基于Simulink的液力变矩器闭锁性能仿真

张炳力， 宋振翔， 赵 韩

(合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 230009)

0 引 言

液力变矩器在车辆上的应用，极大地简化了车辆的操纵，使其起步平稳、柔和，提高了乘坐舒适性和车辆平均行驶速度以及安全性和通过性。但最大的缺陷是效率低，为了降低装用液力变矩器汽车的油耗，采用了闭锁，它是指在液力变矩器的泵轮与涡轮之间，安装一个可控制的离合器，当汽车的行驶工况达到设定目标时，控制离合器将泵轮与涡轮锁成一体，液力变矩器随之变为刚性机械传动。

本文主要对闭锁离合器闭锁控制规律进行研究，建立了闭锁控制模型，并进行了仿真分析。

1 液力变矩器闭锁控制规律

对于不同的自动变速器，液力变矩器的闭锁时机不同。闭锁点的选择应根据实际情况来决定，可在偶合器工况点，也可在对应最高效率点，或者设在它们中间。常用的闭锁控制规律为单参数和双参数控制[1，2]。

1.1 单参数控制

(1)涡轮转速nT。通常是根据闭锁点速比，再由其与发动机匹配时的转速换算出n T。

(2)车速v。这是属于高挡变速方案，可避免低挡范围内频繁闭锁，减少由此引起的冲击和磨损，它在城市大客车上有所采用。

(3)挡位。高挡闭锁，作用与车速控制相似。

1.2 双参数控制

(1)按速比i=n T/n B控制。按速比i控制，实质是由泵轮转速n B与涡轮转速n T双参数控制。

(2)涡轮转速nT与油门a控制。不同油门下闭锁的n T不同，大油门时，n T转速高，晚闭锁;小油门时则相反，这种方法在不同油门下可获得合理的闭锁点。

(3)车速v与油门a控制。它与(2)的区别仅在于油门一定时，只有当车速达到某值才闭锁，即闭锁只有一次，可以实现高挡闭锁，而低挡不闭锁，而且闭锁与解锁车速不同，可以防止频繁地闭锁解锁。

1.3 本文采用的控制方法

本文采用的控制方法，是在双参数控制的基础之上，又加入了相关条件。

(1)只有在发动机转速和车速，或者是泵轮和涡轮的转速情况可以保证闭锁后不会造成明显的冲击和抖振时，才可以使闭锁离合器接合。

(2)发动机油门关闭减速期间若闭锁，将增加排气污染和油耗，此时减速时应解锁。

(3)制动时若保持闭锁，则可能损坏发动机，此时必须解锁，而制动踏板开启体现在车速下降上，因此在车速下降过快时要解除锁止。

(4)对于自动变速器，换挡时暂时解除闭锁，可以使动力传递更加平稳，换挡平顺。

1.4 本文制定的闭锁控制规律

本文制定的闭锁控制规律，不仅制定了油门闭锁门限值和车速闭锁和解锁门限值，而且保证了在自动变速器换挡时，挡位过低时以及车速下降过快时不闭锁。通过比较AT轿车在不同油门、不同挡位下机械传动和液力传动的牵引能力，考虑到汽车在城市道路行驶的最高车速一般在60 km/h左右，制定了闭锁控制规律。

(1)油门门限值。虽然闭锁时能够提高传动系统效率，但是不恰当的闭锁也会给传动系统造成一定的冲击，故在小油门开度下不适宜闭锁。因此，当油门开度小于20%时，任何情况下均不闭锁。

(2)换挡时必须解锁[3]。在换挡的时候，闭锁会使换挡不够平顺，甚至会造成变速器换挡执行机构的损坏，所以为了保证换挡平顺，在执行换挡的时刻不允许闭锁。

(3)当挡位处于1挡时，保证液力变矩器处于解锁状态。

(4)各挡车速门限值。2挡闭锁车速为42 km/h，为了保证不频繁闭锁解锁，解锁车速有一定的延迟，2挡解锁车速为22 km/h;3挡闭锁车速为65 km/h，解锁车速为45 km/h;4挡闭锁车速为85 km/h，解锁车速为65 km/h。

2 液力变矩器闭锁控制模型

2.1 液力变矩器模型

通常，液力变矩器的性能用λB=f(i)，K=f(i)，η=f(i)三条曲线来表示[4]，如图1所示。通常，在低速比下，液力传动系统可获得较大的变矩比，随着速比增加，变矩比减小，达到速比为1的偶合器工况时，变矩比为0，液力变矩器不能继续传递能量及转矩。在低速比时，液力变矩器效率较低，随着速比增加，传递效率增加，在某一速比下达到最大效率值，当速比再增加时，效率下降直至为0。泵轮扭矩系数表征了泵轮传递发动机转矩能力的大小，不同系列液力变矩器的泵轮扭矩系数曲线形状不同，也决定了液力变矩器的工作状况的不同。

