基于Simulink/Cruise的6AT液力變矩器閉鎖性能聯合仿真

摘要：根據液力變矩器的工作原理及閉鎖條件，制定液力變矩器控制策略。利用Simulink 建立液力變矩器控制模型，并利用 Cruise和Simulink進行聯合仿真，驗證控制策略的可行性。仿真結果表明，液力變矩器控制模型正確，閉鎖離合器能夠準確按照閉鎖條件閉鎖，并且可以顯著改善車輛的燃油經濟性和排放性能。本文的研究可以為液力變矩器的閉鎖研究提供一定的理論依據。

關鍵詞：液力變矩器；Simulink ；Cruise；聯合仿真

中圖分類號：U463.2 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）06-0009-06

Joint Simulation Based on Simulink/Cruise of 6AT’s Hydraulic

Torque Converter's Locking Performance

DING Mei-ling1，HU Fu-jian2

（1. Hefei changhe automobile Co.，LTD，Hefei 230009，China；

2. School of Machinery and automobile engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

Abstract：According to working principles and locking conditions of hydraulic torque converter，control strategy of hydraulic torque converter equipped in 6AT is formulate. The control model of hydraulic torque converter is established by using Simulink. In order to verify the feasibility of control strategy，joint simulation was done by using Cruise and Simulink. The result of the simulation shows that the hydraulic torque converter control model is correct. The locking clutch can work in accordance with the locking conditions and also improve vehicle fuel economy and emission performance significantly. The research can provide a reference for the research of the hydraulic torque converter's locking rules.

Key words：hydraulic torque converter；simulink；cruise；joint simulation

液力變矩器是有級的液力機械式自動變速器不可缺少的組成部分，是將動力從發動機傳到變速器的主要部件［1］。液力變矩器五個主要功能如下［2，3］：

（1）起到離合器的作用，將發動機輸出動力傳遞給自動變速器輸入軸；

（2）在一定范圍內無級的變扭變速，可以增大發動機的轉矩；

（3）在一定條件下閉鎖，把發動機的動力直接傳給變速器，從而提高燃油經濟性；

（4）以液體為傳動介質，可以起到飛輪的作用，使發動機運轉更加平穩；

（5）在一定條件下，起到發動機制動的作用。

本文針對液力變矩器的閉鎖規律進行研究，利用Matlab/Simulink建立液力變矩器閉鎖控制模型，利用Cruise建立整車模型并進行聯合仿真，對液力變矩器的閉鎖控制規律的可行性進行驗證。

1 液力變矩器閉鎖控制規律

液力變矩器的閉鎖控制，對于不同的變矩器種類有所不同。總體來說，液力變矩器閉鎖控制的好壞直接影響車輛的行駛平順性和燃油經濟性。常用的液力變矩器閉鎖控制規律有單參數和雙參數［4，5］。

1.1 單參數

（1）車速或擋位。這種控制方案可以避免車輛在低擋、低速范圍內頻繁閉鎖，減少離合器閉鎖產生的沖擊和磨損。

（2）渦輪轉速。早期的離心式鎖止離合器控制，渦輪轉速越高，鎖止效果越好。

1.2 雙參數

（1）速比。這種控制方案實質就是基于泵輪轉速和渦輪轉速的雙參數控制。

（2）渦輪轉速和油門開度。不同油門開度閉鎖時，渦輪轉速不同，大油門時，渦輪轉速高，閉鎖時機推遲；小油門開度時則相反。采用這種控制方案，可以在不同油門開度下獲得合理的閉鎖點。

（3）車速和油門開度控制。這種控制方法和前種方案類似，區別是在一定的油門開度下，只有車速達到一定值，液力變矩器才會閉鎖。

1.3 本文的控制方法

本文采用的控制方法是多參數的控制，主要控制參數有車速、擋位、制動信號、發動機冷卻油溫和油門開度。各個參數對液力變矩器的影響如下［3，6］：

（1）車速和擋位是保證車輛在高擋高速時閉鎖，防止車輛在低擋低速情況下頻繁閉鎖，從而造成不必要的沖擊和磨損，影響乘坐的舒適性和液力變矩器的使用壽命。

（2）汽車制動時，發動機轉矩會急劇增加，引起壓盤摩擦材料和殼體內端面嚴重打滑。頻繁打滑會嚴重影響鎖止離合器的使用壽命，而且油溫上升，磨粒的增加也會影響自動變速器液壓油的使用。

