工程機械換擋過程動力學(xué)建模與仿真

劉 釗,王 磊,郭儒樂(同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院,上海201804)

工程機械換擋過程動力學(xué)建模與仿真

劉 釗,王 磊,郭儒樂
(同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院,上海201804)

分析了換擋過程中各傳動部件的工作原理,建立了發(fā)動機-變矩器聯(lián)合動力學(xué)模型、整車行駛模型和變速器換擋模型,進而建立了應(yīng)用于換擋過程分析的工程機械液力機械傳動系統(tǒng)動力學(xué)模型.推導(dǎo)出工程機械換擋過程的運動方程.仿真分析了典型裝載機在換擋過程中的動力學(xué)行為.

工程機械; 換擋過程; 動力學(xué)模型

目前,工程機械變速傳動系統(tǒng)大多采用液力機械傳動.液力機械傳動系統(tǒng)主要包含發(fā)動機-變矩器、變速器、后橋和輪胎.發(fā)動機-變矩器作為復(fù)合動力輸出部件,在進行換擋過程研究時需要對發(fā)動機-變矩器進行合理、適當(dāng)?shù)暮喕?動力換擋變速器換擋時主要考慮一個離合器的結(jié)合和另一個離合器的脫開,兩個離合器的動作時序控制一直是換擋過程研究的重點與難點.以往用于工程機械換擋過程分析的動力學(xué)模型均考慮得不夠細(xì)致與直觀.

本文針對換擋過程分析建立了發(fā)動機-變矩器的動力學(xué)模型,從變速器的工作實質(zhì)出發(fā)建立了變速器的簡化模型,同時考慮后橋傳動比、輪胎與整車質(zhì)量對換擋過程的影響,建立了工程機械換擋過程動力學(xué)模型.模型將復(fù)雜的傳動系統(tǒng)合理地簡化為2自由度運動部件,并將部分部件轉(zhuǎn)速等效于變速器的輸入軸與輸出軸,可以更加直觀地分析傳動系中各部件的運動關(guān)系.充分考慮了換擋過程中離合器傳遞扭矩的不同狀態(tài),推導(dǎo)出傳動系統(tǒng)換擋過程的運動方程,進而建立了典型裝載機的換擋過程仿真模型.通過仿真分析了換擋過程中各運動部件的動力學(xué)行為.本文提出的模型可有效地用于換擋控制策略的研究.

1 換擋過程動力學(xué)模型

工程機械液力機械傳動系統(tǒng)組成如圖1所示.駕駛員控制油門信號,發(fā)動機-變矩器在一定油門開度α下產(chǎn)生動力并經(jīng)變速器和后橋傳遞至整車,牽引力克服外界負(fù)載Fr驅(qū)動整車行駛和工作.

1.1發(fā)動機-變矩器聯(lián)合動力學(xué)模型

發(fā)動機-變矩器聯(lián)合部件中運動的剛體部件被變矩器油液分隔成兩部分,如圖2所示.發(fā)動機的驅(qū)動力矩可以認(rèn)為是作用在第一個旋轉(zhuǎn)的慣性元

圖1 車輛液力機械傳動系統(tǒng)Fig.1 The hydraulic mechanical powertrainsystem in a typical wheel loader

件上的.發(fā)動機運動部件、變矩器泵輪及其附加在泵輪上的流體慣性一起近似等效為一個旋轉(zhuǎn)的慣性元件,變矩器渦輪及其附加在渦輪上的流體慣性一起近似等效為另一個旋轉(zhuǎn)的慣性元件,如圖2所示:TE為發(fā)動機曲軸傳遞的扭矩;nE為曲軸轉(zhuǎn)速;JE為發(fā)動機部件的轉(zhuǎn)動慣量;JB為變矩器泵輪轉(zhuǎn)動慣量;TM為變矩器傳動油傳遞至渦輪的扭矩;ni為變矩器渦輪軸轉(zhuǎn)速;TB為變矩器渦輪傳遞至變速器輸入軸上的扭矩;nB為變速器輸入軸轉(zhuǎn)速;nB=ni.

