苗成生，劉海鷗，趙亦農(nóng)，岳甫營，2，陳慧巖

(1.北京理工大學 車輛傳動國防科技重點實驗室，北京100081;2.上海汽車集團股份有限公司 技術(shù)中心，上海201804)

0 引言

自動機械變速器(AMT)是基于干式離合器和傳統(tǒng)機械變速器的自動變速器，受干式離合器傳遞扭矩特性的影響，起步過程中離合器控制一直是AMT 控制的難點［1-2］。離合器的自動控制需同時滿足乘坐舒適性、接合快速性和低磨損等要求，而這些要求是各不相同甚至是相互沖突、互相矛盾的。為最大限度的達到控制目標，基于模型的離合器控制策略被廣泛應用，如經(jīng)典控制理論、最優(yōu)控制和魯棒控制［3-6］等。

在干式離合器控制方面雖已開展了大量的研究工作，但是仍存在一些問題值得進一步研究，如局部可觀條件下控制參量的選取、控制參量閾值的確定、控制效果評價的微觀分析等。

本文以某AMT 重型越野車輛為研究平臺，通過離合器動力學分析及控制參量的選取，設(shè)計了起步過程基于離合器接合速度的分段控制策略，設(shè)計了分段控制模型，并利用試驗數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計獲得分段控制的主要參數(shù)閾值。平路實車試驗結(jié)果表明，該分段最優(yōu)控制可在滿足滑摩狀態(tài)要求的前提下，實現(xiàn)平穩(wěn)快捷的起步控制品質(zhì)，為后續(xù)開展適應全工況的優(yōu)化控制奠定了基礎(chǔ)。

1 車輛起步過程分析

1.1 起步過程動力學模型

起步過程中，由于離合器開始接合前已完成掛擋操作，可認為變速器至車輪間的傳動系部分具有固定的動力學特性。在相關(guān)假設(shè)的前提下［7-8］，按照動力傳遞關(guān)系和力學分析中取自由體的方法，可將動力傳動系簡化為兩個自由體:發(fā)動機動力輸出至離合器主動部分、離合器從動部分至驅(qū)動輪。建立簡化的動力學模型如圖1所示。

圖1 動力傳動系的簡化模型Fig.1 Simplified model of drive system

圖1中:Me、Mc、Mw分別為發(fā)動機扭矩、離合器傳遞扭矩和驅(qū)動輪受到的阻力矩(N·m);ωe、ωc、ωw分別為曲軸角速度、離合器從動盤角速度、車輪角速度(rad/s);Ie和IT分別為發(fā)動機飛輪、曲軸以及離合器主動部分等部件換算到曲軸上的轉(zhuǎn)動慣量和離合器從動部分、變速系統(tǒng)以及整車等效到變速器輸入軸上的轉(zhuǎn)動慣量(kg·m2);ig為變速器的傳動比;i0為主減速器及輪邊減速器速比之積。

該動力傳動系模型可表示為

式中:Ie取值3.40 kg·m2;IT取值2.33 kg·m2;i0取值4.54;η 取值0.79.

由(1)式可知，在油門、擋位、路況等因素確定的情況下，合理控制離合器傳遞扭矩變化即可實現(xiàn)對從動盤轉(zhuǎn)速的有效控制。離合器工作過程傳遞扭矩的通用表達式為

式中:μ 為摩擦系數(shù);F 為壓盤施加在摩擦片上的壓緊力大小(N);lc為離合器行程(mm);Rc為摩擦片的有效摩擦半徑;Z 為摩擦面數(shù)。

由(2)式可知，控制離合器傳遞扭矩變化的直接途徑是控制lc的變化率，即離合器的接合速度。

1.2 起步過程評價指標

主要從平穩(wěn)性和快捷性兩方面評價起步過程。

1.2.1 平穩(wěn)性評價

以沖擊度作為平穩(wěn)性的評價指標。沖擊度是車輛縱向加速度的變化率，影響車輛的乘坐舒適性和傳動系構(gòu)件的使用壽命［8］。在實際應用中，對沖擊度的直接測量是較為困難的，一般采取間接測量方法，其中基于轉(zhuǎn)速的間接測量法已得到廣泛應用。在試車過程中，通過隨車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集變速器輸出軸轉(zhuǎn)速no，進一步對no二階求導獲得沖擊度的數(shù)據(jù)，用來評價起步過程的品質(zhì)，使用這種方法進行沖擊度計算的公式為

