液力变矩器闭锁离合器..

液力变矩器闭锁离合器
山东理工大学
目录
液力变矩器闭锁离合器 (1)
目录 (2)
一、绪论 (3)
二、发动机与液力变矩器的匹配 (4)
2.1 发动机和液力变矩器的共同工作 (4)
2.1.1 发动机特性 (4)
2.1.2液力变矩器的原始特性 (5)
三、液力变矩器闭锁参数的选择及闭锁控制总体方案 (11)
3.1 液力变矩器闭锁控制的意义 (11)
3.2 汽车闭锁点的选择 (11)
3.3整车行驶参数的检测 (14)
3.4闭锁规律应满足的要求及分类 (15)
3.5、履带车辆中闭锁参数的选择 (16)
3.6、闭锁点的选择 (18)
3.7 按照传统闭锁点的求法，以SD23为例进行闭锁点的确定： (20)
3.8 、闭锁点优化的原则： (33)
3.9 液力变矩器多种闭锁方式及对比 (37)
3.10对于闭锁总体控制方案的选取设计 (41)
四、液力变矩器闭锁点的优化研究及控制器控制策 (42)
4.1第四章、闭锁离合器闭锁过程动态数学模型的建立： (42)
4.2、充油特性的设计： (44)
4.3、离合器集合参数的分析： (45)
4.4闭锁控制策略的特例分析 (46)
4.5 已有控制方法及其特点 (50)
4.6 对于控制策略的设计 (56)
五、液力变矩器的闭锁动态过程的仿真研究及控制算法与控制程序 (56)
5.4 控制算法基本流程 (56)
5.5控制程序 (57)
六、液力变矩器闭锁离合器控制器的使用 (60)
6.1 控制器分类 (60)
6.2 控制器的选取及优化 (61)
第一章：绪论
我国幅员辽阔、河流湖泊沼泽众多、履带式车辆在我国有着广泛的使用，坦克，推土机、履带式装载机等
在履带式车辆的传动系统中主要有机械传动和液力机械传动两种，机械传动是发动机与变速箱通过离合器直接相连，这种传递形式，结构简单，传动效率高，但是适应外负荷变化的能力差。

液力机械式传动是发动机通过变矩器与变速箱相连，
液力变矩器有良好的自动适应性，可以提高车辆的动力性能，但是液力变矩器的效率较低。

使车辆的经济性能变差，这个缺点大大影响了液力传动在车辆的广泛使用。

为了提高液力变矩器的效率出现了闭锁式液力变矩器。

近代汽车、坦克和其他军用车辆广泛应用了闭锁是液力变矩器，在高转速比时用闭锁离合器将泵轮和涡轮闭锁，成为整体旋转，变为机械传动，效率接近于1以提高车辆的经济性，根据某些车辆的试验证明采用闭锁式液力变矩器较不闭锁式油耗可降低5%--10%。

但是闭锁以后成为机械传动，失去了液力传动的一些性能和特点，如减震性能等。

液力变矩器闭锁后失去了液力传动平稳的优点，不能吸收发动机扭矩波动所引起的冲击和振动，造成车辆振动和噪声的增大。

乘员可明显地感觉到变矩器不闭锁和闭锁时振动和噪声的差别。

在高档高速、小油门开度的情况下，发动机比较稳定，扭矩波动较小，变矩器的闭锁对车辆的行驶平顺性影响较小。

所以在最初，变矩器的闭锁区域仅限于高档高速、小油门开度这样一个很狭窄的区域，一般只在直接档和超速档才采用变矩器闭锁技术。

闭锁离合器控制技术是今后发展的一个重要方向。

现在，随着电子技术的不断进步，对闭锁离合器滑磨过程进行的控制上了一个新台阶。

国内的一些大学和研究机构也开展了一些相应的研究，如北京理工大学、重庆大学、吉林大学等。

其中，北京理工大学的郑慕侨、马彪等教授对闭锁离合器和换挡离合器进行了深入研究，对液力变矩器闭锁离合器的动态特性、闭锁点的选取以及滑磨功和滑磨功率的动态模拟计算进行了研究[6,7,8]。

