張 濤，陶 剛，陳慧巖

(北京理工大學(xué)機械與車輛學(xué)院，北京 100081)

前言

1970年第13屆國際汽車工程師學(xué)會(FISITA)首次提出液力自動變速器換擋過程一般可分成:低擋、低擋轉(zhuǎn)矩相、慣性相、高擋轉(zhuǎn)矩相和高擋5個階段［1］。由于實際換擋操作中充放油離合器交替工作，升擋過程中的高擋轉(zhuǎn)矩相和降擋過程中的低擋轉(zhuǎn)矩相一般不存在。對于依靠離合器到離合器換擋的自動變速器升擋過程，當(dāng)待接合離合器開始傳遞轉(zhuǎn)矩時，轉(zhuǎn)矩相開始;轉(zhuǎn)矩相期間輸入轉(zhuǎn)矩從待分離離合器逐漸傳遞到待接合離合器，當(dāng)待分離離合器開始滑摩，即其主被動片轉(zhuǎn)速不等時，升擋過程進入慣性相，而轉(zhuǎn)矩相結(jié)束。在轉(zhuǎn)矩相只有轉(zhuǎn)矩的重新分配，變速器的速比沒有變化。

轉(zhuǎn)矩相控制的核心在于兩個換擋離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)過渡，包括換擋離合器的充放油控制和二者交替的定時控制。前者旨在減小換擋沖擊，后者解決的是兩個元件傳遞轉(zhuǎn)矩的合理分配，避免造成明顯動力中斷或掛雙擋的現(xiàn)象。

轉(zhuǎn)矩相控制的一個難點在于沒有可靠的狀態(tài)量作為反饋來構(gòu)成閉環(huán)。文獻［2］中提出用轉(zhuǎn)矩傳感器采集離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制，由于成本和安裝使用中的可靠性問題，這種方法在實際產(chǎn)品上很少應(yīng)用;文獻［3］中提出對渦輪軸轉(zhuǎn)速信號進行1階Butterworth濾波處理作為反饋控制量構(gòu)成閉環(huán)，但由于轉(zhuǎn)矩相渦輪軸轉(zhuǎn)速變化較小，考慮采集和處理過程中的潛在誤差，用渦輪軸轉(zhuǎn)速或其變化率作為轉(zhuǎn)矩相的控制參數(shù)并不現(xiàn)實。轉(zhuǎn)矩相控制的另一個難點是換擋離合器的搭接，傳統(tǒng)控制采用充油離合器等斜率接合，放油離合器預(yù)先標(biāo)定的開環(huán)控制，初始控制指令和上升斜率均由標(biāo)定的方法得到。其問題在于:(1)需要大量的標(biāo)定試驗以確定合適的初始控制參數(shù);(2)沒有考慮待接合離合器開始傳遞轉(zhuǎn)矩瞬間和轉(zhuǎn)矩相結(jié)束時待分離離合器滑摩瞬間的換擋沖擊;(3)開環(huán)標(biāo)定應(yīng)用于高動態(tài)換擋過程時，隨著時間的延長或工況的變化，標(biāo)定好的參數(shù)不能根據(jù)這些變化調(diào)整，魯棒性差。

本文中在對轉(zhuǎn)矩相動力學(xué)特性進行分析的基礎(chǔ)上，基于減小換擋沖擊的要求提出轉(zhuǎn)矩相的理想控制目標(biāo)和相應(yīng)的控制策略與方法。

1 動力換擋系統(tǒng)模型

圖1為簡化的動力換擋系統(tǒng)模型，包括發(fā)動機、變矩器、變速機構(gòu)和整車負(fù)載。由電磁閥和雙邊閥組成的電液緩沖閥接收控制器的控制信號對換擋離合器A的放油分離和離合器B的充油接合進行控制，從而完成升擋操作。

假設(shè)動力傳動系統(tǒng)由無慣性的彈性環(huán)節(jié)和無彈性的慣性環(huán)節(jié)所組成，并忽略軸的橫向振動、系統(tǒng)間隙和阻尼、軸承和軸承座的彈性以及齒輪嚙合彈性，將整個動力傳動系統(tǒng)分為發(fā)動機—泵輪、渦輪—離合器主動片和離合器被動片—車輛負(fù)載3個組件，它們在升擋過程轉(zhuǎn)矩相階段的動力學(xué)關(guān)系為

