装载机闭锁式液力变矩器的闭锁控制及仿真分析

惠记庄+张金龙+雷景媛+程顺鹏+胡浩

摘 要：为了提升装载机的传动效率、降低油耗，以某型号装载机为研究对象，在探讨闭锁式液力变矩器特性的基础上，分析了液力变矩器的闭解锁对装载机的影响，创建了以涡轮转速与油门开度为主要控制参数的闭锁控制系统，并建立了闭锁控制与装载机各部件的SIMULINK模型，对闭锁控制及装载机整车模型进行了仿真分析。結果表明：闭锁控制模型契合制订的闭锁控制方法，整车模型闭锁后的工况也与实际相符，说明所建闭锁控制系统和方法正确合理。

关键词：装载机；闭锁控制；SIMULINK；闭锁式液力变矩器

中图分类号：U415.514 文献标志码：B

文章编号：1000-033X（2017）03-0095-08

Abstract： In order to enhance the transmission efficiency of the loader and reduce the fuel consumption， a model loader was taken as the object of study. Based on the characteristics of the lock-up torque converter， the influence of the locking-unlocking of the torque converter on the loader was analyzed. The lock-up control system was established with turbine speed and throttle opening being the main parameters. SIMULINK model of lock-up control and loader components was built， and the simulation analysis was carried out. The results show that the lock-up control model is in accordance with the developed lock-up control method， and the working condition of the whole model is also consistent with the actual situation， indicating that the lock-up control system and method are correct and reasonable.

Key words： loader； lock-up control； SIMULINK； lock-up hydraulic torque converter

0 引 言

近些年来，随着全球不可再生资源的日益枯竭，许多发达国家都在大力发展节能环保技术。装载机作为工程机械的主要机型之一，也开始逐渐应用闭锁式液力变矩器[1-5]，并配合相应的闭锁控制技术实现节能减排。这种技术不仅保留了普通液力变矩器能使车辆起步平稳、换挡平顺、操作方便等优点，而且解决了其传动效率低的问题。

国内外很多机构已经对装载机的闭锁控制技术展开了相关研究，如日本小松、美国DANA和卡特彼勒等企业均推出过应用该技术的装载机；北京航空航天大学的Xi L等提出了一种闭锁控制算法，通过MATLAB/SIMULINK编程模拟了该闭锁控制算法并进行了车辆系统的仿真分析，为车辆闭锁性能的研究提供了参考；吉林大学王松林就液力变矩器闭锁节能技术开展了相关研究，并通过试验验证了在车辆上应用闭锁技术从而实现节能的可行性[6]。

由于国内外对于闭锁控制技术的研究主要集中在液力变矩器本身，并不完全满足装载机在工程实践中的使用需求，且闭锁控制参数选择的不同时会造成在实际应用中闭锁效果有较大差异，所以从不同角度研究装载机的闭锁控制仍具有重要意义[7]。本文参考现有研究成果，根据某型号装载机的工况，设计适用于装载机闭锁式液力变矩器闭锁控制系统和方法；通过MATLAB/SIMULINK创建装载机的闭锁控制模块和整车的模型进行仿真分析。

1 闭锁式液力变矩器闭锁控制

1.1 液力变矩器的特性

1.1.1 原始特性

液力变矩器的原始特性与其本身机械结构有关。在稳定工况下泵轮转矩系数λB、效率η及变矩系数K与涡轮和泵轮的转速比i之间的函数关系如式（1）所示，关系曲线如图1所示。

1.1.2 输入特性

液力变矩器的输入特性体现了在不同转速比i下，变矩器泵轮转矩TB随泵轮转速nB变化的关系。泵轮的转矩可用公式（2）求解。

1.2 闭锁式液力变矩器在装载机上的应用

1.2.1 闭锁式液力变矩器对装载机驱动力的影响

液力变矩器安装在发动机和变速箱之间，能够自适应载荷的突变，具有减速增矩的作用[8-9]；而闭锁式液力变矩器中安装有闭锁离合器，通过控制其闭解锁来切换机械传递工况与液力变矩工况。

在液力变矩工况下，其工作特性与普通液力变矩器相一致；而在机械传递工况下，闭锁离合器接合，涡轮与泵轮结合构成一个整体，相当于一个刚性联轴器[10-13]。取装载机油门开度50%，将发动机与液力变矩器匹配，得到2种工况下的车速-驱动力曲线，如图2、3所示。

分析图2、3可知：车速相同时，液力变矩工况下的驱动力与机械传递工况下相比具有大且平顺的优点，但在一定车速后会小于机械传递下的驱动力。

1.2.2 闭锁控制对装载机的影响

以装载机前进1挡为例，在同一坐标系中，2种工况下的车速-驱动力曲线如图4所示。若装载机在A点闭锁，则A、B、C三点所围成的阴影部分的面积就是闭锁后增加的功率输出，其传动效率得到明显提升，并且对应车速下车辆的驱动力也显著提升。

