起步工況下液力變矩器滑差控制轉(zhuǎn)速優(yōu)化

雷雨龍，劉振杰，李興忠，付 堯，鄭宏鵬

（吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022）

目前世界各著名汽車公司的液力機械式自動變速器（簡稱AT）幾乎都采用了閉鎖離合器滑差控制技術(shù)［1］。閉鎖離合器不完全閉鎖可以大幅度地降低傳動系統(tǒng)的振動和噪聲，使閉鎖領(lǐng)域得到充分的擴(kuò)展。閉鎖離合器處于滑摩工況時，可以提高液力自動變速器的傳動效率。然而，閉鎖離合器滑摩也會帶來不良后果，因為由發(fā)動機燃油燃燒時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動引起的噪音和振動會部分通過閉鎖離合器直接傳遞到汽車的傳動系中，降低了乘坐的舒適性、汽車的操縱穩(wěn)定性和傳動系的壽命。因此，傳統(tǒng)的閉鎖離合器在高車速區(qū)域結(jié)合而在其他車速區(qū)域分離。因為只有在高車速區(qū)域時，發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩波動才不那么明顯。

針對以上問題，本文搭建了整車動力學(xué)聯(lián)合仿真平臺，設(shè)計了閉鎖離合器滑差PID控制器；以遺傳算法作為閉鎖離合器滑差控制轉(zhuǎn)速優(yōu)化算法、閉鎖離合器滑差控制轉(zhuǎn)速為遺傳算子、扭矩波動水平w和傳動效率η為評價指標(biāo)構(gòu)建了適應(yīng)度函數(shù)，優(yōu)化起步工況下不同油門開度時閉鎖離合器滑差控制轉(zhuǎn)速。動力傳遞分配比例較理想，在低車速區(qū)域的動力傳動效率有較大提高。

1 整車建模

本項目以裝有6檔AT的大眾POLO轎車［2］作為研究對象，如圖1所示，圖中，Ie為發(fā)動機轉(zhuǎn)動慣量；Te為發(fā)動扭矩；ae為發(fā)動機輸出角加速度；Ib為液力變矩器轉(zhuǎn)動慣量；ab為變速箱輸入角加速度；It為變速箱轉(zhuǎn)動慣量；at為變速箱輸出角加速度；Ir為整車轉(zhuǎn)動螺星；Tr為阻力矩；Tb為變速箱輸入扭矩；ar為整車加速度；Tt為變速箱輸出扭矩。整車動力傳動系統(tǒng)的發(fā)動機、液力變矩器、變速箱、整車4個相連子系統(tǒng)之間相互傳遞轉(zhuǎn)矩，通過AMESIM軟件建立整車動力學(xué)仿真模型。

1.1 發(fā)動機模型

發(fā)動機模型是根據(jù)目標(biāo)樣車使用的發(fā)動機建立的，靜態(tài)模型通過試驗測得，以油門開度α和發(fā)動機轉(zhuǎn)速ωe為輸入，以發(fā)動機靜態(tài)輸出扭矩Tes為輸出。由于汽車在起步工況下油門開度變化迅速，發(fā)動機通常由動態(tài)過程變化到穩(wěn)態(tài)過程。為了考慮動態(tài)過程，采用既簡單又能反應(yīng)發(fā)動機動態(tài)響應(yīng)過程的滯后一階慣性環(huán)節(jié)建立發(fā)動機模型［3］。發(fā)動機的動態(tài)輸出扭矩Te為

圖1 整車仿真模型Fig.1 Vehicle simulation model

式中:tes、te2均為傅立葉變換參數(shù)。

1.2 液力變矩器建模

液力變矩器結(jié)構(gòu)如圖2所示，變矩器與閉鎖離合器并行，閉鎖離合器和扭轉(zhuǎn)減震器連為一體，動力由發(fā)動機輸入，經(jīng)液力變矩器后動力輸出到后面的變速箱。

圖2 液力變矩器結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Schematic diagram of torque converters structure

液力變矩器有3種動力傳遞路線:①動力單獨經(jīng)由液力變矩器后輸出；②動力單獨經(jīng)由閉鎖離合器輸出；③動力分別經(jīng)由液力變矩器和閉鎖離合器后共同輸出，此時閉鎖離合器處于半結(jié)合狀態(tài)。

