李春芾， 席軍強(qiáng)， 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)

汽車自動(dòng)變速器主要包括液力機(jī)械自動(dòng)變速器AT，機(jī)械無級(jí)變速器CVT ，電控機(jī)械式自動(dòng)變速器AMT及雙離合自動(dòng)變速器DCT4種類型，其中AT和DCT換擋過程屬于離合器到離合器換擋，可以實(shí)現(xiàn)無動(dòng)力中斷換擋. 自動(dòng)變速器技術(shù)是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車輛的關(guān)鍵技術(shù)，近幾十年來國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作，近些年電動(dòng)汽車自動(dòng)變速器多擋化技術(shù)又成為新的研究熱點(diǎn)[1-3]. 而換擋過程控制又是汽車自動(dòng)變速器的關(guān)鍵技術(shù)之一，換擋過程可分為動(dòng)力升擋、非動(dòng)力升擋、動(dòng)力降擋及非動(dòng)力降擋4種工況，非動(dòng)力升降擋是指換擋期間動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置基本沒有功率輸出的換擋過程，對(duì)于非動(dòng)力換擋因?yàn)椴恍杩紤]動(dòng)力轉(zhuǎn)換的問題，所以控制起來比較容易. 動(dòng)力升降擋是指驅(qū)動(dòng)裝置處于正常的驅(qū)動(dòng)工況，即不發(fā)生動(dòng)力中斷的換擋過程. 一般正常的升擋過程都為動(dòng)力升擋，很多學(xué)者開展過大量的研究工作[4-8]. 動(dòng)力降擋一般發(fā)生在強(qiáng)制降擋或驅(qū)動(dòng)力不足工況. 對(duì)于動(dòng)力降擋過程控制策略部分學(xué)者也開展了一些研究工作，但相對(duì)較少，萬國強(qiáng)等[9]對(duì)動(dòng)力降擋過程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，重點(diǎn)研究了動(dòng)力降擋過程的動(dòng)力傳動(dòng)一體化控制，但對(duì)換擋過程兩離合器轉(zhuǎn)矩之間的相互關(guān)系及離合器完全結(jié)合瞬間產(chǎn)生沖擊的機(jī)理的沒有進(jìn)行深入討論. Shi等[10]對(duì)動(dòng)力降擋過程控制策略進(jìn)行了描述，但沒有從機(jī)理上進(jìn)行詳細(xì)分析. 因此，本文擬通過理論分析，并結(jié)合仿真和實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證，闡明動(dòng)力降擋過程兩離合器轉(zhuǎn)矩之間相互影響的機(jī)理，指出實(shí)現(xiàn)兩離合器之間理想動(dòng)力搭接的方法，另外還要揭示離合器完全結(jié)合瞬間產(chǎn)生換擋沖擊的機(jī)理，并在機(jī)理分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)力降擋控制策略研究.

1 離合器到離合器動(dòng)力降擋過程動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)理分析

圖1為離合器到離合器換擋過程等效動(dòng)力學(xué)模型. 圖中，Mi，MCL，MCH，MO，MV分別為變速器輸入軸轉(zhuǎn)矩、低擋離合器轉(zhuǎn)矩、高擋離合器轉(zhuǎn)矩、輸出軸轉(zhuǎn)矩、輸出軸阻力矩、輸出軸輸出轉(zhuǎn)矩；Ji，JV分別為與輸入軸相聯(lián)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，與輸出軸相聯(lián)的整車慣量換算到輸出軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ωi，ωo分別為變速器輸入軸角速度，輸出軸角速度.

