王爾烈，陶 剛，陳 凱，陳慧巖

(1.南京理工大學機械工程學院，南京 210094； 2.北京理工大學機械與車輛學院,北京 100081)

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2015222

自動變速器動力降擋過程控制的研究*

王爾烈1,2，陶 剛2，陳 凱2，陳慧巖2

(1.南京理工大學機械工程學院，南京 210094； 2.北京理工大學機械與車輛學院,北京 100081)

雖然大多數(shù)車輛實際行駛時降擋過程中變速器的正向驅(qū)動轉(zhuǎn)矩很小或為零，但當重型車滿載爬坡時，往往須要進行動力降擋，為此，本文中對重型車動力不中斷降擋控制進行研究。首先，建立動力傳動系統(tǒng)模型，對降擋過程進行動力學分析，提出自動變速器動力降擋過程控制方法；接著，以慣性相時渦輪軸角加速度恒定作為參考模型，制定自適應(yīng)控制策略，以提高控制策略的魯棒性；最后進行滿載爬坡實車試驗。結(jié)果表明，動力降擋過程控制能有效提高換擋品質(zhì)和車輛駕駛性能。

自動變速器；動力降擋；動力學建模；自適應(yīng)控制

前言

自動變速器(automatic transmission, AT)的應(yīng)用能有效提高重型車輛勞動生產(chǎn)效率、降低駕駛員的工作強度，其控制品質(zhì)對于提高整車可靠性、燃油經(jīng)濟性、排放水平、安全性、機動性和舒適性等有重要意義。近年來，AT不僅在結(jié)構(gòu)上獲得巨大進步[1-2]，先進控制技術(shù)如閉環(huán)自適應(yīng)控制[3]、滑?？刂芠4]、最優(yōu)控制[5]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[6]、魯棒控制[7]以及傳動系統(tǒng)協(xié)同控制[8]等也相繼成功應(yīng)用。隨著機、電、液、控技術(shù)以及系統(tǒng)集成和信息聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，AT技術(shù)已經(jīng)取得長足發(fā)展，并繼續(xù)牢牢占據(jù)其在車輛傳動領(lǐng)域的統(tǒng)治地位[1-2,9]。

自動變速控制包括換擋規(guī)律控制和換擋過程控制，換擋規(guī)律是指車輛換擋決策隨控制參數(shù)變化的規(guī)律；換擋過程控制研究的是如何快速平順實現(xiàn)擋位更替。與其他變速器相比，AT的一個顯著優(yōu)勢就是換擋過程動力不中斷，即“動力換擋”。目前，AT換擋過程研究大多集中于動力升擋過程的研究[3-12]，關(guān)于重型車輛動力降擋過程控制的研究則很少。一般情況下，車輛降擋過程油門開度很小或為0，因此正向轉(zhuǎn)矩(發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩至驅(qū)動輪)很小或者沒有正向轉(zhuǎn)矩傳遞，因而很少存在動力性降擋，然而實際上當重型車輛滿載爬坡時，這種情況則較為常見，當車輛驅(qū)動力矩不足以克服所受阻力矩時經(jīng)常需要降擋，此時變速器需保證正向動力傳遞，從而提高車輛行駛過程的動力性和安全性。本文中首先建立搭載行星自動變速器的車輛動力傳動系統(tǒng)模型，在此基礎(chǔ)上進行AT動力降擋過程的動力學分析、研究和控制實踐，最后進行實車試驗驗證。

1 換擋過程系統(tǒng)模型

研究對象為搭載大功率AT的重型車輛，采用大功率全程調(diào)速柴油機作為動力源，試驗自動變速器采用帶閉鎖離合器CL的液力變矩器和行星齒輪變速器串聯(lián)。

