（车辆工程专业论文）基于dspace的车辆液力自动变速器的快速控制原型开发研究.pdf

武汉理工大学硕= i = 学位论文 摘要 随着科学技术的发展和人民物质生活水平的提高，汽车变得也越来越普及， 逐渐走进普通人的家庭。自动变速器作为汽车中一个非常重要的部件，对汽车 的动力性，经济性，排放性有着重要的影响。随着家庭轿车的普及，非专业驾 驶员的不断涌现，自动变速器为他们的便利驾驶及安全驾驶提供了保障，因而， 对自动变速器的研究也显得越来越重要。 在液力自动变速器的研究开发过程中，控制系统的开发是核心问题。离线 仿真和实时仿真为开发出实际可行的液力自动变速器控制系统提供了方法、数 据、算法支持，有利于控制系统的最终实现。 本文结合国家8 6 3 电动汽车重大专项及液力自动变速器试验台的研制，以 赛欧a f l 3 4 液力自动变速器为研究原型，利用液力变矩器原始特性的台架实验 数据，绘制了其原始特性曲线；结合液力变矩器的闭锁和滑摩控制特点，确定 了液力变矩器的闭锁和滑摩区域，采用了非线性p i d 控制策略，利用 m a t l a b s i m u l i n k 建立了仿真模型，并给出了仿真结果；利用发动机部分负荷特 性，液力变矩器的原始特性，车辆驱动方程及车辆油耗特性等相关曲线，并结 合赛欧a f l 3 4 的换档规律特性，制定了本研究中液力自动变速器的换档曲线； 利用模糊控制技术，b p 神经网络、r b f 神经网络及有限状态机理论分别实现了 液力自动变速器换档控制；m a t l a b s i m u l i n k 软件的仿真结果表明：所实现的换 档控制均能正确的实现车辆的自动换档；借助d s p a c e 实时仿真平台及其它物 理部件，建立了整车快速原形开发实时仿真控制模型；实时仿真结果表明：所 建立的实时仿真模型能很好的展现车辆动态运行过程，具有很高的研究价值， 为进一步的硬件在环仿真研究打下了坚实的基础。 关键词：液力自动变速器，闭锁控制，非线性p i d 控制，模糊控制，神经网络， d s p a c e ，快速原型开发 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dt h ei m p r o v e m e n to f p e o p l e s m a t e r i a ll i f ec o n d i t i o n s ，t h ea u t o m o b i l eb e c o m e sm o r ea n dm o r e u n i v e r s a l i z e da n da l s oi sa c c e p t e db yt h eo r d i n a r yf a m i l yg r a d u a l l y h o w e v e r , t h e a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o ni sav e r yi m p o r t a n tp a r to ft h ea u t o m o b i l ea n dh a sa n i m p o r t a n ti n f l u e n c et oe c o n o m i cf u e l d r i v i n ga n de m i s s i o no fi t a l o n gw i t l lt h e p o p u l a r i z a t i o no ff a m i l yc a r , n o n p r o f e s s i o n a ld r i v e r sc o n s t a n t l ye m e r g e si nl a r g e n u m b e r s ，a n dt h ea u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n i s p r o v i d i n gt h eg u a r a n t e ef o rt h e i r c o n v e n i e n td r i v i n ga n ds a f e t y , t h u sr e s e a r c ho nt h ea u t o m a t i ct r a n s m i s s i o na l s o b e c o m e sm o r ea n dm o f ei m p o r t a n t t h ed e v e l o p m e n to fc o n t r o li st h en u c l e u sq u e s t i o ni nt h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fa u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n p r o v i d em e t h o d ，d a t a s a n da l g o r i t h m s s u p p o r t e df r o mt h r e a ds i m