液力变矩器闭锁离合器滑差控制策略

张洪生，时 岩，秦琳琳，孙成全

(1.南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094；2.75134部队 保障处，广西 崇左 532200)

液力变矩器闭锁离合器滑差控制策略

张洪生1，时 岩1，秦琳琳1，孙成全2

(1.南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094；2.75134部队 保障处，广西 崇左 532200)

以提高液力变矩器传递效率为目标，采用兼顾冲击度和滑磨功的闭锁离合器滑差控制策略，以及前馈和反馈相结合的控制方法，既能有效避免车辆运行状态的突变对闭锁离合器滑差过程的影响，又能保证闭锁离合器滑差过程中的准确性和稳定性。建立闭锁离合器的滑差控制模型，并对其进行仿真。仿真结果表明，应用该滑差控制策略的闭锁离合器可以在同时满足冲击度和滑磨功的要求下，最大限度地提高传递效率。

闭锁离合器；滑差控制；液力变矩器

0 引言

液力机械式自动变速系统中的液力变矩器具有传动平稳的优点，但也一直存在着效率不够高的问题，导致装有液力机械式自动变速器(AT)的汽车比一般手动档的汽车经济性差，因此引入了闭锁离合器。变矩器闭锁后会造成车辆振动和噪声的增加，所以最初闭锁技术仅应用在高档高速、小油门开度这样一个很狭窄的区域[1]。随着电子技术的发展，大部分装有液力机械式自动变速器的汽车在二档及以上便应用闭锁离合器滑差控制策略。

国内外很多学者都对离合器滑差过程的控制进行了研究。陈清洪等[2]对滑差过程的最优控制进行了研究，将冲击度作为约束条件，控制滑磨功达到最小，意在解决闭锁离合器滑磨过程的共性问题，且具备一定的通用性；Kumaraswamy Hebbale[3]等人建立了液力变矩器闭锁离合器的滑差控制模型，利用前馈压力控制算法计算闭锁离合器的压紧油压，在瞬态条件下可以及时修改滑差参考值。本文提出的液力变矩器闭锁离合器的滑差控制采用前馈和反馈控制方法相结合，以提高液力变矩器的效率为目标，同时将冲击度和滑磨功作为约束条件，制定车辆不同工作状态下的目标滑差值和功率分配比，从而计算出闭锁离合器的控制油压。

1 带闭锁离合器的液力变矩器动力学模型分析

带闭锁离合器的液力变矩器简化模型如图1所示。发动机和输入端连接，自动变速器和输出轴连接。带闭锁离合器的液力变矩器的运动可以分为3种工况：纯液力变矩工况、滑差工况、闭锁工况。滑差工况的系统动力学模型用微分方程表示如下：

主动部分：

(1)

被动部分：

(2)

其中：J1为转换到闭锁离合器主动部分的转动惯量；J2为转换到闭锁离合器被动部分的转动惯量，一般J2≥J1；ω1、ω2分别为闭锁离合器主、被动部分的角速度；Te为发动机转矩；TR为输出阻力矩，在结合过程中认为其是定值；TB为泵轮转矩；TT为涡轮转矩，TT=KTB，K为液力变矩器的变矩比；TF为闭锁离合器摩擦力矩。

2 滑差控制区域的确定

滑差控制的最终目的是为汽车的燃油经济性和乘坐舒适性提供一个最佳的平衡，它是通过改变闭锁离合器摩擦元件的压紧油压来实现的，在进行滑差控制之前首先要确定滑差控制区域。根据发动机转速、车速、节气门开度和档位等参数，可以判断是否启用滑差控制，其遵循的原则如下：①发动机转速低以及车辆起步、换档时，为液力变矩工况，使发动机低转速的扭矩波动完全被隔离；②发动机为高转速，且液力变矩器的转速比大于某一定值时，启用滑差控制，目标滑差值由实际滑差值和油门开度来决定。

图2为带有闭锁离合器的液力变矩器的原始特性曲线。其中，i0为单纯液力传动时传动效率最大对应的转速比，i1为K=1时对应的转速比。从图2中可以看出，随着转速比i的增加，传动效率增加，但是最高也只能到达80%左右，直到闭锁离合器工作，效率增加最终达到1，也就是由纯液力变矩工况转化为闭锁工况。

图1 带闭锁离合器 图2 带有闭锁离合器的液力

的液力变矩器简化模型 变矩器原始特性曲线

没有闭锁离合器的液力变矩器传递效率为：

(3)

带有闭锁离合器的液力变矩器传递效率为：

(4)