式中:r 為車輪半徑。

不考慮常量系數(shù)部分，取無量綱的參考量作為當量沖擊度來表征起步過程的沖擊大小，通過兩次差分求導的方法計算當量沖擊度數(shù)值jd，即

式中:n2(k)為第k 采樣點的變速器輸出軸轉(zhuǎn)速值，試驗中轉(zhuǎn)速采樣周期為10 ms. 當量沖擊度本身為無量綱參數(shù)，為合理控制其數(shù)值范圍，取Δt=1 s.

通過試驗總結(jié)，并結(jié)合經(jīng)驗駕駛員的主觀評價，當量沖擊度jd對應的平穩(wěn)性控制效果主要分為4 個等級，如表1所示。

表1 平穩(wěn)性評價等級Tab.1 Evaluation level of smoothness

1.2.2 快捷性評價

以起步時間和滑轉(zhuǎn)圈數(shù)作為快捷性的評價指標。

1)起步時間。以起步時間ts作為快捷性評價的主要參數(shù)。依據(jù)重型越野車輛的自身特點，將快捷性分為4 個等級，如表2所示。

表2 快捷性評價等級Tab.2 Evaluation level of quickness

為進一步細化起步過程的快捷性和滑摩狀況，將起步接合過程分成車輛靜止階段和車輛起步—加速階段，兩部分的分界點即為車輛開始運動的時刻。車輛靜止階段又可稱為起步等待階段，該階段的持續(xù)時間以tw表示。tw在一定程度上可以反映車輛的起步響應特性，它是駕駛員比較關(guān)注且容易感知的參數(shù)，也是影響快捷性主觀評價結(jié)果的重要因素。tw值越小，起步等待時間越短，起步響應特性越好。本文將基于該參數(shù)的快捷性評價結(jié)果分為4 種情況，如表3所示。

2)滑轉(zhuǎn)圈數(shù)。以離合器主、從動片相對滑轉(zhuǎn)圈數(shù)S 作為滑摩狀態(tài)的評價參考量。S 指車輛起步過程，離合器主、從片相對滑轉(zhuǎn)的圈數(shù)(r). S 與起步過程的轉(zhuǎn)速控制有關(guān)，對于同型號的試驗車輛，當油門保持一致時，該值大小可反映起步過程的離合器滑摩狀況。為方便計算，離合器同步的條件設(shè)定為主、從動片轉(zhuǎn)速差小于50 r/min. 當轉(zhuǎn)速采樣周期為10 ms 時，S 可用(5)式估算:

表3 起步響應性評價等級Tab.3 Evaluation level of launch response

式中:k1和k2分別為車輛起步時刻和離合器同步時刻對應的采樣點序號;ne(i)和nc(i)分別為發(fā)動機轉(zhuǎn)速和離合器轉(zhuǎn)速。

以基于相對滑轉(zhuǎn)圈數(shù)的起步滑摩狀況評價，前提條件限定為:起步過程不踩油門，怠速(600 r/min)起步。具體等級劃分如表4所示。

表4 滑摩特性評價方法Tab.4 Evaluation of sliding friction characteristics

2 起步分段控制策略

2.1 控制參考量選取

控制參考量是指導控制程序合理運行的參考變量，是合理控制策略的必備要素。選取時應遵循方便獲取、穩(wěn)定可靠、實時性等原則，為此本文選取轉(zhuǎn)速信號、位移信號及其衍生信號為控制參考量。