u l a t i o na n dr e a lt i m es i m u l a t i o na r eh e l p f u lf o rd e v e l o p i n g o u tt h er e a lf e a s i b l ea u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nc o n t r o la n da r ef a v o u ro ff i n a l l yr e a l i z i n g t h ec o n t r 0 1 o nt h eb a s i so ft h en a t i o n a lh i g h - t e c hr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a mo f c h i n aa n dt h ed e v e l o p m e n to ft h ea u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nt e s t b e d ，r e g a r d i n gs a i o u a f i3 4a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n 硒t h er e s e a r c hm o d e l t h i sp a p e rd r e wt h eo r i g i n a l r e s p o n s ec u r e su s i n gt h ep a l l e te x p e r i m e n t a ld a t a so fh y d r a u l i ct o r q u ec o n v e r t e r a n d c o m b i n i n gt h es h u t t i n ga n ds l i p p e r yp a u e mc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i co fh y d r a u l i ct o r q u e c o n v e r t e r ，t h ep a p e ra l s od e f i n e dt h es h u t t i n ga n ds l i p p e r yp a r e mr e g i o no fi t ，a n d a d o p t e dn o n l i n e a r i t yp i d sc o n t r o lt a c t i c s ，a n du s e dm a t l a b s i m u l i n kt ob u i l dt h e s i m u l a t i o nm o d e l ，a n dg a v eo u tt h es i m u l a t i o nr e s u l t u s i n gp a r to fl o a ds p e c i f i c p r o p e r t yo ft h ee n g i n e ，o r i g i n a ls p e c i f i cp r o p e r t yo fh y d r a u l i ct o r q u ec o n v e r t e r ，t h e c a l v e sr e l a t e dt ov e h i c l ed r i v ee q u a t i o na n dv e h i c l eo i lc o n s u m p t i o ns p e c i f i cp r o p e r t y e r e ，a n dc o n s i d e r i n gt h es h i f tl a wo f s a i o ua f l 3 - 4 ，l a i dd o w nt h es h i f tl a wc u r v e so f i t t h ef u z z yc o n t r o l ，b pn e u r a ln e t w o r k ，r b fn e u r a ln e t w o r ka n df i n i t es t a t e m a c h i n ew 9 1 ed i s c u s s e dt or e a l i z er e s p e c t i v e l yt h es h i f tc o n t r o lo fh y d r a u l i c a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n t h er e s u l tc o m i n gf r o mt h es i m u l a t i o no ft h em a t l a b s i m u l i n ki n d i c a t e d ：t h ed e s i g n e dc o n t r o lc a nr e a l i z ev e h i c l e ss h