推土機(jī)閉鎖式液力變矩器與閉鎖控制研究

孫守猛

【摘 要】近些年來，隨著全球不可再生資源的日益枯竭，許多發(fā)達(dá)國家都在大力發(fā)展節(jié)能環(huán)保技術(shù)。裝載機(jī)作為工程機(jī)械的主要機(jī)型之一，也開始逐漸應(yīng)用閉鎖式液力變矩器，并配合相應(yīng)的閉鎖控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。這種技術(shù)不僅保留了普通液力變矩器能使車輛起步平穩(wěn)、換擋平順、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，而且解決了其傳動(dòng)效率低的問題。

【關(guān)鍵詞】裝載機(jī)；閉鎖控制；SIMULINK；閉鎖式液力變矩器

一、液力變矩器閉鎖的由來

液力變矩（Hydraulic Torque Converter簡稱TC）是通過工作輪葉片的相互作用，引起機(jī)械能與液體能的相互轉(zhuǎn)換來傳遞動(dòng)力，通過液體動(dòng)量矩的變化來改變轉(zhuǎn)矩的傳動(dòng)元件，具有無級(jí)連續(xù)改變轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的能力，對(duì)外負(fù)載有良好的自動(dòng)調(diào)節(jié)和適應(yīng)性。它在車輛上的應(yīng)用，極大地簡化了車輛的操縱，使其起步平穩(wěn)、加速迅速、柔和。同時(shí)，由于用液體來傳遞動(dòng)力，進(jìn)一步降低了尖峰載荷和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，延長了動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的使用壽命，提高了乘坐舒適性和車輛平均行駛速度以及安全性和通過性。

雖然液力變矩器的性能優(yōu)越，但最大的缺點(diǎn)是效率低。為了提高效率，人們采取了許多方法，起初一般是通過改變變矩器的結(jié)構(gòu)或增加導(dǎo)輪和渦輪數(shù)目來擴(kuò)大高效區(qū)，但其結(jié)構(gòu)太復(fù)雜。1953年有了閉鎖式液力變矩器的專利，而且也生產(chǎn)出了帶閉鎖的液力變矩器，它可大大提高在高速比情況下的傳遞效率，功率利用好，但由于它增加了成本，而且當(dāng)時(shí)的油價(jià)便宜，并沒有引起人們的注意也就沒有被采用，直到1967年能源危機(jī)時(shí)，才使人們對(duì)它又產(chǎn)生了興趣。

二、液力變矩器的閉鎖條件

對(duì)于不同的變速器液力變矩器的閉鎖時(shí)機(jī)不同。閉鎖點(diǎn)的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來決定，或者設(shè)定在它們中間。早期的閉鎖式液力變矩器，由于沒有采用電子控制技術(shù)，閉鎖時(shí)機(jī)的選擇可考慮的因素很少，一般只是在高轉(zhuǎn)速比的情況下閉鎖，限制了它的充分利用，后來電子控制技術(shù)的應(yīng)用極大地?cái)U(kuò)大了閉鎖范圍，綜合考慮各種因素，在不同條件下設(shè)不同的閉鎖時(shí)機(jī)，一般情況下，應(yīng)遵循下面的閉鎖條件：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)完全暖機(jī)，足以承受各種工作載荷且不至于熄火，在此情況下才允許閉鎖；

（2）車速應(yīng)比較高，足以保證能夠平穩(wěn)地傳遞動(dòng)力而不至于發(fā)生明顯的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力波動(dòng)和爆燃；

（3）只有在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車速，或者是泵輪和渦輪的轉(zhuǎn)速情況可以保證閉鎖后不會(huì)造成明顯的沖擊和抖振時(shí)，才可以使閉鎖離合器接合；

（4）在需要液力變矩器產(chǎn)生增扭作用以更快地加速時(shí)，必須解除閉鎖；

（5）因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)油門關(guān)閉減速期間若閉鎖，將增加排氣污染和油耗，所以此時(shí)減速時(shí)應(yīng)解鎖；

（6）制動(dòng)時(shí)若保持閉鎖，則可能損壞發(fā)動(dòng)機(jī)，此時(shí)必須解鎖；

（7）對(duì)于自動(dòng)變速器，換檔時(shí)暫時(shí)解除閉鎖，可以使動(dòng)力傳遞更加平穩(wěn)，換檔平順。

三、閉鎖控制的方式

液力變矩器的閉鎖控制有許多種方式，有液壓閉鎖式、離心閉鎖式、粘性閉鎖式等，最常用的是液壓閉鎖式。液壓閉鎖式液力變矩器是利用液壓系統(tǒng)中的壓力來使閉鎖離合器結(jié)合，從而是渦輪和泵輪閉鎖在一起，提高動(dòng)力傳遞效率。液壓閉鎖式又可根據(jù)控制方式不同分為純液壓式閉鎖和電液閉鎖兩種，前一種用滑動(dòng)柱塞閥提供油壓來控制，后一種采用電磁閥來控制閉鎖油壓，目前，幾乎所有的自動(dòng)變速器都通過使用一個(gè)電子控制系統(tǒng)來控制液力變矩器閉鎖離合器電磁閥的通斷，以此來控制閉鎖油壓。

