劉振杰，　衣　超，　徐　飛，　李翠芬，　李志偉

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

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液力變矩器的流量和扭矩的實時監(jiān)測

劉振杰，衣超，徐飛，李翠芬，李志偉

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

車輛起步和換擋過程中液力變矩器渦輪扭矩變化對其舒適性有較大影響.為了在控制模型中精確地計算液力變矩器渦輪的扭矩，以搭載W305型液力變矩器的某輕型越野車為例，根據(jù)液力變矩器動態(tài)特性方程，搭建了液力變矩器仿真模型，并將液力變矩器的外特性仿真曲線與試驗獲取的外特性曲線進行了對比，誤差小于3%，表明建立的液力變矩器的仿真模型滿足滑模觀測器的要求.采集試驗車發(fā)動機轉(zhuǎn)速(即泵輪轉(zhuǎn)速)和輸入軸轉(zhuǎn)速(即渦輪轉(zhuǎn)速)，建立滑模觀測器，觀測渦輪扭矩和液力變矩器流量.結(jié)果表明，使用滑模觀測器能準(zhǔn)確地計算液力變矩器渦輪扭矩和流量.該滑模觀測器已應(yīng)用于車輛起步和換擋過程中液力變矩器的控制.

液力變矩器；渦輪扭矩；滑模觀測器

在車輛起步及換擋過程中，液力變矩器的泵輪、渦輪轉(zhuǎn)速和扭矩變化較大，這對有液力變矩器控制的車輛舒適性有非常大的影響，因此研究液力變矩器的動態(tài)特性[1]具有非常重要的意義.傳統(tǒng)的基于計算流體力學(xué)流場分析的全流道瞬態(tài)流場分析雖然考慮了液力變矩器的動態(tài)特性[2-4]，但其分析是基于時間的瞬態(tài)流場扭矩預(yù)測，無法考慮發(fā)動機扭矩及車輛負(fù)載的影響.為此，Hrovat和Tobler提出了基于四個一階微分方程的液力變矩器動態(tài)特性描述方程[5]，該方程是以泵輪扭矩、渦輪扭矩為輸入條件，分析液力變矩器動態(tài)特性.

車輛液力變矩器的控制是以渦輪扭矩為控制目標(biāo)，但是液力變矩器的泵輪轉(zhuǎn)速、扭矩和渦輪轉(zhuǎn)速是可以獲取的，而渦輪扭矩是未知的.解決現(xiàn)有問題的主要辦法是在控制模型中建立液力變矩器扭矩計算模型[6]，但是現(xiàn)有扭矩計算模型均是基于液力變矩器的穩(wěn)態(tài)特性建立的，不能體現(xiàn)液力變矩器工作時的實際扭矩變化.為此，本研究以搭載了W305型液力變矩器的某輕型越野車為例，搭建了液力變矩器動態(tài)模型，建立了滑模觀測器來計算液力變矩器渦輪的扭矩，并將其應(yīng)用于該車的液力變矩器的控制中.

1　液力變矩器仿真模型

1.1液力變矩器動態(tài)特性描述

從整個動力傳動系統(tǒng)建模及控制的角度出發(fā)，需要一個完整的描述液力變矩器動態(tài)特性的模型，該模型可以用來做以下研究：

1)液力變矩器設(shè)計參數(shù)的改變對液力變矩器性能的影響；

2)當(dāng)發(fā)動機節(jié)氣門開度突變或液力變矩器渦輪、泵輪速比突變時，液力變矩器的瞬態(tài)特性變化；

3)發(fā)動機扭矩脈沖特性的改變對液力變矩器振動沖擊的影響.

液力變矩器的動態(tài)特性可以用液力變矩器泵輪、渦輪、導(dǎo)輪的動量守恒方程(1)～(3)以及液力變矩器的能量守恒方程(4)來描述.

(1)

(2)

(3)

(4)

能量守恒方程(4)中的PL為液力變矩器的能量損失，包括沖擊損失和壓力損失，即：

(5)

(6)

(3+tan2αi+tan2αt+tan2αS).

