推土機閉鎖式液力變矩器與閉鎖控制研究

孫守猛

【摘 要】近些年來，隨著全球不可再生資源的日益枯竭，許多發達國家都在大力發展節能環保技術。裝載機作為工程機械的主要機型之一，也開始逐漸應用閉鎖式液力變矩器，并配合相應的閉鎖控制技術實現節能減排。這種技術不僅保留了普通液力變矩器能使車輛起步平穩、換擋平順、操作方便等優點，而且解決了其傳動效率低的問題。

【關鍵詞】裝載機；閉鎖控制；SIMULINK；閉鎖式液力變矩器

一、液力變矩器閉鎖的由來

液力變矩（Hydraulic Torque Converter簡稱TC）是通過工作輪葉片的相互作用，引起機械能與液體能的相互轉換來傳遞動力，通過液體動量矩的變化來改變轉矩的傳動元件，具有無級連續改變轉速與轉矩的能力，對外負載有良好的自動調節和適應性。它在車輛上的應用，極大地簡化了車輛的操縱，使其起步平穩、加速迅速、柔和。同時，由于用液體來傳遞動力，進一步降低了尖峰載荷和扭轉振動，延長了動力傳動系統的使用壽命，提高了乘坐舒適性和車輛平均行駛速度以及安全性和通過性。

雖然液力變矩器的性能優越，但最大的缺點是效率低。為了提高效率，人們采取了許多方法，起初一般是通過改變變矩器的結構或增加導輪和渦輪數目來擴大高效區，但其結構太復雜。1953年有了閉鎖式液力變矩器的專利，而且也生產出了帶閉鎖的液力變矩器，它可大大提高在高速比情況下的傳遞效率，功率利用好，但由于它增加了成本，而且當時的油價便宜，并沒有引起人們的注意也就沒有被采用，直到1967年能源危機時，才使人們對它又產生了興趣。

二、液力變矩器的閉鎖條件

對于不同的變速器液力變矩器的閉鎖時機不同。閉鎖點的選擇應根據實際情況來決定，或者設定在它們中間。早期的閉鎖式液力變矩器，由于沒有采用電子控制技術，閉鎖時機的選擇可考慮的因素很少，一般只是在高轉速比的情況下閉鎖，限制了它的充分利用，后來電子控制技術的應用極大地擴大了閉鎖范圍，綜合考慮各種因素，在不同條件下設不同的閉鎖時機，一般情況下，應遵循下面的閉鎖條件：

（1）發動機應完全暖機，足以承受各種工作載荷且不至于熄火，在此情況下才允許閉鎖；

（2）車速應比較高，足以保證能夠平穩地傳遞動力而不至于發生明顯的發動機動力波動和爆燃；

（3）只有在發動機轉速和車速，或者是泵輪和渦輪的轉速情況可以保證閉鎖后不會造成明顯的沖擊和抖振時，才可以使閉鎖離合器接合；

（4）在需要液力變矩器產生增扭作用以更快地加速時，必須解除閉鎖；

（5）因為發動機油門關閉減速期間若閉鎖，將增加排氣污染和油耗，所以此時減速時應解鎖；

（6）制動時若保持閉鎖，則可能損壞發動機，此時必須解鎖；

（7）對于自動變速器，換檔時暫時解除閉鎖，可以使動力傳遞更加平穩，換檔平順。

三、閉鎖控制的方式

液力變矩器的閉鎖控制有許多種方式，有液壓閉鎖式、離心閉鎖式、粘性閉鎖式等，最常用的是液壓閉鎖式。液壓閉鎖式液力變矩器是利用液壓系統中的壓力來使閉鎖離合器結合，從而是渦輪和泵輪閉鎖在一起，提高動力傳遞效率。液壓閉鎖式又可根據控制方式不同分為純液壓式閉鎖和電液閉鎖兩種，前一種用滑動柱塞閥提供油壓來控制，后一種采用電磁閥來控制閉鎖油壓，目前，幾乎所有的自動變速器都通過使用一個電子控制系統來控制液力變矩器閉鎖離合器電磁閥的通斷，以此來控制閉鎖油壓。

