传动系统液力变矩器功能控制仿真研究

朱 纬

同济大学汽车学院，上海 200092

本项研究工作旨在建立一个仿真模型，用于仿真模拟液力变矩器在传动系统内的功能。该模型存在的两个部分：液力变矩器的功能模型和液力变矩器的控制模型。该仿真模型结合锁止离合器的开闭两个不同的工况来计算模拟的液力变矩器的工作状态。

文章第一部分描述了液力变矩器的基本功能。第二部分描述了液力变矩器在锁止离合器打开的工况下的功能仿真模型。第三部分描述液力变矩器在锁止离合器闭锁工况下的功能仿真模型。第四部分描述了液力变矩器的控制仿真模型。整个模型的建立使用MATHLAB/ Simulink软件。

1 液力变矩器的功能描述

液力变矩器是由三个部分组成的闭环工作系统：液力变矩器的泵轮与发动机飞轮相连被发动机驱动。液力变矩器的涡轮与变速箱涡轮轴相连。液力变矩器的导轮通过一个单向离合器固定连接于变速箱导轮轴上。 泵轮通过离心旋转将ATF油泵入涡轮，涡轮与之对应地通过流道转向推动液流并吸收了液流的能量。导轮通过必要的扭矩反馈将涡轮输出的液流流向重新定向，使之进入泵轮流道。这形成了一个持续完整的闭环。当涡轮转速上升，变矩器内部的流场会逐步形成液流的耦合状态。接近耦合的过程中，作用在导轮上的力会逐步减小并最终在液流耦合点达到0。液力变矩器中液流的耦合通常总是伴随着泵轮与涡轮一定的滑差。滑差的存在伴随着动力的损失以及总效率的降低。伴随着锁止离合器的闭锁作用的介入，当涡轮和泵轮的工作达到耦合时，滑差影响可以去除，使得液力变矩器的效率达到100%。

图1表述了液力变矩器的功能示意图。液力变矩器的泵轮连接发动机驱动轴。同时变速箱中的油泵也由发动机驱动轴通过驱动链驱动。油泵为液力变矩器的锁止离合器提供油压。液力变矩器的涡轮与变速箱的涡轮轴相连。液力变矩器的工作中有2种锁止离合器的工况：锁止离合器打开和闭锁。

2 液力变矩器在锁止离合器打开的工况下的功能仿真模型

当锁止离合器打开的时候，作用在液力变矩器中的扭矩关系可以在图1和图2中描述。公式如下：

扭矩TTCpump和TTCturbine由下列公式计算，形成扭矩T[Nm]转速ω[rad/s]的关系特性：

λTC[-]=液力变矩器的功率因子

ρoil[kg/m3]=油的密度

dTC[m]=液力变矩器流场的直径

μTC[-]=液力变矩器的增扭系数

液力变矩器的功率因子和增扭系数都与液力变矩器的速比vTC[-]对应:

特别要注意的是，在液力变矩器的实际使用中，有一些增益因子是需要考虑的。所以，很多液力变矩器设计商使用以下计算公式:

图1 液力变矩器的功能示意图

图2 在锁止离合器打开工况下的液力变矩器扭矩

图3 在锁止离合器打开工况下的TTC和JTC_sum

Cf[10-6kg·m/rpm2]=液力变矩器的容能系数

g [m/s2]=重力加速度

t [-]=放大因子(液力变矩器的增扭系数)=μTC

e [-]=液力变矩器的速比=vTC

在锁止离合器打开工况下，作用在锁止离合器上的实际扭矩和最大可能扭矩可以由如下公式计算：

μsliding_Tclockup[-]=(实际)液力变矩器锁止离合器滑动摩擦系数

μstiction_Tclockup[-]=锁止离合器静摩擦系数

ρTClockup[Pa]=(当前) 锁止离合器油压

ATClockup[m2]=锁止离合器有效压盘面积

rm_Tclockup[m]=锁止离合器的摩擦片有效半径

zTClockup[-]=锁止离合器的摩擦片数量

这里选用滑动摩擦力和静摩擦力的区别在于滑动摩擦系数是不随速度变化而变化。

图3描述了在锁止离合器打开工况下TC的扭矩TTC和转动惯量JTC_sum的确定，可如下计算：

3 液力变矩器在锁止离合器闭锁工况下的功能仿真模型

当锁止离合器闭锁的时候，作用在液力变矩器中的扭矩可以在图4和图5中描述。公式如下：

图5描述了在锁止离合器闭锁工况下TC的扭矩TTC和转动惯量JTC_sum的确定，可如下计算：

表1总结了两种闭锁离合器工况下的液力变矩器状态：

锁止离合器的状态由下面的逻辑运算所确定(19) (20) 。逻辑表2决定了表3中的锁止离合器状态。

图4 在锁止离合器闭锁工况下的液力变矩器扭矩

图5 在锁止离合器闭锁工况下TTC和 JTC_sum

表1 液力变矩器状态总结

表2 锁止离合器状态逻辑表

表3 锁止离合器状态

4 液力变矩器的控制仿真模型

在液力变矩器的控制仿真模型中，在液力控制部分，出于简化模型的考虑，油压的大小并没有和变速箱中的油泵的工作相关联，这与实际情况有一定出入。

液力变矩器锁止离合器的闭锁油压取决于控制油路压力的电磁阀的控制电流ITClockup:

电磁阀的控制电流ITClockup由控制液力变矩器的电控模块决定。

在之前的液力变矩器的功能仿真模型部分已经介绍过，由于锁止离合器闭锁的作用，当泵轮和涡轮处于耦合工况时，两者的滑差可以去除。当车速上升达到一定速度诸如20[km/h]时，电控单元会通过电流发出指令给电磁阀要求锁止离合器闭锁。当锁止离合器闭锁时，液力变矩器的销量达到100%。当锁止离合器闭锁，并且车速下降到一定速度诸如15[km/h]时，电控单元会通过发出指令给电磁阀要求锁止离合器打开。

锁止离合器开闭控制的设计是集合在变速箱控制单元TCU内部的。此仿真模型模拟了4种锁止离合器油压控制状态，见表4:

表4 锁止离合器油压目标状态status_Luc_n

锁止离合器目标油压pTClockup_desired由电流ITClockup计算得到。它与公式(21)中的pTClockup值相同。

5 总结和展望

该论文研究的目的在于建议液力变矩器传动系统的计算仿真模型，有助于对于液力变矩器的选型及功率研究提供一定参考意义。同时该研究还可以扩展到整个传动系统的集成仿真。

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

[2]SAE. Advances in engineering，volume 5: Design practices Passenger car automatic transmissions.

[3]MathWorks Inc.. MATLAB HELP Documents. MathWorks. 2001

[4]黄宗益.现代轿车自动变速器原理和设计.同济大学出版社