圖2 發(fā)動機-變矩器傳動系統(tǒng)Fig.2 Engine-converter system

圖2中虛線框中的發(fā)動機-變矩器聯(lián)合驅(qū)動的瞬態(tài)反應(yīng)一般比較快,可達(dá)到50 Hz以上.換擋過程發(fā)生在零點幾秒到幾秒之間,10 Hz及以上的動態(tài)特性對換擋過程影響較小.發(fā)動機的高頻動態(tài)響應(yīng)并不會明顯影響換擋過程,同時變矩器的油液作為柔性傳動原件,對渦輪剛體前的高頻動態(tài)響應(yīng)具有阻隔作用.發(fā)動機-變矩器聯(lián)合對渦輪旋轉(zhuǎn)慣性元件的驅(qū)動在換擋過程分析中,主要考慮變矩器流體輸出的聯(lián)合特性TM(ni,α)即可.發(fā)動機-變矩器聯(lián)合部件被簡化為如圖3所示.

圖3 發(fā)動機-變矩器動力學(xué)模型Fig.3 Engine-converter dynamic model

1.2整車行駛模型

車輛行走模型主要考慮整車質(zhì)量以及車輛行駛過程中所受外界負(fù)載影響,變速器輸出軸通過后橋與輪胎將動力傳遞至整車,整車動力學(xué)模型如圖4所示.ωout,Tout分別為變速器輸出軸轉(zhuǎn)速與扭矩;Rw為輪胎半徑;iw為后橋傳動比;m為整車質(zhì)量;Fr為車輛行走外界阻力,Fr=Fr(v,e),行走外界阻力主要由車速v與行駛環(huán)境e決定.

圖4 整車動力學(xué)模型Fig.4 The dynamic model of the driving vehicle

1.3變速器換擋模型

換擋過程通常是一個離合器結(jié)合、另一個離合器脫開的過程[1].換出擋位離合器Cex脫開、換入擋位離合器Cen結(jié)合過程中變速器具有2個自由度,變速器的動力學(xué)模型如圖5所示:Ti為變速器輸入軸傳遞扭矩;ωi為變速器輸入軸轉(zhuǎn)速;Ji為變速器輸入軸與換擋離合器之間剛性連接部件的等效轉(zhuǎn)動慣量;Tout為變速器輸出軸傳遞扭矩;ωout為變速器輸出軸轉(zhuǎn)速;Jout為換擋離合器與變速器輸出軸之間的部件的等效轉(zhuǎn)動慣量.

圖5 變速器動力學(xué)模型Fig.5 The transmission dynamic model

1.4車輛行走完整動力學(xué)模型

將以上得到的發(fā)動機-變矩器、變速器與整車行走動力學(xué)模型，按照動力傳遞路徑搭接,建立如圖6所示車輛行走完整動力學(xué)模型.

圖6 車輛完整動力學(xué)模型Fig.6 The dynamic model of the whole vehicle

圖6中：Ji為變速器輸入軸上與換擋離合器前的剛性部件的轉(zhuǎn)動慣量之和;Jo為變速器輸出軸上和后橋部件等效到變速器輸出軸上的轉(zhuǎn)動慣量之和.上述完整動力學(xué)模型可進一步簡化為如圖7所示.

圖7 換擋過程分析的動力學(xué)模型Fig.7 The dynamic model for shift analysis

圖7中：iex和ien分別是變速器換出擋位與換入擋位傳動比,升擋時iex>ien,降擋時iex

2 換擋過程運動方程

換擋系統(tǒng)共有2個自由度.當(dāng)兩個離合器均未結(jié)合時,2個自由度都可獨立運動;當(dāng)有一個離合器結(jié)合時,只有1個自由度可以獨立運動,結(jié)合的離合器傳遞扭矩由系統(tǒng)力矩平衡條件決定;在兩個離合器都結(jié)合情況下,變速器不能運動[2].按照換入、換出擋離合器狀態(tài)不同,系統(tǒng)分為3種運動狀態(tài):換出擋離合器結(jié)合、換入擋離合器打滑;換出、換入擋離合器均打滑;換出擋離合器打滑、換入擋離合器結(jié)合.