早期的液力變矩器閉鎖離合器多為利用開關式電磁閥來控制，要么閉鎖，要么斷開。由于液力變矩器的閉鎖對提高燃油經濟性很有效，所以其閉鎖范圍在不斷擴大。但另一方面，由于完全閉鎖實際上相當于機械連接，失去了其吸收振動和沖擊的作用，對傳動系統的壽命和乘座舒適性都有很大影響；而且如果在較低的速比下閉鎖，泵輪與渦輪的轉速差很大，引起車輛快速制動，極有可能導致發動機熄火。現在逐漸采用了脈沖式電磁閥，對閉鎖離合器采用閉環滑轉控制的方式，極大地提高了變矩器的效率，同時也改善了車輛的燃油經濟性。

四、閉鎖控制的實現

（一）開關式閉鎖控制

對于開關式閉鎖的實現相對要簡單些，在需要閉鎖時，接通閉鎖電磁閥，向閉鎖離合器供油壓，完成閉鎖功能；需要解鎖時，斷開電磁閥的電流就可完成。

開關式閉鎖控制是一種開環控制系統，閉鎖離合器的閉鎖程度并沒有把信號反饋給控制單元，為了在各種條件下該系統都能正常工作，勢必需要提供足夠高的閉鎖油壓，從節約能源方面考慮顯然是不利的。

（二）滑轉式閉鎖控制

在滑轉閉鎖控制中！動力的傳遞實際上是通過變矩器（液力傳動）和閉鎖離合器（機械傳動）相結合的方式來傳遞的，滑轉速度是閉鎖離合器主動盤與被動盤轉速的差，它決定了動力傳遞的分配比例，因此，可以根據控制滑轉速度的大小來決定此比例的大小，從而使平衡閉鎖與解鎖之間存在矛盾。

固定車速下！功率傳遞分布.傳遞效率及傳遞轉矩波動與滑轉速度的關系。動力的機械傳遞與液力傳遞的比例與滑轉速度有關，通過調節滑轉速度就可以調節此比例值，使其滿足實際需要；其傳遞效率自然也在機械傳動與完全液力傳動之間；由于滑轉速度的存在，使轉矩的波動大大減小，直至消失。

滑轉速度由發動機轉速和渦輪轉速之差決定，所以在滑轉閉鎖控制系統中至少需要設置兩個轉速傳感器，實際應用中多采用兩個磁電式轉速傳感器來得到這兩個信號。車速信號.油門開度信號.制動信號.換檔信號.以及發動機轉速和渦輪轉速等信號都被輸入到電子控制單元（ECU）經過電子控制單元處理后！輸出相應的PWM信號到線性電磁閥，同時也有反饋信號進入ECU，以調整線性電磁閥的工作狀態。

當進入滑轉閉鎖控制區后，根據車輛駕駛條件確定目標滑轉速度，此目標值應使動力傳遞分配最合理。而實際的滑轉速度可以根據發動機轉速和渦輪轉速計算得出，目標值與實際值的偏差作為反饋控制器的輸入，并以此來決定輸出控制線性電磁閥的PWM信號占空比的大小。

五、結語

為了設計合理的反饋控制器，首先應建立合理的物理模型，但由于影響建立物理模型的因素很多，比如變速器油和閉鎖離合器襯片材料等都會影響閉鎖過程；另外，由發動機轉速和負荷決定的離合器接合力的變化，以及離合器傳遞轉矩的非線性特性等都是影響因素，要確定合理的物理模型并不容易，而經過實驗辨識的模型又嚴重依賴于實驗條件，為了提高控制性能，對閉鎖控制采用模糊控制和H∞控制理論是一種解決方法。

【參考文獻】

[1]張廣輝.推土機閉鎖式液力變矩器與閉鎖控制研究[D].長安大學，2015.