1.3 装载机闭锁点的计算

车辆闭锁控制若采用单参数，通常可选择涡轮转速、车速或挡位。但对于装载机，选择单参数无法确保在各种油门开度及低挡位下的动力性和经济性[14-16]。综合考虑装载机的实际工况，选取双参数（即油门开度与涡轮转速）作为主要控制参数，选择挡位、發动机水温和制动信息作为辅助控制参数，建立闭锁控制系统。

计算涡轮转速首先要进行闭锁点的计算。

1.3.1 不同工况下闭锁点的计算

结合装载机的工况筛选出待选的闭锁点。

（1）以耦合工况作为闭锁点。

当变矩器的输入转矩与输出转矩相等时，即当变矩系数K=1时，装载机处在耦合工况。此时变矩器的作用相当于液力耦合器，闭锁后对车辆冲击小。耦合工况下的传动效率约为80%，转速比im=0.804 6。

（2）以高效率工况作为闭锁点。

取变矩器效率高于75%时的区域为高效率区，临界点为高效率点。闭锁后装载机效率显著提升，油耗降低。计算出较小和较大的高效工况点的转速比分别为im1=0.475 3和im2=0.878 6。

（3）以最高效率工况作为闭锁点。

当变矩器处在最高效率时，装载机的传动效率已无法继续提高，将其设置为闭锁点，能够较好地发挥变矩器自身的高效率。此时装载机最高效率工况下的转速比i*=0.694 7。

根据以上几种工况，计算出不同油门开度下装载机的闭锁点，见表1。

1.3.2 传统闭锁点

采用传统闭锁点作为装载机的闭锁点，当变矩器处于同等油门开度时，机械传递与液力变矩2种工况下的涡轮转速-转矩曲线交点的转速为nΔ，转速比为iΔ。

传统闭锁点在闭锁时的转矩虽然相等，但在实际应用中发现其闭锁品质较差。原因是其在闭锁时的转速差在不同的油门开度下都比较大，导致了闭锁后发动机转速下降较多，对发动机和传动系统造成的冲击明显[17-20]。各闭锁点的转速差如图5所示。

1.4 装载机闭锁控制方法

1.4.1 闭解锁条件

满足以下条件时，装载机可以闭锁。

（1）发动机充分暖机，装载机能够在各类负载下正常作业。

（2）发动机在闭锁后不产生剧烈的扰动。

（3）车速比较高且能够确保传动系统平稳工作。

以下情况装载机必须解锁。

（1）油门关闭时，为减少尾气排放，降低油耗，装载机要解锁。

（2）当装载机制动及换挡时，要解锁以确保动力传递平顺。

1.4.2 闭锁方案

（1）驾驶员通常会选择前进1或2挡来进行铲装作业。此时的外负载受作业情况变化影响因而不具备规律性。选取耦合工况点im为闭锁点以获得较高的动力性和环境适应性。

（2）装载机前进3或4挡通常为行驶工况，此时外界负载变化较小。对于前进3挡而言，选择最高效率工况点im1作为闭锁点可以较好地利用液力变矩器本身的高效率。通过分析图5和图6可知：选择前进4挡和后退挡的闭锁点时，若选择较小的高效工况点im1作为闭锁点，闭锁范围较大，但闭锁品质较差（对比传统闭锁点），而选择较大的高效工况点im2作为闭锁点时，则相反。

（3）装载机冷却水温度处于正常工作区间内时保持原状态；低于预设温度时，装载机强制解锁；反之，强制闭锁。

（4）装载机处在制动状态时，必须进行解锁；反之，允许装载机闭锁。

（5）为了保证装载机低速时的动力性，设定油门开度处在50%以下时装载机解锁。

（6）在换挡及制动时装载机解锁。

（7）为了防止液力变矩器频繁闭解锁，设定涡轮转速差在50 r·min-1内变矩器维持原状态。

1.4.3 闭解锁控制流程

进行闭锁时，闭锁控制系统需要获取的模拟信号有油门开度、涡轮转速与冷却水温度，脉冲信号有闭解锁状态、制动信号；需要获取的开关信号为挡位信号。系统循环获取这些信号并进行比较判断，以控制闭解锁，执行的步骤如下。

步骤1：判断此时的闭锁控制模式，若不是手动模式则执行步骤2。

步骤2：判断是否制动，若正在制动，则输出解锁信号，否则执行步骤3。

步骤3：判断是否换挡，若正在换挡，则输出解锁信号，否则执行步骤4。

步骤4：获取挡位信号，若此时为空挡，则输出解锁信号，否则执行步骤5。

步骤5：获取水温信号，若此时水温介于60 ℃和90 ℃之间，则维持当前信号输出不变；若水温大于90 ℃，则输出闭锁信号；若水温小于60 ℃，则输出解锁信号；完成后执行步骤6。

