張炳力, 張友皇, 趙 韓

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽合肥 230009)

自動(dòng)變速器AT(Automatic Transmission,簡(jiǎn)稱AT)的使用能有效地減少換擋沖擊,降低傳動(dòng)系的動(dòng)載荷,改善汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、乘坐舒適性和操作方便性,應(yīng)用廣泛,是當(dāng)前自動(dòng)變速器的主流。

計(jì)算機(jī)仿真是縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、減少開發(fā)費(fèi)用的有效手段,通過(guò)仿真可以對(duì)不同初始條件、不同運(yùn)行狀況的過(guò)程進(jìn)行仿真對(duì)比,為制定、評(píng)價(jià)、調(diào)試控制策略提供良好的環(huán)境[1]。本文首先利用模糊控制理論建立了駕駛員模型;其次根據(jù)兩參數(shù)換擋規(guī)律,采用區(qū)域信息作為換擋邏輯輸入值的方法建立了自動(dòng)變速器自動(dòng)換擋模型;隨后在了解自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)及工作原理的基礎(chǔ)上,建立了液力變矩器模型(包括閉鎖模型)、行星齒輪傳動(dòng)模型及換擋執(zhí)行元件模型;然后將各模型結(jié)合起來(lái),構(gòu)成面向控制算法的車輛自動(dòng)變速混雜系統(tǒng)仿真模型[2];最后針對(duì)特定工況對(duì)自動(dòng)變速器的性能進(jìn)行仿真分析,以驗(yàn)證所建立的自動(dòng)變速器模型的準(zhǔn)確性。

1 駕駛員模型

駕駛員模型如圖1所示。駕駛員模型實(shí)際是個(gè)車速控制器(見圖1a),模型中采用模糊控制器將輸入的目標(biāo)車速u′a與實(shí)際車速u a的差值 Δu轉(zhuǎn)變?yōu)榧铀偬ぐ逍盘?hào)或制動(dòng)踏板信號(hào)[3,4]。該模糊控制器(見圖1b)輸入量為車速差值Δu及車速差值變化率Δu′,輸出為油門踏板或制動(dòng)踏板開度D。輸入輸出隸屬度函數(shù)均采用鐘形函數(shù),Δu的論域?yàn)閇-10,25],其模糊子集為[NS,ZO,PS,PM,PB],可描述為：負(fù)小、零、正小、正較大、正大;Δu′的論域?yàn)閇-6,+6],其模糊子集可描述為負(fù)、零、正 ,記為：[N,ZO,P];D 的論域?yàn)閇-1,1],其模糊子集為[NB,NS,ZO,PS,PB],可描述為：迅速減小、稍微減小、保持不變、稍微增大、迅速增大。根據(jù)以上分析,建立模糊控制規(guī)則,見表1所列。

圖1 駕駛員模型

表1 模糊控制規(guī)則

2 自動(dòng)換擋模型

本文采用車速和油門開度2個(gè)參數(shù)[5]制定換擋規(guī)律,所制定的換擋規(guī)律如圖2所示。

圖2 換擋規(guī)律

將換擋規(guī)律存儲(chǔ)在自動(dòng)變速器電子控制單元(ECU)的存儲(chǔ)器中,在自動(dòng)變速器正常運(yùn)行時(shí),由各種傳感器采集當(dāng)前車輛運(yùn)行狀態(tài)信息,通過(guò)ECU所設(shè)定的控制規(guī)律將這些信息與換擋規(guī)律相比較,之后通過(guò)ECU中的邏輯判斷程序完成是否換擋的決定,若符合換擋條件,則ECU向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出執(zhí)行換擋的信號(hào),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋[6]。

2.1 換擋邏輯輸入量

本文依據(jù)兩參數(shù)換擋規(guī)律所建立的自動(dòng)換擋模型如圖3所示,該模型的自動(dòng)換擋功能是通過(guò)換擋邏輯模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的,換擋邏輯模塊的輸入量并不是升降擋的車速信息,而是將換擋區(qū)域劃分為幾個(gè)不同區(qū)間,換擋線作為不同區(qū)間的分界線,不同車速和不同油門開度下,所對(duì)應(yīng)的區(qū)域信息作為自動(dòng)變速器換擋模型中換擋邏輯模塊的輸入量。