重庆大学的秦大同教授进行了滑差控制方面的研究，对于滑差控制的摩擦材料、传动油进行了分析研究[9,10,11]。

吉林大学液力传动研究所葛安林教授对车辆自动变速理论进行了深入的分析研究，并对液力式自动变速器进行了分析设计[12,13,14]。

北京理工大学曾进行过某重型车辆液力变矩器的闭、解锁控制研究，并提出闭锁控制和自动换挡控制是传动系控制中联系紧密的两项主要内容。

液力变矩器的闭锁控制实质上也是一种换挡控制，即机械挡和液力挡之间的切换，所以换挡控制和闭锁控制之间具有相似性。

闭锁控制系统采用了油门开度、涡轮转速两个参数进行控制，试验验证该控制系统可以实现闭、解锁控制。

吉林大学针对公共汽车液力传动装置做了自动闭、解锁的研究[3]，在对闭锁的研究中借鉴了车辆换挡理论，设计了闭锁规律，其控制方案主要是采用变矩器泵轮转速和涡轮转速作为闭锁依据，并兼顾油门开度的影响，设计了变矩器闭锁自动控制装置。

重庆大学的秦大同教授
国内对于工程车辆，特别是履带车辆所使用的闭锁式液力变矩器的研究还比较少，因此，对于履带车辆变矩器的闭锁控制研究的内容还需要进一步加以充实，尤其在控制策略和改善闭锁品质等方面还有一些问题需要解决。

本课题所选用的是变矩器涡轮转速和变速箱油压作为闭锁参数，一方面变矩器涡轮转速
反映了推土机的负荷情况，变速箱油压的大小反映档位的情况？
想法：首先要根据传统闭锁点的选择方法得到闭锁点，其次要考虑在此点闭锁时带来的问题，
从而进行优化设计
第二章：发动机与液力变矩器的匹配
2.1 发动机和液力变矩器的共同工作 （吉林大学 黄心顺）
闭锁控制规律的设计需要了解动力装置的特性，然后根据需要考虑的若干因素进行设计。

在液力传动系统中，可以将发动机和液力变矩器的组合看作一种新的动力装置，二者的共同工作性能直接影响到整个传动系统的各方面性能。

一台性能良好的发动机和一台性能良好的液力变矩器，如果匹配不当，就不能使车辆获得良好的牵引性能和燃料经济性。

因此研究发动机和液力变矩器的共同工作是研究变矩器的闭锁控制规律的基础。

在此基础上对闭锁规律进行优化设计可以实现较好的闭锁控制效果。

研究发动机与液力变矩器的共同工作，就是研究共同工作的输入特性。

在研究发动机和液力变矩器的共同工作]时，首先要知道有关发动机的特性和液力变矩器的特性。

2.1.1 发动机特性
在研究液力变矩器和发动机的共同工作时，最常用的是发动机的速度特性。

根据油门开度和供油情况的不同，可将发动机的速度特性分为外特性和部分特性。

在最大供油（柴油机）或油门开度最大（汽油机）情况下所得到的速度特性叫做外特性；在部分供油和油门部分开启情况下的速度特性叫做部分特性。

在设计闭锁规律的时候必须提供发动机的部分特性，否则无法设计部分油门开度的闭锁点。

发动机特性一般通过台架试验获得离散的数据，当缺乏这些数据时，可以用下面的经验公式近似的绘制发动机的功率和扭矩外特性曲线。

])n n c(n n b a [n n N N 2N
e N e N e N e -+= ])n n (c n n b
a [M M 2N e N e N e -+= 式中，e e M N 、——发动机转速为n e 时的功率和扭矩；
N N N n M N 、、——额定工况下，发动机的功率、扭矩和转速；
a 、
b 、
c ——计算系数，它们是发动机适应系数e K 和稳定工作转速比e
d 的函数。

2e e e e 2e )
d 1(K K 2d d a -+-=
2e e e )
d 1()1K (2d b --= 2
e e )d 1(1K c --= 在研究发动机与液力变矩器的共同工作时，需要扣除辅助设备消耗的功率后的净功率和净扭矩。