式中:Te、Tp、Tt、TA、TB和 To分別為發(fā)動機、泵輪、渦輪、待分離與待接合離合器轉(zhuǎn)矩和輸出軸轉(zhuǎn)矩;Ie、It和Iv分別為發(fā)動機、渦輪和整車的慣量;ωe、ωt和ωo分別為發(fā)動機、渦輪和輸出軸的角速度;iin為輸入軸到兩個離合器主動片的傳動比;iao和ibo分別為A和B離合器的被動片到輸出軸的傳動比。

變矩器泵輪和渦輪軸轉(zhuǎn)矩可由液力變矩器靜態(tài)特性計算得到:

式中:λ為泵輪能容系數(shù);D為變矩器有效圓直徑;np為泵輪轉(zhuǎn)速;Cp為泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù);K為變矩器變矩比。

轉(zhuǎn)矩相期間換擋離合器摩擦因數(shù)變化較小，因此可假設(shè)離合器壓力和轉(zhuǎn)矩之間為線性關(guān)系，則換擋離合器傳遞的摩擦轉(zhuǎn)矩為

式中:μc為離合器摩擦因數(shù);z為摩擦片副數(shù);rc為等效摩擦半徑;p為油缸工作壓力;S為作用面積;F0為離合器開始工作瞬間活塞的總壓力;ktp為壓力-轉(zhuǎn)矩間的等效線性系數(shù);ctp為對應(yīng)的等效常系數(shù)。

2 轉(zhuǎn)矩相動力學(xué)分析

由于轉(zhuǎn)矩相只有轉(zhuǎn)矩的重新分配，渦輪軸轉(zhuǎn)速和輸出軸轉(zhuǎn)速變化較小，忽略路況變化和輪胎滑轉(zhuǎn)等因素，變速器各構(gòu)件的轉(zhuǎn)速關(guān)系滿足:

式中:ia、ib分別為升擋前后變速器傳動比;Δωa、Δωb分別為A、B離合器主被動片的角速度差。

將變速器輸入輸出軸的轉(zhuǎn)速關(guān)系代入可得A離合器傳遞轉(zhuǎn)矩TA和輸出軸轉(zhuǎn)矩To:

式中:Ka、Kab分別為與渦輪軸和車輛慣量及速比相關(guān)的常數(shù)，Ka=It+Iv，Kab=iaibIt+Iv。

可見由于渦輪軸轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩近似為常量，隨著待接合離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的增大，待分離離合器傳遞轉(zhuǎn)矩逐漸下降，輸出軸轉(zhuǎn)矩也隨著待接合離合器的接合線性下降。

以渦輪轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩作為輸入，待接合離合器傳遞轉(zhuǎn)矩作為控制量可得轉(zhuǎn)矩相狀態(tài)方程為

3 理想轉(zhuǎn)矩相控制目標(biāo)

換擋過程的評價包括換擋平順性、離合器滑摩、換擋噪聲和燃油經(jīng)濟性等各方面因素。從改善換擋平順性的角度出發(fā)，本文中提出轉(zhuǎn)矩相的控制目標(biāo)并制定控制策略。沖擊度，即車輛縱向加速度的變化率，被廣泛用作換擋平順性的評價指標(biāo)［4］。由沖擊度的定義并結(jié)合式(8)可得

可見，沖擊度與待接合離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的變化率線性相關(guān)。如圖2(a)所示，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)矩相控制充油離合器等斜率接合，容易在轉(zhuǎn)矩相開始時(位置1)和轉(zhuǎn)矩相結(jié)束時(位置2)發(fā)生較大的換擋沖擊，而且采用開環(huán)標(biāo)定的方法，工況的變化有可能導(dǎo)致兩個離合器同時滑摩(位置3)，加劇離合器摩損。因此針對傳統(tǒng)控制的問題，基于降低換擋沖擊的要求提出理想控制目標(biāo)，如圖2(b)所示。

在轉(zhuǎn)矩相開始時刻要求輸出軸轉(zhuǎn)矩及其1階導(dǎo)數(shù)連續(xù)，以避免待接合離合器開始傳遞轉(zhuǎn)矩瞬間引起過大沖擊。而理想的快速充油控制可保證此時待接合離合器轉(zhuǎn)矩本身為零，因此只須控制轉(zhuǎn)矩相開始時刻待接合離合器摩擦轉(zhuǎn)矩的1階導(dǎo)數(shù)為零。