圖3 自動(dòng)換擋模型

2.2 換擋邏輯模塊

換擋邏輯判斷模塊相當(dāng)于駕駛員的邏輯思維,它通過(guò)將當(dāng)前的車輛狀態(tài)與換擋規(guī)律中預(yù)設(shè)的換擋時(shí)刻的車輛狀態(tài)相比較,從而決定是升擋、降擋還是保持當(dāng)前擋位不變。

換擋邏輯模塊采用Stateflow建立[7],該模塊包括2個(gè)并列的狀態(tài)圖,即擋位轉(zhuǎn)移(shift)和擋位控制(shift_control)。在 shift狀態(tài)圖中,有4個(gè)擋位狀態(tài),定義了upshift和downshift 2個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移事件,作為擋位變換的條件,而upshift和downshift 2個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移事件是由shift_control狀態(tài)圖進(jìn)行控制。shift_control狀態(tài)圖包含3個(gè)狀態(tài),即擋位保持、升擋和降擋。當(dāng) shift_control被激活后,無(wú)條件轉(zhuǎn)移激活steady,然后通過(guò)判斷狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件是否滿足,如果滿足則激活upshifting或者downshifting狀態(tài);如果不滿足條件,則維持steady狀態(tài)。

3 傳動(dòng)模型

自動(dòng)變速器動(dòng)力傳遞過(guò)程是由發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力源,輸出給液力變矩器泵輪,經(jīng)液力變矩器變矩或閉鎖后,由渦輪將動(dòng)力傳遞給自動(dòng)變速器行星齒輪機(jī)構(gòu),行星齒輪機(jī)構(gòu)經(jīng)各換擋執(zhí)行元件的動(dòng)作情況輸出不同傳動(dòng)比,從而將動(dòng)力輸出。

自動(dòng)變速器傳動(dòng)模型就是根據(jù)動(dòng)力傳遞過(guò)程而建立,包括液力變矩器模型和機(jī)械傳動(dòng)模型,如圖4所示。

圖4 自動(dòng)變速器傳動(dòng)模型

3.1 液力變矩器模型

液力變矩器是自動(dòng)變速器上不可缺少的重要組成部分,起著將發(fā)動(dòng)機(jī)與行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的“柔性”連接的作用。液力變矩器的數(shù)學(xué)模型[5,7,8]為：

其中,MP、MT分別為液力變矩器泵輪轉(zhuǎn)矩和渦輪轉(zhuǎn)矩;λ為變矩器泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù);K為變矩器的變矩比;ρ為液力變矩器工作油密度;n P、n T分別為液力變矩器泵輪轉(zhuǎn)速和渦輪轉(zhuǎn)速;D為液力變矩器循環(huán)圓有效直徑;η為液力變矩器傳遞效率。

為了提高液力變矩器的傳動(dòng)效率,在液力變矩器的泵輪與渦輪之間,安裝一個(gè)可控制的離合器,當(dāng)汽車的行駛工況達(dá)到設(shè)定目標(biāo)時(shí),控制離合器將泵輪與渦輪鎖成一體,液力變矩器隨之變?yōu)閯傂詡鲃?dòng)[5]。本文采用車速和油門兩參數(shù)控制的方法設(shè)定閉鎖控制策略,建立了簡(jiǎn)單閉鎖判斷模型,如圖5所示。根據(jù)液力變矩器傳動(dòng)原理的數(shù)學(xué)模型及閉鎖控制規(guī)律建立的液力變矩器仿真模型,如圖6所示。

3.2 機(jī)械傳動(dòng)模型

自動(dòng)變速器機(jī)械部分動(dòng)力傳遞通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)模型實(shí)現(xiàn),包括行星齒輪傳動(dòng)模型及換擋執(zhí)行元件模型,所建立的模型如圖7所示。