步骤6：获取此时的油门开度α、挡位和涡轮转速n1。根据挡位和油门开度α确定涡轮闭锁时的理论转速n2。将此涡轮转速的实际值n1与理论值n2相比较。若n2-50

2 仿真模型的建立

2.1 闭锁控制模型的建立

依照前文制订的控制方法，需要为闭锁控制模型输入的信号包括：闭解锁状态（在模型内）、涡轮转速、油门开度、制动信息、冷却水温度以及挡位信息。

建立的闭锁控制SIMULINK仿真模型如下。

2.2 液力变矩器模型的建立

根据液力变矩器的特性，其仿真模型可以抽象为输入涡轮转速和泵轮转速、输出涡轮转矩和泵轮转矩。根据式（1），采用插值法拟合出其原始特性曲线，依据式（2）求其输入特性，得出仿真模型，如图8所示。

2.3 发动机模型的建立

柴油发动机的数学模型为

根据此数学模型，发动机可转化为输入外负载与油门开度、输出转速与转矩的仿真模型。将相关数据赋予到相应模块中，获得发动机的仿真模型，如图9所示。

2.4 变速箱模型的建立

变速箱的数学模型为

仿真模型输入转速、转矩和挡位，并按照相应挡位的传动比转换后输出转速和转矩，如图10所示。

2.5 装载机-地面模型的建立

一般情况下，装载机在地面上行驶作业时，需要克服的行驶阻力主要有以下4种。

根据式（7）建立装载机-地面的仿真模型见图11。

2.6 整车模型的建立

按照装载机的运行模式，将其各个部件的仿真模型相连，得到整车仿真模型见图12。

3 仿真分析

3.1 闭锁控制模型的仿真

输入如图13所示的周期信号来模拟冷却水温度的变化，对闭锁控制模型进行激励。对应闭锁信号的变化如图14所示。

模拟装载机某一加减挡过程，对挡位信息进行验证。挡位与闭锁信号的关系如图15所示。

3.2 整车模型的仿真

首先在不进行闭锁控制的情况下进行仿真。设置油门开度为70%、非制动状态、3挡、中途不换挡、冷却水温为75 ℃，为装载机部分模块赋予适当的初值后，进行整车模型的仿真。在某一过程中，得到泵轮、涡轮转速曲线，如图16所示，得到转矩曲线如图17所示。

根据前文制定的闭锁方案，在这种情况下闭锁点的转速为1 095 r·min-1。从图16可知，仿真时间进行到3.335 s时，涡轮转速刚好达到1 095 r·min-1。

再对整车模型进行带有闭锁控制的仿真，在相同过程下得到闭锁信号2（图18）以及转速、转矩变化曲线（图19、20）。

从图18可以得出，当仿真时间进行到3.335 s时，闭锁控制模块发出的闭锁信号从“0”变化到“1”。此时液力变矩闭锁。从图19、20中可以得出，3.335 s后涡轮与泵轮的转速、转矩迅速变为一致，完成闭锁。

4 结 语

（1）通过分析图13冷却水温度变化和图14闭锁信号1可知：当冷却水温达到90 ℃以上时闭锁信号变为“1”，变矩器闭锁。当冷却水温度低于到60 ℃时，闭锁信号变为“0”，变矩器解锁。另外通过分析图15挡位与闭锁信号可知：当装载机换挡时，闭锁信号在短时间内变为“0”，变矩器解锁。以上两点说明闭锁控制模块可以对冷却水温和换挡参数的变化做出正确响应。

（2）分析图18闭锁信号2，当仿真时间为3.335 s时，涡轮转速达到闭锁转速1 095 r·min-1，闭锁信号变为“1”，此时变矩器闭锁，说明闭锁控制模块也对涡轮转速的变化做出了正确响应。结合公式（1），证明了闭锁控制模块的正确性。

（3）分析图16、19含有和不含闭锁控制的转速曲线，在3.335 s时，装载机达到闭锁点后闭锁，闭锁后涡轮和泵轮转速迅速保持一致。通过分析图17、20含有和不含闭锁控制的转矩曲线可知，同样在3.335 s时，装载机闭锁。泵轮和涡轮转矩经过短时间的扰动后也迅速调整一致，符合实际工况。这表明闭锁完成之后，液力变矩器起到刚性联轴器的作用，证明所建装载机整车模型正确，闭锁后车辆传动系统变为机械传动。

（4）本文仿真结果充分说明了所建闭锁控制模型符合制订的闭锁控制系统和控制方法，并验证了闭锁控制系统和方法的正确性以及在装载机上应用的可行性。相对于无闭锁控制的传统装载机，本文设计的闭锁控制能够提升装载机的传动效率、动力性和经济性，特别是对于需要长距离转场运输作业的工况，闭锁效果更佳。这对于装载机的节能减排、作业效率提高具有重要意义。

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[责任编辑：杜卫华]