傳動(dòng)系統(tǒng)液力變矩器功能控制仿真研究

朱 緯

同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 200092

本項(xiàng)研究工作旨在建立一個(gè)仿真模型，用于仿真模擬液力變矩器在傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)的功能。該模型存在的兩個(gè)部分：液力變矩器的功能模型和液力變矩器的控制模型。該仿真模型結(jié)合鎖止離合器的開閉兩個(gè)不同的工況來計(jì)算模擬的液力變矩器的工作狀態(tài)。

文章第一部分描述了液力變矩器的基本功能。第二部分描述了液力變矩器在鎖止離合器打開的工況下的功能仿真模型。第三部分描述液力變矩器在鎖止離合器閉鎖工況下的功能仿真模型。第四部分描述了液力變矩器的控制仿真模型。整個(gè)模型的建立使用MATHLAB/ Simulink軟件。

1 液力變矩器的功能描述

液力變矩器是由三個(gè)部分組成的閉環(huán)工作系統(tǒng)：液力變矩器的泵輪與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪相連被發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。液力變矩器的渦輪與變速箱渦輪軸相連。液力變矩器的導(dǎo)輪通過一個(gè)單向離合器固定連接于變速箱導(dǎo)輪軸上。 泵輪通過離心旋轉(zhuǎn)將ATF油泵入渦輪，渦輪與之對(duì)應(yīng)地通過流道轉(zhuǎn)向推動(dòng)液流并吸收了液流的能量。導(dǎo)輪通過必要的扭矩反饋將渦輪輸出的液流流向重新定向，使之進(jìn)入泵輪流道。這形成了一個(gè)持續(xù)完整的閉環(huán)。當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速上升，變矩器內(nèi)部的流場會(huì)逐步形成液流的耦合狀態(tài)。接近耦合的過程中，作用在導(dǎo)輪上的力會(huì)逐步減小并最終在液流耦合點(diǎn)達(dá)到0。液力變矩器中液流的耦合通常總是伴隨著泵輪與渦輪一定的滑差。滑差的存在伴隨著動(dòng)力的損失以及總效率的降低。伴隨著鎖止離合器的閉鎖作用的介入，當(dāng)渦輪和泵輪的工作達(dá)到耦合時(shí)，滑差影響可以去除，使得液力變矩器的效率達(dá)到100%。

圖1表述了液力變矩器的功能示意圖。液力變矩器的泵輪連接發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸。同時(shí)變速箱中的油泵也由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸通過驅(qū)動(dòng)鏈驅(qū)動(dòng)。油泵為液力變矩器的鎖止離合器提供油壓。液力變矩器的渦輪與變速箱的渦輪軸相連。液力變矩器的工作中有2種鎖止離合器的工況：鎖止離合器打開和閉鎖。

2 液力變矩器在鎖止離合器打開的工況下的功能仿真模型

當(dāng)鎖止離合器打開的時(shí)候，作用在液力變矩器中的扭矩關(guān)系可以在圖1和圖2中描述。公式如下：

扭矩TTCpump和TTCturbine由下列公式計(jì)算，形成扭矩T[Nm]轉(zhuǎn)速ω[rad/s]的關(guān)系特性：

λTC[-]=液力變矩器的功率因子

ρoil[kg/m3]=油的密度

dTC[m]=液力變矩器流場的直徑

μTC[-]=液力變矩器的增扭系數(shù)

液力變矩器的功率因子和增扭系數(shù)都與液力變矩器的速比vTC[-]對(duì)應(yīng):

特別要注意的是，在液力變矩器的實(shí)際使用中，有一些增益因子是需要考慮的。所以，很多液力變矩器設(shè)計(jì)商使用以下計(jì)算公式:

圖1 液力變矩器的功能示意圖

圖2 在鎖止離合器打開工況下的液力變矩器扭矩

圖3 在鎖止離合器打開工況下的TTC和JTC_sum

Cf[10-6kg·m/rpm2]=液力變矩器的容能系數(shù)

g [m/s2]=重力加速度

t [-]=放大因子(液力變矩器的增扭系數(shù))=μTC

e [-]=液力變矩器的速比=vTC

在鎖止離合器打開工況下，作用在鎖止離合器上的實(shí)際扭矩和最大可能扭矩可以由如下公式計(jì)算：

μsliding_Tclockup[-]=(實(shí)際)液力變矩器鎖止離合器滑動(dòng)摩擦系數(shù)