圖5 液力閉鎖判斷模型

圖6 液力變矩器仿真模型

圖7 機(jī)械傳動(dòng)模型

3.2.1 行星齒輪傳動(dòng)模型

本文自動(dòng)變速器的行星齒輪結(jié)構(gòu)為辛普森式四速行星齒輪結(jié)構(gòu),其輸入輸出數(shù)學(xué)關(guān)系[5,9,10]為：

其中,T in、T out分別為變速器的輸入和輸出轉(zhuǎn)矩;、分別為變速器的輸入和輸出轉(zhuǎn)速;ig為變速器各擋位的傳動(dòng)比。

3.2.2 換擋執(zhí)行元件模型

換擋執(zhí)行元件主要有摩擦結(jié)合元件和單向離合器2種。摩擦結(jié)合元件包括離合器、制動(dòng)器,靠摩擦力傳動(dòng),它的結(jié)合程度和傳力大小是可控制的,單向離合器單向傳動(dòng),一個(gè)方向脫開,可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),另一個(gè)方向接合。

自動(dòng)變速器采用液壓動(dòng)力換擋,由油泵提供壓力油,通過(guò)電磁閥來(lái)操縱油缸,使結(jié)合元件壓緊或分離來(lái)實(shí)現(xiàn)換擋,其換擋過(guò)程是可控的,通過(guò)電液比例控制,使一個(gè)結(jié)合元件逐漸分離,另一個(gè)結(jié)合元件逐漸接合。使結(jié)合元件的主、被動(dòng)部分通過(guò)摩擦力逐漸同步,以實(shí)現(xiàn)快速、不切斷動(dòng)力、無(wú)沖擊平穩(wěn)的換擋[6]。

換擋執(zhí)行元件模型依據(jù)不同擋位各換擋執(zhí)行元件動(dòng)作的情況而建立,輸出為各擋位的傳動(dòng)比,如圖8所示,建模時(shí)只考慮了D擋換擋執(zhí)行元件接合情況。

圖8 換擋執(zhí)行元件模型

4 性能仿真分析

將所建立的駕駛員模型、自動(dòng)換擋模型、傳動(dòng)模型與發(fā)動(dòng)機(jī)模型以及車輛模型結(jié)合在一起構(gòu)成整車動(dòng)力系統(tǒng)模型,如圖9所示。

圖9 動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型

本文選用的整車相關(guān)參數(shù)如下：整車質(zhì)量(滿載)為1 835 kg,輪胎半徑為273 mm,主減速比為4.520,一、二、三、四擋傳動(dòng)比分別為 2.842、1.495、1.0、0.731,液力變矩器循環(huán)圓直徑為0.254 m。

將這些相關(guān)參數(shù)輸入到模型中,基于UDDS(美國(guó)城市循環(huán)工況)工況運(yùn)行仿真,設(shè)置仿真時(shí)間為1 400 s,仿真結(jié)果如圖10所示。

從圖10a中實(shí)際車速與UDDS工況對(duì)比可以看出,本文建立的動(dòng)力系統(tǒng)模型具有良好的動(dòng)力性,實(shí)際車速基本能夠跟蹤UDDS期望車速。從圖10b中可以看出,油門的變化是根據(jù)車速的變化而增大或減小油門開度,基本能夠反應(yīng)駕駛員的操作意圖,其結(jié)果驗(yàn)證了本文采用模糊控制理論所建立的駕駛員模型的準(zhǔn)確性。從圖10c中可以看出,擋位是按照車速與油門開度的變化依據(jù)換擋邏輯進(jìn)行自動(dòng)換擋,這說(shuō)明本文建立的自動(dòng)換擋模型準(zhǔn)確。

