工程机械换挡过程动力学建模与仿真

刘 钊,王 磊,郭儒乐(同济大学 机械与能源工程学院,上海201804)

工程机械换挡过程动力学建模与仿真

刘 钊,王 磊,郭儒乐
(同济大学 机械与能源工程学院,上海201804)

分析了换挡过程中各传动部件的工作原理,建立了发动机-变矩器联合动力学模型、整车行驶模型和变速器换挡模型,进而建立了应用于换挡过程分析的工程机械液力机械传动系统动力学模型.推导出工程机械换挡过程的运动方程.仿真分析了典型装载机在换挡过程中的动力学行为.

工程机械; 换挡过程; 动力学模型

目前,工程机械变速传动系统大多采用液力机械传动.液力机械传动系统主要包含发动机-变矩器、变速器、后桥和轮胎.发动机-变矩器作为复合动力输出部件,在进行换挡过程研究时需要对发动机-变矩器进行合理、适当的简化.动力换挡变速器换挡时主要考虑一个离合器的结合和另一个离合器的脱开,两个离合器的动作时序控制一直是换挡过程研究的重点与难点.以往用于工程机械换挡过程分析的动力学模型均考虑得不够细致与直观.

本文针对换挡过程分析建立了发动机-变矩器的动力学模型,从变速器的工作实质出发建立了变速器的简化模型,同时考虑后桥传动比、轮胎与整车质量对换挡过程的影响,建立了工程机械换挡过程动力学模型.模型将复杂的传动系统合理地简化为2自由度运动部件,并将部分部件转速等效于变速器的输入轴与输出轴,可以更加直观地分析传动系中各部件的运动关系.充分考虑了换挡过程中离合器传递扭矩的不同状态,推导出传动系统换挡过程的运动方程,进而建立了典型装载机的换挡过程仿真模型.通过仿真分析了换挡过程中各运动部件的动力学行为.本文提出的模型可有效地用于换挡控制策略的研究.

1 换挡过程动力学模型

工程机械液力机械传动系统组成如图1所示.驾驶员控制油门信号,发动机-变矩器在一定油门开度α下产生动力并经变速器和后桥传递至整车,牵引力克服外界负载Fr驱动整车行驶和工作.

1.1发动机-变矩器联合动力学模型

发动机-变矩器联合部件中运动的刚体部件被变矩器油液分隔成两部分,如图2所示.发动机的驱动力矩可以认为是作用在第一个旋转的惯性元

图1 车辆液力机械传动系统Fig.1 The hydraulic mechanical powertrainsystem in a typical wheel loader

件上的.发动机运动部件、变矩器泵轮及其附加在泵轮上的流体惯性一起近似等效为一个旋转的惯性元件,变矩器涡轮及其附加在涡轮上的流体惯性一起近似等效为另一个旋转的惯性元件,如图2所示:TE为发动机曲轴传递的扭矩;nE为曲轴转速;JE为发动机部件的转动惯量;JB为变矩器泵轮转动惯量;TM为变矩器传动油传递至涡轮的扭矩;ni为变矩器涡轮轴转速;TB为变矩器涡轮传递至变速器输入轴上的扭矩;nB为变速器输入轴转速;nB=ni.

图2 发动机-变矩器传动系统Fig.2 Engine-converter system

图2中虚线框中的发动机-变矩器联合驱动的瞬态反应一般比较快,可达到50 Hz以上.换挡过程发生在零点几秒到几秒之间,10 Hz及以上的动态特性对换挡过程影响较小.发动机的高频动态响应并不会明显影响换挡过程,同时变矩器的油液作为柔性传动原件,对涡轮刚体前的高频动态响应具有阻隔作用.发动机-变矩器联合对涡轮旋转惯性元件的驱动在换挡过程分析中,主要考虑变矩器流体输出的联合特性TM(ni,α)即可.发动机-变矩器联合部件被简化为如图3所示.

图3 发动机-变矩器动力学模型Fig.3 Engine-converter dynamic model

1.2整车行驶模型

车辆行走模型主要考虑整车质量以及车辆行驶过程中所受外界负载影响,变速器输出轴通过后桥与轮胎将动力传递至整车,整车动力学模型如图4所示.ωout,Tout分别为变速器输出轴转速与扭矩;Rw为轮胎半径;iw为后桥传动比;m为整车质量;Fr为车辆行走外界阻力,Fr=Fr(v,e),行走外界阻力主要由车速v与行驶环境e决定.