李鎮(zhèn)西老師說：“讓人們因我的存在而感到幸福?！睂W生及家長群里均是一致為此次自評與他評的活動點贊，有些學生還說，看了統(tǒng)計數(shù)據(jù)，后悔自己當初寫得還不夠用心，字太丑。因為是寒假，不少學生都表示這個是比紅包還讓人開心的新年禮物，而且很有紀念意義，特別是某些同學還很用心地畫了素描或漫畫肖像，溫暖而貼心。不少家長說，原來自己的兒女在同學、朋友中為人處世還蠻多優(yōu)點，自己平時真的難有機會發(fā)現(xiàn)，感謝老師、同學們的用心。讓學生及其家長看了那些用心的自評與他評而感動快樂，我也感受到了班級的幸福指數(shù)直線上升，新年里班級Q群中氛圍輕松愉悅。

2.1.1 轉(zhuǎn)速信號相關(guān)控制參考量

轉(zhuǎn)速信號及其衍生信號見表5所示。轉(zhuǎn)速信號相關(guān)參考量能較好地反映離合器接合過程相關(guān)部件的本質(zhì)特性，同時不受路況環(huán)境以及離合器磨損等因素的影響。

2.1.2 離合器接合位置信號相關(guān)控制參考量

離合器接合位置信號反映了離合器接合程度以及摩擦片承受壓緊力的大小，對于分析離合器傳遞扭矩變化有重要的參考價值。車輛起步的離合器預設(shè)半接合點［7］是由離合器位置信號表征的。同時，對行程差分求導得到的接合速度可以實現(xiàn)整個系統(tǒng)的閉環(huán)反饋控制。

表5 轉(zhuǎn)速信號及其衍生信號Tab.5 Speed signals and its derivative signals

2.1.3 其他輔助控制參考量

油門信號能體現(xiàn)駕駛員的駕駛意圖，油門信號和發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號可用來反映發(fā)動機的負荷狀態(tài)［9］。

離合器接合時間用作控制參考量，不僅能在一定程度上反映滑摩狀態(tài)，更重要的是，能在分段控制中作為約束條件，避免控制超時引起離合器損壞等現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2 離合器接合控制階段分析

本文在傳統(tǒng)的“快—慢—快”3 段式控制方法的基礎(chǔ)上［8-10］，將其進一步細化為7 個控制階段，實現(xiàn)對離合器起步過程的精確控制，如圖2所示。

圖2 離合器接合階段劃分Fig.2 Engaging stage division of clutch

從圖2可以看出，本文所劃分的7 個階段具體為:無扭矩傳遞階段(AC，階段Ⅰ和Ⅱ)、滑摩初始階段(CD，階段Ⅲ)、滑摩后半階段(DG，階段Ⅳ、V、Ⅵ)和同步后扭矩儲備階段(階段Ⅶ)。各個階段的控制參考量、約束條件和控制目標見表6所示。

2.3 起步分段控制策略

表6 離合器分段控制內(nèi)容Tab.6 Segmented control contents of clutch

圖3 階段Ⅳ離合器控制框圖Fig.3 Control block diagram of clutch at phase Ⅳ

圖3中:X4代表車輛的預設(shè)邊界值;Δnc為差分求導所得等效加速度，表征了車輛的加速能力。

2.3.1 基于接合速度控制方式的閉環(huán)反饋控制

通過控制參考量的利用，控制目標和約束條件的設(shè)定，實現(xiàn)對起步過程的閉環(huán)反饋控制［11-12］。圖4所示為離合器分段控制的基本原理。