(7)

式中：ρ為液力變矩器工作油密度，kg/m3；A為工作油循環(huán)圓截面積，m2；Ri為泵輪半徑，m；Rt為渦輪半徑，m；Rs為導(dǎo)輪半徑，m；αi為泵輪出口角，(°)；αt為渦輪出口角，(°)；αs為導(dǎo)輪出口角，(°)；βi為泵輪入口角，(°)；βt為渦輪入口角，(°)；βs為導(dǎo)輪入口角，(°)；Ii為泵輪轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；It為渦輪轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；Is為導(dǎo)輪轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；Lf為流體慣性長度，m；Csh為流體沖擊損失系數(shù)；Cf為流體摩擦損失系數(shù)；Si為泵輪設(shè)計常數(shù)；St為渦輪設(shè)計常數(shù)；Ss為導(dǎo)輪設(shè)計常數(shù).

以上參數(shù)均來源于W305型液力變矩器設(shè)計參數(shù).導(dǎo)輪扭矩Ts作為一個切換準(zhǔn)則，在整個液力變矩器工作范圍內(nèi)，當(dāng)液力變矩器工作在偶合器工況之前，導(dǎo)輪是固定的，導(dǎo)輪轉(zhuǎn)速ωs設(shè)定為零；當(dāng)液力變矩器工作在偶合器工況時，導(dǎo)輪自由旋轉(zhuǎn)，此時導(dǎo)輪扭矩Ts設(shè)定為零.

這種方法用來解決前面提出的描述液力變矩器的4個一階微分方程.當(dāng)液力變矩器工作在偶合器工況之前，導(dǎo)輪轉(zhuǎn)速ωs設(shè)定為零，此時上述方程變?yōu)?個一階微分方程和1個代數(shù)方程.當(dāng)Ts達到設(shè)定的閥值時認(rèn)為液力變矩器達到偶合器工況，設(shè)定的閥值為0.1 N·m.當(dāng)達到偶合器工況時，用上述一階4個微分方程來描述液力變矩器的特性.

1.2液力變矩器動態(tài)仿真模型驗證

Hrovat和Tobler提出的液力變矩器動態(tài)特性描述方程是以泵輪扭矩、渦輪扭矩為輸入條件，分析液力變矩器動態(tài)特性.在MATLAB/Simulink環(huán)境中搭建W305型液力變矩器動態(tài)仿真模型，仿真模型結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1　液力變矩器仿真模型結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)狀態(tài)方程，模型共分為4個模塊.泵輪模塊以導(dǎo)輪轉(zhuǎn)速、流量、流量變化率、泵輪扭矩為輸入，以泵輪轉(zhuǎn)速、泵輪轉(zhuǎn)速變化率為輸出；渦輪模塊以泵輪轉(zhuǎn)速、流量、流量變化率、渦輪扭矩為輸入，以渦輪轉(zhuǎn)速、渦輪轉(zhuǎn)速變化率為輸出；導(dǎo)輪模塊以渦輪轉(zhuǎn)速、流量、流量變化率、導(dǎo)輪扭矩為輸入，以導(dǎo)輪轉(zhuǎn)速、導(dǎo)輪轉(zhuǎn)速變化率為輸出.流量模塊以泵輪轉(zhuǎn)速、泵輪轉(zhuǎn)速變化率、渦輪轉(zhuǎn)速、渦輪轉(zhuǎn)速變化率、導(dǎo)輪轉(zhuǎn)速、導(dǎo)輪轉(zhuǎn)速變化率為輸入，以流量、流量變化率為輸出.

圖2　液力變矩器外特性曲線

由圖2可以看出，液力變矩器的變矩比、效率、能容仿真曲線和試驗曲線也具有很好的一致性，誤差在3%以內(nèi)，說明液力變矩器的動態(tài)模型是準(zhǔn)確可靠的，從而為下一步渦輪扭矩計算奠定了良好的基礎(chǔ).

2　液力變矩器的流量和渦輪扭矩的動態(tài)計算

液力變矩器渦輪扭矩計算流程如圖3所示.

