kāi)始調(diào)節(jié)的車速作為液力變矩器閉鎖的車速。設(shè)液力變矩器在純液力工況下進(jìn)入耦合工況時(shí)的對(duì)應(yīng)車速為vou，無(wú)級(jí)變速器開(kāi)始調(diào)速時(shí)對(duì)應(yīng)車速為vs，則液力變矩器閉鎖控制的實(shí)際閉鎖車速vlock為

t3～t4階段開(kāi)始時(shí)刻的滑差率已經(jīng)很小，因而滑差轉(zhuǎn)速很小，此階段采用開(kāi)環(huán)控制，以固定占空比變化率控制壓力變化實(shí)現(xiàn)閉鎖離合器的完全閉鎖，此過(guò)程產(chǎn)生的沖擊度很小，不會(huì)影響駕駛舒適性。此階段占空比ipwm為

式中：kpwm為占空比變化率；tpwm為t3～t4階段開(kāi)始后的某一時(shí)刻；t0為t3～t4階段開(kāi)始時(shí)刻。

3 液力變矩器閉鎖離合器起步滑差控制仿真分析

本文中通過(guò)建立AMESim與MATLAB/Simulink的聯(lián)合仿真平臺(tái)。針對(duì)大、小油門開(kāi)度變化率下的不同油門開(kāi)度，車輛總質(zhì)量為1 681kg的工況，進(jìn)行了起步滑差控制和傳統(tǒng)液力變矩器閉鎖控制的仿真。受限于篇幅，本文中只列出大油門開(kāi)度變化率下50%油門開(kāi)度工況的仿真曲線，分別如圖9～圖11所示。

圖9 50%油門開(kāi)度轉(zhuǎn)速和車速曲線

圖10 50%油門開(kāi)度效率和燃油消耗曲線

由圖9和圖10可知，采用本文中的分段控制策略，在發(fā)動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)速控制階段，滑差控制車速與傳統(tǒng)液力變矩器閉鎖控制工況相差很小，但在達(dá)到相同車速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速更低，因而具有更好的起步加速響應(yīng)性能。發(fā)動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)速控制避免了起步過(guò)程中的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，提高了起步平順性?；羁刂浦袀鲃?dòng)系統(tǒng)效率在進(jìn)入t2～t3階段后提高速度明顯大于傳統(tǒng)閉鎖控制工況，采用發(fā)動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)速控制和閉鎖離合器接合壓力的協(xié)同控制相比傳統(tǒng)閉鎖控制工況更早地到達(dá)耦合工況點(diǎn)，在恒轉(zhuǎn)速結(jié)束后已高于耦合工況效率。而在t1～t2階段，此時(shí)滑差率較大，傳動(dòng)系統(tǒng)效率接近純液力工況。恒轉(zhuǎn)速結(jié)束后的滑差控制起始滑差率受各油門開(kāi)度下沖擊度和發(fā)動(dòng)機(jī)扭振的影響不同，實(shí)際滑差率在此基礎(chǔ)上逐漸過(guò)渡到0.03并逐漸減小，隨著滑差率的減小，傳動(dòng)系統(tǒng)效率逐漸升高。

圖11 50%油門開(kāi)度沖擊度曲線

由圖11可知，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速前，起步滑差控制未開(kāi)始，傳統(tǒng)液力變矩器閉鎖控制沖擊度j和本文中的控制策略的沖擊度相近。在發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速后的起步過(guò)程，由于液力變矩器具有良好的減振性能，在傳統(tǒng)的液力變矩器閉鎖控制工況下，沖擊度要低于起步滑差控制工況。起步滑差控制在恒轉(zhuǎn)速結(jié)束時(shí)刻的沖擊度較大，但是針對(duì)此時(shí)刻前后滑差率進(jìn)行優(yōu)化可將沖擊度限制在(-5，+3)m/s3范圍內(nèi)，對(duì)乘坐舒適性影響不大。在恒轉(zhuǎn)速控制結(jié)束后的滑差控制階段沖擊度逐漸減小，在不同油門開(kāi)度工況下，達(dá)到目標(biāo)閉鎖車速時(shí)進(jìn)行閉鎖控制產(chǎn)生的沖擊度與傳統(tǒng)液力變矩器閉鎖控制時(shí)的沖擊度相近，被控制在(-2，+2)m/s3以內(nèi)。

起步過(guò)程中燃油消耗量Q為

式中：b為發(fā)動(dòng)機(jī)以一定轉(zhuǎn)矩Te在一定轉(zhuǎn)速ne下運(yùn)行時(shí)的燃油消耗率，b=f(Te，ne)，L/h。

采用本文中的起步滑差控制策略，在起步階段相較于傳統(tǒng)液力變矩器閉鎖控制具有更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。分別在大、小油門開(kāi)度變化率，50%油門開(kāi)度下的整車起步仿真燃油消耗對(duì)比見(jiàn)表3和表4。Qk為滑差控制燃油消耗量，Qnk為無(wú)滑差控制燃油消耗量，Qj為節(jié)省燃油消耗百分比。

表3 大油門開(kāi)度變化率閉鎖開(kāi)始時(shí)燃油消耗量_

表4 小油門開(kāi)度變化率閉鎖開(kāi)始時(shí)燃油消耗量_

閉鎖開(kāi)始時(shí)，兩組仿真具有相同的起始車速，閉鎖結(jié)束時(shí)的車速以傳統(tǒng)液力變矩器閉鎖控制工況閉鎖結(jié)束時(shí)車速作為參考。由表中數(shù)據(jù)可知，在兩種工況下，采用本文中的起步滑差控制策略相較于傳統(tǒng)液力變矩器閉鎖控制平均可降低油耗量5.385%，在保證起步加速響應(yīng)基礎(chǔ)上，具有更佳的燃油經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

(1)本文中提出了基于車輛起步的發(fā)動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)速控制的閉鎖離合器起步滑差分段控制策略，制定了閉鎖離合器在起步階段進(jìn)行滑差控制的控制方法。建立了基于AMESim和MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真的整車和控制策略驗(yàn)證平臺(tái)，并進(jìn)行了不同工況下的起步仿真分析。

(2)起步時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)速控制和閉鎖離合器接合壓力的協(xié)同控制避免了起步過(guò)程中的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，提高了起步平順性，使液力變矩器相較于傳統(tǒng)閉鎖控制提前達(dá)到耦合工況點(diǎn)。閉鎖離合器起步滑差控制較傳統(tǒng)閉鎖控制具有更高的傳動(dòng)效率。

(3)仿真結(jié)果表明，本文中的策略和方法切實(shí)可行。在50%油門開(kāi)度下，本文中提出的方法可以在提高起步響應(yīng)性的同時(shí)，平均節(jié)省油耗5.385%，實(shí)現(xiàn)了改善起步燃油經(jīng)濟(jì)性的目的，為實(shí)現(xiàn)閉鎖離合器起步滑差控制的工程應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。