為使建模工作順利進行，結(jié)合實際情況，首先作出如下假設(shè)：(1)忽略發(fā)動機和軸的扭振對系統(tǒng)造成的影響；(2)換擋過程中車輛所受阻力矩保持不變；(3)假設(shè)車輪是純滾動；(4)忽略濕式離合器的帶排轉(zhuǎn)矩；(5)將各構(gòu)件都視為剛性慣量；(6)不考慮軸向受力及其影響；(7)忽略潤滑和密封造成的影響；(8)齒輪嚙合無相對滑動、無變形。

基于上述假設(shè)，分別建立車輛傳動系各部件動力學模型。

1.1 發(fā)動機-變矩器模型的匹配

發(fā)動機和變矩器一般采用穩(wěn)態(tài)試驗數(shù)據(jù)進行二者的匹配。其模型描述如下：

(1)

式中：Te，Tp和Tt分別為發(fā)動機、泵輪和渦輪軸轉(zhuǎn)矩；K為變矩器變矩比；i為變矩器變速比；Ie為發(fā)動機-泵輪慣量；α為發(fā)動機油門開度；θe和θt分別為發(fā)動機曲軸和變矩器渦輪軸的角位移。

發(fā)動機和變矩器匹配后形成新的動力源，其特性如圖1所示。

1.2 變速器模型

通常，低擋(直接擋以下)階比較大，換擋過程構(gòu)件角速度和傳遞轉(zhuǎn)矩變化都較大，更易于發(fā)生換擋沖擊，品質(zhì)控制也相對更難。低擋在擋時，C1離合器保持接合，換擋過程中兩個制動器(B1和B2，下面統(tǒng)稱為換擋離合器)交替工作，其中一個分離，另一個接合，因此，變速器結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

變速器動力學模型為

(2)

其中：

式中：λ為行星盤齒圈齒數(shù)與太陽輪齒數(shù)之比，下標P1和P2分別表示行星盤；I為構(gòu)件轉(zhuǎn)動慣量，下標SS，CR，R，C分別表示太陽輪、P1行星架-P2齒圈、P1齒圈、P2行星架；T為轉(zhuǎn)矩，下標B1，B2，Out和In分別表示B1離合器、B2離合器、變速器輸出和輸入；θOut為變速器輸出軸角位移。

變速器輸入轉(zhuǎn)矩TIn為

(3)

式中It為變矩器渦輪及其附件的轉(zhuǎn)動慣量。

1.3 離合器模型

換擋離合器是改變功率傳動路線的工具，離合器傳遞的動摩擦轉(zhuǎn)矩為

(4)

1.4 電磁閥-滑閥模型

換擋液控系統(tǒng)采用高速開關(guān)電磁閥作為先導閥、雙邊節(jié)流滑閥作為后置流量放大裝置，電磁閥由TCU(transmission control unit)的PWM占空比直接控制，換擋過程中可對動作離合器的搭接時序以及調(diào)壓過程進行精確控制。

電磁閥占空比-離合器油壓標定試驗結(jié)果如圖3所示，為便于分析，對油壓進行歸一化處理。

2 降擋過程分析與控制

降擋過程B2離合器充油接合，B1離合器放油分離，下面根據(jù)上述建模對降擋過程進行動力學分析，并據(jù)此進行降擋過程的控制策略設(shè)計。

2.1 原擋在擋

原擋在擋時，C1和B1接合，B2分離，變速器速比為icur。根據(jù)式(2)得出

(5)

(6)

式中：icur和Icur分別為當前擋速比及變速器慣量。

2.2 目標擋在擋

目標擋在擋時，C1和B2接合，B1分離，根據(jù)式(2)得出

(7)

(8)

iobj=1+λP2

式中：iobj和Iobj分別為目標擋速比及變速器慣量。

2.3 降擋慣性相

AT換擋過程一般可分為原擋、轉(zhuǎn)矩相、慣性相和目標擋，轉(zhuǎn)矩相和慣性相的順序與變速器結(jié)構(gòu)、升降擋動作和動力傳遞方向有關(guān)。在該動力降擋過程中，慣性相在前，轉(zhuǎn)矩相在后。

