李春芾，陳慧巖

（1.內(nèi)蒙古大學(xué)交通學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010070；2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100081）

換擋過程兩換擋執(zhí)行元件充放油交替方法研究

李春芾1，陳慧巖2

（1.內(nèi)蒙古大學(xué)交通學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010070；2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100081）

液力機(jī)械自動(dòng)變速器（AT）換擋過程中兩個(gè)換擋執(zhí)行元件充放油交替過程時(shí)序不當(dāng)會(huì)造成動(dòng)力中斷或重疊過多（俗稱“掛雙擋），并引起功率損失、換擋沖擊及加劇換擋執(zhí)行元件磨損。以艾里森大功率自動(dòng)變速器（HD4070PR自動(dòng)變速器）為研究對(duì)象，利用拉格朗日方程建立換擋過程的動(dòng)力學(xué)方程，依據(jù)所建立的方程分析升降擋過程中兩換擋執(zhí)行元件充放油交替方法，并通過自行開發(fā)的電控系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：對(duì)于升擋過程通過合理的動(dòng)力搭接既可以實(shí)現(xiàn)無動(dòng)力中斷換擋，又可以減小換擋沖擊；對(duì)于降擋過程不可避免出現(xiàn)動(dòng)力中斷，只能盡可能地降低動(dòng)力損失。

控制科學(xué)與技術(shù)；液力機(jī)械自動(dòng)變速器；換擋執(zhí)行元件；交替定時(shí)方法

0　引言

液力機(jī)械自動(dòng)變速器換擋過程控制關(guān)系到換擋品質(zhì)以及離合器或制動(dòng)器的使用壽命，關(guān)鍵在于，一是離合器油壓的緩沖控制，二是兩換擋執(zhí)行元件充放油的交替方法（動(dòng)力搭接原則）。兩換擋執(zhí)行元件充放油的交替過程實(shí)質(zhì)就是兩換擋執(zhí)行元件動(dòng)力搭接的過程。如果搭接不當(dāng)，則會(huì)出現(xiàn)動(dòng)力中斷或換擋沖擊［1］。關(guān)于離合器油壓緩沖控制技術(shù)已有大量的研究，但對(duì)換擋過程兩換擋執(zhí)行元件充放油交替方法的研究還比較少見，特別對(duì)降擋過程的分析尤其少見。本文利用拉格朗日方程建立換擋過程的動(dòng)力學(xué)方程，通過所建立的方程來分析升擋和降擋過程理想的交替方法，即由轉(zhuǎn)矩相向慣性相過渡的理想搭接原則，并通過實(shí)車試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1　換擋過程動(dòng)力學(xué)方程

圖1為HD4070PR自動(dòng)變速器2擋升3擋的動(dòng)力學(xué)模型，圖中C代表離合器，B代表制動(dòng)器。2擋工作的元件有C1、B3，3擋工作的換擋元件有C1、B2，那么2擋和3擋之間升降擋時(shí)，實(shí)際上就是B2和B3之間的交替工作。下面依據(jù)所建立的模型推導(dǎo)換擋過程動(dòng)力學(xué)方程。

圖1中，Me、Mt、Mo分別為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、渦輪轉(zhuǎn)矩、變速器輸出軸輸出的轉(zhuǎn)矩，Je、Jt、Jo、JV分別為發(fā)動(dòng)機(jī)-泵輪構(gòu)件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、渦輪-輸入軸-離合器（C1、C2）主動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、整個(gè)車輛與輸出軸相聯(lián)的慣量換算到輸出軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ωe、ωt、ωo分別為發(fā)動(dòng)機(jī)角速度、渦輪軸角速度、輸出軸角速度。

圖1　HD4070PR自動(dòng)變速器2擋升3擋動(dòng)力學(xué)模型Fig.1 Dynamic model of 2nd gear to 3rd gear up-shift for HD4070PR transmission

以渦輪-變速器為隔離體建立方程。

通常的換擋過程分析是將其分為原擋、原擋轉(zhuǎn)矩相、慣性相、新?lián)醯?個(gè)階段［2-6］，并分別通過建立各階段不同條件下各元件的運(yùn)動(dòng)微分方程來描述換擋過程。在仿真研究與換擋過程的控制中，該方法不能方便、準(zhǔn)確地描述車輛的動(dòng)態(tài)換擋過程［7-8］。本文利用拉格朗日方程，以HD4070PR變速器2擋、3擋之間換擋過程的動(dòng)力學(xué)模型為例，建立反映行星齒輪變速器換擋過程的力學(xué)輸入與輸出之間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系的動(dòng)力學(xué)方程。