在某些液力机械传动系统中，发动机和液力变矩器之间有中间传动，则应该考虑中间传动的效率和传动比的影响。

那么，实际传递至液力变矩器泵轮的净功率ei N 和净扭矩ei M 为：
)n (f )N N -N (N e eB Bs es e ei =-=η
)n (f i )M M -M (M e eB eB Bs es e ei =-=η
B
e eB n n i = （2－8） 式中：es es M N 和——发动机本身附件消耗的功率和扭矩；
Bs Bs M N 和——驱动液力机械传动系统各辅助油泵损失的功率和扭矩；
eB i ——发动机至液力变矩器泵轮之间的传动比；
eB η——发动机至液力变矩器泵轮之间的传动效率。

我们将实际传递至液力变矩器泵轮的净功率ei N 和净扭矩ei M 作为研究发动机和液力变矩器共同工作问题的基本原始依据。

2.1.2液力变矩器的原始特性
目前对液力变矩器的工作分析多在稳态工况下进行，它在对变矩器内部复杂的流场做出一系列的简化假设后进行分析，以一元束理论为基础，从而得到起原始特性。

由于同一类型而几何相似的液力变矩器，在尺寸不同的情况下有相同的泵轮与涡轮转矩系数λp =f (i)和-λT =f (i)曲线。

这些曲线能够本质地反映某系列液力变矩器的性能。

据此可以派生出两个表示液力变矩器性能的重要无因次特性，即变矩比K =f (i)和效率η=f (i)。

它们统称为液力变矩器的原始特性。

目前广泛采用原始特性曲线来表示液力变矩器性能，它能确切的表示一系列不同转速、不同尺寸而力学相似的变矩器的基本性能，而且根据原始特性，可以通过计算获得此系列中任一液力变矩器的外特性或通用特性。

为了简化液力变矩器的性能表示方法，实际只应用λp =f (i)，K =f (i)和η=f (i)三条特性曲线，因为-λT =f (i)可以通过?λT =K λp 计算求得，所以可以省略。

原始特性曲线包括的
泵轮转矩系λp 、变矩系数K 和效率η，它们都是速比i 函数，分别定义如下：
)(f D gn T 52p
P p i ==ρλ )(f D n g D n g T T 52p
p 52p p P T i K p T =-===λλλρλρ )(f Ki n T n T P P p
P T T P T i ====η 式中，n T 、n p ——涡轮、泵轮转速；
i ——速比（n T /n p ）
T T 、T p ——涡轮、泵轮扭矩；
P p ——泵轮的输入功率
P T ——涡轮的输出功率；
D ——变矩器的有效直径。

1、发动机与液力变矩器的共同工作的输入特性
发动机与液力变矩器的共同工作的输入特性是指不同的液力变矩器的转速比i 时，液力变矩器与发动机共同工作的扭矩与转速的变化特性。

它是研究发动机与液力变矩器的共同工作输出特性的基础。

下面简述获得液力变矩器与发动机共同工作输入特性的过程及方法：
（1）获得发动机的净扭矩外特性特性曲线及部分特性曲线，这里为NJ2045的发动机数据；
（2）获得液力变矩器的原始特性，循环圆有效直径D 。

按任务要求，ZFW305为初定目标；
（3）在液力变矩器原始特性上，选择典型工况点（转速比i 0、i M 、i*）；
（4）根据选定的工况点，在原始特性曲线的λp =f (i)上，找出对应的各λ
P 值； （5）作泵轮的负荷抛物线，52p p P D n g T λρ=中，ρ、g 、D 均为常数，在某一工况下λp
也是确定的值，于是2p p cn T =，式中c=5
p D g λρ，在工况i 不同时，所对应的c 值也不同，液力变矩器的透穿性不同时，形成一条或一组泵轮负荷抛物线；
（6） 将发动机的净扭矩曲线Te =f (n e )与变矩器泵轮负荷曲线以相同的坐标比例画在一起，即得到发动机与液力变矩器的共同工作输入特性。

图2-1 液力变矩器与发动机共同工作输入特
图2-1 即为发动机与液力变矩器的共同工作输入特性。

最理想的匹配就是希望共同工作所利用的发动机工作区段，应能满足车辆的工作需要，同时还能兼顾到下列几个方面：（1）在液力变矩器的整个工作范围内，应能充分利用发动机的最大有效功率，因为功率利用率高，就能保证车辆有较高的平均速度和较高的作业生产率。