i f t c o r r e c t l y 1 1 武汉理1 ：大学硕十学位论文 r e s o r t i n gt od s p a c er e a lt i m es i m u l a t i o ni n s t r u m e n ta n do t h e rp h y s i c sp a r t s ，a n d b u i l tt h er a p i dc o n t r o lp r o t o t y p i n go fi t t h er e a lt i m es i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e d ：t h e b u i l d e dr c pc a nd i s p l a yt h ev e h i c l e sd y n a m i cc h a r a c t e f i s t i ca n dp o s s e s s e sv e r yh i g h r e s e a r c hv a l u e ，a l s ol a i e so nt h es o l i df o u n d a t i o nf o rh a r d w a r e - i n t h e l o o ps i m u l a t i o n k e yw o r d s ：h y d r a u l i ca u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ，s h u t t i n gc o n t r o l ，n o n l i n e a r i t yp i d c o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l ，n e u r a ln e t w o r k , d s p a c e ，r a p i dc o n t r o lp r o t o t y p i n g 1 1 1 武汉理_ t 大学礅t 学位论文 第1 章绪论 1 1 车辆自动变速技术的发展 目前在汽车上使用的自动变速器可以分为三判1 1 ：一类是由液力变矩器、行 星齿轮机构及电液控制系统组成的液力自动变速器( a t ) ；一类是在传统固定轴 式变速箱和干式离合器基础上加装相应的电液控制系统组成的电控机械式自动 变速器( a m t ) ；另一类是无级自动变速器( c v t ) 。 1 1 1 液力自动变速器 液力自动变速器( a t ) ，其基本形式是液力变矩器与动力换档的旋转轴式机 械变速器串联。这种自动变速器的主要优点有1 i l ： l 、自动变矩，适应外界阻力的变化。 2 、降低传动系动载荷，使汽车平稳起步，吸收和衰减振动和冲击，延长传 动系寿命。 3 、防止发动机因过载而突然熄火。 4 、提高乘坐舒适性。 5 、利用变矩器能够打滑的特性，换档时可缓和因速比差而引起的冲击。 6 、提高车辆的通过性。车辆在软路面，如泥泞地、沙地、雪地等上起步和 加速时，车轮下陷量较机械传动约小2 5 ，滑转小，附着储备大2 3 倍，能以稳 定牵引力和任意低的车速行驶。 基于此，它成为当今世界车辆自动变速的主导产品。但液力自动变速器也存 在着效率较低、结构复杂、成本高等缺点。为了解决变矩器效率低的缺点，采用 锁止离合器，使变矩器仅在起步加速时和克服大阻力时才起作用，而在稳定行驶 时变矩器被锁止。由起先仅在高档，变矩器闭锁，现已发展到全部档位都能闭锁， 同时采用结构简单的三元件变矩器，降低了变矩比，提高了效率；在变矩器设计 中，采用三维流动理论，也可使变矩器本身的效率得到提高。目前，变矩器效率 已达9 0 左右。为了减少振动，现已采用滑摩控制；为了减少a t 液压操纵系统 的油泵损失，采用变量泵按需供油，以避免发动机高转速时供油过多，同时油泵 的压力也能调节，按发动机传递扭矩的大小来改变系统油压，在保证结合元件( 离 合器和制动器) 能够传递所需扭矩的条件下，尽量使系统油压降低：对变速器的 结构进行改进，采用简单的双排行星机构，尽量减少摩擦损失以提高传动系统效 率；充分利用自动换档变速的优点并增加档位和传动比变化范围，另外利用电予 武汉理工大学硕士学位论文 控制使得发动机、变矩器和变速器匹配工作在最佳燃油经济性状态，使燃料经济 性得到改善；随着新的行星排结构及新的变矩器结构的出现及现代加工制造技术 的飞速发展，对于液力自动变速器的结构稍复杂，造价稍高的缺点也逐步解决。 因而它将成为目前自动变速器的主导产品，对它的研究将具有重大现实意义。 1 1 2 电控机械式自动变速器 有级式机械自动变速器1 2 1 ( a m t ) 是在普通固定轴式齿轮变速器的基础上， 由控制器实现选档、换档、离合器操纵及发动机油门操纵，以实现自动变速。 其基本控制思想是：根据汽车运行状况、路面情况和驾驶员的意图，根据事 先制定的换档规律、离合器接合规律及发动机油门变化规律，对变速器进行最佳 档位判断、离合器控制及发动机油门控制，实现发动机、离合器及变速器的联合 控制。 由于机械式自动变速器是非动力换档，变速器输出扭矩与转速变化比较大， 易造成冲击大及换档期问动力中断等缺点。