图4 整车动力学模型Fig.4 The dynamic model of the driving vehicle

1.3变速器换挡模型

换挡过程通常是一个离合器结合、另一个离合器脱开的过程[1].换出挡位离合器Cex脱开、换入挡位离合器Cen结合过程中变速器具有2个自由度,变速器的动力学模型如图5所示:Ti为变速器输入轴传递扭矩;ωi为变速器输入轴转速;Ji为变速器输入轴与换挡离合器之间刚性连接部件的等效转动惯量;Tout为变速器输出轴传递扭矩;ωout为变速器输出轴转速;Jout为换挡离合器与变速器输出轴之间的部件的等效转动惯量.

图5 变速器动力学模型Fig.5 The transmission dynamic model

1.4车辆行走完整动力学模型

将以上得到的发动机-变矩器、变速器与整车行走动力学模型，按照动力传递路径搭接,建立如图6所示车辆行走完整动力学模型.

图6 车辆完整动力学模型Fig.6 The dynamic model of the whole vehicle

图6中：Ji为变速器输入轴上与换挡离合器前的刚性部件的转动惯量之和;Jo为变速器输出轴上和后桥部件等效到变速器输出轴上的转动惯量之和.上述完整动力学模型可进一步简化为如图7所示.

图7 换挡过程分析的动力学模型Fig.7 The dynamic model for shift analysis

图7中：iex和ien分别是变速器换出挡位与换入挡位传动比,升挡时iex>ien,降挡时iex

2 换挡过程运动方程

换挡系统共有2个自由度.当两个离合器均未结合时,2个自由度都可独立运动;当有一个离合器结合时,只有1个自由度可以独立运动,结合的离合器传递扭矩由系统力矩平衡条件决定;在两个离合器都结合情况下,变速器不能运动[2].按照换入、换出挡离合器状态不同,系统分为3种运动状态:换出挡离合器结合、换入挡离合器打滑;换出、换入挡离合器均打滑;换出挡离合器打滑、换入挡离合器结合.

离合器打滑时传递扭矩由控制扭矩决定,即

Ten=Ten,psgn(ωen-ωout)

Tex=Tex,psgn(ωex-ωout)

式中:Ten,p为换入挡离合器的控制扭矩;Tex,p为换出挡离合器控制扭矩.

当换出挡离合器与换入挡离合器都处于滑移状态时,根据前端转动惯量和整车质量的动力学平衡方程，可建立系统的运动方程为

Ten,psgn(ωen-ωout)]iend-Fr

(1)

当换出挡离合器结合、换入挡离合器滑移时,系统只有1个自由度,ωen=iex/ienωout,Tex由系统力矩平衡条件决定.将上述条件带入到式(1)，可得此时的系统运动方程为

(2)

当换出挡离合器滑移、换入挡离合器结合状态时,系统也是1个自由度,ωex=ien/iexωout,Ten由系统力矩平衡条件决定.将上述条件带入式(1)，可得此时的系统运动方程为

(3)

3 换挡过程动力学仿真

以下通过仿真了解在不同工况、不同控制条件下的换挡动力学过程.由于ωeniex/ien=ωout,升挡时iex>ien,因此升挡开始时ωen>ωout.升挡时换出挡离合器还没有脱开,换入挡离合器在油压控制下已经传递扭矩,此时换入、换出挡离合器均传递扭矩,换挡过程存在扭矩相.升挡时换出挡离合器已经脱开不传递扭矩,而换入挡离合器还没有接入传递扭矩,此时换挡过程存在动力中断.

以典型装载机的实际参数作为仿真依据.换出挡离合器油压在脱档时一般快速下降[3],换入挡离合器油压一般经过一个平稳结合的控制过程,但是在开始时，离合器会有一个冲液过程.在冲液过程时，离合器的实际控制扭矩为0,而一旦离合器接触,油压会迅速上升,如图8所示.离合器控制扭矩都是按上述控制规律进行仿真.

