液力变矩器的闭锁及其控制研究

试验・研究作者简介:张新荣(19682),男,陕西三原人,同济大学机械系博士后.

液力变矩器的闭锁及其控制研究张新荣,黄宗益(同济大学机械系,上海　200092)

摘要:介绍了液力变矩器闭锁的由来、闭锁控制的方式以及闭锁的工作原理等,重点对目前研究最多的滑转控制闭锁方式进行了探讨,给出了系统控制框图,对具体的控制器设计有一定的参考价值。关键词:液力变矩器;闭锁;控制中图分类号:TH13715 文献标识码:A 文章编号:10002033X

(2002)

0220007203

1　液力变矩器闭锁的由来液力变矩器(HydraulicTorqueConverter简称TC)是通过工作轮叶片的相互作用,引起机械能与液体能的相互转换来传递动力,通过液体动量矩的变化来改变转矩的传动元件,具有无级连续改变转速与转矩的能力,对外负载有良好的自动调节和适应性。它在车辆上的应用,极大地简化了车辆的操纵,使其起步平稳、加速迅速、柔和。同时,由于用液体来传递动力,进一步降低了尖峰载荷和扭转振动,延长了动力传动系统的使用寿命,提高了乘坐舒适性和车辆平均行驶速度以及安全性和通过性。虽然液力变矩器的性能优越,但最大的缺点是效率低。为了提高效率,人们采取了许多方法,起初一般是通过改变变矩器的结构或增加导轮和涡轮数目来扩大高效区,但其结构太复杂。1953年有了闭锁式液力变矩器的专利,而且也生产出了带闭锁的液力变矩器,它可大大提高在高速比情况下的传递效率,功率利用好,但由于它增加了成本,而且当时的油价便宜,并没有引起人们的注意,也就没有被采用,直到1967年能源危机时,才使人们对它又产生了兴趣。2　液力变矩器的闭锁条件对于不同的变速器,液力变矩器的闭锁时机不同。闭锁点的选择应根据实际情况来决定,有在偶合器工况点,也有在对应最高效率点,或者设在它们中间。早期的闭锁式液力变矩器,由于没有采用电子控制技术,闭锁时机的选择可考虑的因素很少,一般只是在高转速比的情况下闭锁,限制了它的充分利用,后来电子控制技术的应用极大地扩大了闭锁范围,综合考虑各种因素,在不同的条件下设不同的闭锁时机。一般情况下,应遵循下面的闭锁条件:(1)发动机应完全暖机,足以承受各种工作载荷且不至于熄火,在此情况下才允许闭锁;

(2)车速应比较高,足以保证能够平稳地传递动

力而不至于发生明显的发动机动力波动和爆燃;

(3)只有在发动机转速和车速,或者是泵轮和涡

轮的转速情况可以保证闭锁后不会造成明显的冲击和抖振时,才可以使闭锁离合器接合;

(4)在需要液力变矩器产生增扭作用以更快地加

速时,必须解除闭锁;

(5)因为发动机油门关闭减速期间若闭锁,将增

加排气污染和油耗,所以此时减速时应解锁;

(6)制动时若保持闭锁,则可能损坏发动机,此时

必须解锁;

(7)对于自动变速器,换档时暂时解除闭锁,可以

使动力传递更加平稳,换档平顺。3　闭锁控制的方式液力变矩器的闭锁控制有许多方式,有液压闭锁式、离心闭锁式、粘性闭锁式等,最常用的是液压闭锁式。液压闭锁式液力变矩器是利用液压系统中的压力来使闭锁离合器接合,从而使涡轮和泵轮闭锁在一起,

提高动力传递效率。液压闭锁式又可根据控制方式不同分为纯液压控制闭锁和电液控制闭锁两种,前一种用滑动柱塞阀提供油压来控制,后一种采用电磁阀来控制闭锁油压,目前,几乎所有的自动变速器都通过使用一个电子控制系统来控制液力变矩器闭锁离合器电磁阀的通断,以此来控制闭锁油压。早期的液力变矩器闭锁离合器多为利用开关式电磁阀来控制,要么闭锁,要么断开。由于液力变矩器的闭锁对提高燃油经济性很有效,所以其闭锁范围在不断扩大。但另一方面,由于完全闭锁实际上相当于机械