为解决这些问题，现以提出了扭矩辅 助型机械自动变速器和双离合器式机械自动变速器( d c t ) 。前者通过辅助齿轮 机构来实现，后者使变速器相邻档位的扭矩传递，分别受控于两个独立的离合器， 以实现动力不中断换档。 1 1 3 无级变速器 无级变速器脚( c v t ) ，又称为连续变速式机械无级变速器。这种变速器与 一般齿轮式自动变速器的最大区别在于：它省去了复杂而又笨重的齿轮组合变速 传动，而只用了两组带轮来进行变速传动。它主要靠主、从动轮和传动带来实现 速比的无级变速。传动带一般用橡胶带、金属带和金属链等。 图1 1 金属带式无级变速器结构图 2 武汉理t 大学颂 ：学位论文 如图1 1 所示，主要包括主动轮组、从动轮组、会属带和液压泵等基本部件。 主、被动工作轮由固定和可动两部分组成，形成v 型槽，与会属片构成的金属 带啮合。当主、被动轮可动部分通过液压控制系统调节作连续的轴向移动时，相 应地也连续地改变驱动轮与从动轮上传动带的接触半径，从而改变传动比，实现 无极变速。 与有级式的区别在于，它的变速比不是间断的点，而是一系列连续值1 3 i 。例 如，可以从0 4 4 5 连续变化到2 6 ，而c v t 结构比传统变速器更简单，体积更小。 1 2 车辆液力自动变速器的研究现状及发展趋势 1 2 1 液力变矩器的种类及发展趋势1 4 1 液力变矩器的共同点是以液体作为动力传递介质，通过工作液体与工作轮叶 片的相互作用来改变转矩。完整的自动变速器由三部分组成：液力偶合器或液力 变矩器，机械式变速器和自动换档系统。其中，液力偶合器或液力变矩器起到离 合器的作用，且液力变矩器可以在小范围内无级地改变传动比和转矩比。机械变 速器在自动换档系统的控制下，较大范围内完成换档变速功能。 液力偶合器：1 9 3 9 年，美国通用汽车公司首先研制成功了由液力偶合器、 四档行星齿轮变速器和液压控制的自动换档装置组成的自动变速器h y d r a m a t i c ， 装于o l d s m o b i l e 轿车。液力偶合器有两个工作轮：涡轮和泵轮。其中涡轮为主 动元件，与发动机曲轴一起旋转，泵轮为从动件，与从动轴相连，两者装配后形 成断面里环形的空腔。涡轮转动时，在离心力的作用下，将工作腔内的液体从涡 轮甩入泵轮，驱动泵轮随之转动，起到传递转矩的作用。由于液体在循环流动过 程中没有受到外力，故液力偶合器不改变传递的转矩。不过，由于工作介质为液 体，涡轮和泵轮之间可以有很大的转速差，因此可以保证汽车平稳起步和加速， 衰减传动系的扭转振动并防止传动系过载。 液力变矩器：1 9 5 0 年，美国福特汽车公司首先采用了由液力变矩器组成的 自动变速器。液力变矩器除起到传递转矩的作用外，还能够随着汽车行驶阻力的 不同而自行改变变矩系数和传动比。液力变矩器由泵轮、涡轮和导轮三部分组成， 一般泵轮与变矩器壳体连成一体，壳体外面有起动齿圈，固结在发动机曲轴后端 凸缘上，作为主动件：涡轮为从动件，一般通过传动轴与传动系的其它部件相连； 导轮则固定不动。三者装配后形成断面为循环圆的环状体：工作液在环形腔内循 环流动，可以将转矩从泵轮传到涡轮上。由f 工作液循环流动过程中，导轮给涡 轮一个反作用力矩，使得涡轮输出的转矩不同于泵轮输入的转矩；而反作用力矩 的大小随着涡轮转速而变化，使得液力变矩器成为能够随着汽车行驶阻力的不同 武汉理工大学硬十学位论文 而自行改变变矩系数和传动比的无级变速器。 带锁止离合器的液力变矩器：虽然变矩器可以自行改变变矩系数，但因涡轮 与泵轮之间存在转速差和液力损失而使得传递效率较低，加之本身结构复杂、造 价较高而失去其应用价值，直到1 9 7 7 年，美国克莱斯勒公司推出了带锁止离合 器的变矩器，也即在变矩器内按照液体的流动方向上连接锁止离合器，同时将与 减振器一体化的锁止离合器置于工作液体中。这种锁止装置实际上就是一个完全 自动的离合器，由阀瓣操纵。离合器的主动部分( 传力盘和压盘) 与泵轮固结在 一起，而从动部分( 从动盘) 通过花键与涡轮一起旋转。当控制系统使压盘压紧 从动盘时，变矩器不起作用，使变矩器的输出轴和输入轴成为刚性连接。此时， 交矩系数k = l ，效率玎= 1 ，从而提高汽车行驶速度和燃料经济性。 在1 9 8 0 年，福特公司也推出带锁止离合器的a t 自动变速器；在1 9 8 3 年， 通用公司也生产了一种利用粘性联轴节进行锁止的变矩器。 1 2 2 液力自动变速器的发展历程 液力自动变速器从1 9 3 9 年诞生到现在已快7 0 年了，通过各方面的开发和创 新，产品经历着不断改良、进化和演变，各项技术从诞生、成长到成熟，从低级 向高级发展。因而导致其结构、控制技术、基本构造都发生深刻的变化【4 l 。 结构发展历程： l 、1 9 3 9 年，第一台自动变速器诞生，为美国g m 公司o l d s m o b i l 汽车上采 用的h y d r o m a t i c 自动变速器。 2 、1 9 5 0 年，由美国f o r d 公司生产的带变矩器的三档自动变速箱是液力机 械式自动变速器的成熟机型代表。 3 、1 9 6 5 年，英国a p 公司生产了第一台f f ( 发动机前置，前桥驱动) 自动 变速器，促进了自动变速器的小型化。 