圖4 離合器分段控制原理Fig.4 Subsection control principle of clutch

離合器接合過程中，當滿足某階段約束條件時，離合器接合進入該控制階段，控制程序依據(jù)該控制階段的特點設(shè)定相應的理想控制目標，繼而通過調(diào)用相關(guān)控制參數(shù)獲得理想接合速度。同時，實時控制效果信息反饋回自動變速箱控制單元，一方面監(jiān)測該接合階段是否完成，即接合程度是否已超出約束條件;另一方面，通過對比實際控制效果與理想控制效果的差別，適當調(diào)整接合速度，以實現(xiàn)實時修正控制，使控制效果趨于理想控制目標。

2.3.2 控制策略中的經(jīng)驗規(guī)律部分

離合器自動控制規(guī)律用來模擬經(jīng)驗駕駛員，主要依靠經(jīng)驗規(guī)律獲取相關(guān)經(jīng)驗值。各階段理想接合速度的設(shè)定將直接影響起步控制效果。經(jīng)驗數(shù)值主要來源于人工駕駛規(guī)律的采集試驗，并經(jīng)受了大量里程試驗的考核，具備較高的可靠性和準確度。

3 離合器分段控制模型

3.1 控制模型的建立

以離合器分段控制策略為理論基礎(chǔ)，結(jié)合離合器操縱系統(tǒng)特性［9］，通過相關(guān)數(shù)據(jù)分析處理及試驗驗證工作，建立了基于離合器接合速度的起步分段控制模型，如圖5所示。

圖5 分段控制建模Fig.5 Model of subsection control

分段控制建模綜合了大量的理論分析、數(shù)理統(tǒng)計以及試驗修正等研究工作。其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括:

1)理想接合速度的設(shè)定。理想接合速度是為控制策略服務并能充分實現(xiàn)控制意圖。從實際應用考慮，相鄰兩階段理想接合速度差值不能過大，某階段理想接合速度的設(shè)定要充分考慮前一階段接合速度對本階段的影響、本階段接合速度對下一階段的影響，盡量減小因接合速度調(diào)節(jié)帶來的控制效果不確定性，提高系統(tǒng)的可控性，進而改善控制效果。

接合速度經(jīng)驗值是由大量實車數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)理統(tǒng)計分析后得到的，它代表了離合器經(jīng)驗操縱規(guī)律，是設(shè)定理想接合速度時的重要參考。

2)接合速度閾值設(shè)定?？紤]實際控制系統(tǒng)波動特性問題，控制模型必須將合理的控制效果偏差考慮在內(nèi)。接合速度閾值接合速度所允許的波動范圍，是控制模型的重要組成部分。合理的閾值是保證控制模型精度和實用性的重要因素，設(shè)定的基本原則為:本階段理想接合速度越大，閾值越大;前一階段接合速度越大，本階段閾值相應也越大。

3.2 各階段接合速度及閾值的設(shè)定

3.2.1 理想接合速度設(shè)定

理想接合速度的設(shè)定方法可用圖6表示。

圖6 理想接合速度設(shè)定方法Fig.6 Ideal engaging speed setting method

模型中共有5 個控制階段需要設(shè)定接合速度(階段Ⅰ和Ⅶ以機構(gòu)運行的最大接合速度接合即可)。從AMT 試驗數(shù)據(jù)庫［7］的大量起步數(shù)據(jù)中提取出了150 組起步效果良好的樣本數(shù)據(jù)，對各階段的平均接合速度進行計算，圖7所示為數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果。

圖7 離合器接合速度分布Fig.7 Distribution of clutch engaging speed

圖7中，橫軸序號Ⅰ～Ⅴ分別對應5 個控制階段;縱軸對應平均接合速度，該數(shù)值是無量綱的當量值。圖中每個數(shù)據(jù)點代表了某組起步數(shù)據(jù)中對應控制階段的平均接合速度，即每個橫軸序號均對應了約150 個數(shù)據(jù)點(某些數(shù)據(jù)點因速度相同而重合)。