離合器打滑時傳遞扭矩由控制扭矩決定,即

Ten=Ten,psgn(ωen-ωout)

Tex=Tex,psgn(ωex-ωout)

式中:Ten,p為換入擋離合器的控制扭矩;Tex,p為換出擋離合器控制扭矩.

當(dāng)換出擋離合器與換入擋離合器都處于滑移狀態(tài)時,根據(jù)前端轉(zhuǎn)動慣量和整車質(zhì)量的動力學(xué)平衡方程，可建立系統(tǒng)的運動方程為

Ten,psgn(ωen-ωout)]iend-Fr

(1)

當(dāng)換出擋離合器結(jié)合、換入擋離合器滑移時,系統(tǒng)只有1個自由度,ωen=iex/ienωout,Tex由系統(tǒng)力矩平衡條件決定.將上述條件帶入到式(1)，可得此時的系統(tǒng)運動方程為

(2)

當(dāng)換出擋離合器滑移、換入擋離合器結(jié)合狀態(tài)時,系統(tǒng)也是1個自由度,ωex=ien/iexωout,Ten由系統(tǒng)力矩平衡條件決定.將上述條件帶入式(1)，可得此時的系統(tǒng)運動方程為

(3)

3 換擋過程動力學(xué)仿真

以下通過仿真了解在不同工況、不同控制條件下的換擋動力學(xué)過程.由于ωeniex/ien=ωout,升擋時iex>ien,因此升擋開始時ωen>ωout.升擋時換出擋離合器還沒有脫開,換入擋離合器在油壓控制下已經(jīng)傳遞扭矩,此時換入、換出擋離合器均傳遞扭矩,換擋過程存在扭矩相.升擋時換出擋離合器已經(jīng)脫開不傳遞扭矩,而換入擋離合器還沒有接入傳遞扭矩,此時換擋過程存在動力中斷.

以典型裝載機的實際參數(shù)作為仿真依據(jù).換出擋離合器油壓在脫檔時一般快速下降[3],換入擋離合器油壓一般經(jīng)過一個平穩(wěn)結(jié)合的控制過程,但是在開始時，離合器會有一個沖液過程.在沖液過程時，離合器的實際控制扭矩為0,而一旦離合器接觸,油壓會迅速上升,如圖8所示.離合器控制扭矩都是按上述控制規(guī)律進行仿真.

圖8中:Tex,p為Cex在油壓控制下所能傳遞的最大摩擦扭矩按換入擋傳動比轉(zhuǎn)換至輸出軸的等效扭矩;Ten,p為Cen在油壓控制下所能傳遞的最大摩擦扭矩按換入擋傳動比轉(zhuǎn)換至輸出軸的等效扭矩.

3.1有扭矩相情況仿真

換出擋離合器還未脫開,換入擋離合器扭矩已經(jīng)介入的有扭矩相升擋過程中,輸入、輸出端轉(zhuǎn)速和換入、換出擋離合器控制扭矩與實際傳遞扭矩仿真結(jié)果如圖9所示.

從仿真結(jié)果可以看出,換出擋離合器結(jié)合時,換入擋離合器傳遞扭矩后,由于系統(tǒng)力矩平衡,換出擋離合器傳遞扭矩會逐漸下降至傳遞負(fù)扭矩.

