液力自动变速器换挡过程动力学分析_李兴华

收稿日期:2002-06-05
作者简介:李兴华(1962-),男,浙江临海人,副教授,工学博士.
液力自动变速器换挡过程动力学分析
李兴华,叶 伟,刘 钊,黄宗益
(同济大学机械工程系,上海 200092)
摘要:提出了液力自动变速器换挡过程动力学模型,建立了液力自动变速器各换挡阶段的微分方程,探讨了升挡
和降挡过程变速器各元件的运动和输出力矩的变化情况,明确了液力自动变速器换挡接合元件的搭接控制原则.
关键词:液力自动变速器;换挡过程;动力学
中图分类号:T H 13 文献标识码:A 文章编号:0253-374X(2003)05-0576-05
Dynamic Analysis of Autom atic Transmission during Shifting
LI X ing -hua,YE Wei,LI U Zhao,H UAN G Zong -y i
(Department of Mechanical Engineering,T ongji U ni versity,Shangh ai 200092,China)
Abstract :This paper presents a dynamic model of automatic transmission during shifting,and establishes the differential equations of automatic transmission during shifting.It also discusses the changes of torque in out -put shaft and motion of each element during the upshift and the dow nshift,and presents the fundamentals of timing control.
Key words :automatic transm ission;process in shifting ;dynamics
近年来,世界各国都在开发电子控制换挡系统,通过微机控制可以实现较精确的换挡品质控制.本文通过对液力自动变速器换挡过程的动力学分析,了解液力自动变速器换挡过程的影响因素,以便有效地控制和改善液力自动变速器的换挡性能.
1 液力自动变速器换挡过程动力学模型
电子控制自动变速器的换挡,一般通过结合一个接合元件,同时分离一个接合元件来实现[1,2]
.故液力自动变速器换挡过程分析的动力学模型可简化为图1所示. i , o ,T i ,T o ,J i ,J o 分别为变速器输入输出构件的角速度、驱动力矩和阻力矩及所有与输入输出构件固连构件的等效转动惯量; 1, 3
分别为输入图1 分析模型Fig.1 Analysis m odel 轴至接合元件A 和B 的传动比; 2, 4分别为接合元件A
和B 至输出轴的传动比.
在车辆换挡期间由于车辆惯性的作用,变速器输出轴
角速度变化较小,而输入轴角速度变化较大.换挡过程根
据接合元件的状态一般可分为两个阶段.第一阶段:接合
元件B 已作用摩擦力矩,接合元件A 仍处于结合状态.这
时,输入轴角速度尚没有发生较大变化,仅是两个接合元
件传递力矩发生了变化,称为换挡过程扭矩相.第二阶段:第31卷第5期
2003年5月同 济 大 学 学 报JOURNAL OF T ONGJI UN IVERSIT Y Vol.31No.5 M ay 2003
接合元件A 开始打滑,直至接合元件B 结合.在这个阶段,输入轴角速度将发生较大变化,称为换挡过程惯性相.
2 接合元件的相对角速度
如图1所示,设变速器处于j 挡位时,接合元件A 结合,接合元件B 分离,则有
i j = i / o = 1 2
(1)
当变速器处于k 挡位时,接合元件B 结合,接合元件A 分离,则有
i k = i / o = 3 4(2)
式中:i j 和i k 分别为变速器处于j 挡和k 挡时的传动比.设接合元件中与变速器输入轴相连的摩擦片为主动片,与输出轴相连的摩擦片为从动片.变速器在由j 挡换至k 挡的过程中,接合元件A,B 都处于分离状态,整个系统具有两个自由度.则各接合元件的相对角速度(主动片与从动片的角速度之差)取决于输入与输出构件的角速度,其值为
cA =( i -i j o )/ 1, c B =( i -i k o )/ 3
(3)由此可知(设输出构件的角速度大于零):
(1)低挡接合元件A 结合时,由于i j -i k >0,高挡接合元件B 相对角速度的正负号取决于 3的正负号,当 3>0,高挡接合元件的相对角速度为正,主动片角速度大于从动片角速度,反之亦然.