4 、1 9 7 4 年，德国v w 公司生产的f e a t 是该类产品成熟型的代表。 5 、1 9 7 7 年，带有超速档的四档液力机械式自动变速器诞生。 6 、1 9 8 9 年，五档液力机械式自动变速器诞生。 控制方式发展历程： 1 、6 0 年代以前，液力机械式自动变速器均采用液压控制。 2 、1 9 6 9 年，法国雷诺r 1 6 t a 轿车自动变速器，首先采用了换档点电子控 制。 3 、7 0 年代初，带有液压控制锁止离合器的液力变矩器投放市场。 4 、1 9 8 1 年，带有电子控制锁止离合器的四档自动变速器开始装在轿车上。 4 武汉理t 大学硕学位论文 5 、8 0 年代，自动变速器采用微机控制，具有多种换档模式可供选择，利用 微机还可控制和调节结合元件油压，改善换档品质。 6 、9 0 年代，世界各大汽车公司相继开发和应用了智能型电子控制系统，具 有学习和自适应功能。 基本构造的发展历程：液力自动变速器的变矩器和齿轮机构采用的组合方式 有3 种【4 l ，即偶合器加多档位行星变速机构，多元件多级多相变矩器加上简单行 星变速机构，三元件两相交矩器加三档行星变速机构；同时随着动力性，经济性 及舒适性的要求，液力自动变速器也向多档位化【4 】，f f 化1 4 1 及向变矩器采用闭锁 控制，滑摩控制1 5 】【6 l 【刀及档位决策向智能化( 采用模糊控制【s 】1 9 j 【1 0 1 ，神经网络 【1 l 】【1 2 】【1 3 1 ，遗传算法l ，混沌算澍1 5 1 ) 方向发展。 1 2 3 液力自动变速器控制技术的发展历程4 1 1 1 6 1 液压控制：6 0 年代以前，自动变速器均采用液压控制。液压控制系统包括 由许多液压控制阀组成的阀体总成以及液压管路。它通过机械的手段，将车速和 节气门开度这两个参数转变为液压控制信号；阀体中的各个控制阀根据这些液压 控制信号的大小，按照设定的换档规律，控制换档执行机构的动作，实现自动换 档。 液压控制系统的缺点是：控制精度低，难以进行精确的换档点控制，不能适 应发动机工况、外界阻力和行驶情况的变化；无法按使用者愿望实现多种换档规 律；无法实现精确的换档品质控制。 电子控制：1 9 6 9 年法国雷诺r 1 6 t a 轿车自动变速器首先采用了换档点电子 控制。由于当时电子技术不成熟，故应用范围较窄。但是随着小体积单片微机的 诞生及其性能价格比和可靠性的提高，从7 0 年代末到8 0 年代未，电子控制逐步 实用化，越来越多的自动变速器采用了电子控制。 自动变速器的电子控制系统包括微机、各种传感器、电磁阀及控制电路等。 它将控制换档的参数( 如车速、油门开度等) 通过传感器变为电信号，经过微机 的处理，将控制信号作用于换档电磁阀，从而利用液压系统实现自动换档。由于 微机能够存储和处理多种换档规律，所以驾驶员可根据汽车行驶要求选用适当的 换档模式，如运动型( 动力性最佳) ，经济型( 燃油经济性最佳) 及普通型( 动 力性和燃油经济性的折衷) 。 由于电子换档控制是通过软件实现的，因此控制系统通用性很强，可适用于 多种车型，控制规律改变也很容易，只需重新编程。在换档品质控制方面，电子 控制具有明显的优越性，可根据不同的行驶工况精确地实现换档搭接的定时控 制，利用电液比例调压阀可精确地调节结合元件油压，在换档时可将变矩器锁止 武汉理工大学硕士学位论文 离合器暂时解锁以减轻换档冲击等。 采用电子控制后，自动变速器重量减轻，结构也变得更为紧凑。自动变速器 的电子控制系统与整车的其它控制系统，如发动机控制、巡航控制、牵引力控制、 四轮驱动控制和制动防抱死系统等兼容性好，可向汽车电子控制系统体化方向 发展。 智能型电子控制：到了9 0 年代，电子控制进一步向智能化方向发展，要求 满足驾驶员的个性、爱好和驾驶风格。另外，自动变速器的常规电子控制系统一 般是按汽车标准行驶情况设计的，在某些特殊行驶情况下往往不能满足汽车行驶 性能的要求。因此，德国宝马公司从1 9 9 2 年起，陆续推出用于四档和五档自动 变速器的自适应控制系统，能自动识别驾驶类型( 运动型或经济型) 、特殊的环 境条件( 重载、爬坡或在平滑路面行驶) 和具体行驶状况( 下坡行驶、曲线行驶 或慢行工况) ，并对换档规律作出适当的调整。该系统通过减少驾驶员的干预改 善了操纵舒适性，在运动行驶模式下降低了换档次数，在平稳行驶工况降低了油 耗，在平滑路面上提高了行驶安全性。 在尼桑的e 4 n 7 1 b 自动变速器中，采用模糊推理对高速公路坡道进行识别， 并采取禁止升档的措施消除换档循环：在三菱新型四档自动变速器中，将各种输 入信息和驾驶员的选档通过神经网络建立联系，利用神经网络的学习功能，使得 许多情况下能够按照驾驶员的愿望自动换档。 因此，最近提出的模仿生物的信息处理机构，正准备用于汽车的控制上。 1 3 本文的研究目的意义及研究内容 1 3 1 研究目的和意义 随着科学技术的发展和人民物质生活水平的提高，汽车也变得越来越普及， 逐渐走进普通人的家庭。而自动变速器作为汽车中一个非常重要的部件，对汽车 的动力性，经济性，排放性起着重要的作用。随着家庭轿车的普及，非专业驾驶 员的不断涌现，自动变速器对他们的便利驾驶及安全驾驶提供了保障，因而，对 自动变速器的研究也显得越来越重要。 