为此，要求最高效率时的负荷抛物线通过发动机最大静功率的扭矩点。

但如单考虑一点的情况，还不能说明变负荷下工作时的功率利用，所以希望高效区的共同工作点在最大功率点附近，即i1 和i2两负荷抛物线应在最大功率点的两侧。

从图3-2 看，匹配有些偏左，发动机的最大有效功率未被完全覆盖，但因我们应用了闭锁控制，此问题不大。

（2）为使车辆具有良好的燃料经济性，希望共同工作的整个范围能够在发动机的比燃料消耗量最低值g e min的工况附近。

这样就可以使车辆的燃料消耗量较小。

从图2-2看，g e基本上满足要求。

（3）为使车辆起步情况和最大载荷的作业情况下能够获得最大的输出扭矩，希望液力变矩器在转速比i = 0 时的负荷抛物线能通过发动机的最大扭矩点。

从图3-2 看，此点并不
满足该条件，应改变此ZFW305 的原始特性，使λP 0下降，以使转速比i = 0 时的负荷抛物
线能通过发动机的最大扭矩点。

总之，同时满足上述要求是困难的，特别不可透穿的液力变矩器，由于负荷抛物线的分布很窄，甚至是一条线，因而只能满足上述要求得一种，对于可透穿的液力变矩器，则由于负荷抛物线的分布较广，同时满足上述三项要求存在一定的可能性。

在液力变矩器的型式一定的情况下，改变共同工作输入特性的位置，可通过采用不同有效直径D来达到；在发动机和液力变矩器间安装中间传动后，也可以调整共同工作输入特性的位置；采用具有不同泵轮扭矩系数λP的液力变矩器，也可以达到类似的目的。

2 输出特性
发动机与液力变矩器的共同工作的输入特性是指发动机与液力变矩器共同工作时，输出转矩T T、输出功率T P等与涡轮转速n T之间的关系。

当发动机与液力变矩器
图2-2发动机与液力变矩器共同工作后T T—n T关系
组合后，其输出特性与发动机特性完全不同了，如同形成一种新的动力装置。

下面简述获得液力变矩器与发动机共同工作输出特性的方法与步骤：
(1) 首先获得液力变矩器的原始特性及发动机与液力变矩器共同工作的输入特性（图2-2）；
(2) 根据共同工作的输入特性，确定在不同转速比i（必须含有特殊点转速比i0、i*、i M
等）时，液力变矩器负荷抛物线与发动机扭矩外特性相交点的扭矩和转速；
(3) 根据选定的i ，由液力变矩器的原始特性曲线，分别求取对应的K值和效率η值；
(4) 根据选定的速比i 以及此转速比时负荷抛物线与发动机外特性的交点转速值，计算
涡轮转速值n T = i n P；
(5) 根据有关公式，分别计算在上述涡轮转速下的有关参数：T T、T P、G T、g eT等；
(6) 将上述所得数据列表，以n T为横坐标，其它参数为坐标，进行绘图，即得发动机与
液力变矩器共同工作的输出特性。

图2-3发动机与液力变矩器共同工作后P T —n T 关系
图2-3 和2-4 分别为发动机与液力变矩器共同工作的T T 、P T 输出特性。

共同工作的输出特性是进行车辆牵引计算的基础。

为使车辆获得良好的牵引性能和经济性，通常从以下几个方面来考查：
(1) 在发动机外特性时，共同工作输出特性在高效区工作范围或整个工作范围内，应保
证获得最高的平均输出功率。

(2) 在共同工作的高效区范围或整个工作范围，应有较低的平均油耗量。

(3) 高效区工作范围应较宽，即希望1
T 2T T n n d 越大越好。

(4) 在起动工况下（n T = 0）的起动扭矩T T max 越大越好。

共同工作输出特性的好坏，也就是上述指标的大小，取决于发动机的型式、变矩器的尺寸和原始特性以及共同工作的输入特性。

吉林大学——单凯凌
闭、解锁控制规律常用的有单参数、两参数等。

对越野车主要矛盾是车辆的越野性能，为了充分利用液力变矩器的优点，发挥液力变矩器优良的通过性能，在1、2 挡不闭锁；为提高在良好路面上行驶的燃料经济性，在3、4、5 挡达到一定车速与油门开度时变矩器离合器闭锁。