(2)高挡接合元件结合时,由于i j -i k <0,低挡接合元件相对角速度的正负号取决于 1的正负号,当 1>0时,低挡接合元件的相对角速度为负,主动片角速度小于从动片角速度.3 变速器换挡过程运动微分方程
变速器在由j 挡至k 挡的换挡过程中,作用在图1所示等效力学模型上的主动力矩除驱动力矩T i ,阻力矩T o 外,还有作用在接合元件上的传递力矩(主动片作用于从动片的摩擦力矩)T c A ,T cB .则主动力矩所作的虚功为
W =T i i -T cA cA -T cB c B -T o o
由式(3)知,角虚位移 cA =( i -i j o )/ 1, cB =( i -i k o )/ 3,代入上式,经整理,并取输入输出构件的角虚位移作为广义坐标,则广义力为
Q i =T i -T cA / 1-T cB / 3,Q o =-T o +T
c A i j / 1+T cB i k / 3(4) 系统的动能为
E =12
J i 2i +12J o 2o 由拉格朗日方程可得系统的运动微分矩阵方程为J i 0
J o i o =Q i Q o
(5)则可写为如下形式的运动微分方程组:J i i =T i -T c A / 1-T cB / 3,J o o =-T o +T
c A i j / 1+T cB i k / 3(6)式中: i , o 分别为输入、输出构件的角加速度;T cA 为接合元件A 的传递力矩;T cB 为接合元件B 的传递力矩.
当接合元件A,B 均处于分离状态时,则接合元件(离合器)的传递(摩擦)力矩为
T c =sgn ( c )23 Z(R 32-R 31)q(t)(7)
式中: 为摩擦系数;Z 为摩擦面数;R 1,R 2分别为摩擦片的内、外半径;q (t)为充油规律.若某一接合元件进入结合状态,则该接合元件的传递力矩为未知数,可由系统的力矩平衡条件确定.577 第5期李兴华,等:液力自动变速器换挡过程动力学分析
变速器的输出力矩T out 是换挡过程分析的重要物理量,由输出构件的力矩平衡条件得
T out =T o +J o o (8)
4 换挡前后变速器各物理量的变化
在换出挡阶段变速器处于第j 挡工作,接合元件A 处于结合状态,接合元件B 处于分离状态.则变速器的工作情况取决于式(9).
i =i j o , c A =0, cB =(i j -i k ) o / 3,T c A =T o 1/i j ,T cB =0,T out =T o , o =0
(9) 在换入挡阶段变速器处于第k 挡工作,接合元件B 处于结合状态,接合元件A 处于分离状态.则变速
器的工作情况取决于式(10).
i =i k o , c A =(i k -i j ) o / 1, cB =0,T c A =0,T cB =T o 3/i k ,T out =T o , o =0(10) 由此可知,变速器输入构件的角速度、接合元件的相对角速度、接合元件的传递力矩等物理量在换挡前后的变化情况如表1所示(设 1, 3为正).
表1 变速器运动参数对比表
Tab.1 Comparison of kinetic parameter in the transmission
物理量
升挡换挡(i j >i k )换挡前换挡后变化降挡换挡(i j <i k )换挡前换挡后变化 i
i =i j o i =i k o 减速 i =i j o i =i k o 加速 cA
cA =0 cA <0从0到负 cA =0 cA >0从0到正 cB
cB >0 cB =0从正到0 cB <0 cB =0从负到0T cA
T cA >0T cA =0
从正到0T cA >0
T cA =0
从正到0T cB T cB =0T cB >0从0到正T cB =0T cB >0从0到正5 变速器升挡过程特性分析
5.1 变速器升挡过程扭矩相
在此换挡阶段,接合元件A 中的油压开始下降,但仍处于结合状态,接合元件B 油压开始上升,由分离进入打滑状态,传递部分扭矩,系统仍处于抵挡运行,各部件的角速度无急剧变化,各元件的工作状态取决于式(11).
i =i j o , cA =0, cB =(i j -i k ) o / 3,T cA =T o 1/i j -(J o +i j i k J i )T cB 1/ 3J j ,T cB =sgn ( c B )
23 Z(R 32-R 31)q (t ),T out =T o +(i k -i j )J o T c B / 3J j , o =(i k -i j )T cB / 3J j
(11)其中:J j =J o +i 2j J j .