圖1 離合器到離合器換擋過程等效動(dòng)力學(xué)模型Fig.1 Equivalent dynamic model of clutch to clutch shift process

動(dòng)力降擋過程動(dòng)力學(xué)方程為

(1)

(2)

由式(1)(2)可知，在動(dòng)力降擋過程中，當(dāng)傳動(dòng)比保持為高擋傳動(dòng)比時(shí)，輸出軸角加速度為

(3)

在動(dòng)力降擋過程中如果保持高擋離合器結(jié)合，低擋離合器開始結(jié)合傳遞轉(zhuǎn)矩，那么根據(jù)變速器內(nèi)部齒輪的運(yùn)動(dòng)關(guān)系及式(3)可知，此時(shí)的輸出軸角加速度為

(4)

圖2 低擋離合器力矩變成阻力矩的動(dòng)力降擋試驗(yàn)曲線Fig. 2 Power downshift test curve of the low gear clutch torque becoming the resistance torque

圖3為動(dòng)力升擋過程，即傳動(dòng)比減小過程的試驗(yàn)曲線(試驗(yàn)平臺(tái)同下文)，由圖可知低擋離合器油壓保持很高時(shí)，盡管高擋離合器油壓增長較大，但輸入輸出軸轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)沒有產(chǎn)生明顯變化，這說明兩個(gè)離合器沒有產(chǎn)生明顯的力矩干涉，至少有一個(gè)離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩不是由油壓決定的. 由試驗(yàn)曲線可知，當(dāng)?shù)蛽蹼x合器油壓迅速減小為0時(shí)，輸出軸轉(zhuǎn)速有一個(gè)快速上升(見圖3(a)點(diǎn))，說明此時(shí)低擋離合器的轉(zhuǎn)矩為阻力矩，否則輸出軸轉(zhuǎn)速不是上升而是下降，且其大小不是由油壓決定的，而是隨高擋離合器轉(zhuǎn)矩的變化而變化. 這也證明了前面所提出的動(dòng)力降擋過程兩離合器動(dòng)力搭接方法是正確的.

圖3 動(dòng)力升擋過程高低擋離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的相互關(guān)系試驗(yàn)曲線Fig.3 Curve of the relationship between transmission torque of high and low gear clutch during power upshift

為了進(jìn)一步驗(yàn)證以上所提的動(dòng)力降擋過程兩離合器動(dòng)力搭接方法的正確性，通過AMEsim進(jìn)行了仿真研究(仿真模型見下文)，仿真結(jié)果見圖4. 由圖可知低擋離合器完全結(jié)合后，使其轉(zhuǎn)矩信號(hào)(相當(dāng)于油壓)按照不同斜率增加到最大值. 結(jié)果表明不同的增長斜率沒有影響到輸出軸轉(zhuǎn)矩，這進(jìn)一步說明低擋離合器完全結(jié)合后，其所傳遞的轉(zhuǎn)矩不是由其油壓決定的，此時(shí)油壓的快速增長不會(huì)影響輸出軸轉(zhuǎn)矩，即不會(huì)產(chǎn)生動(dòng)力干涉，因此此時(shí)可以以最快的速度完成充油. 然后使高擋離合器油壓按一定的斜率減小為0，從而使轉(zhuǎn)矩由高擋離合器平穩(wěn)過渡到低擋離合器，完成動(dòng)力降擋.

圖4 低擋離合器按不同斜率完成快充油結(jié)合的仿真結(jié)果Fig.4 Simulation result of fast oil-filled combination of low gear clutch with different slopes

2 離合器完全結(jié)合瞬間產(chǎn)生沖擊的機(jī)理

實(shí)踐表明離合器在完全結(jié)合瞬間容易產(chǎn)生沖擊，要想減少離合器完全結(jié)合瞬間的沖擊，就有必要討論清楚產(chǎn)生沖擊的機(jī)理. 對(duì)此有的學(xué)者認(rèn)為主要是由于動(dòng)靜摩擦因數(shù)變化造成的，但筆者對(duì)此有不同看法. 現(xiàn)討論如下.

由式(1)可知

(5)

輸出軸轉(zhuǎn)矩Mo為

Mo=MCLiL+MCHiH.