圖3　液力變矩器渦輪扭矩計算流程圖

首先采集某輕型越野車的發(fā)動機轉(zhuǎn)速(即泵輪轉(zhuǎn)速)和渦輪轉(zhuǎn)速信息，通過基于液力變矩器動態(tài)特性方程建立的滑模觀測器計算其扭矩，將計算扭矩輸入到液力變矩器動態(tài)仿真模型中進行對比驗證.

2.1滑模觀測器搭建

在現(xiàn)有的試驗和仿真技術(shù)條件下，液力變矩器導(dǎo)輪轉(zhuǎn)速和扭矩難以獲取，通常對其進行假設(shè).在變矩器工況時，導(dǎo)輪轉(zhuǎn)速設(shè)定為零；在偶合器工況時，導(dǎo)輪轉(zhuǎn)速設(shè)定與渦輪轉(zhuǎn)速相同，這種假設(shè)雖不能與實際情況相符，但不影響其仿真結(jié)果.由公式(4)可知，液力變矩器流量Q僅與泵輪轉(zhuǎn)速ωi、渦輪轉(zhuǎn)速ωt以及導(dǎo)輪轉(zhuǎn)速ωs有關(guān)，這樣關(guān)于液力變矩器的4個一階微分方程(1)～(4)中，僅式(1)、式(2)起主要作用，式(1)、式(2)簡化成式(8).

(8)

式(8)中的Ti、Tt作為帶計算的扭矩輸入.如果一個線性系統(tǒng)是可觀測的，那么其任何初始狀態(tài)是可重構(gòu)的.但對于非線性系統(tǒng)來說，其輸入對其是否可觀測具有重大影響.

非線性系統(tǒng)的計算誤差定義為：

(9)

那么含未知輸入非線性系統(tǒng)的滑模觀測器為：

(10)

式中：v1=M1sgn(e1)，v2=M2sgn(e2).

假設(shè)非線性系統(tǒng)至少有部分輸入已知，且未知輸入是有界的，那么M定義如下：

(11)

式(8)中的Ti、Tt被不連續(xù)的向量vi、v2取代，那么明顯地可以發(fā)現(xiàn)，動態(tài)誤差的表達式如式(12)所示.

(12)

(13)

式中：veq為等效輸出誤差，代表不連續(xù)向量v1、v2的平均特性.

2.2預(yù)測結(jié)果

采用臺架試驗的方法驗證滑模觀測器的可行性.以某輕型越野車為試驗車，該車為前置前驅(qū).將該車前輪懸置，后輪做好固定后，通過CAN總線采集全油門開度下的泵輪、渦輪轉(zhuǎn)速值.仿真時間為2.5 s，變速箱始終處于1擋.其仿真結(jié)果如圖4、圖5、圖6所示.通過對比仿真模型與滑模觀測器模型數(shù)據(jù)的一致性來驗證滑模觀測器模型的準(zhǔn)確性.

圖4為仿真模型與滑模觀測器模型關(guān)于液力變矩器流量的對比曲線圖.

由圖4可知，從起步開始到0.5 s左右時，液力變矩器流量發(fā)生劇烈變化，原因為發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩迅速增大且發(fā)動機轉(zhuǎn)速處于不穩(wěn)定狀態(tài)，此時液力變矩器的流量也會隨之產(chǎn)生不穩(wěn)定的供給；液力變矩器的流量隨著時間先迅速增加，隨后慢慢減小，最終趨于平衡，隨著轉(zhuǎn)速增大，泵輪渦輪轉(zhuǎn)速差慢慢減小，液力變矩器的變矩功能也會慢慢減小，直至到達偶合器工況時，液力變矩器不再具有變矩功能，流量趨于平衡.仿真結(jié)果與滑模觀測器結(jié)果具有很好的一致性，說明所設(shè)計的滑模觀測器是可行且有效的.

圖4　液力變矩器流量圖

圖5為液力變矩器泵輪和渦輪的轉(zhuǎn)速的仿真值與滑模觀測器計算值的對比曲線圖.