1.2.1 液力變矩器模型

液力變矩器的性能由泵輪能容系數(shù)λ、變矩比K和效率η三條曲線［4］表示，3條曲線均為速比i的函數(shù)。由圖3可知:在低速比時，液力傳動系統(tǒng)可獲得較大的變矩比，隨著速比的增加，變矩比減小，達(dá)到偶合器工況時，變矩比為1。在低速比時，液力變矩器效率低，隨著速比的增加，傳遞效率增加，在某一速比下達(dá)到最大效率值，當(dāng)速比再增加時，效率下降，到達(dá)偶合器工況后效率又逐漸上升。

圖3 液力變矩器外特性Fig.3 Torque converters characteristic

1.2.2 閉鎖離合器模型

閉鎖離合器傳遞的摩擦力矩為

式中:R為摩擦片外半徑；r為摩擦片內(nèi)半徑；q為摩擦片各點比壓；μ 為摩擦因數(shù)［5－6］，其值為

式中:Rm為摩擦片等效半徑，其值為

1.2.3 扭轉(zhuǎn)減震器模型

扭轉(zhuǎn)減震器［7］采用兩組不同的減震器彈簧，利用彈簧先后起作用的辦法獲得變剛度特性，這種變剛度特性可以避免不利的傳動系統(tǒng)共振，降低傳動系統(tǒng)噪聲。

式中:kc1、kc2分別為扭轉(zhuǎn)減震器第1剛度和第2剛度；αc1、αc2分別為扭轉(zhuǎn)減震器第1角位移和第2角位移。

扭轉(zhuǎn)減震器傳遞的扭矩為

1.3 變速箱模型

變速箱布置形式為前置前驅(qū)，主減速已集成到變速箱中。變速器輸入輸出的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩間的關(guān)系，在不考慮效率的情況下可以用以下方程描述:

式中:Tb、Tt分別為變速箱的輸入和輸出轉(zhuǎn)矩；ωb、ωt分別為變速箱的輸入和輸出轉(zhuǎn)速；ig為變速箱傳動比；it為變速箱主減速比；ηt為變速箱傳動效率。

1.4 整車模型

汽車行駛動力學(xué)方程式為

式中:Fr為車輪驅(qū)動力；Ff為滾動阻力；Fi為坡度阻力；Fw為風(fēng)阻；Fj為加速阻力；Rw為驅(qū)動輪半徑；m為汽車質(zhì)量；g為重力加速度；f為滾動阻力系數(shù)；θ為坡度角；CD為風(fēng)阻系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；v為車速；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。

2 滑差控制器設(shè)計

滑差控制器的工作原理是通過改變閉鎖離合器［8－9］的結(jié)合和打開控制通過液力變矩器和閉鎖離合器傳遞的發(fā)動機扭矩。滑差控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示，通過兩個轉(zhuǎn)速傳感器獲取渦輪和泵輪轉(zhuǎn)速，定義誤差比

圖4 液力變矩器滑差控制模型Fig.4 Slip control model of torque converter

式中:ωe為發(fā)動機轉(zhuǎn)速；ωc為閉鎖離合器轉(zhuǎn)速；ωe－ωc即為滑差控制轉(zhuǎn)速；ωm為目標(biāo)滑差控制轉(zhuǎn)速。

目標(biāo)誤差率為

將目標(biāo)滑差轉(zhuǎn)速控制作歸一化處理后輸入PID控制器，輸出閉鎖離合器的控制信號，控制閉鎖離合器結(jié)合或打開，從而實現(xiàn)目標(biāo)滑差轉(zhuǎn)速的控制。

3 滑差控制轉(zhuǎn)速優(yōu)化

3.1 優(yōu)化模型設(shè)計

定義傳動系統(tǒng)扭矩波動水平為

定義傳動系統(tǒng)傳動效率為

式中:ωe為發(fā)動機輸出角速度。

閉鎖離合器在進(jìn)行閉鎖滑差控制中，越早、越快閉合，傳動系統(tǒng)的傳動效率越高，但相應(yīng)的傳動系統(tǒng)的振動沖擊即扭矩波動水平就會越大，優(yōu)化的目的是盡可能獲得最好的燃油經(jīng)濟(jì)性和振動沖擊特性。多目標(biāo)優(yōu)化問題往往包含多個解，并且各個解之間無法進(jìn)行比較優(yōu)劣，這些解統(tǒng)稱為Pareto解集，而多目標(biāo)優(yōu)化的目的就是尋找Pareto解集［10］。遺傳算法在求解給定區(qū)域多目標(biāo)優(yōu)化問題中顯示了其優(yōu)越性，并已逐漸成為解決一些復(fù)雜工程問題的有力工具。滑差控制轉(zhuǎn)速的優(yōu)化過程如圖5所示。

