商用車液力自動變速器建模及性能優化

摘要：通過Matlab/Simulink建立重型商用車液力自動變速器的系統模型及控制策略模型，同時建立發動機模型及整車動力學模型，并根據車輛的實際參數進行模型參數化。建立PI控制器模型實現車輛模型對輸入工況路譜的跟隨功能。通過模型仿真分析重型液力自動變速器系統的控制策略，根據仿真結果及整車設定的性能指標對變速器的控制策略進行優化，以達到變速器與發動機及整車的匹配優化。

關鍵詞：液力自動變速器；控制策略；Simulink/Stateflow；仿真分析

液力自動變速器是目前商用車中應用較為廣泛的自動變速器之一，主要由液力變矩器、行星排及液壓系統組成。電控系統控制離合器的結合和釋放實現行星排機構不同的組合方式，實現車輛行駛過程中的變速和變矩。液力自動變速器具有變速穩定、換擋平穩，能夠有效提高車輛的乘坐舒適性及可靠性；其不足之處在于結構復雜、傳遞效率低、油耗高。因此對匹配液力自動變速器的車輛來說動力性和經濟性指標顯得尤為重要。

近年來汽車保有量逐年增加，汽車尾氣排放及對石油的過度消耗所引發的環境、能源問題日益嚴重，對于傳統動力的車輛來說如何有效地控制汽車尾氣排放仍然非常重要。因此，如何優化變速器的控制策略，使發動機盡大可能地工作在高效區域降低燃油消耗、降低排放顯得尤為重要。

本文以理論分析、模型仿真相結合的方法，搭建了發動機、液力自動變速器及整車動力學模型進行，并通過仿真結果闡述如何根據整車參數、指標來進行控制策略的優化。

整車系統模型搭建

本文以搭載一款6速液力自動變速器的重型車輛為例，對其結構進行分析簡化，并進行系統建模及仿真分析。所選車輛的結構示意如圖1所示，主要包含發動機、液力自動變速器、主減速器及輪胎等部件。

1.發動機模型建立

傳統動力發動機的工作原理是利用燃料（汽油、柴油）在氣缸內燃燒產生的熱能，通過氣體受熱膨脹推動活塞移動，再經過連桿傳遞到曲軸使其旋轉做功。為完成這一過程，需要發動機中的各個系統在電控單元的控制下精密配合以達到最佳的性能。

發動機系統的模型涉及進排氣、噴油、點火及燃料的燃燒做功等過程，若采用正向建模則建模非常復雜。因此，本文從實際工程角度出發，根據發動機的臺架數據進行發動機系統的模型建立。

發動機的特性可以通過3張特性圖來體現：

1）發動機扭矩圖，即不同節氣門不同發動機轉速時對應的發動機扭矩圖，如圖2所示。

2）發動機功率圖，即不同節氣門不同發動機轉速時對應的發動機功率圖。

3）同時還需要發動機的萬有特性圖，即不同發動機轉速及發動機扭矩時對應的燃油消耗率曲線等信息，如圖3所示。

依據上述提到的發動機特性圖，對發動機系統建立查表模型，如圖4所示。發動機系統通過當前的節氣門踏板和轉速信息輸出當前時刻的扭矩，傳遞到傳動系用來驅動車輛，同時通過轉速和扭矩信息輸出當前時刻的功率和燃油效率信息，用于分析計算。

2.液力自動變速器系統建模

液力自動變速器主要構成包含液力變矩器、行星齒輪組、液壓系統以及電控單元。本文從液力自動變速器的系統控制及動態建模的角度介紹液力變矩器、閉鎖離合器、行星齒輪組及離合器制動器的建模過程。液力自動變速器結構簡圖如圖5所示，由圖可見此6速自動變速器由三組行星排、2組旋轉離合器、3組制動器組成。

液力自動變速器根據當前工況條件在電控單元的控制下執行不同的離合器組合實現6個前進位和一個倒擋，擋位的離合器分配見表1。

（1）液力變矩器建模 液力變矩器借助于液體的高速運動來傳遞功率，具有無級變速和變扭的功能，主要由泵輪、渦輪、導輪及閉鎖離合器組成。

液力變矩器作為動力傳遞部件，與之相關的四個參數分別是泵輪扭矩Tp、泵輪轉速Np、渦輪扭矩Tt和渦輪轉速Nt，四個變量中的兩個變量已知，則可以通過如下公式求得另外兩個變量。