圖8 離合器控制油壓Fig.8 The control oil pressure in the clutches

圖9 有扭矩相升擋過程Fig.9 The gear up shift process with torque phase

當(dāng)輸出扭矩Cex保持接合、Cen打滑還未傳遞扭矩時,ωenien/iex=ωout,升擋過程換入擋轉(zhuǎn)速大于變速器輸出轉(zhuǎn)速，Tout=Tex=Friend.當(dāng)Cen在油壓控制下開始傳遞扭矩時，Ten=Ten,p,Tout=Tex+Ten,當(dāng)Ten逐漸升高時,由系統(tǒng)力矩平衡條件可知Tex開始傳遞負(fù)的摩擦扭矩.當(dāng)Cex控制油壓開始下降至0時,由于其傳遞扭矩下降速度很快,導(dǎo)致Tout瞬間上升至Tex,整車產(chǎn)生較明顯沖擊.在Cex未分離時,Cen傳遞的滑摩扭矩對升擋過程沒有幫助.只有當(dāng)Cex開始打滑、扭矩相結(jié)束時,整車與傳動系統(tǒng)才會在Cen滑摩扭矩作用下實現(xiàn)升擋.當(dāng)ωen=ωout時,Cen接合并傳遞靜摩擦扭矩,升擋過程結(jié)束.扭矩相的存在延長了換入擋離合器的滑摩時間,使離合器工作在惡劣的工況下,降低了離合器的使用壽命[4].

3.2無扭矩相情況仿真

換出擋離合器已脫開、換入擋離合器扭矩還未介入的無扭矩相升擋過程中,輸入、輸出端轉(zhuǎn)速和換入、換出擋離合器控制扭矩與實際傳遞扭矩仿真結(jié)果如圖10所示.

Cen在充滿油液后傳遞的摩擦扭矩快速上升,

圖10 無扭矩相升擋過程Fig.10 The gear up shift process without torque phase

此時Cex的控制油壓已經(jīng)下降至0,Cex不再傳遞摩擦扭矩.在Cex傳遞扭矩下降至0到Cen充油結(jié)束并開始傳遞扭矩之間,傳動系統(tǒng)有動力中斷現(xiàn)象,此時整車在外負(fù)載作用下ωout將會降低,發(fā)動機-變矩器負(fù)載降低使ωen升高.在Cen傳遞的扭矩快速升高的作用下,傳動系統(tǒng)動力中斷結(jié)束,整車與傳動系統(tǒng)在Cen滑摩扭矩作用下實現(xiàn)升擋.由于動力中斷,導(dǎo)致離合器前后轉(zhuǎn)速差變大,此時控制Cen傳遞滑動摩擦扭矩,整車將產(chǎn)生換擋沖擊,同時離合器需要更長的滑摩時間來完成換擋過程[5-6].

4 結(jié)語

換入擋離合器滑摩時一般控制在較低的扭矩范圍內(nèi),過高的控制扭矩雖然可以減少換擋滑摩時間,但是會帶來滑摩功率的瞬時增大和整車加速度的沖擊.過小的控制扭矩會延長換擋時間.

本文建立了一個適用于換擋過程分析的傳動系統(tǒng)動力學(xué)模型.通過對典型裝載機在不同控制策略下的升擋與降擋過程仿真,分析了升擋過程與降擋過程離合器控制不當(dāng)所產(chǎn)生的問題,進而得出了升擋與降擋過程的理想控制策略與控制方向.仿真結(jié)果與實車的實驗室結(jié)果吻合,提出的控制策略易于實現(xiàn)并經(jīng)過實驗驗證,確實可以有效地減小換擋沖擊,降低離合器的磨損.

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Modelingandsimulationofconstructionmachineryshiftdynamics

LIUZhao,WANGLei,GUORule
(School of Mechanical Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China)

The working principles of the parts in drive line under a shift condition are studied to build the dynamic models of engine-converter,vehicle and transmission.After that,the dynamic model of the whole hydraulic machinery powertrain system is built to make a further analysis of the shift process.The differential motion equations of the construction machinery under different shift conditions are derived.Simulation of a typical wheel loader is built to make a further research on the transmission shift behavior.

construction vehicle; shift process; dynamic model

TH 132

： A

： 1672-5581(2017)03-0195-04

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2104AA041502)

劉 釗(1958—),男,教授,博士.E-mail:liuzhao@tongji.edu.cn