在轉(zhuǎn)矩相期間，輸出軸轉(zhuǎn)矩的變化率與待接合離合器的轉(zhuǎn)矩變化率呈線性關(guān)系，須保證待接合離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的變化率不要過大，由于待接合離合器傳遞轉(zhuǎn)矩變化不大，因此可通過設(shè)置轉(zhuǎn)矩相時間來保證轉(zhuǎn)矩相期間的沖擊度不超過允許值(圖2(b)虛線部分，一般認(rèn)為沖擊度小于10m/s3時，對人的沖擊感覺可忽略不計［5］)。

在轉(zhuǎn)矩相結(jié)束時刻t3要求To-(t3)=To+(t3)，前者由式(6)可知與待接合離合器傳遞轉(zhuǎn)矩相關(guān);而待分離離合器傳遞摩擦轉(zhuǎn)矩由式(4)算得，與待分離離合器的放油控制直接相關(guān)。由于分離離合器對滑摩條件比較敏感，且開始滑摩瞬間動靜摩擦因數(shù)變化造成摩擦轉(zhuǎn)矩的不連續(xù)性也造成放油控制的困難?？刂撇缓脮霈F(xiàn)掛雙擋或明顯的動力中斷，嚴(yán)重惡化換擋品質(zhì)。而令轉(zhuǎn)矩相結(jié)束時刻待分離離合器傳遞轉(zhuǎn)矩和摩擦轉(zhuǎn)矩均為零，可避免在慣性相兩個離合器同時滑摩的同時滿足輸出軸轉(zhuǎn)矩的連續(xù)條件，降低了發(fā)生動力中斷和掛雙擋的可能性。

將待分離離合器傳遞轉(zhuǎn)矩為零代入式(6)可得待接合離合器轉(zhuǎn)矩相結(jié)束時刻應(yīng)傳遞的轉(zhuǎn)矩為

文獻［6］和文獻［7］中從離合器滑摩的角度提出離合器接合的無沖擊條件，即在放油離合器分離瞬間，為避免造成沖擊，須保證放油離合器主被動片轉(zhuǎn)速的變化率相同，即

經(jīng)算式的推演可知此條件其實與式(10)相同。

4 轉(zhuǎn)矩相控制策略

轉(zhuǎn)矩的變化能較直觀地反映換擋品質(zhì)的優(yōu)劣，但由于油壓或轉(zhuǎn)矩傳感器的造價高、可靠性差和安裝困難，電控自動變速器一般都用轉(zhuǎn)速信號作為控制器的狀態(tài)變量［8］。而且由于轉(zhuǎn)矩相渦輪軸轉(zhuǎn)速變化很小，考慮到采集和微分誤差，基于轉(zhuǎn)速信號設(shè)計閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性太差［9］。因此根據(jù)理想轉(zhuǎn)矩相的控制目標(biāo)，在轉(zhuǎn)矩相采用開環(huán)模型參考自適應(yīng)控制方法。

理想轉(zhuǎn)矩相控制，待接合離合器在t2和t3時刻傳遞轉(zhuǎn)矩變化率為零，在轉(zhuǎn)矩相期間等斜率上升，考慮實際開環(huán)控制中轉(zhuǎn)矩相較短而且沒有反饋信號，為簡化控制過程，通過設(shè)定兩種不同的斜率構(gòu)造出一個在起始階段tt1和結(jié)束階段tt3變化率α1非常小，轉(zhuǎn)矩相期間tt2斜率α2較大的折線代替理想待接合離合器傳遞轉(zhuǎn)矩曲線，如圖3所示。

因此在轉(zhuǎn)矩相充油接合過程中，須確定的控制參數(shù)包括時間控制參數(shù)tt1、tt2、tt3和控制指令變化斜率控制參數(shù) α1、α2。其中 tt1、tt3和 α1都很小，不會對控制過程造成太大影響?？紤]到換擋沖擊產(chǎn)生的主要原因，轉(zhuǎn)矩相控制指令的初始值和終值才是控制的關(guān)鍵。轉(zhuǎn)矩相初始值屬于快速充油階段的控制結(jié)果，可在快速充油階段通過自適應(yīng)控制對其進行修正［10］;而理想轉(zhuǎn)矩終值在tt2確定的前提下可通過修正轉(zhuǎn)矩相期間的控制指令上升斜率α2得到。

換擋用電磁閥輸入控制指令與輸出油壓phsv之間在其工作區(qū)域內(nèi)可認(rèn)為是線性的，忽略雙邊節(jié)流滑閥到換擋離合器之間的壓力損失，忽略轉(zhuǎn)矩相tt1和tt3時間內(nèi)待接合離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的變化，控制指令τ上升斜率α2的計算式為