由單行星排的運(yùn)動(dòng)方程可以推導(dǎo)出2擋升3擋過程中有

式中：φB2、φB3分別為P2行星排和P3行星排齒圈的轉(zhuǎn)角；φX2、φX3分別為P2行星排和P3行星排行星齒輪的轉(zhuǎn)角；φt、φo分別為渦輪軸轉(zhuǎn)角和輸出軸轉(zhuǎn)角；k2、k3分別為P2行星排和P3行星排的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

由（1）式可知，行星排齒圈轉(zhuǎn)速、行星齒輪轉(zhuǎn)速可以分別用變速器輸入軸和輸出軸轉(zhuǎn)速表示。則有

1）系統(tǒng)動(dòng)能

式中：Jt為與輸入軸相聯(lián)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Jo為輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（包括與之相聯(lián)的行星排元件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）；Jq2為P2行星排齒圈及P1行星排行星架轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Jq3為P3行星排齒圈和P2行星排行星架轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；∑JX2為P2行星排行星齒輪總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；∑JX3為P3行星排行星齒輪總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

2）計(jì)算廣義力

式中：∑δW為系統(tǒng)總虛功；Qφt為輸入廣義力；Qφo為輸出廣義力；MB2為制動(dòng)器B2制動(dòng)力矩；MB3為制動(dòng)器B3制動(dòng)力矩。

3）動(dòng)力學(xué)方程

式中：

（4）式反映了換擋過程中變速器各運(yùn)動(dòng)件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系，適用于換擋過程的分析。

2　兩換擋執(zhí)行元件充放油交替方法分析

HD4070PR自動(dòng)變速器為3自由度變速器，在換擋過程其中一個(gè)換擋執(zhí)行元件處于結(jié)合狀態(tài)不變，只需分離一個(gè)執(zhí)行元件和接合一個(gè)執(zhí)行元件。若換擋過程兩個(gè)換擋執(zhí)行元件交替工作時(shí)序不當(dāng)會(huì)造成動(dòng)力中斷或接合重疊過多，會(huì)引起功率損失或換擋沖擊及加劇換擋執(zhí)行元件磨損。為了獲得較理想的充放油交替過程，有必要對(duì)升擋過程和降擋過程中行星排各元件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系和轉(zhuǎn)矩關(guān)系進(jìn)行分析，以確定換擋執(zhí)行元件充放油的理想交替方法，為換擋過程控制提供依據(jù)。

2.1升擋過程兩換擋執(zhí)行元件充放油交替方法分析

在2擋升3擋過程中，B3制動(dòng)器放油，B2制動(dòng)器充油。為了方便分析，將變速器2擋升3擋的傳動(dòng)簡(jiǎn)圖進(jìn)行進(jìn)一步簡(jiǎn)化，如圖2所示。

2擋升3擋開始后，B3制動(dòng)器放油，B2制動(dòng)器開始充油，由圖2可知P2行星排齒圈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)（從左向右看），因此P2行星排齒圈受到B2制動(dòng)器的制動(dòng)力矩MB2為順時(shí)針。同樣可分析出P3行星排齒圈所受B3的制動(dòng)力矩MB3在換擋開始時(shí)也為順時(shí)針。這就說明在換擋初期由兩個(gè)制動(dòng)器共同提供摩擦力驅(qū)動(dòng)車輛。還可以分析出MB3會(huì)隨著MB2的增加而自然減小（特別注意MB3仍為靜摩擦力，其大小由外力而非油壓決定），直到MB3減小到0（B3的最大靜摩擦可能不為0），此時(shí)B2仍為滑摩狀態(tài)，這一階段沒有傳動(dòng)比的變化，只有轉(zhuǎn)矩的重新分配，被稱為轉(zhuǎn)矩相。隨著MB2增加及MB3減小，P3行星排齒圈開始作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，開始出現(xiàn)傳動(dòng)比的變化，慣性力的作用增加，開始進(jìn)入慣性相，直到換擋完成。以上分析的是一個(gè)正常的工作過程，但如果兩個(gè)制動(dòng)器充放油不當(dāng)，可能出現(xiàn)動(dòng)力中斷，或出現(xiàn)兩制動(dòng)器重疊工作過多。例如，B3制動(dòng)器放油過快，而B2制動(dòng)器充油又過慢，會(huì)使P3行星排的齒圈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)而造成輸出軸轉(zhuǎn)矩下降，這就要求B3制動(dòng)器的油壓降至一個(gè)安全的值（足以驅(qū)動(dòng)車輛行駛而不打滑），同時(shí)B2制動(dòng)器充油（但仍然保持打滑狀態(tài)），直到MB3降為0（注意此時(shí)油壓可能不為0），理論上此時(shí)B3應(yīng)完成放油，自然過渡到慣性相，然后對(duì)B2制動(dòng)器進(jìn)一步進(jìn)行閉環(huán)緩沖充油控制，最終完成2擋升3擋。由（4）式可知