當滿足降擋條件時，TCU發(fā)出換擋指令，變速器首先進入空行程階段，油壓驅(qū)動離合器活塞消除空行程，該階段結(jié)束時充油離合器的摩擦片貼合而沒有摩擦轉(zhuǎn)矩傳遞。此后，變速器進入降擋慣性相控制環(huán)節(jié)。為實現(xiàn)動力降擋，慣性相期間通過控制放油離合器滑摩實現(xiàn)降擋過程速比過渡，即慣性相充油離合器只貼合而不傳遞轉(zhuǎn)矩，通過控制放油離合器分離，其動摩擦轉(zhuǎn)矩不斷減小，當速比更替完成、充油離合器轉(zhuǎn)速趨于同步時，如果此時立即進入轉(zhuǎn)矩搭接控制，輸出轉(zhuǎn)矩將隨著充油離合器摩擦轉(zhuǎn)矩的增大而下降，與此同時，放油離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩則隨之增長，然而，放油離合器須不斷放油直至完成分離，故降擋過程無法實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩連續(xù)搭接，即存在動力中斷。因此，在慣性相后期，須要繼續(xù)控制放油離合器放油滑摩，這時充油離合器主從動片之間的滑摩角速度(因從動片角速度為0，該滑摩角速度即為主動片角速度)變向后絕對值增大，此時慣性相結(jié)束，因其滑摩角速度為負(定義渦輪軸角速度方向為正)，充油離合器傳遞正向動摩擦轉(zhuǎn)矩，隨著充油離合器油壓的增長和放油離合器油壓的繼續(xù)降低，實現(xiàn)兩者之間轉(zhuǎn)矩的交替，從而消除換擋過程動力中斷，當充油離合器轉(zhuǎn)速再次同步時，這時控制放油離合器徹底分離，同時充油離合器迅速接合，轉(zhuǎn)矩相結(jié)束，變速器完成降擋。

慣性相B2不傳遞動力，B1出現(xiàn)滑摩，變速器自由度增加，速比向目標擋過渡，此外，換擋過程車速變化很小，故在此不考慮變速器輸出角速度變化，降擋過程慣性相動力學方程為

(9)

(10)

2.4 降擋轉(zhuǎn)矩相

當速比交替完成后，變速器進入降擋轉(zhuǎn)矩相控制環(huán)節(jié)。為實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩搭接，此時充放油油壓須按一定的關(guān)系消長。轉(zhuǎn)矩相期間，變速器速比變化很小，構(gòu)件角加速度趨于0，動力學方程為

(11)

(12)

轉(zhuǎn)矩相持續(xù)時間較短，其間油門和渦輪軸角速度變化都很小，變速器輸入轉(zhuǎn)矩認為不變，故有

(13)

由式(13)可知，B1離合器傳遞轉(zhuǎn)矩隨B2充油而不斷減小，輸出轉(zhuǎn)矩隨B2充油而不斷增加，從而實現(xiàn)降擋過程動力輸出連續(xù)。

綜上所述，正向動力傳動情況下動力降擋過程分析如圖4所示。圖中貼合點指離合器摩擦片貼合而沒有摩擦轉(zhuǎn)矩傳遞的位置，臨界點是指離合器能傳遞當前轉(zhuǎn)矩所需最小油壓對應(yīng)的位置。將式(1)、式(3)和式(4)代入式(9)～式(13)，結(jié)合電磁閥-滑閥標定結(jié)果，即可根據(jù)充放油離合器傳遞轉(zhuǎn)矩確定電磁閥控制所需初始占空比。