式中:ktτ為與變速器特性相關(guān)，從控制電流到離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的線性系數(shù);ctτ為對應(yīng)的常系數(shù)。

考慮轉(zhuǎn)矩相期間渦輪轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)速變化較小，可用轉(zhuǎn)矩相開始時的渦輪軸轉(zhuǎn)矩和等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩來估計轉(zhuǎn)矩相結(jié)束時刻的值，用來計算結(jié)束時的控制目標(biāo)，因此式(13)變?yōu)?/p>

式中:θ1為考慮轉(zhuǎn)矩估計誤差和執(zhí)行機構(gòu)的線性系數(shù);θ2為離合器、電液緩沖閥特性的常系數(shù)。

對于升擋過程中的放油控制，A離合器(此時為待分離離合器)的工作轉(zhuǎn)矩隨著B離合器(此時為待接合離合器)的接合逐漸下降;隨著A離合器的放油，其摩擦轉(zhuǎn)矩也逐漸下降。當(dāng)A離合器傳遞轉(zhuǎn)矩能力不足以傳遞其工作轉(zhuǎn)矩時開始滑摩，逐漸分離。因此，在B充油的同時A放油，但要保證A的摩擦轉(zhuǎn)矩大于其工作轉(zhuǎn)矩，直到A的工作轉(zhuǎn)矩為零或者接近為零時完全放油開始滑摩，換擋進入慣性相。為簡化放油過程，設(shè)定放油下降斜率β1等斜率放油，當(dāng)監(jiān)測到A開始滑摩時，完全放油。

從式(6)可以看出放油的A離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的變化率β2與充油的B離合器的上升斜率成正比:

而放油控制斜率β1的初始值則根據(jù)轉(zhuǎn)矩相初始壓力pa1、初始接合壓力pini和轉(zhuǎn)矩相時間tt計算得到:

式中:kpp為從電磁閥壓力到離合器壓力的線性系數(shù);kτp為從電磁閥控制指令到其壓力的線性系數(shù)。

由于換擋控制系統(tǒng)是一個典型的非線性、時變系統(tǒng)，受多方面因素影響。在制定控制策略的過程中所做的線性假設(shè)也會影響到轉(zhuǎn)矩相的控制結(jié)果，因此針對系統(tǒng)本身和外界環(huán)境的擾動，采用模型參考自適應(yīng)控制，根據(jù)理想控制目標(biāo)，提出參考模型，通過實際控制結(jié)果與參考模型的比較，用性能指標(biāo)的偏差通過非線性反饋的自適應(yīng)機構(gòu)調(diào)節(jié)初始控制參數(shù)，如圖4所示。

5 自適應(yīng)控制器設(shè)計

由式(15)可知，在轉(zhuǎn)矩相期間分離離合器的工作轉(zhuǎn)矩與接合離合器的充油斜率呈線性關(guān)系，而離合器A摩擦轉(zhuǎn)矩的下降是由β1主動控制的。對α2或者β1進行修正均能達到理想的控制目標(biāo)，而由于實際控制中，相比于充油離合器受準(zhǔn)備階段快速充油結(jié)果的影響，放油離合器在轉(zhuǎn)矩相之前處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此選用α2作為待修正控制參數(shù)。

由前述理想轉(zhuǎn)矩相控制目標(biāo)可知，轉(zhuǎn)矩相控制結(jié)束后，保證待分離離合器主被動片速差變化率為零，即等同待接合離合器在轉(zhuǎn)矩相結(jié)束后達到理想轉(zhuǎn)矩，為避免在理想點附近不必要的修正，設(shè)定待分離離合器速差變化率的控制范圍為

轉(zhuǎn)矩相開環(huán)控制進入慣性相后待分離離合器速差變化率滿足:

轉(zhuǎn)矩相控制結(jié)果是式(18)中等號右側(cè)的第2項為零，第3項等于T*B(t3)，從而控制待分離離合器速差變化率為零，降低待分離離合器分離瞬間的換擋沖擊。根據(jù)理想控制目標(biāo)，將控制誤差定義為

通過計算理想目標(biāo)與實際控制的誤差e，不斷調(diào)整修正系數(shù)θ，使被控對象輸出與理想模型的誤差趨于零。根據(jù)待分離離合器速差的變化率定義李雅普諾夫V函數(shù)為