在轉(zhuǎn)矩相，隨MB2的增加，轉(zhuǎn)矩在兩行星排之間自動(dòng)分配。而輸入的轉(zhuǎn)矩Mt由于傳動(dòng)比沒有變化，可以認(rèn)為變化很小，由（5）式可知

式中：C為常數(shù)。則

（7）式反映了轉(zhuǎn)矩相期間MB3隨MB2變化的關(guān)系（也就是說此時(shí)MB3的值由MB2決定），因此，在兩制動(dòng)器交替工作時(shí)，B3制動(dòng)器的油壓保證不使其打滑即可，只要注意B2制動(dòng)器油壓的適當(dāng)控制，沖擊度就會(huì)很小。理想情況下，在MB3減小為0時(shí)，應(yīng)及時(shí)完成放油。如果B3制動(dòng)器放油過快，會(huì)造成動(dòng)力損失過多，如果B3制動(dòng)器放油過慢（在轉(zhuǎn)矩相結(jié)束時(shí)仍有油壓），MB3將變?yōu)樽枇兀瑫?huì)造成功率損失增加或引起換擋沖擊。在實(shí)際控制時(shí)因無法監(jiān)測(cè)MB3的大小，因此可以通過渦輪轉(zhuǎn)速的變化來判斷B3制動(dòng)器完全放油的時(shí)機(jī)，當(dāng)檢測(cè)到渦輪轉(zhuǎn)速的下降，應(yīng)及時(shí)控制完成放油。

在轉(zhuǎn)矩相結(jié)束時(shí)，如果B3制動(dòng)器仍保持很高的結(jié)合壓力，而B2制動(dòng)器結(jié)合又過快，將會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的“掛雙擋”情況，會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊甚至損壞變速器，要避免出現(xiàn)此種情況。

由（4）式可以得出

在轉(zhuǎn)矩相可以認(rèn)為Mt為定值，由（8）式可知，在轉(zhuǎn)矩相輸出軸轉(zhuǎn)矩Mo是隨MB2的增加而下降的（o變化較小，近似認(rèn)為是常數(shù)），假設(shè)在轉(zhuǎn)矩相結(jié)束時(shí)B3制動(dòng)器完全分離，即MB3=0，并注意在轉(zhuǎn)矩相開始時(shí)MB2=0，則由（4）式可得到，在轉(zhuǎn)矩相結(jié)束時(shí)輸出軸轉(zhuǎn)矩下降量為

如果在轉(zhuǎn)矩相結(jié)束后B3制動(dòng)器處于滑摩狀態(tài)而產(chǎn)生了阻力矩，輸出軸轉(zhuǎn)矩還會(huì)進(jìn)一步下降。在慣性相開始時(shí)如果沒有完成放油，則MB3＜0，隨著B3的快速放油，由（4）式可知輸出軸轉(zhuǎn)矩Mo會(huì)有一個(gè)快速的上升，當(dāng)MB3=0時(shí)有

由（10）式可知，在慣性相輸出軸轉(zhuǎn)矩會(huì)隨MB2的增加而增加。由（4）式可得出在慣性相有

以上升擋過程的分析可表示為圖3，圖中nt表示渦輪轉(zhuǎn)速，pB2和pB3分別表示B2和B3制動(dòng)器的油壓。

圖3　升擋過程中各參數(shù)變化圖Fig.3 The variation of parameters during upshift

2.2降擋過程兩換擋執(zhí)行元件充放油交替方法分析

換擋過程按變速器輸入轉(zhuǎn)矩大小可分為動(dòng)力換擋和非動(dòng)力換擋兩種。動(dòng)力換擋就是發(fā)動(dòng)機(jī)處于正常的驅(qū)動(dòng)車輛的工況，變速器有較大的轉(zhuǎn)矩輸入。非動(dòng)力換擋一般指在松開加速踏板，車速快速下降，這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎沒有動(dòng)力輸出，變速器輸入轉(zhuǎn)矩很小。由（4）式得

