起步工况下液力变矩器滑差控制转速优化

雷雨龙，刘振杰，李兴忠，付 尧，郑宏鹏

（吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022）

目前世界各著名汽车公司的液力机械式自动变速器（简称AT）几乎都采用了闭锁离合器滑差控制技术［1］。闭锁离合器不完全闭锁可以大幅度地降低传动系统的振动和噪声，使闭锁领域得到充分的扩展。闭锁离合器处于滑摩工况时，可以提高液力自动变速器的传动效率。然而，闭锁离合器滑摩也会带来不良后果，因为由发动机燃油燃烧时产生的转矩波动引起的噪音和振动会部分通过闭锁离合器直接传递到汽车的传动系中，降低了乘坐的舒适性、汽车的操纵稳定性和传动系的寿命。因此，传统的闭锁离合器在高车速区域结合而在其他车速区域分离。因为只有在高车速区域时，发动机的转矩波动才不那么明显。

针对以上问题，本文搭建了整车动力学联合仿真平台，设计了闭锁离合器滑差PID控制器；以遗传算法作为闭锁离合器滑差控制转速优化算法、闭锁离合器滑差控制转速为遗传算子、扭矩波动水平w和传动效率η为评价指标构建了适应度函数，优化起步工况下不同油门开度时闭锁离合器滑差控制转速。动力传递分配比例较理想，在低车速区域的动力传动效率有较大提高。

1 整车建模

本项目以装有6档AT的大众POLO轿车［2］作为研究对象，如图1所示，图中，Ie为发动机转动惯量；Te为发动扭矩；ae为发动机输出角加速度；Ib为液力变矩器转动惯量；ab为变速箱输入角加速度；It为变速箱转动惯量；at为变速箱输出角加速度；Ir为整车转动螺星；Tr为阻力矩；Tb为变速箱输入扭矩；ar为整车加速度；Tt为变速箱输出扭矩。整车动力传动系统的发动机、液力变矩器、变速箱、整车4个相连子系统之间相互传递转矩，通过AMESIM软件建立整车动力学仿真模型。

1.1 发动机模型

发动机模型是根据目标样车使用的发动机建立的，静态模型通过试验测得，以油门开度α和发动机转速ωe为输入，以发动机静态输出扭矩Tes为输出。由于汽车在起步工况下油门开度变化迅速，发动机通常由动态过程变化到稳态过程。为了考虑动态过程，采用既简单又能反应发动机动态响应过程的滞后一阶惯性环节建立发动机模型［3］。发动机的动态输出扭矩Te为

图1 整车仿真模型Fig.1 Vehicle simulation model

式中:tes、te2均为傅立叶变换参数。

1.2 液力变矩器建模

液力变矩器结构如图2所示，变矩器与闭锁离合器并行，闭锁离合器和扭转减震器连为一体，动力由发动机输入，经液力变矩器后动力输出到后面的变速箱。

图2 液力变矩器结构简图Fig.2 Schematic diagram of torque converters structure

液力变矩器有3种动力传递路线:①动力单独经由液力变矩器后输出；②动力单独经由闭锁离合器输出；③动力分别经由液力变矩器和闭锁离合器后共同输出，此时闭锁离合器处于半结合状态。

1.2.1 液力变矩器模型

液力变矩器的性能由泵轮能容系数λ、变矩比K和效率η三条曲线［4］表示，3条曲线均为速比i的函数。由图3可知:在低速比时，液力传动系统可获得较大的变矩比，随着速比的增加，变矩比减小，达到偶合器工况时，变矩比为1。在低速比时，液力变矩器效率低，随着速比的增加，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，到达偶合器工况后效率又逐渐上升。

图3 液力变矩器外特性Fig.3 Torque converters characteristic

1.2.2 闭锁离合器模型

闭锁离合器传递的摩擦力矩为

式中:R为摩擦片外半径；r为摩擦片内半径；q为摩擦片各点比压；μ 为摩擦因数［5－6］，其值为

式中:Rm为摩擦片等效半径，其值为

1.2.3 扭转减震器模型

扭转减震器［7］采用两组不同的减震器弹簧，利用弹簧先后起作用的办法获得变刚度特性，这种变刚度特性可以避免不利的传动系统共振，降低传动系统噪声。

式中:kc1、kc2分别为扭转减震器第1刚度和第2刚度；αc1、αc2分别为扭转减震器第1角位移和第2角位移。

扭转减震器传递的扭矩为

1.3 变速箱模型

变速箱布置形式为前置前驱，主减速已集成到变速箱中。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以下方程描述:

式中:Tb、Tt分别为变速箱的输入和输出转矩；ωb、ωt分别为变速箱的输入和输出转速；ig为变速箱传动比；it为变速箱主减速比；ηt为变速箱传动效率。

1.4 整车模型

汽车行驶动力学方程式为

式中:Fr为车轮驱动力；Ff为滚动阻力；Fi为坡度阻力；Fw为风阻；Fj为加速阻力；Rw为驱动轮半径；m为汽车质量；g为重力加速度；f为滚动阻力系数；θ为坡度角；CD为风阻系数；A为迎风面积；v为车速；δ为旋转质量换算系数。