早期的液力變矩器閉鎖離合器多為利用開關(guān)式電磁閥來控制，要么閉鎖，要么斷開。由于液力變矩器的閉鎖對(duì)提高燃油經(jīng)濟(jì)性很有效，所以其閉鎖范圍在不斷擴(kuò)大。但另一方面，由于完全閉鎖實(shí)際上相當(dāng)于機(jī)械連接，失去了其吸收振動(dòng)和沖擊的作用，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的壽命和乘座舒適性都有很大影響；而且如果在較低的速比下閉鎖，泵輪與渦輪的轉(zhuǎn)速差很大，引起車輛快速制動(dòng)，極有可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。現(xiàn)在逐漸采用了脈沖式電磁閥，對(duì)閉鎖離合器采用閉環(huán)滑轉(zhuǎn)控制的方式，極大地提高了變矩器的效率，同時(shí)也改善了車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。

四、閉鎖控制的實(shí)現(xiàn)

（一）開關(guān)式閉鎖控制

對(duì)于開關(guān)式閉鎖的實(shí)現(xiàn)相對(duì)要簡單些，在需要閉鎖時(shí)，接通閉鎖電磁閥，向閉鎖離合器供油壓，完成閉鎖功能；需要解鎖時(shí)，斷開電磁閥的電流就可完成。

開關(guān)式閉鎖控制是一種開環(huán)控制系統(tǒng)，閉鎖離合器的閉鎖程度并沒有把信號(hào)反饋給控制單元，為了在各種條件下該系統(tǒng)都能正常工作，勢(shì)必需要提供足夠高的閉鎖油壓，從節(jié)約能源方面考慮顯然是不利的。

（二）滑轉(zhuǎn)式閉鎖控制

在滑轉(zhuǎn)閉鎖控制中！動(dòng)力的傳遞實(shí)際上是通過變矩器（液力傳動(dòng)）和閉鎖離合器（機(jī)械傳動(dòng)）相結(jié)合的方式來傳遞的，滑轉(zhuǎn)速度是閉鎖離合器主動(dòng)盤與被動(dòng)盤轉(zhuǎn)速的差，它決定了動(dòng)力傳遞的分配比例，因此，可以根據(jù)控制滑轉(zhuǎn)速度的大小來決定此比例的大小，從而使平衡閉鎖與解鎖之間存在矛盾。

固定車速下！功率傳遞分布.傳遞效率及傳遞轉(zhuǎn)矩波動(dòng)與滑轉(zhuǎn)速度的關(guān)系。動(dòng)力的機(jī)械傳遞與液力傳遞的比例與滑轉(zhuǎn)速度有關(guān)，通過調(diào)節(jié)滑轉(zhuǎn)速度就可以調(diào)節(jié)此比例值，使其滿足實(shí)際需要；其傳遞效率自然也在機(jī)械傳動(dòng)與完全液力傳動(dòng)之間；由于滑轉(zhuǎn)速度的存在，使轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)大大減小，直至消失。

滑轉(zhuǎn)速度由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和渦輪轉(zhuǎn)速之差決定，所以在滑轉(zhuǎn)閉鎖控制系統(tǒng)中至少需要設(shè)置兩個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器，實(shí)際應(yīng)用中多采用兩個(gè)磁電式轉(zhuǎn)速傳感器來得到這兩個(gè)信號(hào)。車速信號(hào).油門開度信號(hào).制動(dòng)信號(hào).換檔信號(hào).以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和渦輪轉(zhuǎn)速等信號(hào)都被輸入到電子控制單元（ECU）經(jīng)過電子控制單元處理后！輸出相應(yīng)的PWM信號(hào)到線性電磁閥，同時(shí)也有反饋信號(hào)進(jìn)入ECU，以調(diào)整線性電磁閥的工作狀態(tài)。

當(dāng)進(jìn)入滑轉(zhuǎn)閉鎖控制區(qū)后，根據(jù)車輛駕駛條件確定目標(biāo)滑轉(zhuǎn)速度，此目標(biāo)值應(yīng)使動(dòng)力傳遞分配最合理。而實(shí)際的滑轉(zhuǎn)速度可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和渦輪轉(zhuǎn)速計(jì)算得出，目標(biāo)值與實(shí)際值的偏差作為反饋控制器的輸入，并以此來決定輸出控制線性電磁閥的PWM信號(hào)占空比的大小。

五、結(jié)語

為了設(shè)計(jì)合理的反饋控制器，首先應(yīng)建立合理的物理模型，但由于影響建立物理模型的因素很多，比如變速器油和閉鎖離合器襯片材料等都會(huì)影響閉鎖過程；另外，由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷決定的離合器接合力的變化，以及離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的非線性特性等都是影響因素，要確定合理的物理模型并不容易，而經(jīng)過實(shí)驗(yàn)辨識(shí)的模型又嚴(yán)重依賴于實(shí)驗(yàn)條件，為了提高控制性能，對(duì)閉鎖控制采用模糊控制和H∞控制理論是一種解決方法。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張廣輝.推土機(jī)閉鎖式液力變矩器與閉鎖控制研究[D].長安大學(xué)，2015.