图8中:Tex,p为Cex在油压控制下所能传递的最大摩擦扭矩按换入挡传动比转换至输出轴的等效扭矩;Ten,p为Cen在油压控制下所能传递的最大摩擦扭矩按换入挡传动比转换至输出轴的等效扭矩.

3.1有扭矩相情况仿真

换出挡离合器还未脱开,换入挡离合器扭矩已经介入的有扭矩相升挡过程中,输入、输出端转速和换入、换出挡离合器控制扭矩与实际传递扭矩仿真结果如图9所示.

从仿真结果可以看出,换出挡离合器结合时,换入挡离合器传递扭矩后,由于系统力矩平衡,换出挡离合器传递扭矩会逐渐下降至传递负扭矩.

图8 离合器控制油压Fig.8 The control oil pressure in the clutches

图9 有扭矩相升挡过程Fig.9 The gear up shift process with torque phase

当输出扭矩Cex保持接合、Cen打滑还未传递扭矩时,ωenien/iex=ωout,升挡过程换入挡转速大于变速器输出转速，Tout=Tex=Friend.当Cen在油压控制下开始传递扭矩时，Ten=Ten,p,Tout=Tex+Ten,当Ten逐渐升高时,由系统力矩平衡条件可知Tex开始传递负的摩擦扭矩.当Cex控制油压开始下降至0时,由于其传递扭矩下降速度很快,导致Tout瞬间上升至Tex,整车产生较明显冲击.在Cex未分离时,Cen传递的滑摩扭矩对升挡过程没有帮助.只有当Cex开始打滑、扭矩相结束时,整车与传动系统才会在Cen滑摩扭矩作用下实现升挡.当ωen=ωout时,Cen接合并传递静摩擦扭矩,升挡过程结束.扭矩相的存在延长了换入挡离合器的滑摩时间,使离合器工作在恶劣的工况下,降低了离合器的使用寿命[4].

3.2无扭矩相情况仿真

换出挡离合器已脱开、换入挡离合器扭矩还未介入的无扭矩相升挡过程中,输入、输出端转速和换入、换出挡离合器控制扭矩与实际传递扭矩仿真结果如图10所示.

Cen在充满油液后传递的摩擦扭矩快速上升,

图10 无扭矩相升挡过程Fig.10 The gear up shift process without torque phase

此时Cex的控制油压已经下降至0,Cex不再传递摩擦扭矩.在Cex传递扭矩下降至0到Cen充油结束并开始传递扭矩之间,传动系统有动力中断现象,此时整车在外负载作用下ωout将会降低,发动机-变矩器负载降低使ωen升高.在Cen传递的扭矩快速升高的作用下,传动系统动力中断结束,整车与传动系统在Cen滑摩扭矩作用下实现升挡.由于动力中断,导致离合器前后转速差变大,此时控制Cen传递滑动摩擦扭矩,整车将产生换挡冲击,同时离合器需要更长的滑摩时间来完成换挡过程[5-6].

4 结语

换入挡离合器滑摩时一般控制在较低的扭矩范围内,过高的控制扭矩虽然可以减少换挡滑摩时间,但是会带来滑摩功率的瞬时增大和整车加速度的冲击.过小的控制扭矩会延长换挡时间.

本文建立了一个适用于换挡过程分析的传动系统动力学模型.通过对典型装载机在不同控制策略下的升挡与降挡过程仿真,分析了升挡过程与降挡过程离合器控制不当所产生的问题,进而得出了升挡与降挡过程的理想控制策略与控制方向.仿真结果与实车的实验室结果吻合,提出的控制策略易于实现并经过实验验证,确实可以有效地减小换挡冲击,降低离合器的磨损.

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Modelingandsimulationofconstructionmachineryshiftdynamics

LIUZhao,WANGLei,GUORule
(School of Mechanical Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China)

The working principles of the parts in drive line under a shift condition are studied to build the dynamic models of engine-converter,vehicle and transmission.After that,the dynamic model of the whole hydraulic machinery powertrain system is built to make a further analysis of the shift process.The differential motion equations of the construction machinery under different shift conditions are derived.Simulation of a typical wheel loader is built to make a further research on the transmission shift behavior.

construction vehicle; shift process; dynamic model

TH 132

： A

： 1672-5581(2017)03-0195-04

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2104AA041502)

刘 钊(1958—),男,教授,博士.E-mail:liuzhao@tongji.edu.cn