2 滑差控制器设计

滑差控制器的工作原理是通过改变闭锁离合器［8－9］的结合和打开控制通过液力变矩器和闭锁离合器传递的发动机扭矩。滑差控制器结构如图4所示，通过两个转速传感器获取涡轮和泵轮转速，定义误差比

图4 液力变矩器滑差控制模型Fig.4 Slip control model of torque converter

式中:ωe为发动机转速；ωc为闭锁离合器转速；ωe－ωc即为滑差控制转速；ωm为目标滑差控制转速。

目标误差率为

将目标滑差转速控制作归一化处理后输入PID控制器，输出闭锁离合器的控制信号，控制闭锁离合器结合或打开，从而实现目标滑差转速的控制。

3 滑差控制转速优化

3.1 优化模型设计

定义传动系统扭矩波动水平为

定义传动系统传动效率为

式中:ωe为发动机输出角速度。

闭锁离合器在进行闭锁滑差控制中，越早、越快闭合，传动系统的传动效率越高，但相应的传动系统的振动冲击即扭矩波动水平就会越大，优化的目的是尽可能获得最好的燃油经济性和振动冲击特性。多目标优化问题往往包含多个解，并且各个解之间无法进行比较优劣，这些解统称为Pareto解集，而多目标优化的目的就是寻找Pareto解集［10］。遗传算法在求解给定区域多目标优化问题中显示了其优越性，并已逐渐成为解决一些复杂工程问题的有力工具。滑差控制转速的优化过程如图5所示。

在AMESim中建立整车动力学仿真模型，在Matlab／Simulink中建立控制及优化模型，仿真模型用各自的求解器进行求解，并通过软件接口进行数据交换，即建立联合仿真模型。

图5 滑差控制转速优化流程Fig.5 Slip speed optimization flowchart

适应度函数在Matlab里面称为遗传算法的评价函数，采用线性加权的方法构造目标函数:

式中:a、b分别表示扭矩波动水平w和传动效率η的权重，根据专家意见确定。

在适应度函数中，编码检查来自Simulink仿真结果数据，包括在特定转速下w和η，然后剔除不满足要求的值，寻找优化转速范围内的值，并确保整个仿真系统处于稳定状态。输出w和η到Matlab的遗传算法优化工具箱中进行优化，输出变异滑差控制转速后再进行评价，直至优化满足结束准则，得到在特定转速范围内的优化转速的Pareto解集。

3.2 优化转速

本文确定滑差控制转速为输入，取值为1～800r／min，怠速转速为750r／min。遗传算法的种群规模为8，滑差转速初始值为1r／min，选择变异15代后终止。当油门开度为30%、发动机转速为1000～1010r／min时优化后的Pareto解集如图6所示。

图6 Pareto解集Fig.6 Pareto set

从图6中可以看出:滑差控制转速越小，传动效率越高，但相应的扭矩波动水平越来越大，此时从Pareto解集中选取合适的滑差控制转速应根据前一时刻转速对应的扭矩波动水平，确保其值不出现突变，从而避免导致发动机出现状况。基于以上优化结果，可以建立闭锁离合器滑差控制优化转速的查询表格，如表1所示。

在怠速（油门开度α为0）起步时，发动机转速较低，基本维持在800r／min左右，扭矩波动大，此时进行闭锁滑差控制容易导致发动机熄火。故从表1中可以看出，怠速时无滑差控制，而随着油门开度增加，闭锁滑差控制可以逐渐使用，油门开度越小，闭锁时转速越低，随着油门开度的增大，发动机转速增大加快，此时闭锁转速也相应地增大。

表1 闭锁离合器滑差控制转速Table 1 Slip speed of torque converter clutch r／min

4 仿真结果

为了验证起步闭锁滑摩控制优化后转速的效果，以装有6档AT的大众POLO轿车为对象进行了仿真研究，整车的具体参数如表2所示。

表2 POLO轿车整车参数表Table 2 Vehicle parameters

通常将驾驶员的起步意图分为爬行起步、正常起步和急起步3个模式［11］。0＜α≤12%为爬行起步（小油门起步）；12%＜α≤30%为正常起步（中等油门起步）；α＞30%为急起步（大油门起步和全油门起步）。

（1）小油门起步

小油门起步要求起步过程平稳无冲击，此时发动机转速较低、扭矩波动大。图7为10%油门开度起步控制时效果图。

由图7可知:此时进行闭锁滑差控制，涡轮转速与无控制时几乎相同；泵轮转速比无控制泵轮转速低；闭锁滑差控制开始一段时间后传动效率比无控制时高；但扭矩波动水平下降后又逐渐上升，且后半段波动较大。说明此时发动机工作状态不是特别稳定，容易导致熄火等状况出现，此时不应进行闭锁滑差控制，应该充分发挥液力变矩器的缓冲减震作用，确保起步的平顺性。