而用两参数控制在各个油门下都能得到合理闭锁点。

故对NJ2045 确定为车速v 、油门α两参数控制。

在闭锁行驶过程，如遇到爬坡、坏路，则应解锁，恢复液力变矩器工况。

恢复液力变矩器工况.为保证闭、解锁过程稳定，取换挡延迟≥v = 3 ~ 5km / h 。

表4-1 为输入ECU 的离合器闭、解锁规律数据表格，图4-5 为变矩器闭、解锁的两参数控制的换挡规律。

闭锁策略：
通过比较AT轿车在不同油门、不同档位下机械传动和液力传动的牵引能力，考虑到汽车在城市道路行驶的最高车速一般在40km/h左右，制定了该车的闭锁规律。

当油门开度小于40%时，在任何情况下均不闭锁；当油门开度大于40%时：一档闭锁车速为42Km/h，解锁车速为37Km/h；二档闭锁车速为75Km/h，解锁车速为70Km/h；一档向二档升档曲线同时也是液力变矩器解锁曲线；二档向一档降档曲线同时也是液力变矩器闭锁曲线；三档下液力变矩器始终闭锁。

三、液力变矩器闭锁参数的选择及闭锁控制总体方案
3.1 液力变矩器闭锁控制的意义：
传动系的性能对车辆的动力性、燃料经济性、寿命等技术指标以及乘坐舒适性等都有重大影响。

较机械传动来说，液力传动具有许多独特的优良性能，液力变矩器的应用使得对车辆传动实现自动换挡和一定范围内的无级变速提供了便利条件。

它的优点是：自适应能力强；功率利用率好；减振性能好。

但是从燃油经济性的角度来看，液力传动最高效率低，高效范围不大，相比之下其平均效率比机械传动低10%～12%，这导致车辆燃料经济性下降。

为解决这一矛盾通常在液力变矩器中加装闭锁离合器，当车辆以小负荷、较高的车速行驶时闭锁离合器将泵轮和涡轮闭锁为一体，从而使传动系成为机械传动，提高传动效率和车辆的燃料经济性。

3.2 汽车闭锁点的选择：
闭锁控制的实质是也力档与机械档之间的和转化，故有在和点闭锁为最佳的问题，从理论上讲，闭锁点定在输入耦合器工况比较好，在该点处的变矩系数K=1，既保证充分利用便利器的自适应的长处没有减少了因闭锁造成的转矩与转速的突变。

但也有为了扩大高效范围
在变矩器在高效率点闭锁对应的转速比*
*i η，还有将闭锁点设在m *i i 与之间；另外也有少数将闭锁点定在大于m i 的以缩小闭锁时的转速差（）
（c P T P i 1n n n n -=-=∆）。

对于提高效率为主的要目的的城市大客车、载货汽车、军用汽车等，可将闭锁点定在*
i 附近，而轿车则需要兼顾舒适性，则以m i 附近为宜。

一、汽车中的控制规律
（一）、单参数控制：
1、涡轮转速T n 控制：根据闭锁点c i ，再由液力变矩器与发动机共同工作的转速计算出,n P P c TC n i n =。

为保证车辆加速、爬坡或在坏路行驶的状态，还有为了提高换
挡品质，要在其需要时能迅速解锁。

为了避免频繁闭锁、解锁，必须设定解锁的转速T n 小于TC n ，这称为闭锁——解锁的转速差（T TC T n n n -=∆），该类型多用皮托管控制，结构简单实用，但是没有油门的参与，致使合理的c i 只能按某一油门的开读来获取P n ，不能保证其他油门开度都有较好的动力性和燃油经济性。

2、 车速控制。

这也属于档位控制方案。

这属于高速档时闭锁方案，可以避免低速档内频繁
闭锁，减少由此引起的筹集与磨损，它在城市客车上应用较多。

3、 档位控制1-1（b ）。

高速档时闭锁，例如在一、二档时不闭锁，在三档及以上时闭锁。

这也为了避免低档范围内频繁的闭锁。

控制方便，但不够精确。

（二）、多参数控制
1） 按速比 i 控制
如图1-1（c ），实质是由泵轮转速 B n 与涡轮转速T n 两个参数同时控制，当i 达到预定值时实现闭锁，它可克服单参数控制的缺陷，使各油门开度下都在合理要求闭锁点闭锁。