（3）變矩器鎖止離合器作用時，液力變矩和耦合作用失效，葉輪間的介質“剪切”不存在，油溫迅速下降，從而引起發動機冷卻液溫度下降，過低的冷卻液溫度會影響發動機的正常使用，因此鎖止離合器作用前，必須檢測發動機的冷卻液溫度。

（4）液力變矩器閉鎖時能夠提高傳動系統效率，但是不恰當的閉鎖也會給傳動系造成一定沖擊，所以在小油門開度下不適宜閉鎖。

根據以上所述，本文對液力變矩器閉鎖控制提出以下四點要求：

（1）汽車處在高速（50 km/h）或者3擋以上的擋位，液力變矩器允許閉鎖。

（2）汽車的車輪制動器出于非工作狀態，液力變矩器允許閉鎖。

（3）發動機的冷卻液溫度不低于規定值（通常為50～60），液力變矩器允許閉鎖。

（4）油門開度不小于10%，液力變矩器允許閉鎖。

2 液力變矩器控制模型

本文建立液力變矩器控制模型的目的是和Cruise建立的整車模型進行聯合仿真，具體以Matlab/Simulink所建立液力變矩器的控制模型代替Cruise整車模型中的液力變矩器模塊。所建立的液力變矩器控制模型包括液力變矩器機械模型、閉鎖控制模型以及轉矩輸出模型三個基本模型。由于Cruise建立的整車模型中沒有發動機冷卻油溫信號，所以發動機冷卻油溫信號用信號發生器來模擬，其他的輸入信號均來自Cruise建立的整車模型。液力變矩器控制模型如圖1所示。

2.1 液力變矩器機械模型

2.1.1 液力變矩器原始特性圖

液力變矩器的性能由泵輪扭矩系數、變矩比和效率三條曲線表示［2，6］，圖2給出了液力變矩器的原始特性圖。由圖可知在低速比下，液力傳動系統可獲得較大的變矩比，隨著速比的增加，變矩比減小；達到速比為1的偶合器工況時，變矩比為0；液力變矩器不能繼續傳遞能量及轉矩。在低速比時，液力變矩器效率低，隨著速比增加，傳遞效率增加，在某一速比下達到最大效率值，當速比再增加時，效率下降直至為0。泵輪扭矩系數表征了泵輪傳遞發動機轉矩的能力，不同系列液力變矩器的泵輪扭矩系數曲線形狀各不相同。

2.1.2 液力變矩器機械模型

建立液力變矩器機械模型如圖3所示，其中變速器輸入轉速（渦輪轉速）、發動機轉速（泵輪轉速）和發動機轉矩（泵輪轉矩）信號從建立的Cruise整車模型獲取。通過發動機轉速和變矩器輸入轉速可計算得到液力變矩器速比，根據表1給出的液力變矩器速比、變矩比和效率創建二維look-up表，根據計算所得的液力變矩器速比，在look-up表中查出對應的變矩比和效率，從而進一步計算液力變矩器的渦輪輸出轉矩。

2.2 閉鎖控制模型

對液力變矩器進行閉鎖控制，可以明顯改善車輛的燃油經濟性和排放性能。本文利用制動、發動機冷卻油溫、車速、擋位和油門開度等信號建立閉鎖控制模型如圖4所示。首先判斷制動信號、發動冷卻油溫和油門開度是否滿足上文提出的閉鎖控制要求，如果滿足則觸發閉鎖子模塊，閉鎖子模塊以擋位和車速作為輸入參數，利用Stateflow建立邏輯模型，當擋位大于3擋或者車速大于50 km/h時，閉鎖模塊向執行結構發出閉鎖信號，液力變矩器閉鎖；在此為了避免由于速度波動而引起的頻繁換擋，當車速低于40 km/h時，才發出解鎖信號，液力變矩器解鎖。同時還設置了延遲，只有條件在5個仿真步長內始終為真，才執行相應的動作。