為避免少數(shù)大值數(shù)據(jù)對數(shù)理統(tǒng)計帶來的較大影響，將統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行篩選，得到如圖紅線所示統(tǒng)計結(jié)果。紅色點連線的5 個點為對應各階段加權(quán)處理后的接合速度經(jīng)驗值，其中加權(quán)值主要取決于起步路面狀況。實車數(shù)據(jù)中主要包含了3 種起步路面:硬土路面、水泥路面、松軟土路面，考慮到該越野車的使用特點以及起步路面的使用頻率等因素，硬土路面接合速度加權(quán)值為0.5，其他兩種路面下接合速度加權(quán)值為0.25. 綜上所述，某階段的接合速度經(jīng)驗值計算公式為

式中:m1、m2、m3分別為3 種路面上的起步數(shù)據(jù)個數(shù);v1-i、v2-i、v3-i分別為3 種路面上起步數(shù)據(jù)中對應階段的接合速度值。最終確定各個階段的理想接合速度如表7所示。

表7 模型參數(shù)設(shè)置Tab.7 Model parameters setting

3.2.2 接合速度閾值設(shè)定

閾值設(shè)定主要考慮離合器接合控制中允許的速度誤差，同時必須結(jié)合系統(tǒng)本身的特性波動。最終，基于上述設(shè)定方法及臺架試驗驗證，所設(shè)置的模型參數(shù)如表7所示。同時，表7還給出了各個階段的約束條件。

4 實車試驗結(jié)果及分析

根據(jù)上述基于接合速度的控制方法，控制車輛在平直路面進行起步試驗，并從平穩(wěn)性和快捷性兩方面對控制效果進行分析。

4.1 實車試驗平臺

試驗車輛為某重型越野車輛，該車配備電控液動AMT 系統(tǒng)，其主要參數(shù)如表8所示。

表8 AMT 重型越野車輛主要參數(shù)Tab.8 Main parameters of AMT vehicle

其中，離合器自動操縱系統(tǒng)采用電控液動式，如圖8所示，比例流量閥具有流量隨電流變化的特性［7］，其工作電流的調(diào)節(jié)采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制方式，輸出0 ～2 A 之間的目標電流值。

圖8 離合器自動操縱系統(tǒng)原理圖Fig.8 Schematic diagram of clutch automatic control system

4.2 試驗結(jié)果及分析

將所設(shè)計的分段控制策略用于上述AMT 重型越野車輛，并進行了實車平路起步試驗。某次試驗結(jié)果如圖9所示。計算獲得相關(guān)參考量數(shù)值，如表9所示。

另外，本文還進行了不同油門開度α 下的車輛起步試驗，結(jié)果如圖10 所示。由圖10 起步效果對比圖可以看出，隨油門增大，起步過程中，離合器進入慢接合控制時對應的接合深度越深，雖然沖擊有增大的趨勢，但可以看出車輛加速度也有增大的趨勢，即動力性有不斷提高的趨勢，而且車輛的沖擊情況仍能滿足使用要求。起步時間上，小油門為3. 3 s，中等油門和大油門下約為2. 5 s.

圖9 起步過程實車數(shù)據(jù)Fig.9 The starting process data

表9 某起步過程控制效果相關(guān)參數(shù)Tab.9 Relevant parameters of a launch process

5 結(jié)論

以某AMT 重型越野車輛為對象，進行了起步過程離合器接合控制的理論分析和試驗研究工作。通過對離合器接合過程的建模分析，制定了離合器起步分段控制策略，以離合器分段控制策略為基礎(chǔ)，考慮實際應用系統(tǒng)的特點，基于試驗數(shù)據(jù)庫，建立了基于離合器接合速度的起過程分段控制模型。進行了平直公路條件的實車起步試驗，驗證了所提出的基于接合速度的控制策略的正確性，并達到了良好的起步效果。相比其他復雜的離合器接合控制算法，該方法簡單，并可直接應用于實車控制中，具有很好的工程應用價值。

圖10 不同起步油門下離合器控制效果Fig.10 Control results under different throttle opening

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