—7—

第19卷(总第97期) 筑路机械与施工机械化 200212连接,失去了其吸收振动和冲击的作用,对传动系统的寿命和乘座舒适性都有很大影响;而且如果在较低的速比下闭锁,泵轮与涡轮的转速差很大,引起车辆快速制动,极有可能导致发动机熄火。现在逐渐采用了脉冲式电磁阀,对闭锁离合器采用闭环滑转控制的方式,极大地提高了变矩器的效率,同时也改善了车辆的燃油经济性[1]。311　开关式闭锁控制图1所示为液力变矩器开关式闭锁的工作原理。当电磁阀线圈断电时,电磁阀将闭锁油压泄放掉,使得闭锁离合器分离;而当闭锁电磁阀通电时,电磁阀建立起闭锁油压,使闭锁离合器结合,完成变矩器的闭锁。图1　开关式闭锁的工作原理312　滑转式闭锁控制图2所示为一种液力变矩器滑转闭锁的工作原理。主油路压力P经二级调节阀调节为PSEC,此油压用来控制闭锁离合器闭锁、滑转和分离等状态。其中开关电磁阀用来控制闭锁继动阀处于两种状态:打开位置时,PSEC至闭锁离合器接合一侧,而离合器分离侧的油压由闭锁控制阀控制;线性电磁阀压力、离合器的接合压力与分离压力都作为闭锁控制阀的先导压力。这样,闭锁离合器的接合压力和分离压力的差相应于闭锁离合器的转矩容量,此压力可以由线性电磁阀来调节。此压力差的控制能力很好,既便压力PSEC有波动,也不影响转矩容量,可以实现完全闭锁和任意滑转程度的控制。闭锁继动阀的另一个位置,使PSEC到闭锁离合器的分离侧,而接合侧泄油,此时,闭锁离合器解锁,与线性电磁阀无关。图2　液力变矩器闭锁控制油路4　闭锁控制的实现411　开关式闭锁控制对于开关式闭锁的实现相对要简单些,在需要闭锁时,接通闭锁电磁阀,向闭锁离合器供油压,完成闭锁功能;需要解锁时,断开电磁阀的电流就可完成。如图3所示为开关式闭锁的控制系统图。

图3　开关式闭锁控制系统从图3可以看出,开关式闭锁控制是一种开环控制系统,闭锁离合器的闭锁程度并没有把信号反馈给控制单元,为了在各种条件下该系统都能正常工作,势必需要提供足够高的闭锁油压,从节约能源方面考虑显然是不利的。412　滑转式闭锁控制在滑转闭锁控制中,动力的传递实际上是通过变矩器(液力传动)和闭锁离合器(机械传动)相结合的方式来传递的,滑转速度是闭锁离合器主动盘与被动盘转速的差,它决定了动力传递的分配比例,因此,可以根据控制滑转速度的大小来决定此比例的大小,从而使平衡闭锁与解锁之间存在矛盾。如图4所示为固定车速下,功率传递分布、传递效率及传递转矩波动与滑转速度的关系[1]。从图中可以看出,动力的机械传递与液力传递的比例与滑转速度有关,通过调节滑转速度就可以调节此比例值,使其满足实际需要;其传递效率自然也在机械传动与完全液力传动之间;由于滑转速度的存在,使转矩的波动大大减小,直至消失。

图4　滑转速度的影响滑转速度由发动机转速和涡轮转速之差决定,所以在滑转闭锁控制系统中至少需要设置两个转速传感器,实际应用中多采用两个磁电式转速传感器来得到这两个信号。车速信号、油门开度信号、制动信号、换档信号、以及发动机转速和涡轮转速等信号都被输入到电子控制单元(ECU)