2.3 轉矩輸出模型

建立轉矩輸出模型如圖5所示。輸出轉矩模型主要檢測閉鎖信號，如果閉鎖信號為1則由液力變矩器機械模型中輸出的理論渦輪轉矩不能輸出，因為此時液力變矩器已經處于閉鎖狀態，液力變矩器輸出轉矩應該等于發動機輸出轉矩。

3 Simulink與Cruise聯合仿真

3.1 Simulink與Cruise的連接

Cruise中提供了兩種方法，可以將Simulink與Cruise進行無縫連接。

方法一，利用Cruise中提供的DLL模塊將建立的模型與Cruise進行連接，首先將建立的模型利用RTW模塊轉化成C代碼，再利用VC++將C代碼建立成動態連接庫，即DLL文件，最后將所建立的DLL文件加載到Cruise中的DLL模塊中即可；

方法二，利用Cruise中提供的API模塊將建立的模型與Cruise進行連接。后者與前者相比，只要將建立的Simulink模型直接加載到Cruise中的API模塊中即可。所以本文中利用Cruise中提供的API模塊將建立的模型與Cruise進行連接。

3.2 聯合仿真模型

Cruise建立的整車模型，主要部件有車輪、制動器、發動機、變速器、駕駛室、液力變矩器、分動器，控制組件主要是換擋控制模塊，其中各種參數都按照試驗車輛實際技術參數進行設置。Cruise軟件建立的整車模型是按照實際車輛的機械和電氣連接將各組件連接起來，通過對各模塊相關參數進行設置可以模擬實際車輛的運行狀態。

本文利用Cruise和Simulink進行聯合仿真［7，8，9］，利用API模塊將液力變矩器控制模型加載到Cruise的整車模型中，代替原有的液力變矩器模型，由于API模塊無法建立機械連接，所以在發動機輸出端和變速器輸入端使用Flange模塊即扭矩控制模塊，來實現液力變矩器與整車的機械連接，把Flange17的輸出扭矩作為API的輸入轉矩，再將API的輸出轉矩輸入給Flange18作為變速器的輸入轉矩。其中API中的輸入控制信號可從與Cruise中相關部件通過電氣連接獲取。本文所建立的聯合模型如圖6所示。

3.3 聯合仿真結果

試驗車輛基本參數如表2所示：

本次試驗利用Cruise建立的整車模型來模擬實際車輛的行駛環境，并且利用Simulink建立的液力變矩器控制模型，代替原來Cruise中簡單的液力變矩器模塊，實現對液力變矩器的閉鎖控制。建立液力變矩器控制聯合仿真模型如圖6所示，實驗中利用UDDS工況進行仿真，檢測液力變矩器控制模型的可行性，仿真結果如圖7所示。

圖7中給出的仿真過程中制動踏板信號、油門開度信號、發動機冷卻油溫、車速以及閉鎖信號的變化情況。其中閉鎖信號為0，表示閉鎖離合器不閉鎖，液力變矩器為機械傳動；閉鎖信號為1，表示閉鎖離合器閉鎖，液力變矩器為機械連接。

由仿真結果可以得出，當車輛的運行狀態滿足上文所述的閉鎖要求時，液力變矩器才允許閉鎖，并且由于在Stateflow中設置閉鎖延遲，可以保證液力變矩器不會發生頻繁的解鎖和閉鎖。由第2次閉鎖為例，運行到210 s左右，無制動信號、油門大于10%、發動機冷卻油溫50 ℃、擋位4擋、車速76 km/h，符合閉鎖條件，閉鎖離合器閉鎖；第2次解鎖，運行到290 s左右，雖然擋位、車速、發動機冷卻油溫、制動踏板開度等均滿足閉鎖條件，但是油門開度低于下限值，為了防止鎖止離合器閉鎖時產生不必要的沖擊，所以閉鎖離合器解鎖。

4 結束語

本文利用Simulink/Cruise建立液力變矩器控制模型，并進行聯合仿真。利用UDDS工況進行仿真試驗，驗證建立的液力變矩器控制模型符合制定的閉鎖控制策略。在液力變矩器達到閉鎖條件時，閉鎖離合器閉鎖，形成機械連接，動力直接經發動機傳遞給變速器，這樣可以提高液力變矩器的工作效率，充分發揮液力變矩器的動力性，提高燃油經濟性。

參考文獻：

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