(6)

(7)

則離合器結(jié)合瞬間產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩差為

(8)

圖5為動(dòng)力降擋過程的一次仿真試驗(yàn)結(jié)果(仿真模型見下文). 開始時(shí)高擋離合器轉(zhuǎn)矩信號(hào)(相當(dāng)于油壓)減小直到使其開始打滑，輸入軸轉(zhuǎn)速(即離合器的主動(dòng)部分轉(zhuǎn)速)按等斜率上升，直到傳動(dòng)比超過低擋傳動(dòng)比一定值之后，使低擋離合器轉(zhuǎn)矩信號(hào)按等斜率上升直到其完全結(jié)合. 圖中所示的a時(shí)刻低擋離合器完全結(jié)合，此時(shí)輸出軸轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生了一個(gè)較大的跌落，同時(shí)產(chǎn)生了一個(gè)遠(yuǎn)超過允許值的沖擊度. 結(jié)果表明這種使離合器壓力按等斜率上升的簡單控制方法會(huì)使輸出軸在離合器完全結(jié)合瞬間產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩跌落，自然會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊度. 這是由于低擋離合器完全結(jié)合瞬間其油壓過高所致，因此為了減少離合器完成結(jié)合瞬間的沖擊度，應(yīng)控制好離合器油壓的大小，在離合器在完全結(jié)合前，使其主動(dòng)部分角加速度大小為接近于0的某一負(fù)值.

圖5 離合器轉(zhuǎn)矩按等斜率上升產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩跌落的仿真結(jié)果Fig. 5 Simulation result of larger torque drop caused by the increase of clutch torque by equal slope

3 離合器到離合器動(dòng)力降擋過程控制策略仿真及試驗(yàn)研究

以上對(duì)離合器到離合器動(dòng)力降擋過程兩離合器動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)理及離合器完全結(jié)合瞬間產(chǎn)生換擋沖擊機(jī)理進(jìn)行了研究，并對(duì)關(guān)鍵的控制點(diǎn)提出了相應(yīng)的控制策略. 在此基礎(chǔ)上，制定了基于輸入軸轉(zhuǎn)速目標(biāo)軌跡的動(dòng)力降擋過程控制策略，并通過仿真和實(shí)車試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證.

3.1 控制策略

圖6所示為所制定的基于輸入軸轉(zhuǎn)速目標(biāo)軌跡的動(dòng)力降擋過程控制策略圖. 整個(gè)動(dòng)力降擋過程分成4個(gè)階段.

圖6 動(dòng)力降擋過程控制策略圖Fig.6 Power downshift process control strategy diagram

① 高擋離合器快放油階段：如圖6中ab段，此階段控制高擋離合器以較快速度放油，直到高擋離合器打滑，為了防止過放油，快放油過程按兩個(gè)斜率進(jìn)行，先快后慢.

② 輸入軸轉(zhuǎn)速等斜率上升階段：如圖6中bc段所示. 當(dāng)檢測(cè)到高擋離合器打滑后，通過調(diào)節(jié)其油壓使輸入軸轉(zhuǎn)速按一定的斜率上升，直到傳動(dòng)比大于低擋傳動(dòng)比并超過一定值. 考慮到此階段變速器輸出軸轉(zhuǎn)速變化量相對(duì)輸入軸轉(zhuǎn)速變化量小很多，則此階段輸入軸轉(zhuǎn)速目標(biāo)軌跡方程可按下式給出.

n1=n10+(n20igl-n10)t/tm,

(9)

式中:n1為輸入軸轉(zhuǎn)速；n10為高擋離合器打滑時(shí)輸入軸轉(zhuǎn)速；n20為高擋離合器打滑時(shí)輸出軸轉(zhuǎn)速；igl為低擋傳動(dòng)比；t為從高擋離合器打滑開始的時(shí)間；tm為輸入轉(zhuǎn)速等斜率上升的目標(biāo)時(shí)間，取值不宜過小，否則動(dòng)力損失過多，也不能過長，否則會(huì)增加滑摩功，實(shí)踐表明可取0.5 s左右. 為了下一階段的控制，此階段還要完成低擋離合器的預(yù)充油，即使低擋離合器處于接近滑摩的狀態(tài).

