工程機械換擋過程動力學建模與仿真

劉 釗,王 磊,郭儒樂(同濟大學 機械與能源工程學院,上海201804)

工程機械換擋過程動力學建模與仿真

劉 釗,王 磊,郭儒樂
(同濟大學 機械與能源工程學院,上海201804)

分析了換擋過程中各傳動部件的工作原理,建立了發動機-變矩器聯合動力學模型、整車行駛模型和變速器換擋模型,進而建立了應用于換擋過程分析的工程機械液力機械傳動系統動力學模型.推導出工程機械換擋過程的運動方程.仿真分析了典型裝載機在換擋過程中的動力學行為.

工程機械; 換擋過程; 動力學模型

目前,工程機械變速傳動系統大多采用液力機械傳動.液力機械傳動系統主要包含發動機-變矩器、變速器、后橋和輪胎.發動機-變矩器作為復合動力輸出部件,在進行換擋過程研究時需要對發動機-變矩器進行合理、適當的簡化.動力換擋變速器換擋時主要考慮一個離合器的結合和另一個離合器的脫開,兩個離合器的動作時序控制一直是換擋過程研究的重點與難點.以往用于工程機械換擋過程分析的動力學模型均考慮得不夠細致與直觀.

本文針對換擋過程分析建立了發動機-變矩器的動力學模型,從變速器的工作實質出發建立了變速器的簡化模型,同時考慮后橋傳動比、輪胎與整車質量對換擋過程的影響,建立了工程機械換擋過程動力學模型.模型將復雜的傳動系統合理地簡化為2自由度運動部件,并將部分部件轉速等效于變速器的輸入軸與輸出軸,可以更加直觀地分析傳動系中各部件的運動關系.充分考慮了換擋過程中離合器傳遞扭矩的不同狀態,推導出傳動系統換擋過程的運動方程,進而建立了典型裝載機的換擋過程仿真模型.通過仿真分析了換擋過程中各運動部件的動力學行為.本文提出的模型可有效地用于換擋控制策略的研究.

1 換擋過程動力學模型

工程機械液力機械傳動系統組成如圖1所示.駕駛員控制油門信號,發動機-變矩器在一定油門開度α下產生動力并經變速器和后橋傳遞至整車,牽引力克服外界負載Fr驅動整車行駛和工作.

1.1發動機-變矩器聯合動力學模型

發動機-變矩器聯合部件中運動的剛體部件被變矩器油液分隔成兩部分,如圖2所示.發動機的驅動力矩可以認為是作用在第一個旋轉的慣性元

圖1 車輛液力機械傳動系統Fig.1 The hydraulic mechanical powertrainsystem in a typical wheel loader

件上的.發動機運動部件、變矩器泵輪及其附加在泵輪上的流體慣性一起近似等效為一個旋轉的慣性元件,變矩器渦輪及其附加在渦輪上的流體慣性一起近似等效為另一個旋轉的慣性元件,如圖2所示:TE為發動機曲軸傳遞的扭矩;nE為曲軸轉速;JE為發動機部件的轉動慣量;JB為變矩器泵輪轉動慣量;TM為變矩器傳動油傳遞至渦輪的扭矩;ni為變矩器渦輪軸轉速;TB為變矩器渦輪傳遞至變速器輸入軸上的扭矩;nB為變速器輸入軸轉速;nB=ni.

圖2 發動機-變矩器傳動系統Fig.2 Engine-converter system

圖2中虛線框中的發動機-變矩器聯合驅動的瞬態反應一般比較快,可達到50 Hz以上.換擋過程發生在零點幾秒到幾秒之間,10 Hz及以上的動態特性對換擋過程影響較小.發動機的高頻動態響應并不會明顯影響換擋過程,同時變矩器的油液作為柔性傳動原件,對渦輪剛體前的高頻動態響應具有阻隔作用.發動機-變矩器聯合對渦輪旋轉慣性元件的驅動在換擋過程分析中,主要考慮變矩器流體輸出的聯合特性TM(ni,α)即可.發動機-變矩器聯合部件被簡化為如圖3所示.

圖3 發動機-變矩器動力學模型Fig.3 Engine-converter dynamic model

1.2整車行駛模型

車輛行走模型主要考慮整車質量以及車輛行駛過程中所受外界負載影響,變速器輸出軸通過后橋與輪胎將動力傳遞至整車,整車動力學模型如圖4所示.ωout,Tout分別為變速器輸出軸轉速與扭矩;Rw為輪胎半徑;iw為后橋傳動比;m為整車質量;Fr為車輛行走外界阻力,Fr=Fr(v,e),行走外界阻力主要由車速v與行駛環境e決定.