液力變矩器的特性可以通過如下關參數表示：

變矩器速比n

n=Nt/Np" " " " " " " " " " " " " " " " （1）

變矩器扭矩比t

（2）

變矩能容系數K

（3）

變矩器效率E

E=nt" " " " " " " " " " " " " " " " " "（4）

此款變速器匹配的液力變矩器特性曲線如圖6所示。通過液力變矩器特性曲線建立液力變矩器的查表模型，根據當前時刻泵輪轉速和渦輪轉速得到變矩器速比，從而得到對應的渦輪扭矩及效率，實現其無級變速和變扭功能，同時當液力變矩器達到耦合狀態時進行閉鎖控制。

（2）行星輪系建模 液力自動變速器的機械結構主要由行星齒輪組構成，單個行星排由四部分組成：太陽輪、行星輪、行星架和齒圈。

行星排各部件之間的轉速、扭矩關系滿足如下公式

ωsS+ωrR=ωc（R+S）" " " " " " " " " "（5）

Ts+Tr-Tc=0" " " " " " " " " " " " " " （6）

TrS=TsR" " " " " " " " " " " " " " " " （7）

式中 Ts——太陽輪扭矩；

Tc——行星架扭矩；

Tr——齒圈扭矩；

ωs——太陽輪角速度；

ωr——齒圈角速度；

ωc——行星架角速度；

R——齒圈齒數；

S——太陽輪齒數；

C——行星架齒數。

本文根據以上公式對單個行星排進行建模，并通過離合器和制動器進行了連接和固定體現液力自動變速器的實際結構。

（3）離合器系統建模 電控單元控制離合器的結合和分離控制實現變速器擋位的切換，因此離合器的建模對變速器換擋質量有著至關重要的作用。

離合器傳遞扭矩的特性按照下式進行離合器扭矩的計算

A=NπR2" " " " " " " " " " " " " " " "（8）

（9）

離合器處于結合過程中時傳遞的扭矩計算公式

（10）

離合器處于剛開始滑摩時傳遞的扭矩計算公式

ωtol" " " " " "（11）

離合器完全結合狀態時傳遞的扭矩等于輸入扭矩。

式中 Tclutch——離合器傳遞的扭矩；

Tin——輸入扭矩；

Tout——輸出扭矩；

R——有效半徑；

A——摩擦盤有效面積；

P——離合器壓力；

N——摩擦片數量；

μk——摩擦系數；

ωin——主動盤角速度；

ωout——從動盤角速度；

ω——主從動盤角速度差的絕對值；

ωtol——角速度公差。

三組行星排及離合器的系統模型如圖7所示。

（4）變速器控制系統模型 本文主要目的是為了驗證和優化變速器與發動機及整車匹配的性能，因此變速性控制系統模型僅體現變速表。變速器接收到轉速和節氣門信號后根據內置變速表進行擋位切換實現變速和變扭，控制系統模型如圖8所示。

3.整車動力學建模

整車動力學建模，按照車輛參數及整車動力學公式，進行車輛動力學建模，車輛動力學模型如圖9所示。

Ttqigi0ηT/r=mgf+（CDAV2/21.15）+ma+mgslope（12）

式中 Ttq——電動機驅動扭矩（N·m）；

ig——變速器傳動比；

i0——主減速器速比；

r——輪胎滾動半徑（m）；

ηT——傳動效率；

f——滾阻系數；

CD——風阻系數；

m——整合質量；

A——車輛迎風面積（m2）；

V——車速（km/h）；

a——加速度；

slope——坡度。

控制系統仿真及其優化

1.系統仿真

按照前文的建模分析過程，最終的整車仿真模型如圖10所示。模型包含駕駛工況路譜輸入、通過PI控制器輸出節氣門和剎車的駕駛員模型、發動機模型、液力變矩器模型、自動變速器模型和整車動力學模型。

將工況路譜或現場數據導入模型后，進行仿真，通過仿真結果可以分析出發動機的轉速和扭矩區間，從而分析整車的動力性和經濟性，仿真結果如圖11所示。

2.控制策略調整優化

根據仿真結果分析發動機的工作區間，可根據發動機特性圖及圖12進行變速器控制策略的優化即調整控制策略或調整換擋點。

變速器控制策略優化，根據發動機的特性曲線及換擋圖，在約束條件行進行變速器換擋點的調整，使發動機盡量工作在燃油經濟性較好的區間。

結語

本文對匹配液力自動變速器的車輛進行結構分析，并從控制和建模的角度分析并搭建了發動機模型、液力自動變速器模型、整車動力學模型，同時搭建了路譜和駕駛員模型，形成閉環的仿真模型。

在給定工況路譜的前提下，通過模型仿真分析整車的動力性和經濟性，并可以根據仿真結果對整車的動力性和經濟性進行優化和調整。此方法有利于在開發初期加速和優化產品的控制策略的建立，仿真控制算法，在保證產品性能的前提下節約成本、縮短開發周期。

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