对比式(3)和式(4)可知，当K=1时，有无闭锁离合器作用，液力变矩器的传递效率都是一样的；当K>1时，没有闭锁离合器的液力变矩器传递效率较大，且此时转速比减小；当K<1时，带有闭锁离合器的液力变矩器传递效率较大，此时的转速比增大，并且液力变矩器的传递效率的大小与功率分配比有直接关系，功率分配比b=1时，发动机扭矩全部通过闭锁离合器来传递，此时传递效率最高。

由于单纯的液力传递效率低，其传递效率随着转速比的变大先增加后降低，传递效率有一个最大值，此时对应的转速比i0小于变矩比K=1时的转速比i1。为了提高传动系统的效率，在液力变矩器上加上闭锁离合器。当液力变矩器的效率达到最大值时，作为闭锁离合器滑差控制的起点。虽然转速比在i0与i1之间时，闭锁离合器的作用会降低传递效率，但是它的作用同样会使转速比增加得更快，从而更快地达到闭锁条件。一旦达到闭锁条件即变扭比为1时，闭锁离合器完全锁止，液力传动工况完全转变为机械传动，此时的传递效率为最大。

综上所述，当转速比在i0

3 液力变矩器闭锁离合器的滑差控制

3.1 闭锁离合器的滑差控制原理

闭锁离合器在工作过程中受到车辆运行状态中各种因素的影响，油门开度的变化直接影响发动机转速，从而改变了液力变矩器的泵轮和涡轮的转速差，也就是实际的滑差值。油门开度变大时，发动机转速瞬间上升，实际滑差值增大，扭矩波动水平也有所增加，如果此时目标滑差值不变，闭锁离合器按照原来的目标滑差值继续跟进，会产生很大的冲击度；相反油门开度减小，实际滑差值随之减小，为了提高传动系统的效率，理应减小目标滑差值使闭锁离合器传递更大的扭矩。因此设计前馈控制器，补偿油门对闭锁离合器工作过程的影响，使得滑磨这个动态过程具有较好的时间响应性，能够更快地适应车辆的不同工况[3]。

但是针对油门开度设计的前馈控制仍然避免不了其他因素对车辆的影响，比如车速、档位等的改变所造成的实际滑差值的变化。设计反馈控制器的目的就在于使实际滑差值可以作为目标滑差值的参考并始终跟随目标滑差值在一定的误差范围内，不会偏离太多，从而保证了闭锁离合器的正常工作。闭锁离合器的前馈—反馈控制原理如图3所示。

图3 闭锁离合器的前馈—反馈控制原理

3.2 滑差控制的约束条件

在滑差控制过程中，首先要考虑的问题是闭锁离合器的结合会不会对车辆造成很大的冲击。为了不使乘客感受到明显的冲击，设置一个冲击度的限值，即许用冲击度[j](m/s3)，一般取最大允许冲击度的一半，这里取[j]=10 m/s3。一旦闭锁离合器结合时所造成的冲击度超过这个限值，控制油压处于保压状态。

通过加速度a对时间的导数来表示车辆的冲击度，计算公式为：

(5)

其中：Rw为驱动轮半径；ig和im分别为变速器和主减速器的传动比；I2为液力变矩器涡轮、闭锁离合器从动盘、变速器、主减速器、轮胎以及整车惯量等效到离合器从动侧(涡轮侧)的转动惯量集成。

为了适当延长闭锁离合器的寿命，对其在滑差过程中产生的滑磨功也要有限制。离合器滑磨功产生的条件是离合器主、从动盘存在转速差，且摩擦扭矩越大，时间越久，闭锁离合器结合所产生的滑磨功越多，它是通过对时间的积分计算出来的，即：

(6)

根据经验值设计闭锁离合器的滑磨功限值[W]，一般取[W]=8 000 J[4]，一旦闭锁离合器结合过程中产生的滑磨功超过了这个限值，停止结合过程，转为液力变矩工况，且在一定时间内禁止启用滑差控制，以降低闭锁离合器的温度，使其恢复正常工作状态。

在本文的控制方法下，将冲击度和滑磨功同时作为约束条件，最大限度地保证闭锁离合器的结合对提高传动系统效率的作用。

3.3 液力变矩器闭锁离合器的滑差控制模型

3.3.1 输入输出模块

在本文设计的滑差控制模型中，只有满足下列4个条件才可以控制闭锁离合器工作：①油门踏板开度大于0；②液力变矩器的转速比大于某一定值(该值为液力变矩器最高效率点所对应的转速比i0)；③发动机处于中高转速，可以设定发动机转速大于1 200 r/min；④闭锁离合器的结合所引起的冲击度和其产生的滑磨功都在规定的约束条件范围内[5]。