由式(9)和式(11)可知变速器在此阶段的输出力矩的变化量为
T out =(i k -i j )T cB J o /J j 3(12)
变速器在升挡过程有:i j >i k ,因此,T cB >0(设 3为正),即在升挡过程扭矩相,随着摩擦力矩T cB 的增大,接合元件A 所传递的力矩减小,变速器输出力矩减小,输出力矩的变化量增大.即高挡接合元件的摩擦力有助于低挡接合元件的分离.
设与T cA =0所对应的接合元件B 的摩擦力矩为T *cB ,则有
T *cB =J j T o 3[(J o +i j i k J i )i j ]
(13) 设接合元件A 在该工况下完全结合的摩擦力矩为[T c A ]
,当|T cA | [T cA ]时,扭矩相结束.接合元件
A 开始进入打滑状态,记接合元件A,
B 的传递力矩分别为T cA ,T c B .则:
(1)当T cB <T *c B 时,即在扭矩相结束时,T c A >0(设 1为正),接合元件A 所传递的力矩T c A 不改变方向.这表明接合元件B 所传递的摩擦力矩T cB 不足以克服行驶阻力,仍需接合元件A 传递部分正向扭矩578 同 济 大 学 学 报第31卷
共同克服行驶阻力,造成传递动力的部分中断.富裕的动力使输入构件加速,故实际传动比要大于i j ,即 cA >0.
(2)当T cB >T *c B 时,即在扭矩相结束时,T c A <0(设 1为正),接合元件A 所传递的力矩T c A 改变了方向.这表明接合元件B 所传递的摩擦力矩T cB 超过了行驶阻力,接合元件A 传递反向力矩,部分抵消接合元件B 所传递的正向摩擦力矩,形成部分功率循环.因此,应使T cA 尽量小,最好为零
.
图2 2挡升至3挡时的油压变化曲线Fig.2 Oil pressure changing curves when
shifting from second to third gear 图2为AG4自动变速器由2挡升至3挡过程换挡元件
中油压变化的测试结果[3].图中曲线1为接合元件A 的油压
变化曲线,曲线2为接合元件B 的油压变化曲线.由图可知,
在待分离的接合元件A 的油压降为零之前,待结合的接合元
件B 的油压已开始上升,避免了换挡过程中的动力中断.
由此可知,变速器升挡过程接合元件的搭接控制原则是:
既要避免出现换挡过程中的动力中断现象又要减少由于部分
功率循环造成的动力损失.即最佳的搭接控制是保证:T c B =
T *c B ,T cA =[T c A ]=0.5.2 变速器升挡过程惯性相
在此换挡阶段,接合元件A 由结合进入打滑状态,接合元件B 还没有进入结合状态,系统具有两自由
度,输入、输出构件的运动取决于系统运动微分方程组(6).在理想的搭接控制下(T cB =T *cB ,T cA =[T c A ]
=0),系统运动微分方程可写为
J i i =T i -T cB / 3,J o o =-T o +T cB i k / 3(14)
接合元件的相对角速度取决于式(3),接合元件B 的传递力矩T cB 取决于式(7).由式(8)可知变速器在此阶段的输出力矩的变化量为: T out =i k (T cB -T *c B ) 3.故在升挡过程惯性相,输出力矩的变化量及输出力矩随着摩擦力矩T cB 的增大而增大.
设在惯性相结束时刻,接合元件B 所传递的摩擦力矩为T cB ,由式(11)可知惯性相结束后,接合元件B 所传递的力矩为
T k cB =T o 3/i k (15)
通常,有T c B >T k cB ,即惯性相结束后,接合元件B 保持结合状态,完成换挡过程.然而,在接合元件B
结合的瞬间,接合元件传递的力矩T cB 由T cB 突变为T k cB ,对应的变速器输出力矩也将产生突变,形成换挡
冲击.力矩变化量为: T out =i k (T k cB -T
cB )/ 3.6 变速器降挡过程特性分析
6.1
变速器降挡过程扭矩相
图3 3挡降至2挡时的油压变化曲线Fig.3 Oil pressure changing curves when shifting from third to second gear 在此换挡阶段,接合元件A 中的油压开始下降,但仍处于结合状态,接合元件B 油压开始上升,由分离进入打滑状态,传递部分扭矩,系统仍处于高挡运行,各部件的角速度无急剧变化,各元件的工作状态由式(11)表示.变速器输出力矩变化量如式(12)所示.