由李雅普諾夫判據(jù)可得待接合離合器控制指令上升斜率α2中的系數(shù)θ的自適應(yīng)修正規(guī)律為

式中 θ =［θ1，θ2］T，將式(14)和式(18)代入可得:

式中ktτ＞0，可得自適應(yīng)調(diào)整規(guī)律為

式中γ1和γ2為正自適應(yīng)增益系數(shù)，代入式(22)得

李雅普諾夫函數(shù)1階導(dǎo)數(shù)恒為負(fù)值，則待分離離合器速差的變化率誤差是漸近穩(wěn)定的，即當(dāng)時間趨于無窮大時，待分離離合器速差變化率趨于理想范圍，轉(zhuǎn)矩相控制達到理想目標(biāo)。

綜上所述可得轉(zhuǎn)矩相的控制流程，見圖5。

根據(jù)理論計算和經(jīng)驗得到轉(zhuǎn)矩相充放油的初始斜率，以α1等斜率充油、以β1等斜率放油tt1時間后，以α2等斜率充油直到監(jiān)測到待分離離合器速差超出正常范圍［-Δωlim，+Δωlim］或經(jīng)過時間tt2后，待分離離合器仍沒有分離，則繼續(xù)以小斜率α1等斜率充油，直到檢測到轉(zhuǎn)矩相結(jié)束，在此期間，放油斜率不變;當(dāng)監(jiān)測到待分離離合器分離后，通過計算待分離離合器速差變化率的斜率與理想變化范圍的誤差來判斷是屬于明顯動力中斷還是掛雙擋的工況，然后根據(jù)前述的自適應(yīng)算法對充油控制指令上升斜率α2進行修正，達到調(diào)整轉(zhuǎn)矩相充放油斜率的目的。

6 實車試驗

以裝在北奔2627K自卸車上的BF6M1015CP發(fā)動機和HD4070PR自動變速器為試驗平臺［11］，進行轉(zhuǎn)矩相控制策略的驗證試驗。

以2擋升3擋為例，轉(zhuǎn)矩相充放油控制的試驗曲線見圖6。圖6(a)中的傳統(tǒng)等斜率轉(zhuǎn)矩相控制，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩相結(jié)束后變速器速比變化率較大，輸出軸轉(zhuǎn)矩在轉(zhuǎn)矩相結(jié)束時降到100N·m左右，動力中斷明顯，且在5.3s時由于輸出軸轉(zhuǎn)矩的換向?qū)е聸_擊度較大;而圖6(b)中新的轉(zhuǎn)矩相控制在類似試驗條件下采用變斜率控制，待接合離合器的油壓變化平穩(wěn)，有效降低了動力中斷的感覺，輸出軸轉(zhuǎn)矩下降程度有所減輕，速比變化也較為平緩。

7 結(jié)論

依據(jù)動力傳動系統(tǒng)和換擋平順性的要求，重點考慮降低轉(zhuǎn)矩相初始和結(jié)束時刻的換擋沖擊，提出液力自動變速器升擋轉(zhuǎn)矩相控制的理想控制目標(biāo)。

考慮電液換擋系統(tǒng)特性，對理想目標(biāo)做了簡化，并提出升擋轉(zhuǎn)矩相的開環(huán)自適應(yīng)控制策略。

基于理想目標(biāo)設(shè)計轉(zhuǎn)矩相模型參考自適應(yīng)控制器，對控制器參數(shù)進行修正，實車試驗驗證了所提出的控制策略可有效降低換擋沖擊，自適應(yīng)算法可以提高控制器的魯棒性。

圖7為控制器參數(shù)α2自適應(yīng)修正試驗對比曲線。可以看出，圖7(a)中由于初始控制參數(shù)偏低，導(dǎo)致待接合離合器充油過慢，在31.25s左右渦輪軸轉(zhuǎn)速急速上升，待分離離合器速差出現(xiàn)大于零的現(xiàn)象，轉(zhuǎn)矩相提前結(jié)束，輸出軸轉(zhuǎn)矩降到零，換擋動力中斷非常明顯。經(jīng)過幾次修正后，如圖7(b)所示，充油離合器指令上升斜率α2有所上升(由于實際電磁閥控制指令工作范圍較窄的原因，斜率的變化不明顯)，而待分離離合器速差變化率在轉(zhuǎn)矩相結(jié)束后也趨于平緩，換擋沖擊得到有效降低。

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