圖10 仿真結(jié)果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文所建自動(dòng)變速器相關(guān)模型的準(zhǔn)確性,設(shè)置實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)方案。該實(shí)驗(yàn)方案是將動(dòng)力系統(tǒng)模型中的駕駛員模型用真實(shí)的油門踏板和制動(dòng)踏板來(lái)代替,通過(guò)踏板操作影響整車動(dòng)力系統(tǒng)的狀態(tài)。踏板信號(hào)與模型之間的銜接通過(guò)Dspace實(shí)時(shí)仿真工具來(lái)完成,首先將踏板信號(hào)通過(guò)DS2002板卡AD轉(zhuǎn)化器采集給動(dòng)力系統(tǒng)模型,隨后將修改后的動(dòng)力系統(tǒng)模型編譯下載到Dspace中,最后通過(guò)ControlDesk軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)的監(jiān)視。最終由ControlDesk監(jiān)視的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖11所示,該圖反映的是車輛起步、滑行和制動(dòng)過(guò)程中自動(dòng)變速器連續(xù)換擋的過(guò)程。

圖11a反映的是油門踏板操縱過(guò)程,圖11b反映的是實(shí)際車速的變化情況,圖11c反映的是擋位根據(jù)油門和車速的變化情況。從圖11中可以看出,首先是定油門起步階段,油門快速升到50%左右并保持一段時(shí)間,這時(shí)擋位隨著車速的逐漸升高而逐步升至最高擋;其次是滑行階段,當(dāng)車速升到最高車速時(shí),快速松開油門使車輛滑行,最終車輛車速降至10 km/h左右,擋位隨車速減小降至二擋,保持不變,最后需踩制動(dòng)踏板使車輛停車,擋位隨之降至一擋;隨后是變油門起步階段,油門開度在30 s左右從0升至100%,并且保持在100%一段時(shí)間,在此過(guò)程中車速逐漸升高至最高車速,擋位隨著車速和油門開度的變化逐漸升至最高擋;最后是制動(dòng)階段,在車速達(dá)到最高車速時(shí),松開油門踩制動(dòng)踏板使車輛在短時(shí)間內(nèi)停車,擋位隨著車速的變化降至一擋。

圖11 起步、滑行及制動(dòng)工況的仿真結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用兩參數(shù)換擋規(guī)律,建立了基于Simulink/Stateflow的液力自動(dòng)變速器模型,進(jìn)行了基于Matlab的離線仿真和基于Dspace的實(shí)時(shí)仿真分析,研究證明,自動(dòng)變速器模型準(zhǔn)確,能嚴(yán)格按照制定的控制規(guī)律進(jìn)行自動(dòng)換擋,為進(jìn)一步開發(fā)自動(dòng)變速器控制器奠定了基礎(chǔ)。

[1] Bengt J.On vehicle driving cycle simulation[J].SAE,1995,31：240-242.

[2] 文凌波,王玉海,李興坤,等.基于 Matlab/Stateflow 的AMT控制策略仿真系統(tǒng)[J].車輛與動(dòng)力技術(shù),2005,(1)：19-22.

[3] 秦大同,鄧 濤,楊 陽(yáng),等.基于前向建模的ISG型CVT混合動(dòng)力系統(tǒng)再生制動(dòng)仿真研究[J].中國(guó)機(jī)械工程,2008,19(5)：618-624.

[4] Guo Xuexun,Fu Chang,Chen Fei,et al.Modeling and simulation research of dual clutch transmission based on fuzzy control[J].SAE,2007,(1)：37-54.

[5] 黃宗益.現(xiàn)代轎車自動(dòng)變速器原理和設(shè)計(jì)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社,2006：273-315.

[6] 牛秦玉,張國(guó)勝,方宗德,等.電控機(jī)械式自動(dòng)變速器換擋規(guī)律仿真模型的研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2007,26(3)：351-354.

[7] 汪志遠(yuǎn),鄭 培,孫肇花.基于Matlab的液力機(jī)械自動(dòng)變速器性能仿真[J].車輛與動(dòng)力技術(shù),2007,(2)：10-13.

[8] 楊麟祥,岳繼光,張曉云.切換型混雜系統(tǒng)的建模仿真與穩(wěn)定性研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2008,20(9)：2247-2252.

[9] 張 勇,許純新,盧新田,等.車輛自動(dòng)變速系統(tǒng)性能仿真研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2000,31(1)：23-25.

[10] 王望予.汽車設(shè)計(jì)[M].第 4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004：78-113