图1 液力变矩器原始特性曲线

液力变矩器的变速比定义为涡轮转速与泵轮转速之比，即i=nT/nB。

根据液力变矩器特性，其参数计算[5，6]为:

其中，λB为泵轮扭矩系数;K为变矩器变矩比;ρ为工作液密度;C为容量系数。

建立液力变矩器模块，如图2所示。

图2 液力变矩器模型

由变矩器速比i，在相应查表模块中分别查得变矩比K和容量系数C。

再通过其它功能模块，由涡轮转速n T和泵轮转速n B计算得到涡轮输出转矩T T和泵轮输入转矩TB。

2.2 传动比模型

对于变速器输入输出的转速和转矩间的关系，在不考虑效率的情况下可以用下面2个方程[7]描述:

其中，Tin和Tout分别为变速器的输入和输出转矩;N in和N out分别为变速器的输人和输出转速;i g为变速器各挡位的传动比。

根据以上的数学模型可以建立传动比模型，如图3所示。

由变矩器模块和传动比模块，可以组成液力变矩器传动模型，如图4所示。

图3 传动比模型

图4 液力变矩器传动模型

2.3 闭锁控制模型

根据已制定的液力变矩器闭锁控制策略，建立了闭锁控制模型，如图5所示。

限制闭锁时机的条件有油门开度及换挡信号，当前挡位和车速输出为闭锁信号，0即为解锁，1代表闭锁。

图5 闭锁控制模型

3 动力系统仿真模型

(1)驾驶员模型。驾驶员模型用于模拟驾驶员的操作，以跟踪设定的车速历程(即目标车速)，使仿真所得的实际车速与驱动循环目标车速之间尽可能接近。驾驶员模型采用PID控制。

(2)发动机模型。建立简单的发动机模型，通过转矩和油门查表得到对应的发动机转速[5]。

(3)自动换挡模型。采用车速和油门开度两参数制定换挡规律，并建立自动换挡模型[8]。

(4)车辆模型。根据变速箱输出转矩和制动踏板开度，计算出实际车速和变速箱输出转速。车辆模型如图6所示。

图6 车辆模型

(5)动力系统模型。把液力变矩器模型、闭锁控制模型与驾驶员模型、发动机模型、换挡规律模型、车辆模型连接，构成了动力系统仿真模型[8]，如图7所示。此模型输入为循环路况信号，通过仿真可以得到油门、挡位，车速以及锁止信号。

图7 动力系统模型

4 仿真结果分析

本文选用的整车参数见表1所列，基于UDDS工况进行仿真，仿真结果如图8所示。

表1 整车相关参数

图8 闭锁控制仿真结果

闭锁离合器信号为1时表示闭锁机构工作，传动比为1，形成机械连接;为0时表示闭锁离合器解除锁止，液力变矩器仍为液力传动。

由以上仿真结果来看，在油门踏板达到20%，不换挡以及车速不迅速下降的情况下才允许闭锁，而且，由于每挡都设置了换挡延迟，保证了不发生频繁闭锁解锁的情况。以第1次闭锁为例，仿真运行到86 s处，油门开度为36%，挡位是2挡，车速为42 km/h，符合闭锁条件，所以闭锁离合器闭锁。另外以第1次解锁为例，仿真运行到116 s，油门开度为19%，挡位是2挡，车速为49 km/h，由于油门开度不足20%，所以闭锁离合器解锁。

5 结束语

本文建立的闭锁控制模型符合制定的闭锁控制策略。在汽车运行过程中，大约有1/2的时间液力变矩器处于闭锁状态，从而形成机械连接，这样可以提高液力变矩器的工作效率，充分发挥汽车的动力，更加节省燃油的消耗。

[1] 张慧永.液力变矩器离合器闭锁和滑差控制系统开发[D].长春:吉林大学车辆工程系，2003.

[2] 蒋小华.液力变矩器闭锁离合器滑摩控制研究[D].重庆:重庆大学车辆工程系，2004.

[3] 张新荣，黄宗益.液力变矩器的闭锁及其控制研究[J].筑路机械与施工机械化，2002，19(2):7-9.

[4] 葛玉萍，郑兰霞.液力变矩器与发动机的合理匹配分析研究[J].邵阳学院学报:自然科学版，2004，1(3):65-67.

[5] 骆清国，桂 勇.基于Matlab/Simu link的发动机与液力变矩器匹配仿真[J].车辆与动力技术，2005，(3):39-41.

[6] 黄宗益.现代轿车自动变速器原理和设计[M].上海:同济大学出版社，2006:33-35.

[7] 汪志远，郑 培，孙肇花.基于MA TLAB的液力机械自动变速器性能仿真[J].车辆与动力技术，2007，(2):10-13.

[8] 周 末.自动变速器换挡规律的研究[D].武汉:武汉理工大学车辆工程系，2006.