控制系统相对复杂一些。

2） 涡轮转速T n 与油门开度α控制
如图 1-1（d ），该方案由涡轮转速与油门开度两个参数进行闭锁控制，不同油门开度下闭锁点的T n 不同，比较全面的反映了车辆的具体情况，有利于达到较高的动力性或者经济
性等闭锁要求，使得闭锁点合理，而且结构上也较易于实现。

目前采用这种方案进行闭锁控制比较普遍。

3）车速υ与油门开度α控制
如图1-1（e），该方案与方案（2）相似，而它与（2）的区别在于油门开度一定时，只有当车速到达一定值才闭锁；并可以根据挡位实现高挡闭锁而低挡不闭锁，是目前轿车常用的控制。

n、油门开度α和加速度a三参数控制
4）涡轮转速
T
引入了加速度作为控制参数，考虑了车辆在行驶过程中加速，上、下坡路以及在坏路上行驶的影响因素，利用三参数进行闭锁控制可以设计出更加合理的闭锁控制规律。

一般来说加速度大，闭锁点提前，其意义是地面阻力小时，应尽快进入机械工况。

采用三参数进行控制使得控制策略非常复杂，并且加速度的测量也比较复杂，该方案在理论上仍在探讨。

（三）、实际控制策略分析
3.1 克莱斯勒汽车公司的闭锁离合器
闭锁至于ECU所赖以决定是否锁止的信号来源,则分别是冷却水温传感器、真空传感器、车速传感器和节气门闭合开关。

2、福特汽车公司的锁止离合器
对福特汽车公司的锁止离合器控制策略，以其AXOD型变速驱动桥为例展开分析。

该控制系统所采用的锁止输入信号,分别来自发动机冷却水温传感器、节气门位置传感器、车速传感器、大气压力传感器、制动开关以及3-2挡压力开关、4-3挡压力开关和空挡压力开关。

1.4 闭锁控制研究的历史、现状及发展趋势
国内对闭锁控制的研究比较少。

相比之下国外在这个领域的研究已经比较成熟。

比如美国通用汽车公司阿里逊分部生产的变速器（简称阿里逊变速器）以其优良的性能得到了广泛的应用。

早期的液力机械自动变速箱的换挡和闭锁均采用全液压控制系统。

阿里逊传动装置的基本组成是单级三元件变矩器、闭锁离合器、液力减速器和自动变速箱。

液压部分包括：供油调压部分和液力制动器控制部分。

其闭锁控制部分包括锁止阀和解锁阀。

在液力变矩器中，应用皮托管将涡轮的转速转换为压力信号P b,通过P b来控制变矩器的锁止离合器自动锁止和分离，皮托管输出的压力信号P b与涡轮转速n t成正比。

后来又出现了通过发动机节气门开度α和车速υ双参数控制，油门信号油压和涡轮转速信号油压的作用合力达到一定值时滑阀移动使锁止离合器闭锁。

并且利用断流阀组实现了换挡时闭锁离合器的解锁延时控制，改善了换挡品质。

1969年，法国雷诺R16TA轿车首先装用了电子控制的液压闭锁、换挡系统。

它与纯液压控制的不同在于控制信号和控制系统均是由微机完成，而执行机构仍然是液压的。

九十年代，多数液力机械传动自动控制系统实现了电液控制。

美国的通用公司以及日本的日产、马自达公司在该领域的研究处于领先水平[10]。

较早的电控液力变矩器闭锁离合器多为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连接，失去了其吸收振动和冲击能量的作用，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，对闭锁离合器采用滑转控制的方式，极大地提高了变矩器的效率，改善了车辆的燃油经济性。

电液控制锁止离合器控制系统方框图如图1-2 示[11]。

它把变矩器涡轮转速和发动机油门开度作为控制参数，由锁止离合器电子控制单元根据输入信号作出相应的反应，发出控制信号，使作用于锁止离合器油路控制的电磁阀关闭。