（2）中油门起步

图8为30%油门开度起步效果图，从图中可知:涡轮转速与无控制时相比稍微下降；泵轮转速比无控制泵轮转速低；闭锁滑差控制开始一段时间后传动效率比无控制时高；扭矩波动水平下降后又逐渐上升，后半段与无控制时几乎相同，此时发动机工作平稳，可以进行闭锁滑差控制。

图7 10%油门开度起步控制效果图Fig.7 Control effect when throttle opening at 10%

（3）大油门起步

图9为50%油门开度起步效果图，从图中可知:大油门起步与中油门起步效果闭锁滑差控制效果大体相同。

图8 30%油门开度起步控制效果图Fig.8 Control effect when throttle opening at 30%

图9 50%油门开度起步控制效果图Fig.9 Control effect when throttle opening at 50%

（4）全油门起步

图10为全油门开度起步效果图。从图中可知:全油门、中油门及大油门起步时闭锁滑差控制效果大体相同，涡轮转速与无控制时相比稍微下降；泵轮转速比无控制时低；闭锁滑差控制开始一段时间后传动效率比无控制时高；扭矩波动水平下降后又逐渐上升，后半段与无控制时几乎相同，此时控制效果与中油门开度起步控制效果大体相同。

图10 全油门开度起步控制效果图Fig.10 Control effect when throttle opening at 100%

5 结 论

（1）基于 Matlab／Simulink和 AMESim 建立了整车动力学联合仿真模型，并以此为基础构建优化仿真模型，使得多目标优化成为可能。

（2）基于遗传算法的滑差控制转速优化，以闭锁离合器滑差控制转速差为输入，并以扭矩波动水平w和传动效率η为评价参数构建适应度函数，搭建了优化仿真平台。

（3）从仿真结果可以看出:起步工况液力机械式自动变速器闭锁滑差控制解决了车辆起步效率低的问题。通过主动干涉发动机的工作点，在满足车辆起步动力性需求的前提下，使经济性得到了改善。

［1］Ochi T，Takeuchi H，Kimura H，et al.Development of a super－flat torque converter for the new toyota FWD 6－speed automatic transaxle［C］∥SAE Paper，2006－01－0149.

［2］冯永忠.大众车系09G自动变速器维修图册［M］.北京:机械工业出版社，2009:10－29.

［3］张泰，葛安林，唐春学，等.越野汽车机械自动变速闭锁与滑差液压控制系统动态特性研究［J］.汽车技术，2007（1）:20－24.Zhang Tai，Ge An－lin，Tang Chun－xue，et al.Dynamic characteristics study on automated mechanical transmission lock－up and slip hydraulic control system of off－road vehicle［J］.Automobile Technology，2007（1）:20－24.

［4］Ejiri E.Analysis of flow in the lock－up clutch of an automotive torque converter［C］∥JSME International Journal，2006，49（1）:131－141.

［5］陈清洪，秦大同，叶心.闭锁离合器滑摩压力优化控制与仿真［J］.系统仿真学报，2010，22（3）:699－703.Chen Qing－hong，Qin Da－tong，Ye Xin.Slip press optimal control and simulink of lock－up clutch［J］.Journal of System Simulation.2010，22（3）:699－703.

［6］Maruo K，Matsumoto H，Fujii T，et al.High energy slipping friction material for torque converter clutch［C］∥SAE Paper，2006－01－0152.

［7］Otanez P，Samie F，Lee C J，et al.Aggressive torque converter clutch slip control and driveline torsional velocity measurements［C］∥SAE Paper，2008－01－1584.

［8］Hibino R，Osawa M，Kono K，et al.Robust and simplified design of slip control system for torque converter lock－up clutch［J］.Journal of Dynamic Systems，Measurement，and Control，2006，29（1）:131－141.

［9］雷雨龙，葛安林，李永军.离合器起步工程的控制策略［J］.汽车工程，2000，22（4）:266－270.Lei Yu－long，Ge An－lin，Li Yong－jun.Clutch control strategy in starting process［J］.Automotive Engineering，2000，22（4）:266－270.

［10］刘洪波，雷雨龙，张建国，等.双离合器式自动变速器换挡品质评价与优化［J］.吉林大学学报:工学版，2012，42（5）:1107－1112.Liu Hong－bo，Lei Yu－long，Zhang Jian－guo，et al.Shift quality assessment and optimization of double clutch transmission［J］.Journal of Jilin University（Engineering and Technology Edition），2012，42（5）:1107－1112.

［11］孙东野，秦大同.汽车离合器局部恒转速起步自动控制研究［J］.机械工程学报，2003，39（11）:108－111.Sun Dong－ye，Qin Da－tong.Clutch starting control with a constant engine speed in part process for a car［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2003，39（11）:108－111.