圖4 整車動力學模型Fig.4 The dynamic model of the driving vehicle

1.3變速器換擋模型

換擋過程通常是一個離合器結合、另一個離合器脫開的過程[1].換出擋位離合器Cex脫開、換入擋位離合器Cen結合過程中變速器具有2個自由度,變速器的動力學模型如圖5所示:Ti為變速器輸入軸傳遞扭矩;ωi為變速器輸入軸轉速;Ji為變速器輸入軸與換擋離合器之間剛性連接部件的等效轉動慣量;Tout為變速器輸出軸傳遞扭矩;ωout為變速器輸出軸轉速;Jout為換擋離合器與變速器輸出軸之間的部件的等效轉動慣量.

圖5 變速器動力學模型Fig.5 The transmission dynamic model

1.4車輛行走完整動力學模型

將以上得到的發動機-變矩器、變速器與整車行走動力學模型，按照動力傳遞路徑搭接,建立如圖6所示車輛行走完整動力學模型.

圖6 車輛完整動力學模型Fig.6 The dynamic model of the whole vehicle

圖6中：Ji為變速器輸入軸上與換擋離合器前的剛性部件的轉動慣量之和;Jo為變速器輸出軸上和后橋部件等效到變速器輸出軸上的轉動慣量之和.上述完整動力學模型可進一步簡化為如圖7所示.

圖7 換擋過程分析的動力學模型Fig.7 The dynamic model for shift analysis

圖7中：iex和ien分別是變速器換出擋位與換入擋位傳動比,升擋時iex>ien,降擋時iex

2 換擋過程運動方程

換擋系統共有2個自由度.當兩個離合器均未結合時,2個自由度都可獨立運動;當有一個離合器結合時,只有1個自由度可以獨立運動,結合的離合器傳遞扭矩由系統力矩平衡條件決定;在兩個離合器都結合情況下,變速器不能運動[2].按照換入、換出擋離合器狀態不同,系統分為3種運動狀態:換出擋離合器結合、換入擋離合器打滑;換出、換入擋離合器均打滑;換出擋離合器打滑、換入擋離合器結合.

離合器打滑時傳遞扭矩由控制扭矩決定,即

Ten=Ten,psgn(ωen-ωout)

Tex=Tex,psgn(ωex-ωout)

式中:Ten,p為換入擋離合器的控制扭矩;Tex,p為換出擋離合器控制扭矩.

當換出擋離合器與換入擋離合器都處于滑移狀態時,根據前端轉動慣量和整車質量的動力學平衡方程，可建立系統的運動方程為

Ten,psgn(ωen-ωout)]iend-Fr

(1)

當換出擋離合器結合、換入擋離合器滑移時,系統只有1個自由度,ωen=iex/ienωout,Tex由系統力矩平衡條件決定.將上述條件帶入到式(1)，可得此時的系統運動方程為

(2)

當換出擋離合器滑移、換入擋離合器結合狀態時,系統也是1個自由度,ωex=ien/iexωout,Ten由系統力矩平衡條件決定.將上述條件帶入式(1)，可得此時的系統運動方程為

(3)

3 換擋過程動力學仿真

以下通過仿真了解在不同工況、不同控制條件下的換擋動力學過程.由于ωeniex/ien=ωout,升擋時iex>ien,因此升擋開始時ωen>ωout.升擋時換出擋離合器還沒有脫開,換入擋離合器在油壓控制下已經傳遞扭矩,此時換入、換出擋離合器均傳遞扭矩,換擋過程存在扭矩相.升擋時換出擋離合器已經脫開不傳遞扭矩,而換入擋離合器還沒有接入傳遞扭矩,此時換擋過程存在動力中斷.

以典型裝載機的實際參數作為仿真依據.換出擋離合器油壓在脫檔時一般快速下降[3],換入擋離合器油壓一般經過一個平穩結合的控制過程,但是在開始時，離合器會有一個沖液過程.在沖液過程時，離合器的實際控制扭矩為0,而一旦離合器接觸,油壓會迅速上升,如圖8所示.離合器控制扭矩都是按上述控制規律進行仿真.

圖8中:Tex,p為Cex在油壓控制下所能傳遞的最大摩擦扭矩按換入擋傳動比轉換至輸出軸的等效扭矩;Ten,p為Cen在油壓控制下所能傳遞的最大摩擦扭矩按換入擋傳動比轉換至輸出軸的等效扭矩.

3.1有扭矩相情況仿真

換出擋離合器還未脫開,換入擋離合器扭矩已經介入的有扭矩相升擋過程中,輸入、輸出端轉速和換入、換出擋離合器控制扭矩與實際傳遞扭矩仿真結果如圖9所示.

從仿真結果可以看出,換出擋離合器結合時,換入擋離合器傳遞扭矩后,由于系統力矩平衡,換出擋離合器傳遞扭矩會逐漸下降至傳遞負扭矩.