,经过电子控

制单元处理后,输出相应的PWM信号到线性电磁阀,

同时也有反馈信号进入ECU,以调整线性电磁阀的工

—8—

Vol.19(Sum97) RoadMachinery&ConstructionMechanization No.2　2002作状态。如图5所示为液力变矩器滑转闭锁控制系统框图。图5　滑转闭锁控制系统当进入滑转闭锁控制区后,根据车辆驾驶条件确定目标滑转速度,此目标值应使动力传递分配最合理。而实际的滑转速度可以根据发动机转速和涡轮转速计算得出,目标值与实际值的偏差作为反馈控制器的输入,并以此来决定输出控制线性电磁阀的PWM信号占空比的大小。5　结语为了设计合理的反馈控制器,首先应建立合理的物理模型,但由于影响建立物理模型的因素很多,比如变速器油和闭锁离合器衬片材料等都会影响闭锁过程;另外,由发动机转速和负荷决定的离合器接合力的变化,以及离合器传递转矩的非线性特性等都是影响因素,要确定合理的物理模型并不容易,而经过实验辨识的模型又严重依赖于实验条件,为了提高控制性能,

对闭锁控制采用模糊控制和H∞控制理论是一种解决方法。参考文献:

[1]　KatsumiKono,etal.Torqueconverterclutchslipcontrol

system.SAE,950672.收稿日期:2002201221

液压抽洒水车的研究

卢有强(广东省湛江公路局直属分局,广东湛江　524018)

摘要:介绍了一种新型液压抽洒水车的工作原理,阐述了这种抽洒水车的设计方法,给出了研制的试验结果。该抽洒水车为工程机械系列提供了一个新的品种。关键词:液压;抽洒水车;设计方法中图分类号:U4181324 文献标识码:B 文章编号:10002033X

(2002)

0220009203

1　概述抽洒水车是公路建设、道路维护、园林绿化、城市环卫、城镇消防等必备且频繁使用的机械设备。随着中国现代化建设进程的不断深入和城镇化、城市化的不断推进,社会对抽洒水车的需求也越来越大。中国现有抽洒水车规格齐全、种类繁多,较好地满足了市场的需求,但是现有抽洒水车的水泵传动装置都是采用机械传动的方式,因而存在着以下明显的缺点:(1)抽洒水时水泵转速(流量)的变化是通过汽车发动机、变速箱转速的变化来实现。因此,当水泵需要输出较大流量时,汽车发动机就要在很高的转速下工作来满足水泵对其转速的工作要求,加剧了汽车发动机的磨损及燃料消耗,增加了汽车废气和噪音污染。(2)由于要通过机械传动的方法将水泵与汽车变速箱的输出转轴或取力箱的输出转轴通过皮带或联轴器刚性连接在一起,在传动系统安装时,必须保证水泵输入轴和汽车传动输出轴之间的相互位置关系,因而极大地限制了水泵在汽车底盘上的安装位置,使得整个水路系统在汽车上的布局不合理,其结构较复杂、接头转弯多、水路系统的管道阻力和压力损失较大,系统效率较低。(3)由于汽车传动系统经常在较高速度状况下工

作,很容易造成传动系统的磨损,同时在启动洒水系统时,因水泵的启动负载很大,造成了对汽车变速箱中传动齿轮的载荷冲击,因而很容易打坏变速箱中的齿轮,

使系统无法正常工作,因此需要经常对其进行维修。由此可见,在抽洒水车上采用机械传动的方式确实有必要加以改进,以提高抽洒水车整车的性能。2　液压抽洒水车的工作原理与设计211　工作原理本文将机械传动式抽洒水车改造成液压抽洒水车,其工作原理如图1所示。该抽洒水车的液压系统动力来源与自卸汽车液压系统的动力来源相同,通过汽车发动机、变速箱、变速箱取力箱,使液压泵获得动力,

液压马达通过联轴器与离心水泵连接,驱动离心水泵工作。通过控制离心水泵的转速,可以控制离心水泵输

—9—

第19卷(总第97期) 筑路机械与施工机械化 200212