基于液力自动变速器这一汽车重要部件，对它进行研究开发是很有必要的。 而液力自动变速器控制系统的开发是自动变速器研究丌发的核心问题。如何开发 出实际可行的液力自动变速器控制系统，仿真是解决此问题的一重要而确实可行 的方法。目前，在液力自动变速器控制系统的，r f = 发中，经常使用的多足离线仿真， 这些仿真系统虽然对控制算法、量化误差、编程和编译错误的测试是有效的，但 是不能用于实时系统的中断延迟、执行时间、内存使用和硬件接口等瓶颈与瑕疵 6 汉理t 人学硕士学位论文 排查，与实际的系统有很大差别，而且，离线仿真也无法对分布控制系统的数据 传输和增量编码器信号进行仿真。 v 模式是现在流行的丌发模式【l ”，为解决上述问题提供了一种有效途径。借 助d s p a c e 实时仿真工具，结合实验数据开发出实际有效的液力自动变速器实验 平台，既可节约成本又可节约时间。本研究旨在为进一步的硬件在回路仿真研究 做铺垫。 本研究的目的和意义就在于建立典型车辆液力自动变速器快速控制原型，进 行控制系统的丌发，为开发具有自主知识产权并有实际应用价值的液力自动变速 器控制系统奠定基础。 1 3 2 主要研究内容 由于本研究涉及的车辆重要部件较多，考虑到实验数据获取的难度和准确性 及工作任务的强度，故本研究做如下说明： 1 、本研究所采用的实验数据尽量力求与实际一致，但不排除相关数据的不 准确性( 实验条件限制) ； 2 、由于本研究涉及到a f l 3 4 自动变速器与发动机的匹配及液力变矩器的 闭锁和滑摩控制，其相关数据的获取相当困难，故本研究在前人相关研究的基础 上，忽略相关细节，借助相关实际数据来解决问题，但是本研究所展现的解决问 题的思想和方法是正确的，可行的； 3 、对于换档控制器，本研究只考虑d 档情况，其它的，如强制l 档，2 档， 3 档及倒档可依次类推； 4 、本研究在离线仿真条件下所得到的控制器是准确、完善的，但是由于快 速原形开发及硬件在环仿真研究所涉及到其它相关的物理硬件不同将可能导致 算法的修正，故其算法可能作相关调整，但是其解决问题的方法是正确的。 本研究的主要内容如下： l 、分析液力变矩器的工作原理，液力交矩器和发动机匹配的原理，制定 液力自动变速器的换档规律； 2 、分析液力变矩器的闭锁控制工作原理，并建立其仿真模型； 3 、初步探讨液力变矩器的滑摩控制，制定其滑摩区； 4 、基于m a t l a b s i m u l i n k ，建立液力自动变速器的离线仿真模型，采用模糊 控制技术，神经网络及有限状态机理论分别实现液力自动变速器的换档控制； 5 、在液力自动变速器试验台的基础上，建立其实时控制仿真模型； 6 、验证所构建模型的合理性，准确性。 7 武汉理_ t 大学硕士学位论文 第2 章液力变矩器工作特性及其控制策略研究 2 1 液力变矩器特性及确定方法研究 2 1 1 液力变矩器特性 液力变矩器位于发动机和变速器之间，它靠液体介质来传递发动机的输出功 率。其工作原理是通过其内部的工作液体由泵轮流至涡轮，再流至导轮，最后又 流回到泵轮，这样连续不断地循环流动，从而将动力由泵轮传到涡轮。其特点是 可根据涡轮轴上外载荷大小自动、无级地进行变速和变矩”。 液力变矩器的性能由泵轮和涡轮轴上的转矩和转速阃的关系来确定。在泵轮 转速n b 不变，工作油压一定和工作油温一定下所得到的泵轮转矩瓦，涡轮转矩z 以及液力变矩器效率，7 与涡轮转速珥的关系曲线，即为液力变矩器的外特性。对 于己有的液力变矩器，其外特性可以通过试验来确定。 液力变矩器的通用特性曲线是在获得液力变矩器的外特性后，绘制不同泵轮 转速下所获得无数组液力交矩器外特性曲线的综合曲线图。 液力变矩器的外特性和通用特性都是通过一定形式和尺寸的液力变矩器获 得的，因而，同一类型的液力变矩器，当尺寸和泵轮转速变化后，其外特性和通 用特性就完全不同。因此，为了表示液力变矩器的性能，通常应用原始特性曲线。 变矩器的原始特性曲线能够确切地表示一系列不同转速、不同尺寸而几何相 似的液力变矩器的基本性能。根据原始特性，可以通过计算方法获得在此系列中 任一液力变矩器的外特性或通用特性。 根据液力变矩器的相似原理【1 9 1 ，几何帽似( 有关尺寸成比例) ，运动相似( 相 同的液力变矩器工况i = 惕) ，动力相似( 液流的雷诺数相等) 的一系列变矩 器存在如下关系： 以= 嘉鄙 ( 2 1 ) 五2 茄2 5 叫 q 乏 式中： 泵轮的转矩系数； 丑一涡轮的转矩系数： p - 工作油的密度，姆m 3 ； d 变矩器的有效直径，m ； h 。泵轮的转速，m i n ： 武汉理工夫学硕士学位论文 c 常量。 当速比f 变化时，矗也发生变化，因而 是i 的函数，记为厶= ( f ) ；同样 的，丑也是f 的函数，记为 = ( f ) 。液力变矩器的变矩比七为涡轮输出转矩z 与泵轮输入转矩五之比，即： 七；一互：一生 瓦屯 ( 2 3 ) 由于五、 均为f 的函数，在不同的f 时，可求出不同的j | 值，所以变矩比 k 为f 的函数，记为k = g ( i ) ，它是表示几何相似液力变矩器的一个重要无因次 特性( 变矩特性) 。变矩器效率t l 等于涡轮输出功率与泵轮输入功率之比，即： 疗：盐：k i ( 2 - 4 ) 。 