由圖2分析可知，3擋時(shí)B3制動(dòng)器從動(dòng)部分順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，在降擋開始時(shí)若B3制動(dòng)器充油，則MB3為負(fù)值（逆時(shí)針），而完成降擋后MB3變?yōu)檎担槙r(shí)針），也就是說MB3有由負(fù)變正的過程。再由（12）式可知，當(dāng)MB2減小和MB3絕對(duì)值由0增加時(shí)，不論如何控制，輸出軸轉(zhuǎn)矩Mo都會(huì)降得很低（只有部分慣性力矩），即總會(huì)發(fā)生動(dòng)力中斷，因此無法實(shí)現(xiàn)通過B2制動(dòng)器與B3制動(dòng)器的動(dòng)力搭接來防止動(dòng)力中斷。只能先將B2制動(dòng)器快速放油解除動(dòng)力傳遞，緊接著再通過B3制動(dòng)器的充油緩沖來恢復(fù)動(dòng)力完成降擋。通過合理的控制可使動(dòng)力降擋過程的動(dòng)力中斷時(shí)間達(dá)到盡可能小。圖4為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)工況降擋過程中各參數(shù)變化圖。

圖4　動(dòng)力驅(qū)動(dòng)工況降擋過程中各參數(shù)變化圖Fig.4 The variation of parameters during downshift under the power driving condition

圖5　升擋過程兩換擋執(zhí)行元件充放油交替不當(dāng)試驗(yàn)曲線Fig.5 Test curves for improper timing method of two shifting actuators filling and draining hydraulic oil during shifting

3　試驗(yàn)研究

針對(duì)以上分析的升降擋過程的兩換擋執(zhí)行元件充放油的交替方法，進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證，圖5為升擋過程兩換擋執(zhí)行元件充放油交替不當(dāng)試驗(yàn)曲線。圖中no表示輸出軸轉(zhuǎn)速，i3代表3擋傳動(dòng)比，S2表示控制B2制動(dòng)器的電磁閥，S3表示控制B3制動(dòng)器的電磁閥。圖5（a）為一組充放油交替（重疊）時(shí)間過多的試驗(yàn)曲線，試驗(yàn)中有意使放油元件（制動(dòng)器B3）保持較高的壓力且放油速度較慢，充油元件（制動(dòng)器B2）壓力等斜率增長(zhǎng)，隨著壓力的增長(zhǎng)，制動(dòng)器B2傳遞的轉(zhuǎn)矩不斷增加，此時(shí)轉(zhuǎn)矩在B2和B3之間進(jìn)行分配。由前面的理論分析可知，B3傳遞的轉(zhuǎn)矩會(huì)隨著B2傳遞的轉(zhuǎn)矩的增加而自然減小，其大小由外力而非油壓決定，這一點(diǎn)從圖5（a）中可以看出，在轉(zhuǎn)矩相階段，隨著B2制動(dòng)器壓力的增長(zhǎng)渦輪轉(zhuǎn)速幾乎不變且沖擊度一直保持較小，這說明B3制動(dòng)器傳遞的轉(zhuǎn)矩隨著B2制動(dòng)器壓力的變化而變化，證明了理論分析的正確性。當(dāng)檢測(cè)到渦輪轉(zhuǎn)速下降即進(jìn)入慣性相之后，由于此時(shí)B3制動(dòng)器油壓較高來不及降低到0，由前面的理論分析可知其摩擦轉(zhuǎn)矩會(huì)變成了較大的阻力矩，使輸出軸轉(zhuǎn)矩下降較多，隨著B3制動(dòng)器的快速放油輸出軸會(huì)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，從而會(huì)產(chǎn)生較大的換擋沖擊。圖5（b）為一組充放油交替時(shí)間不足的試驗(yàn)曲線，由圖可知由于B3制動(dòng)器放油過快出現(xiàn)了動(dòng)力中斷，同時(shí)會(huì)造成后面的控制難度加大，易產(chǎn)生換擋沖擊。因此理想的放油規(guī)律是在保證不打滑的前提條件下油壓應(yīng)快速降低，在慣性相開始時(shí)變?yōu)?.而理想的充油規(guī)律是首先通過快充油迅速消除離合器間隙，在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)完成轉(zhuǎn)矩相的控制，要注意油壓增長(zhǎng)不能過快，否則易產(chǎn)生換擋沖擊，通過閉環(huán)油壓緩沖控制完成換擋過程控制。要注意換擋元件完成接合瞬間容易產(chǎn)生沖擊，這是因?yàn)橛蓜?dòng)摩擦轉(zhuǎn)成靜摩擦的過程中，如果油壓過高會(huì)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩變化，因此在完成接合前應(yīng)適當(dāng)將油壓調(diào)低。