在AMESim中建立整車動力學(xué)仿真模型，在Matlab／Simulink中建立控制及優(yōu)化模型，仿真模型用各自的求解器進(jìn)行求解，并通過軟件接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，即建立聯(lián)合仿真模型。

圖5 滑差控制轉(zhuǎn)速優(yōu)化流程Fig.5 Slip speed optimization flowchart

適應(yīng)度函數(shù)在Matlab里面稱為遺傳算法的評價函數(shù)，采用線性加權(quán)的方法構(gòu)造目標(biāo)函數(shù):

式中:a、b分別表示扭矩波動水平w和傳動效率η的權(quán)重，根據(jù)專家意見確定。

在適應(yīng)度函數(shù)中，編碼檢查來自Simulink仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，包括在特定轉(zhuǎn)速下w和η，然后剔除不滿足要求的值，尋找優(yōu)化轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的值，并確保整個仿真系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。輸出w和η到Matlab的遺傳算法優(yōu)化工具箱中進(jìn)行優(yōu)化，輸出變異滑差控制轉(zhuǎn)速后再進(jìn)行評價，直至優(yōu)化滿足結(jié)束準(zhǔn)則，得到在特定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的優(yōu)化轉(zhuǎn)速的Pareto解集。

3.2 優(yōu)化轉(zhuǎn)速

本文確定滑差控制轉(zhuǎn)速為輸入，取值為1～800r／min，怠速轉(zhuǎn)速為750r／min。遺傳算法的種群規(guī)模為8，滑差轉(zhuǎn)速初始值為1r／min，選擇變異15代后終止。當(dāng)油門開度為30%、發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1000～1010r／min時優(yōu)化后的Pareto解集如圖6所示。

圖6 Pareto解集Fig.6 Pareto set

從圖6中可以看出:滑差控制轉(zhuǎn)速越小，傳動效率越高，但相應(yīng)的扭矩波動水平越來越大，此時從Pareto解集中選取合適的滑差控制轉(zhuǎn)速應(yīng)根據(jù)前一時刻轉(zhuǎn)速對應(yīng)的扭矩波動水平，確保其值不出現(xiàn)突變，從而避免導(dǎo)致發(fā)動機出現(xiàn)狀況。基于以上優(yōu)化結(jié)果，可以建立閉鎖離合器滑差控制優(yōu)化轉(zhuǎn)速的查詢表格，如表1所示。

在怠速（油門開度α為0）起步時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低，基本維持在800r／min左右，扭矩波動大，此時進(jìn)行閉鎖滑差控制容易導(dǎo)致發(fā)動機熄火。故從表1中可以看出，怠速時無滑差控制，而隨著油門開度增加，閉鎖滑差控制可以逐漸使用，油門開度越小，閉鎖時轉(zhuǎn)速越低，隨著油門開度的增大，發(fā)動機轉(zhuǎn)速增大加快，此時閉鎖轉(zhuǎn)速也相應(yīng)地增大。

表1 閉鎖離合器滑差控制轉(zhuǎn)速Table 1 Slip speed of torque converter clutch r／min

4 仿真結(jié)果

為了驗證起步閉鎖滑摩控制優(yōu)化后轉(zhuǎn)速的效果，以裝有6檔AT的大眾POLO轎車為對象進(jìn)行了仿真研究，整車的具體參數(shù)如表2所示。

表2 POLO轎車整車參數(shù)表Table 2 Vehicle parameters

通常將駕駛員的起步意圖分為爬行起步、正常起步和急起步3個模式［11］。0＜α≤12%為爬行起步（小油門起步）；12%＜α≤30%為正常起步（中等油門起步）；α＞30%為急起步（大油門起步和全油門起步）。