由圖5可知，泵輪轉(zhuǎn)速的仿真值與滑模觀測器計算值大體相同，渦輪轉(zhuǎn)速仿真值與滑模觀測器計算值趨勢相同；從起步開始到0.5 s這個階段發(fā)動機轉(zhuǎn)速波動大，而渦輪計算值更能說明液力變矩器工作的不穩(wěn)定性；從0.5到1.8 s左右，渦輪轉(zhuǎn)速計算值比仿真值略低，但轉(zhuǎn)速變化率高，更好地解釋了液力變矩器在此階段的變矩功能；從1.8到2.5 s渦輪轉(zhuǎn)速計算值與仿真值大體相同，說明基于滑模觀測器的渦輪轉(zhuǎn)速計算值比仿真值更能反映車輛起步特性.

圖5　液力變矩器轉(zhuǎn)速圖

圖6為基于滑模觀測器的液力變矩器泵輪、渦輪動態(tài)扭矩曲線圖.

圖6　液力變矩器泵輪、渦輪動態(tài)扭矩圖

圖6中，泵輪扭矩為發(fā)動機實際輸出扭矩，渦輪扭矩為基于滑模觀測器的計算扭矩，該圖為車輛起步工況液力變矩器泵輪、渦輪的動態(tài)扭矩特性.

由圖6可以看出，從起步開始到0.5 s這個階段，液力變矩器處于不穩(wěn)定工作狀態(tài)時，渦輪扭矩變化劇烈，這與車輛起步實際狀況是相符的；隨后，渦輪扭矩逐漸減小，直到到達偶合器工況，液力變矩器失去變矩作用.該結(jié)果驗證了基于滑模觀測器的渦輪扭矩計算模型的準(zhǔn)確性.

3　結(jié)　論

針對現(xiàn)有的基于臺架試驗以及流體仿真的液力變矩器動態(tài)特性的預(yù)測結(jié)果不能很好地反映液力變矩器渦輪扭矩瞬態(tài)變化特性這一問題，根據(jù)Hrovat和Tobler提出的液力變矩器動態(tài)特性描述方程，建立了W305型液力變矩器仿真模型，其液力變矩器的外特性仿真曲線與臺架試驗曲線的誤差小于3%，表明建立的液力變矩器仿真模型精度較高，滿足建立滑模觀測器要求；針對車輛液力變矩器的

控制以渦輪扭矩為控制目標(biāo)，但是渦輪扭矩又未知這一問題，建立了滑模觀測器.以搭載W305型液力變矩器的某越野車為例，模擬車輛起步時，計算液力變矩器的特性，結(jié)果表明，使用滑模觀測器計算的液力變矩器的流量，與液力變矩器仿真模型計算一致；渦輪扭矩變化與實際車輛特性相符，滿足車輛液力變矩器的控制要求.該滑模觀測器已應(yīng)用于該車起步和換擋過程中液力變矩器的控制.

[1]Kotwicki. A.Dynamic Models for Torque Converter Equipped Vehicles[C].//SAE Technical Paper, 820393，1982.

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Real-time Monitoring Flow and Torque of TorqueConverter Clutch

LIU Zhen-jie，YI Chao，XU Fei，LI Cui-fen，LI Zhi-wei

(China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072，China)

Vehicles riding comfort was affected by turbine torque changes of Torque Converter Clutch in the process of starting and shifting conditions. Taking an off-road vehicle that installed the W305 Torque Converter as an example, in order to calculate the turbine torque precisely, a Torque Converter Simulink model was established. Simulation results and experimental results were compared, and the error was within 3%. Pump speed(equal to engine speed) and turbine speed were obtained in real time through the establishment of a sliding mode observer, and the turbine torque as well as the flow of Torque Converter were monitored. The results showed that the turbine torque and the flow of Torque Converter were calculated accurately by using the sliding mode observer.

rorque converter；turbine torque；sliding mode observer.

1009-4687(2016)03-0008-05

2016-05-05.

劉振杰(1986-),男,工程師，研究方向為傳動信息與控制.

U463.22+1

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