特种车辆分动器取力全速控制技术研究

2022-11-07聂文福周元豪

汽车电器 2022年9期

聂文福，周元豪，高锦

（陕西重型汽车有限公司，陕西西安 710200）

1 前言

对于一款通用性较强的特种车辆底盘而言，需要搭载不同的上装系统以实现特殊的功能需求。此时需要底盘为上装提供动力支持，用于驱动发电机、液压油泵等动力源。因此底盘会在变速器或分动器预留取力器接口，通过控制发动机转速实现取力器的转速/扭矩可调。

目前，常用的分动器取力多为机械控制方式。根据上装取力需求，手动打开取力器开关，再单独调节发动机恒定转速，调节变速器锁止挡位，调节分动器挂入空挡。此种方式操作步骤繁琐，容易因为操作不当导致分动器或取力器打齿，影响使用寿命，甚至损坏。转速控制方面比较单一，没有形成闭环控制，系统受负载影响较大。同时对发动机运行效能没有进行深入研究，难以实现节油降噪和多用途的目的。

2 研究内容

本文以配置有大功率电控发动机、6速自动变速器以及全时全速分动器（自带取力器）等总成的重型特种车辆为研究对象，重点研究分动器取力全速控制的实现方法，在满足上装取力需求的情况下，使发动机运行在高效的工作区间，以达到输出扭矩最优和节油降耗的目的。

3 技术方案

3.1 取力器转速控制能力分析

本系统为特种车辆典型匹配型式，包括发动机、变速器、分动器（带取力器）和控制系统，如图1所示。取力器动力由发动机经变速器传递给分动器后通过取力器法兰输出。

图1 系统组成及控制原理图

其中发动机ECU能够对发动机进行转速闭环控制，控制转速范围600～2100r/min，控制精度≤1%；变速器TCU能够对变速器前进挡进行锁挡控制，变速器各挡位速比如表1所示；取力器集成于分动器本体，与分动器输入轴直连，速比1:1，通过气动拨销控制结合/脱离。

表1 变速器各挡位速比

根据上述动力传动路径及传动比，可得取力器转速计算公式：

扭矩计算公式（此处忽略传动损耗）：

式中：n——取力器输出转速；n——发动机输出转速；T——取力器输出扭矩；T——发动机输出扭矩；i——变速器各挡位速比；i——分动器取力器速比。

充分分析上装控制需求，结合车辆底盘动力系统运行能力及式（1）计算，取力器适合工作转速区间为200～3000r/min。

3.2 控制策略研究

该车辆发动机外特性曲线如图2所示，通过分析，发动机工作在1000～1400r/min转速范围内，油耗率最低，输出扭矩最大，效率最高，因此在设计控制算法时，尽可能使发动机工作在这一区间。

图2 发动机外特性曲线（扭矩/油耗率）

由公式（1）可得发动机实际输出转速简化计算公式：

对取力器目标转速进行每40r/min等分处理，通过式（3）计算不同挡位下，各取力器转速需要的发动机输出转速值，结合发动机转速最优工作区间，确定变速器换挡点。同时根据式（2）计算取力器输出功率，可满足3种不同动力输出模式，包括经济、常规和动力，如图3所示。经济模式下，输出扭矩较小，发动机油耗偏低；动力模式下，输出扭矩大，发动机油耗偏高。

图3 变速器换挡控制策略

通过MATLAB/Simulink对图3换挡控制策略进行建模，运用Stateflow模块实现转速与换挡点算法逻辑，采用Switch模块实现3种模式的切换输出，全速控制算法模型如图4所示。输入信号包括运行模式和取力器需求转速，输出信号包括需要变速器锁止的挡位和需求的发动机转速。

图4 全速控制算法模型

3.3 控制方案

通过上述分析，取力器全速控制能够满足200～3000r/min连续可调，可实现经济、常规、动力3种工作模式。如图1所示，控制系统包括取力器全速控制器（简称PCU）、调速旋钮、模式开关、分动器挡位电磁阀及反馈信号开关、取力器工作电磁阀及反馈信号开关。

系统以PCU为控制中心，采集调速旋钮开关大小和模式开关状态，获取目标转速和模式，并对车辆状态、故障信息进行判断，满足取力器工作条件时，控制取力器结合、分动器挂空挡、变速器进入目标挡位、发动机进入目标转速，同时反馈工作状态给组合仪表。采用一键式控制的方式，使操作变得更简单、高效。同时系统预留外部CAN总线控制接口，控制优先级低于调速旋钮开关。控制流程如图5所示，取力器外部控制报文见表2。