变速器在降挡过程中有:i j <i k ,因此,T cB <0(设 3为
正),接合元件B 反向传递力矩.随着摩擦力矩T cB 绝对值的
增大,接合元件A 所传递的力矩也增大,形成部分功率循环,
变速器输出力矩减小,输出力矩的变化量增大.因此,在接合
元件A 打滑前,应避免对接合元件B 充油,以免造成动力损
失.
图3为AG4自动变速器由3挡降至2挡过程换挡元件
中油压变化的测试结果[3].图中曲线1为接合元件A 的油压
变化曲线,曲线2为接合元件B 的油压变化曲线.由图可知,579 第5期李兴华,等:液力自动变速器换挡过程动力学分析
待分离的接合元件A 的油压迅速降为零,待结合的接合元件B 的油压然后上升,避免了部分功率循环造成的动力损失.
由此可知,变速器降挡过程接合元件的搭接控制原则是:避免或减少由于部分功率循环造成的动力损失和动力中断.即最佳的搭接控制是保证T c A =T cA =[T c A ]=0,T cB >0.
6.2 变速器降挡过程惯性相
在此换挡阶段,接合元件A,B 均处于打滑状态,系统具有两自由度,变速器输入构件的角速度发生较大的变化,输入、输出构件的运动取决于系统运动微分方程组(6).接合元件的相对角速度取决于式(3),接合元件的传递力矩T cB 取决于式(7).
由接合元件的搭接控制可知,如果T c A =T c A =[T cA ] 0,那么,T cB 0(离合器情况),由式(8)可知变速器输出力矩的变化量为: T out =(T cA -[T c A ])i j / 1+T cB i k / 3.因此在降挡过程惯性相随着接合元件A 的摩擦力矩T cA 的减小,输出力矩的变化量由零变负(设 1为正),绝对值增大,输出力矩减小,由于接合元件B 刚开始充油时,有T cB <0(设 3为正),即接合元件B 反向传递力矩,使输出力矩进一步减小,则接合元件B 的相对角速度减小,由负趋向于零,接合元件B 进入瞬时结合状态.
设此时接合元件B 所传递的摩擦力矩为T cB ,由式(11)可知,惯性相结束后,接合元件B 所传递的力矩为T k cB ,见式(15).
由于T cB 较小,T cB <T k cB ,即接合元件B 还不能进入完全结合状态,则在惯性作用下接合元件B 的摩
擦力矩反向,造成变速器输出力矩的突变,输入构件加速,接合元件B 的相对角速度由零变为正,实际传动比大于i k .此后,变速器的运动情况与升挡过程惯性相类似,直至完全结合.变速器输出力矩将产生突变,形成换挡冲击.设惯性相结束时,接合元件B 所传递的摩擦力矩为T cB .输出力矩变化量为: T out =
i k (T k cB -T cB )/ 3.
在理想的接合元件搭接控制下:T cA =T cA =[T cA ]=0,T cB =0(自由轮情况),根据式(8)可知变速器在此阶段的输出力矩的变化量为: T out =T cB i k / 3.因此在降挡过程惯性相输出力矩的变化量与接合元件B 的传递力矩T c B 成正比,即其值为零,输出力矩不变.
惯性相结束时,有T c B =T k cB ,即在惯性相结束后,接合元件B 将保持结合状态,完成换挡过程.然而,
在接合元件B 结合的瞬间,接合元件传递的力矩T cB 将由零突变为T
k cB ,故变速器输出力矩产生突变,形成换挡冲击.输出力矩变化量为: T out =i k T k cB / 3.
7 结论
(1)建立了液力自动变速器各换挡阶段的运动方程,探讨了变速器输出力矩的变化情况.
(2)液力自动变速器升挡过程接合元件的搭接控制原则为:既要避免出现换挡过程中的动力中断现
象,又要减少由于部分功率循环造成的动力损失.最佳的搭接控制是保证T cB =T *cB ,T cA =[T cA ]=0.
(3)液力自动变速器降挡过程接合元件的搭接控制原则为:避免或减少由于部分功率循环造成的动力损失和动力中断.最佳的搭接控制是保证T cA =T cA =[T cA ]=0,T cB 0.
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