③ 輸入軸轉(zhuǎn)速等斜率下降階段：如圖6中cd段. 此階段的輸入軸轉(zhuǎn)速目標(biāo)軌跡為按等斜率下降的直線. 當(dāng)傳動(dòng)比降回到低擋傳動(dòng)比，即低擋離合器完全結(jié)合后此階段結(jié)束. 由前文分析可知，在低擋離合器完全結(jié)合時(shí)，容易產(chǎn)生沖擊，主要因?yàn)檩斎胼S轉(zhuǎn)速下降過快所致，所以要選擇好目標(biāo)軌跡的斜率，即要滿足換擋沖擊度的要求，又不能使離合器滑摩時(shí)間過長. 則此階段輸入軸轉(zhuǎn)速目標(biāo)軌跡方程可按下式給出.

(10)

④ 低擋離合器快速完成充油與高擋離合器緩沖放油階段. 低擋離合器快速完成充油，然后高擋離合器按一定斜率緩沖放油，完成動(dòng)力降擋. 要注意此階段充放油控制的時(shí)序.

②③階段需按給定的目標(biāo)軌跡進(jìn)行閉環(huán)控制. 本文所采用的方法為數(shù)字遞推PID控制，控制原理圖見圖7，圖中n1(k)為輸入軸目標(biāo)轉(zhuǎn)速，式(11)為數(shù)字遞推PID控制算法公式.

(11)

式中:u(k)為對(duì)應(yīng)電磁閥占空比的高電平持續(xù)時(shí)間值(周期一定)；Δu(k)為對(duì)應(yīng)電磁閥占空比的高電平持續(xù)時(shí)間值的增量；Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)；Kd為微分系數(shù).

圖7 閉環(huán)控制階段數(shù)字遞推PID控制原理圖Fig.7 Schematic diagram of digital recursive PID control in closed-loop control phase

3.2 仿真研究

為了驗(yàn)證以上機(jī)理分析的正確性及對(duì)控制策略進(jìn)行研究，通過AMEsim按圖1建立了離合器到離合器動(dòng)力降擋仿真模型并進(jìn)行了仿真，仿真模型見圖8，仿真參數(shù)見表1. 圖9為按圖6所示的控制策略進(jìn)行的動(dòng)力降擋過程仿真結(jié)果. 首先高擋離合器放油，直到高擋離合器開始打滑；然后通過高擋離合器控制輸入軸轉(zhuǎn)速按等斜率上升，直到傳動(dòng)比大于低擋傳動(dòng)比并超過一定值(圖中ab段)；接下來保持高擋離合器油壓不變，通過低擋離合器控制輸入軸轉(zhuǎn)速按等斜率的目標(biāo)下降(圖中bc段)，當(dāng)?shù)竭_(dá)c時(shí)刻傳動(dòng)比降回到低擋傳動(dòng)比，低擋離合器完全結(jié)合(注意此時(shí)容易產(chǎn)生沖擊). 根據(jù)前面分析可知，之后低擋離合器應(yīng)該快速完成充油，然后通過高擋離合器緩沖放油完成動(dòng)力降擋.

圖8 基于AMEsim的自動(dòng)變速器等效模型Fig.8 Equivalent model of automatic transmission based on AMEsim

表1 仿真參數(shù)表

圖9 動(dòng)力降擋過程的仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of the power downshift process

3.3 試驗(yàn)研究

針對(duì)前面提出的動(dòng)力降擋控制策略，以裝用大功率液力機(jī)械自動(dòng)變速器的北方奔馳自卸車(更換了發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器)為平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)車道路試驗(yàn)，試驗(yàn)在專用的試車跑道進(jìn)行. 在一條坡度約為10%的坡道上，通過快踩油門制造動(dòng)力降擋過程. 圖10所示為一次試驗(yàn)結(jié)果，圖中a時(shí)刻高擋離合器開始打滑，ab段輸入軸轉(zhuǎn)速按等斜率上升，從a時(shí)刻開始低擋離合器電磁閥全開一段時(shí)間，使低擋離合器快充油以消除離合器間隙，bc段高擋離合器油壓保持不變，通過低擋離合器控制輸入軸轉(zhuǎn)速按一定的斜率下降，c時(shí)刻低擋離合器完全結(jié)合，然后快速完成充油，隨后通過高擋離合器緩沖放油完成動(dòng)力降擋，從試驗(yàn)曲線可以看出整個(gè)換擋過程很平穩(wěn)，沖擊度較小. 證明了前面關(guān)于動(dòng)力降擋過程相關(guān)機(jī)理的研究結(jié)論正確及所制定的控制策略可行有效.