2.5 控制策略

降擋過程各階段離合器充放油油壓初始值根據(jù)上述建模及計算分析結(jié)果確定，其中慣性相渦輪軸角速度按固定斜率變化，故慣性轉(zhuǎn)矩為常量。然而，因工況、ATF溫度的變化以及機械磨損等對換擋過程控制會產(chǎn)生很大干擾，良好的換擋品質(zhì)要求相應(yīng)調(diào)整控制參數(shù)，在此采用自適應(yīng)控制策略，控制器以等斜率變化的渦輪軸角速度曲線作為控制的參考模型。TCU實時監(jiān)測降擋過程中實際渦輪軸角速度的變化，并與EEPROM中存儲的參考模型進行比較，從而調(diào)整電磁閥的調(diào)壓占空比，實現(xiàn)離合器油壓閉環(huán)自適應(yīng)控制。降擋過程分別以分離離合器角速度和接合離合器角速度作為慣性相開始和結(jié)束的判據(jù)。采用離合器角速度作為換擋過程相位判據(jù)，不僅考慮了離合器所受摩擦轉(zhuǎn)矩的影響，還考慮了降擋過程變速器輸入輸出角速度的變化，故能及時對相位切換做出準確判斷，比僅用渦輪軸角速度作為判據(jù)更為合理。離合器角速度根據(jù)變速器輸入、輸出角速度來計算。圖5為離合器自適應(yīng)控制模型，根據(jù)參考模型輸出值與實測值的比較結(jié)果，通過自適應(yīng)計算來調(diào)節(jié)控制器的PWM占空比輸出值，從而完成對受控離合器油壓的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

3 試驗

為驗證動力降擋過程的控制策略，試驗在搭載了全程調(diào)速柴油機和大功率多擋行星液力自動變速器的某重型車輛上進行。由于空載情況下車輛所受阻力矩不大，難以實現(xiàn)動力降擋，因此，試驗時車輛滿載，并在山區(qū)道路進行爬坡。圖6和圖7分別為動力降擋過程控制和傳統(tǒng)動力中斷降擋過程控制試驗結(jié)果。

從圖6看出，為有別于常見的油門開度為零的降擋，降擋過程中保持有一定的油門開度，發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩百分比在32%左右，車輛由原擋依次經(jīng)歷空行程快速充放油、慣性相和轉(zhuǎn)矩相換入目標擋。在空行程階段，放油離合器快速卸除儲備油壓、充油離合器迅速充油消除摩擦副間隙，慣性相放油離合器緩慢泄壓并開始滑摩，渦輪軸角速度上升，此時充油離合器保持貼合但不傳遞轉(zhuǎn)矩，當充油離合器角速度開始反向、渦輪軸角速度出現(xiàn)一定超調(diào)時，進入轉(zhuǎn)矩相固定斜率充放油，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩銜接，當放油離合器完全分離時降擋過程完成，充油離合器快速充油完成鎖止。動力降擋過程變速器輸出軸角速度無明顯波動，表明動力連續(xù)性較好。

從圖7看出，降擋過程發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩百分比保持在22%左右?？招谐探Y(jié)束后，由階段①的油壓曲線可知(充油油壓過低，見圖中扁圓處)，該過程沒有轉(zhuǎn)矩交替，渦輪軸角速度也沒有變化；此后的階段②渦輪軸角速度向目標擋過渡，放油油壓迅速降低而充油油壓沒有及時升高，渦輪軸角速度快速飆升，沒有轉(zhuǎn)矩交替和離合器滑摩控制。該傳統(tǒng)非動力降擋過程既不存在離合器滑摩過渡的“慣性相”，也沒有動力搭接的“轉(zhuǎn)矩相”。換擋過程轉(zhuǎn)矩中斷造成渦輪軸角速度和輸出軸角速度均有較大波動，由于動力中斷時間較長(超過0.2s)，實際駕乘能體驗到明顯的溜車感，為保證行車安全，換擋結(jié)束時駕駛員加大油門開度提高動力輸出以避免溜車事故，換擋過程沖擊度的峰-峰值(4.2g)也明顯大于動力降擋過程沖擊度峰-峰值(3.1g)。

4 結(jié)論

為提高換擋品質(zhì)，改善重型車輛行駛動力性和安全性，提出了自動變速器動力降擋過程控制辦法。建立動力不中斷降擋過程模型，并進行動力學分析，以渦輪軸角速度等斜率變化作為參考模型制定動力降擋過程模型參考自適應(yīng)控制策略。最后進行了實車滿載爬坡試驗，通過動力降擋與傳統(tǒng)非動力降擋試驗結(jié)果對比，驗證了動力降擋過程控制的有效性。

[1] 吳光強,孫賢安.汽車自動變速器發(fā)展綜述[J].同濟大學學報(自然科學版),2010,8(10):1478-1483.