圖8 離合器控制油壓Fig.8 The control oil pressure in the clutches

圖9 有扭矩相升擋過程Fig.9 The gear up shift process with torque phase

當輸出扭矩Cex保持接合、Cen打滑還未傳遞扭矩時,ωenien/iex=ωout,升擋過程換入擋轉速大于變速器輸出轉速，Tout=Tex=Friend.當Cen在油壓控制下開始傳遞扭矩時，Ten=Ten,p,Tout=Tex+Ten,當Ten逐漸升高時,由系統力矩平衡條件可知Tex開始傳遞負的摩擦扭矩.當Cex控制油壓開始下降至0時,由于其傳遞扭矩下降速度很快,導致Tout瞬間上升至Tex,整車產生較明顯沖擊.在Cex未分離時,Cen傳遞的滑摩扭矩對升擋過程沒有幫助.只有當Cex開始打滑、扭矩相結束時,整車與傳動系統才會在Cen滑摩扭矩作用下實現升擋.當ωen=ωout時,Cen接合并傳遞靜摩擦扭矩,升擋過程結束.扭矩相的存在延長了換入擋離合器的滑摩時間,使離合器工作在惡劣的工況下,降低了離合器的使用壽命[4].

3.2無扭矩相情況仿真

換出擋離合器已脫開、換入擋離合器扭矩還未介入的無扭矩相升擋過程中,輸入、輸出端轉速和換入、換出擋離合器控制扭矩與實際傳遞扭矩仿真結果如圖10所示.

Cen在充滿油液后傳遞的摩擦扭矩快速上升,

圖10 無扭矩相升擋過程Fig.10 The gear up shift process without torque phase

此時Cex的控制油壓已經下降至0,Cex不再傳遞摩擦扭矩.在Cex傳遞扭矩下降至0到Cen充油結束并開始傳遞扭矩之間,傳動系統有動力中斷現象,此時整車在外負載作用下ωout將會降低,發動機-變矩器負載降低使ωen升高.在Cen傳遞的扭矩快速升高的作用下,傳動系統動力中斷結束,整車與傳動系統在Cen滑摩扭矩作用下實現升擋.由于動力中斷,導致離合器前后轉速差變大,此時控制Cen傳遞滑動摩擦扭矩,整車將產生換擋沖擊,同時離合器需要更長的滑摩時間來完成換擋過程[5-6].

4 結語

換入擋離合器滑摩時一般控制在較低的扭矩范圍內,過高的控制扭矩雖然可以減少換擋滑摩時間,但是會帶來滑摩功率的瞬時增大和整車加速度的沖擊.過小的控制扭矩會延長換擋時間.

本文建立了一個適用于換擋過程分析的傳動系統動力學模型.通過對典型裝載機在不同控制策略下的升擋與降擋過程仿真,分析了升擋過程與降擋過程離合器控制不當所產生的問題,進而得出了升擋與降擋過程的理想控制策略與控制方向.仿真結果與實車的實驗室結果吻合,提出的控制策略易于實現并經過實驗驗證,確實可以有效地減小換擋沖擊,降低離合器的磨損.

[1] 李興華,葉偉,劉釗,等.液力自動變速器換擋過程動力學分析[J].同濟大學學報(自然科學版),2003,31(5):75-79.

LI X H,YE W,LIU Z,et al.Dynamic analysis of automatic transmission during shifting[J].Journal of Tongji University(Natural Science Edition),2003,31(5):75-79.

[2] 趙鑫鑫,張文明,馮雅麗,等.工程車輛自動變速器換擋過程建模與仿真[J].華中科技大學學報(自然科學版),2014,42(3):117-121.

ZHAO X X,ZHANG W M,FENG Y L,et al.Gear shift modeling and simulation for construction vehicle[J].Journal of Huazhong University of Science and Technology(Natural Science Edition),2014,42(3):117-121.

[3] MA B,LIU Y,YE M.A study on hydraulic buffering valve dynamic performance simulation of vehicular power shift transmission[C]//Vehicle Electronics Conference,Proceedings of the IEEE International.1999:391-394.

[4] ZHAO K L,ZHANG Y,XU C X.Dynamic model and shift process simulation of bulldozer planetary gearbox[J].Journal of Tongji University,2001,29(9):1041-1044.

[5] 姚俊.工程機械自動控制系統的研究與開發[D].上海:同濟大學,2004.

YAO J.Research and development of automatic transmission control system for construction vehicle[D].Shanghai:Tongji University,2004.

[6] 王攀峰.工程機械電液換擋系統參數匹配與試驗[D].上海:同濟大學,2013.

WANG P F.Parameter match and test for engineering machinery electro-hydraulic shift system[D].Shanghai:Tongji University,2013.

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

國家高技術研究發展計劃(863計劃)資助項目(2104AA041502)

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