圖10 動(dòng)力降擋過程試驗(yàn)曲線Fig.10 Test curve of the power downshift process

4 結(jié) 論

針對(duì)汽車自動(dòng)變速器離合器到離合器動(dòng)力降擋過程兩離合器動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)理及離合器完全結(jié)合瞬間產(chǎn)生換擋沖擊的機(jī)理，進(jìn)行了基于AMEsim建模仿真和實(shí)車試驗(yàn)研究. 提出兩離合器之間實(shí)現(xiàn)理想動(dòng)力搭接的方法及減少離合器完全結(jié)合瞬間所產(chǎn)生沖擊的控制策略. 在機(jī)理研究的基礎(chǔ)上提出了基于輸入軸轉(zhuǎn)速目標(biāo)軌跡的分段控制策略，并進(jìn)行了仿真和實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果證明了機(jī)理分析的正確性和控制策略的可行性. 針對(duì)所研究內(nèi)容得出如下結(jié)論.

① 動(dòng)力降擋過程，在高擋離合器保持傳遞轉(zhuǎn)矩且傳動(dòng)比低于低擋傳動(dòng)比時(shí)，若低擋離合器就開始結(jié)合，則其所傳遞的力矩為阻力矩，因此無法像動(dòng)力升擋一樣，通過換擋過程初期兩離合器同步充放油控制來完成無動(dòng)力中斷的動(dòng)力轉(zhuǎn)換.

② 為了避免低擋離合器轉(zhuǎn)矩成為阻力矩，應(yīng)先控制高擋離合器打滑，直到傳動(dòng)比大于低擋傳動(dòng)比，然后再控制低擋離合器開始傳遞轉(zhuǎn)矩，此時(shí)高低擋離合器同時(shí)打滑，其所傳遞的轉(zhuǎn)矩都為驅(qū)動(dòng)力矩. 隨著傳動(dòng)比降回到低擋傳動(dòng)比，低擋離合器完全結(jié)合，之后其所傳遞的轉(zhuǎn)矩不再由其本身油壓大小決定，而是隨著高擋離合器油壓的變化而變化.

③ 離合器完全結(jié)合瞬間產(chǎn)生換擋沖擊的主要原因是離合器油壓控制得過高，使離合器完全結(jié)合前后其主動(dòng)部分的角加速度差值過大所致，因此為了減少離合器完成結(jié)合瞬間的沖擊度，應(yīng)控制好離合器油壓的大小，使離合器在完全結(jié)合前后的角加速度值接近，為了加快離合器結(jié)合速度以減少滑摩功，在滿足沖擊度要求的前提下，可使輸入軸角加速度在離合器完全結(jié)合前為絕度值稍大的負(fù)值.

④ 根據(jù)以上結(jié)論，可將動(dòng)力降擋過程控制分為4個(gè)階段，第1階段高擋離合器放油直至打滑；第2階段通過高擋離合器控制輸入軸轉(zhuǎn)速按等斜率上升直至傳動(dòng)比大于低擋傳動(dòng)比；第3階段保持高擋離合器油壓不變，通過低擋離合器控制輸入軸轉(zhuǎn)速按較小的等斜率下降直至傳動(dòng)比降回到低擋傳動(dòng)比，使低擋離合器完全結(jié)合(注意此時(shí)容易產(chǎn)生沖擊)；第4階段低擋離合器快速完成充油，然后通過高擋離合器緩沖放油來完成動(dòng)力降擋. 第2、3階段采用基于輸入軸轉(zhuǎn)速目標(biāo)軌跡的閉環(huán)控制.