μstiction_Tclockup[-]=鎖止離合器靜摩擦系數(shù)

ρTClockup[Pa]=(當(dāng)前) 鎖止離合器油壓

ATClockup[m2]=鎖止離合器有效壓盤面積

rm_Tclockup[m]=鎖止離合器的摩擦片有效半徑

zTClockup[-]=鎖止離合器的摩擦片數(shù)量

這里選用滑動(dòng)摩擦力和靜摩擦力的區(qū)別在于滑動(dòng)摩擦系數(shù)是不隨速度變化而變化。

圖3描述了在鎖止離合器打開工況下TC的扭矩TTC和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JTC_sum的確定，可如下計(jì)算：

3 液力變矩器在鎖止離合器閉鎖工況下的功能仿真模型

當(dāng)鎖止離合器閉鎖的時(shí)候，作用在液力變矩器中的扭矩可以在圖4和圖5中描述。公式如下：

圖5描述了在鎖止離合器閉鎖工況下TC的扭矩TTC和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JTC_sum的確定，可如下計(jì)算：

表1總結(jié)了兩種閉鎖離合器工況下的液力變矩器狀態(tài)：

鎖止離合器的狀態(tài)由下面的邏輯運(yùn)算所確定(19) (20) 。邏輯表2決定了表3中的鎖止離合器狀態(tài)。

圖4 在鎖止離合器閉鎖工況下的液力變矩器扭矩

圖5 在鎖止離合器閉鎖工況下TTC和 JTC_sum

表1 液力變矩器狀態(tài)總結(jié)

表2 鎖止離合器狀態(tài)邏輯表

表3 鎖止離合器狀態(tài)

4 液力變矩器的控制仿真模型

在液力變矩器的控制仿真模型中，在液力控制部分，出于簡化模型的考慮，油壓的大小并沒有和變速箱中的油泵的工作相關(guān)聯(lián)，這與實(shí)際情況有一定出入。

液力變矩器鎖止離合器的閉鎖油壓取決于控制油路壓力的電磁閥的控制電流ITClockup:

電磁閥的控制電流ITClockup由控制液力變矩器的電控模塊決定。

在之前的液力變矩器的功能仿真模型部分已經(jīng)介紹過，由于鎖止離合器閉鎖的作用，當(dāng)泵輪和渦輪處于耦合工況時(shí)，兩者的滑差可以去除。當(dāng)車速上升達(dá)到一定速度諸如20[km/h]時(shí)，電控單元會(huì)通過電流發(fā)出指令給電磁閥要求鎖止離合器閉鎖。當(dāng)鎖止離合器閉鎖時(shí)，液力變矩器的銷量達(dá)到100%。當(dāng)鎖止離合器閉鎖，并且車速下降到一定速度諸如15[km/h]時(shí)，電控單元會(huì)通過發(fā)出指令給電磁閥要求鎖止離合器打開。

鎖止離合器開閉控制的設(shè)計(jì)是集合在變速箱控制單元TCU內(nèi)部的。此仿真模型模擬了4種鎖止離合器油壓控制狀態(tài)，見表4:

表4 鎖止離合器油壓目標(biāo)狀態(tài)status_Luc_n

鎖止離合器目標(biāo)油壓pTClockup_desired由電流ITClockup計(jì)算得到。它與公式(21)中的pTClockup值相同。

5 總結(jié)和展望

該論文研究的目的在于建議液力變矩器傳動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算仿真模型，有助于對(duì)于液力變矩器的選型及功率研究提供一定參考意義。同時(shí)該研究還可以擴(kuò)展到整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的集成仿真。

[1]Dynamik der Kraftfahrzeuge，4 edition. Manfred Mitschke Henning Wallentowitz

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