圖6為升降擋過程兩換擋執(zhí)行元件充放油交替合適的試驗(yàn)曲線。圖6（a）為2擋升3擋曲線圖，從A到B段為B2制動(dòng)器的快充油時(shí)間（克服離合器間隙），同時(shí)B3制動(dòng)器快速放油到一個(gè)安全的壓力（不打滑）。從B到C段，B2制動(dòng)器油壓緩慢增加直到檢測(cè)到渦輪轉(zhuǎn)速下降，同時(shí)B3制動(dòng)器回油完全打開。從C到D段，對(duì)B2制動(dòng)器油壓進(jìn)行閉環(huán)控制直到升擋完成。圖6（b）為3擋降2擋曲線圖。B3制動(dòng)器快充油期間B2制動(dòng)器完成解除制動(dòng)（電磁閥占空比分段降為0，以盡量減少動(dòng)力中斷），之后對(duì)B3制動(dòng)器進(jìn)行閉環(huán)控制，直到降擋完成。試驗(yàn)過程換擋平穩(wěn)無沖擊，主觀評(píng)價(jià)良好，說明了理論分析的正確性。

圖6　升降擋過程兩換擋執(zhí)行元件充放油交替合適的試驗(yàn)曲線Fig.6 Test curves for proper timing method of two shifting actuators filling and draining hydraulic oil during shifting

4　結(jié)論

本文針對(duì)3自由度大功率液力機(jī)械自動(dòng)變速器（HD4070PR自動(dòng)變速器），利用拉格朗日方程建立了換擋過程的動(dòng)力學(xué)方程，通過所建立的方程分析了升擋和降擋過程中兩個(gè)換擋執(zhí)行元件充放油交替的理想方法，得到以下結(jié)論：

對(duì)于升擋過程，放油執(zhí)行元件要保證在轉(zhuǎn)矩相不打滑，在轉(zhuǎn)矩相結(jié)束時(shí)要完全解除制動(dòng)，充油執(zhí)行元件在轉(zhuǎn)矩相注意油壓不能增長(zhǎng)過快，否則會(huì)造成輸出轉(zhuǎn)矩下降過多過快造成換擋沖擊，在慣性相注意油壓緩沖，結(jié)束換擋時(shí)注意適當(dāng)調(diào)低油壓以減少?zèng)_擊。

2）對(duì)于降擋過程不可避免動(dòng)力中斷，只是盡可能地降低動(dòng)力損失，降擋控制時(shí)充油執(zhí)行元件快充油的同時(shí)放油元件放油，在充油執(zhí)行元件快充油完成時(shí)放油元件要完全解除制動(dòng)，也就是無法通過兩換擋執(zhí)行元件的動(dòng)力搭接來防止動(dòng)力中斷。

以上結(jié)論的正確性已通過實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證。

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［1］張濤，陶剛，陳慧巖.電控自動(dòng)變速器升擋轉(zhuǎn)矩相控制策略［J］.汽車工程，2013，35（2）：173-178. ZHANG Tao，TAO Gang，CHEN Hui-yan.Control strategy for the torque phase in up-shift process of an electrically-controlled automatic transmission［J］.Automotive Engineering，2013，35（2）：173-178.（in Chinese）

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Research on Timing Method of Two Shifting Actuators Filling and Draining Hydraulic Oil During Shifting

LI Chun-fu1，CHEN Hui-yan2
（1.Transportation college，Inner Mongolia University，Hohhot 010070，Inner Mongolia，China；2.School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

The shifting process of automatic transmission is an alternating process of two actuators filling and draining the hydraulic oil.The improper oil filling and draining of two shifting actuators may cause power interruption or too much overlap，power lose，impact of shifting and aggravated wear of shift actuator.Lagrange equation is used to establish the dynamic equation of the shifting process by taking Allison automatic transmission（HD4070PR）as the study subject.The timing method of two shifting actuators filling and draining hydraulic oil during shifting process is analyzed on the basis of the equation，and verified by real vehicle test.The research results show that，for the upshifting process，the power shifting can be realized，and the impact of shifting can be reduced through the rational power lap；and for the downshift process，since the emergence of power interruption is inevitable，only the loss of the power should be reduced as far as possible.

control science and technology；hydraulic mechanical automatic transmission；shifting actuator；timing method

U463.212+.2

A

1000-1093（2015）01-0012-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.01.002

2014-02-11

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2012AA111713）；內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目（NJZY12007）

李春芾（1974—），男，副教授。E-mail：jtlcf@imu.edu.cn；陳慧巖（1961—），男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail：Chen_h_y@263.net