2 ； 变矩器效率柙也是f 的函数，7 = h ( i ) 表示液力变矩器的效率特性。 目前液力变矩器广泛采用的是原始特性。而原始特性反映的是变矩比k 、泵 轮力矩系数九，效率7 7 随转速比i 的变化规律，也有用容量系数q 来表示相互关 系的。其相互关系可用公式( 2 1 ) ( 2 - 4 ) 及公式( 2 - 5 ) 表示： f - 生 ( 2 5 ) 2 1 2 液力变矩器原始特性曲线的拟合方法 由以上分析可知，液力变矩器性能特性的关键是原始特性的五= f ( i ) 和 k = g ( f ) 这两条曲线。建立液力变矩器性能特性数学模型的关键是确定原始特性 的以= 厂( f ) 和k = g ( f ) 的表达式。 由文献知，对于单级单相式液力变矩器，其原始特性屯= ，) 和k = g ( 0 为高次曲线，因而可采用最小二乘法进行曲线拟合，其拟合公式为： ，l s 无= 4 i ( 2 6 ) j = 0 k = 7 k = b i ( 2 7 ) k = 0 式中：a ，和毋均为多项式的系数：，k 分别为模型的阶数。 对于三元件综合式液力变矩器，屯= ( j ) 晕二次曲线形态；女= g ( f ) 在转速 比f i 。时，2 l 。采用最小 二乘法对三元件综合式液力变矩器原始特性进行拟合，其拟合公式为： 9 武汉理t 大学颂：十：学位论文 ，- 4 无= 彳，i j = 0 k = 1 i 0 i i u ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 式中：彳，和毋均为多项式的系数；，k 分别为模型的阶数。 对于双导轮综合式液力变矩器，由于两个导轮的叶片角不同因而就相当于两 个变矩器和一个偶合器的综合工作。其中 = 厂( f ) 呈曲线形态；k = g ( f ) 在转速 比f i 。时，k = l 。采用最小 二乘法对双导轮综合式液力变矩器原始特性进行拟合，其拟合公式为： 型 丸= a j f ( 2 1 1 ) k = 4 k = 趣i i k ( 2 - 1 2 ) k _ o k = l i i u ( 2 1 3 ) 式中：彳，和仇均为多项式的系数；_ ，k 分别为模型的阶数。 对于“阿里逊”型综合式液力变矩器，其以= ，( f ) 和k = g ( o 均呈二次曲线 形态。采用最小二乘法对“阿里逊”型综合式液力变矩器原始特性进行拟合，其 拟合公式为： i = b 五= 4 ，f ( 2 1 4 ) k = b k i 。 i 0 k = 1 i 0 式中：a ，和毋均为多项式的系数；，k 分别为模型的阶数。 2 1 3a f l 3 4 液力变矩器原始特性曲线的计算 根据变矩器的台架实验可获得k = g ( i ) 的原始数据如下表所示： 1 0 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 广 以 | j t 武汉理t 丈学硕士学位论文 表2 1 变矩器t 的数据表 根据公式2 - 8 、2 - 9 、2 - 1 0 ，利用m a t l a b 中的函数拟和方法可得拟合后的多项 式方程为： i ：5 9 5 7 7 i 4 一l1 3 9 6 9 i 34 - 7 9 8 0 1 i 2 3 9 8 7 4 i + 2 4 8 5 8 其原始曲线图，拟合曲线图及修正后曲线图如图2 1 所示： 薹 罴 原始曲线i + 曩碧蔷羹点【 聱正曲线 每 l + 、k _ 一- 唪 _ 一。- 叶_ - 变矩嚣速比f 图2 - 1 变矩比k 的原始曲线，拟合曲线及修正后曲线 i l 武汉理t 大学顾 学位论文 根据变矩器的台架实验，经过转化后可得容量系数g 的原始数据如下表2 - 2 所示： 表2 - 2 容量系数g 的原始数据 原始数据拟合后的数据 i “( 1 0 4 ) i c b ( 1 0 4 ) o 0 00 1 1 1 10 0 00 1 1 1 6 0 0 50 1 1 l lo 0 50 1 1 1 5 o 1 0o 1 1 1 90 1 00 1 1 1 3 o 1 5o 1 1 1 10 1 5o 1 1 1 0 o 2 0o 1 1 1 10 2 00 1 1 0 8 o 2 5o 1 1 l l 0 2 50 1 1 0 7 o 3 0o 1 1 1 9 0 3 0 0 1 1 0 7 o 3 50 1 1 0 9 0 3 5 0 1 1 0 9 0 4 0 0 1 1 1 l0 4 00 1 1 1 0 0 4 5 0 1 1 0 40 4 50 1 1 1 0 o 5 00 1 0 9 60 5 00 1 1 0 7 o 5 50 1 0 6 80 5 50 1 0 9 7 o 6 0o 1 0 4 10 6 00 1 0 7 9 o 6 5o 1 0 1 40 6 5o 1 0 4 8 o 7 00 0 9 9 50 7 00 1 0 0 1 o 7 50 0 9 7 70 7 5 0 0 9 3 2 0 7 80 0 9 3 00 7 80 0 8 7 9 0 8 00 0 9 1 30 8 00 0 8 3 8 o 8 20 0 8 7 50 8 2 0 0 7 9 2 o 8 40 0 7 