（1）小油門起步

小油門起步要求起步過程平穩(wěn)無沖擊，此時發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低、扭矩波動大。圖7為10%油門開度起步控制時效果圖。

由圖7可知:此時進(jìn)行閉鎖滑差控制，渦輪轉(zhuǎn)速與無控制時幾乎相同；泵輪轉(zhuǎn)速比無控制泵輪轉(zhuǎn)速低；閉鎖滑差控制開始一段時間后傳動效率比無控制時高；但扭矩波動水平下降后又逐漸上升，且后半段波動較大。說明此時發(fā)動機工作狀態(tài)不是特別穩(wěn)定，容易導(dǎo)致熄火等狀況出現(xiàn)，此時不應(yīng)進(jìn)行閉鎖滑差控制，應(yīng)該充分發(fā)揮液力變矩器的緩沖減震作用，確保起步的平順性。

（2）中油門起步

圖8為30%油門開度起步效果圖，從圖中可知:渦輪轉(zhuǎn)速與無控制時相比稍微下降；泵輪轉(zhuǎn)速比無控制泵輪轉(zhuǎn)速低；閉鎖滑差控制開始一段時間后傳動效率比無控制時高；扭矩波動水平下降后又逐漸上升，后半段與無控制時幾乎相同，此時發(fā)動機工作平穩(wěn)，可以進(jìn)行閉鎖滑差控制。

圖7 10%油門開度起步控制效果圖Fig.7 Control effect when throttle opening at 10%

（3）大油門起步

圖9為50%油門開度起步效果圖，從圖中可知:大油門起步與中油門起步效果閉鎖滑差控制效果大體相同。

圖8 30%油門開度起步控制效果圖Fig.8 Control effect when throttle opening at 30%

圖9 50%油門開度起步控制效果圖Fig.9 Control effect when throttle opening at 50%

（4）全油門起步

圖10為全油門開度起步效果圖。從圖中可知:全油門、中油門及大油門起步時閉鎖滑差控制效果大體相同，渦輪轉(zhuǎn)速與無控制時相比稍微下降；泵輪轉(zhuǎn)速比無控制時低；閉鎖滑差控制開始一段時間后傳動效率比無控制時高；扭矩波動水平下降后又逐漸上升，后半段與無控制時幾乎相同，此時控制效果與中油門開度起步控制效果大體相同。

圖10 全油門開度起步控制效果圖Fig.10 Control effect when throttle opening at 100%

5 結(jié) 論

（1）基于 Matlab／Simulink和 AMESim 建立了整車動力學(xué)聯(lián)合仿真模型，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建優(yōu)化仿真模型，使得多目標(biāo)優(yōu)化成為可能。

（2）基于遺傳算法的滑差控制轉(zhuǎn)速優(yōu)化，以閉鎖離合器滑差控制轉(zhuǎn)速差為輸入，并以扭矩波動水平w和傳動效率η為評價參數(shù)構(gòu)建適應(yīng)度函數(shù)，搭建了優(yōu)化仿真平臺。

（3）從仿真結(jié)果可以看出:起步工況液力機械式自動變速器閉鎖滑差控制解決了車輛起步效率低的問題。通過主動干涉發(fā)動機的工作點，在滿足車輛起步動力性需求的前提下，使經(jīng)濟(jì)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］馮永忠.大眾車系09G自動變速器維修圖冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009:10－29.

［3］張?zhí)鸢擦郑拼簩W(xué)，等.越野汽車機械自動變速閉鎖與滑差液壓控制系統(tǒng)動態(tài)特性研究［J］.汽車技術(shù)，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］陳清洪，秦大同，葉心.閉鎖離合器滑摩壓力優(yōu)化控制與仿真［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2010，22（3）:699－703.Chen Qing－h(huán)ong，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，F(xiàn)ujii 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］雷雨龍，葛安林，李永軍.離合器起步工程的控制策略［J］.汽車工程，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］劉洪波，雷雨龍，張建國，等.雙離合器式自動變速器換擋品質(zhì)評價與優(yōu)化［J］.吉林大學(xué)學(xué)報:工學(xué)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］孫東野，秦大同.汽車離合器局部恒轉(zhuǎn)速起步自動控制研究［J］.機械工程學(xué)報，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.