[2] 李春芾,陳慧巖,孫文濤,等.重型車輛液力機械自動變速器綜述[J].汽車工程,2009,31(9):876-881.

[3] Sun Wentao, Chen Huiyan. Research on Control Strategy of Shifting Progress[C]. SAE Paper 2008-01-1684.

[4] Song X, Sun Z. Pressure-Based Clutch Control for Automotive Transmission Using a Sliding-Mode Controller[J]. IEEE/ASME Trans. on Mechatronics,2011,99:1-13.

[5] Haj-Fraj A, Pfeiffer F. Optimal Control of Gear Shift Operations in Automatic Transmissions[J]. J. of the Franklin Institute,2001,338:371-390.

[6] Shin B K, Hahn Jin-Oh, et al. A Supervisor -Based Neural -Adaptive Shift Controller for Automatic Transmissions Considering Throttle Opening and Driving Load[J]. KSME Inter. J.,2000,14(4):418-425.

[7] Kim Deok-Ho, Yang Kyung-Jinn, Hong Keum-Shik, et al. Smooth Shift Control of Automatic Transmission Using a Robust Adaptive Scheme with Intelligent Supervision[J]. International Journal of Vehicle Design,2003,32(3-4):250-272.

[8] 高金武,劉志遠,Zheng Quan.換擋過程中發(fā)動機轉(zhuǎn)矩控制的研究[J].汽車工程,2012,34(8):669-674.

[9] 孫文濤.基于HD4070PR自動變速器換檔過程控制技術(shù)研究[D].北京:北京理工大學,2009.

[10] 趙丁選,崔功杰,李東兵.工程車輛傳動系統(tǒng)的換擋品質(zhì)[J].江蘇大學學報(自然科學版),2008,29(5):386-389.

[11] 馮能蓮,鄭慕僑,馬彪.車輛液力機械傳動系統(tǒng)換擋過程動態(tài)特性仿真[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2001,32(3):15-19.

[12] Gao Bingzhao, Chen Hong, Li Jun, et al. Observer-based Feedback Control During Torque Phase of Clutch-to-clutch Shift Process[J]. International Journal of Vehicle Design,2012,58(1):93-108.

A Research on Power-on Downshift Control for Automatic Transmission

Wang Erlie1,2, Tao Gang2, Chen Kai2& Chen Huiyan2

1.SchoolofMechanicalEngineering,NanjingUniversityofScience&Technology,Nanjing210094;2.SchoolofMechanicalEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081

Though the driving torque of transmission is trivial or even zero in the downshift process of practical driving for majority vehicles, but in the condition of full load hill climbing for heavy-duty vehicles, power-on downshift is often necessary. Accordingly, the downshift control without power interruption for heavy-duty vehicles is studied in this paper. Firstly the model for powertriain system is set up and a control scheme for the power-on downshift process of automatic transmission is proposed based on a dynamics analysis of downshift process. Then with a constant angular acceleration of turbine shaft in the inertia phase of shifting process as reference model, an adaptive control strategy is worked out for enhancing its robustness. Finally a real vehicle hill climbing test with full load is conducted. The results show that power-on downshift control can effectively enhance the shifting quality and driving performance of vehicles.

automatic transmission; power-on downshift; dynamics modeling; adaptive control

*國家863計劃項目(2012AA111713)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目(30915118832)資助。

原稿收到日期為2014年1月13日，修改稿收到日期為2014年4月15日。