6 30 8 4 0 0 7 4 0 o 8 50 0 7 3 0 0 8 50 0 7 1 2 o 9 00 ，0 4 5 30 9 00 0 5 4 9 o 9 20 0 3 5 60 9 20 0 4 7 2 0 9 40 0 2 9 20 9 40 0 3 8 7 o 9 60 0 2 5 20 9 60 0 2 9 4 o 9 80 0 2 2 50 9 80 0 1 9 3 1 o o 0 0 2 0 41 o o0 0 0 8 3 利用m a t l a b 中的函数拟和方法可得拟合后的多项式方程为： 以= 1 0 4 ( 0 3 3 9 5 * i 4 n 4 + o 3 1 4 0 * i 4 n 3 0 0 7 9 7 * i 4 2 + o 0 0 1 9 + i 4 + 0 1 1 1 6 ) 其原始曲线图，拟合曲线图如图2 - 2 所示： 1 2 武汉理丁夫学硕t 学位论文 一8 ：一一螽碧器羹l l原始数据点 、0 7 ； 葛； 夺 、 图2 - 2 容量系数吒的原始曲线，拟合曲线及修正后曲线 2 2 液力变矩器与发动机共同工作特- j 生研究 由于发动机输出的转速和转矩与车辆驱动轮所需的转速和转矩之间存在着 矛盾，必须设立传动系统来解决，即通过传动系统来改变传动比，调节发动机的 性能，将动力传至车轮，以适应外界负荷与道路条件变化的需要。因此，车辆行 驶性能的好坏，不仅取决于发动机，而且在很大程度上还依赖于传动系统以及传 动系统与发动机的匹配【2 0 】【2 l 】【2 2 】【2 3 1 。发动机与液力变矩器共同工作特性的好坏是 发挥车辆牵引性能和燃料经济性能的重要保证【2 4 】，图2 3 为发动机与液力变矩器 共同工作的框图。 图2 3 发动机与液力变矩器共同工作框图 4 u 糍皤嘲锥 武汉理工大学坝e 学位论文 2 2 1 发动机与液力变矩器共同工作的输入特性 液力变矩器与发动机共同工作的输入特性是分析研究液力变矩器在不同的 变矩器转速比时，液力变矩器与发动机共同工作的转矩和转速的变化特性。它是 研究液力变矩器与发动机匹配的基础，也是研究液力变矩器与发动机共同工作输 出特性的基础。发动机与液力变矩器结合在一起时，它们仍按照自身规律而工作， 只有在两者的转矩和转速相同时，两者爿。能稳定地共同工作，即满足条件： ”。= ，= 瓦 ( 2 1 7 ) 获得发动机与液力变矩器共同工作输入特性的方法如下： s t e p l ：绘制发动机和液力变矩器特性曲线。 s t e p 2 ：确定液力变矩器工作油液密度p 值和变矩器尺寸d 值。 s t e p 3 ：在液力变矩器原始特性上，求出在不同转速比门；变矩器的泵轮转矩 和转速，得到负荷特性曲线；特别要选择典型工况点转速比f ，如起动工况i = 0 、 高效率区刁= o 7 的转速比i ，和i ：，最高效率点f 和最大转速比( 空载工况) 。 s t e p 4 ：把发动机的特性曲线疋= f ( n 。) 与上述负荷特性曲线以相同的坐标比 例画在一起，即得到它们共同工作的输入特性。 2 2 2 发动机与液力变矩器共同工作的输出特性 发动机与液力变矩器共同工作的输出特性是指液力变矩器输出轴上的涡轮 转矩z ，涡轮功率m ，燃料消耗率也，变矩器效率1 1 和发动机转速等随涡轮 转速耽变化的曲线。它是根据发动机与液力变矩器共同工作输入特性计算而得到 的，是评价发动机与液力变矩器匹配的重要特性。其计算和绘制方法如下： s t e p l ：在发动机与液力变矩器共同输入特性曲线上得到上述液力变矩器典 型工况点在发动机全油门时的共同工作点，并计算出不同转速比f 所对应的共同 工作时的泵轮转速和泵轮转矩瓦。 s t e p 2 ：根据液力变矩器原始特性，找出上述典型工况点所对应的变矩系数k 和变矩器效率卵。 s t e p 3 ：根据液力变矩器外特性公式计算出不同转速比，饼对应的共同工作 时的涡轮转速一，涡轮转矩z 和涡轮功率，。 s t e p 4 ：以。为横坐标，z 和，为纵坐标，进行绘图，即可得到发动机与液 力变矩器共同工作的输出特性曲线。 1 4 武汉理i t 大学顾i 二学位论文 2 3 液力变矩器的闭锁控制 2 3 1 液力变矩器的闭锁原理 目前，大多数锁止离合器通过改变液体流动方向而使之结合和分离，如图 2 - 4 、2 - 5 所示。其主动盘为壳体，从动盘为一个可以轴向滑动的压盘，通过花键 与涡轮轴连接，控制阀改变液流的方向。当压力油从泵轮入口进入变矩器，从释 放腔回油时，在结合腔油压的作用下，压盘滑动压向壳体，锁止离合器结合；当 压力油从释放腔进入，使压盘与变矩器壳分离，油液流动方向相反，锁止离合器 分离。 图2 - 4 锁止离合器结合图2 5 锁止离合器分开 2 3 2 液力变矩器闭锁点的选择蚓 正确地进行液力变矩器闭锁控制可以提高传动效率，降低油耗，获得更好的 动力性和经济性；反之，不当的闭锁控制则会造成效率下降、冲击增大，甚至会 对传动系元件造成损坏。 根据文献1 2 6 1 知，闭锁控制应该在综合式变矩器的基础上进行；否则闭锁后， 导轮仍然固定不动，这会使闭锁的泵轮和涡轮与它形成液力制动器，反而降低了 效率。对综合式变矩器，闭锁点的选择成为确定闭锁区域的重要依据。从理论上 讲，闭锁点的确定