图4为滑差控制模型的输入输出模块。由图4可知，闭锁离合器滑差控制模型的输入包括油门开度、实际滑差值、发动机实际扭矩、涡轮转速、冲击度限值和滑磨功限值，输出为闭锁离合器的控制油压。输入的变量都是可以通过传感器测得或提前设定的，为已知量，作为滑差控制模型的参考，输出量则根据这些已知量的变化而变化。

图4 滑差控制模型的输入输出模块

3.3.2 目标滑差值和功率分配比的设定模块

图5为目标滑差值和功率分配比的设定模块。闭锁离合器滑差控制最重要的两个变量是目标滑差值和功率分配比b，两者均可以通过表格查询得到。目标滑差值通过油门开度和液力变矩器的实际滑差值确定其查询表格，而功率分配比b的确定需要通过它对整车的影响来决定。

图5 目标滑差值和功率分配比的设定模块

3.3.3 冲击度和滑磨功约束模块

根据冲击度和滑磨功的计算公式编写程序，并对两者加以约束，得到的冲击度和滑磨功约束模块如图6所示。

图6 冲击度和滑磨功约束模块

3.4 计算与仿真

通过运行Cruise中的AT整车模型得到循环数据，将该数据导入到闭锁离合器滑差控制模型中，对该模型的正确性和可行性进行验证。循环数据的油门开度变化曲线如图7所示，目标滑差值与实际滑差值的关系如图8所示，功率分配比变化曲线如图9所示。

由图7和图8可以看出：油门开度较小时，一般情况下实际滑差值较大，此时目标滑差值接近实际滑差值，还是属于液力工况；油门开度适中，实际滑差值小，此时的目标滑差值会更小甚至为0，控制滑差并接近闭锁。实际滑差值影响着目标滑差值的确定同时又跟随目标滑差值的变化，两者之间保持一致性，使滑差控制策略得到了有效实施。另外，若是油门开度很大，接近100%，虽然在循环工况中没有出现，但为了保证车辆行驶的平顺性，避免发动机过大的扭矩波动通过传动系统传到车身，理论上不适合进行滑差控制，所以此时不论转速比为多少，都不在滑差控制区。

由图9可以看到：功率分配比随目标滑差值的变化而变化；目标滑差值越大，功率分配比越小，接近液力变矩工况；目标滑差值越小，功率分配比越大，接近闭锁工况。

4 结论

闭锁离合器滑差控制是提高液力变矩器效率的有效办法，本文采用前馈和反馈相结合的控制方法，使目标滑差值和功率分配比两个重要变量随车辆运行状况的变化而做相应的改变，从而控制闭锁离合器的工作，在一定程度上提高了传动效率。同时，解决了闭锁离合器工作过程中所产生的冲击度和滑磨功之间存在的共性控制问题。仿真结果表明，该控制模型具有一定的可行性，对其他离合器的结合过程的控制具有一定的借鉴作用。

图7 油门开度变化曲线 图8 目标滑差值与实际滑差值的关系图9 功率分配比变化曲线

[1] 蒋小华.液力变矩器闭锁离合器滑磨控制研究[D].重庆:重庆大学,2004:6.

[2] 陈清洪,秦大同,叶心.闭锁离合器滑磨压力优化控制与仿真[J].系统仿真学报,2010,22(3):699-703.

[3] Kumaraswamy Hebbale, Chunhao Lee.Model based torque converter clutch slip control[J]. SAE International,2011:21-27.

[4] 廖林清,沈余阳,张君.汽车起步过程离合器滑磨功仿真分析[J].重庆理工大学学报,2012,26(4):5-10.

[5] Lee DY, Ju HH. Adaptive antishock coasting lock-up control of the torque converter clutch[G]//Proceeding of World Academy of Science, Engineering and Technology.[s.l.]:WASET,2006:97-102.

Slip Control Strategy of Torque Converter Lock-up Clutch

ZHANG Hong-sheng1, SHI Yan1, QIN Lin-lin1, SUN Cheng-quan2

(1.School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094,China; 2.75134 Troop of PLA, Chongzuo 532200, China)

In this paper, for improving the transmission efficiency of torque converter, a lock-up clutch slip control strategy considering the degree of impact and friction work is put forward, which uses a control method combining feed forward and feedback. It can avoid the influence of mutations of the vehicle running state on lock-up clutch slip process effectively and ensure the accuracy and stability of the slip process. The lock-up clutch slip control model is established and simulated. The simulation results show that the lock-up clutch using slip control strategy can improve the maximum transfer efficiency of hydraulic torque converter while it meets the requirements of impact and sliding friction work.

lock-up clutch; slip control; hydraulic torque converter

1672- 6413(2015)06- 0021- 03

2015- 02- 04；

2015- 10- 28

张洪生(1978-)，男，山东菏泽人，工程师，在读硕士研究生，研究方向：汽车自动变速器技术。

U463.22+1∶TP391.7

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