液力机械自动变速器换挡品质控制方法

2008年2月
农业机械学报
第39卷第2期
液力机械自动变速器换挡品质控制方法
*
王 娟 陈慧岩 陶 刚 龚 鹏
摘要 建立了某液力自动变速器换挡过程的简化动力学模型,应用模型对换挡过程的扭矩相和惯性相的特性进行了分析。

根据换挡过程结合元件的搭接控制原则,提出通过对换挡离合器充、放油的搭接时序进行控制,以减小扭矩相的冲击和动力中断;通过电磁阀驱动信号占空比大小的实时闭环调节,对换挡离合器充油阶段进行缓冲控制,以提高换挡品质。

通过换挡控制试验,验证了控制理论和控制策略的正确性和可行性。

关键词:自动变速器 换挡品质 动力学模型中图分类号:U 463 22+1
文献标识码:A
Research on Shift Quality of Automatic Transmission
Wang Juan Chen Huiy an Tao Gang Gong Peng
(Beij ing Institute o f Technology )
Abstract
T he sim ple dynamic model of the shift process of automatic transmission w as built.The torque phase and the inertial phase of the shift process were analyzed w ith the model.In the torque phase,the accurate timing to sw itch from release clutch to the apply clutch has been controlled,w hich reduced the disturbance and avoided the interrupt of the torque.In the inertial phase,the pressure increasing on the apply clutch has been controlled smoothly through the real time -closed loop modulation of pulse -w idth modulated valve,w hich im proved the shift quality of the automatic transmission.The recorded test data w as analyzed,and the theory of shift quality improv ing has been proved rightly and practically.
Key words Automatic transm ission,Shift quality,Dynamic model 收稿日期:2006-11-02
*北京理工大学车辆传动国家重点实验室基金资助项目(项目编号:9140C340306604)王 娟 北京理工大学机械与车辆工程学院 博士生,100081 北京市陈慧岩 北京理工大学机械与车辆工程学院 教授陶 刚 北京理工大学机械与车辆工程学院 讲师龚 鹏 北京理工大学机械与车辆工程学院 博士生
引言
所谓换挡品质,就是指换挡过程的平稳性。

对换挡过程的品质要求,就是要求换挡过程能平稳而没有冲击地进行[1]。

本文研究液力机械自动变速器的换挡品质控制,该自动变速器由具有闭锁离合器的液力变矩器和定轴变速箱组成,采用了数字化电液自动操纵系统,属于离合器-离合器的换挡方式,即通过变速器内换挡离合器接合与分离的不同组合,实现不同挡位的传动速比。

1 动力学模型的建立和升挡过程分析
为了综合研究各种因素对换挡过程平稳性的影
响,并进一步为换挡品质控制提供理论依据,对自动换挡的过渡过程作力学分析。

该变速器为三自由度定轴式综合变速器,其中,离合器C1、C2在 轴上,它们通过与在 、 轴的离合器之间的不同组合形成不同的挡位。

在1挡升2挡、3挡升4挡和5挡升6挡时, 、 轴的离合器处于结合状态,只需C1放油、C2充油即可实现挡位的变换,本文只研究C1和C2离合器交替的换挡过程。

1 1 模型的建立
图1所示是传动系简化动力学模型,忽略相关零部件及支承的弹性变形和系统的阻尼,并假设换挡期间车辆的行驶阻力为常数。

低挡换高挡是通过结合C2离合器,同时分离
图1 传动系简化动力学模型
F ig.1 Simple dynamic model of the power train system
C1离合器来实现。

将图1所示的简化模型分解为3个自由体,如图2
所示。

图2 简化动力学模型分解模型
Fig.2 Decomposed model of t he pow er tr ain system
(a)发动机-泵轮构件
(b)涡轮-变速箱输入轴-离合器主动片构件
(c)离合器被动片-输出轴构件
图中,M e 、M P 、M T 和M C1、M C2分别为发动机扭矩、泵轮扭矩、涡轮扭矩和离合器传递扭矩;M s 、M v 分别为输出扭矩和车辆负载扭矩;n e 、n T 、n s 、 e 、 T 、 s 分别为发动机、涡轮轴、输出轴的转速和角速度;I e 、I T 、I v 为3个构件的转动惯量;i 1M 、i 2M 为输入轴到离合器C1、C2的传动比;i 1S 、i 2S 为离合器C1、C2到输出轴的传动比。

各构件的受力情况如下:(1)发动机-泵轮构件
模型如图2a 所示,构件的力矩平衡式为
M e =M P +I e
e
式中 I e
e 构件的惯性力矩
(2)涡轮-变速箱输入轴-离合器主动片构件模型如图2b 所示,构件的力矩平衡式为M T = M C1/i 1M +M C2/i 2M +I T
T 由变矩器原理知
[2]
:M T =K M P , T =i y e 。

式
中K 为液力变矩器的变矩比,i y 为涡轮与泵轮的转速比。

(3)离合器被动片-输出轴构件模型如图2c 所示,构件的力矩平衡式为
i 1S M C1+i 2S M C2=M v +I v
s
输出轴输出扭矩为
M s = i 1S M C1+i 2S M C2=M v +I v
s
1 2 升挡过程各阶段的分析
换挡过渡过程分为4个阶段:(1)升挡前的低挡阶段
升挡前的低挡,低挡离合器C1结合,高挡离合器C2保持分离,处于稳定行驶状态,在该阶段中
M C1=i 1M K M e
M s =i 1S i 1M K M e =i 1K M e
(2)低挡扭矩相
C1开始放油,C2开始充油,由于开始时油压变动较小,仍然保持C1结合,而C2中的油压开始上升,由分离进入打滑状态,传递部分扭矩,系统仍处于低挡运行,涡轮轴和输出轴的转速不变。

在这个阶段中
M C2= c p c S c r c z
M C1=i 1M K M e -M C2i 1M /i 2M M s =i 1K M e -M C2(i 1-i 2)/i 2M
式中 c 摩擦因数 p c 离合器油压
S c 离合器油缸活塞面积
r c 等效作用半径 z 摩擦副数
在此阶段,C1所传递的扭矩M C1减小,变速箱输出扭矩M s 减小,且二者的减小量随C2所传递扭矩M C2值的增大而增大。

设与M C1=0所对应的离合器C2的摩擦力矩
为M *C2,则有M *
C2=i 2M K M e 。

设在扭矩相结束时
刻,C1、C2的传递扭矩分别为M C 1、M C2。

文献[3]中明确提出了自动变速器升挡过程结合元件的换挡
搭接控制原则:M C 2=M *
C2,M C 1=0。

(3)惯性相
C1由结合进入分离状态,同时C2继续保持打滑状态,直至完全结合。

涡轮轴转速开始减小,由结合元件的换挡搭接控制原则可知,在理想的搭接控
制下:M C 2=M *
C2,M C 2=0,因此,在惯性相阶段有
M C2= c p c S c r c z M s =i 2S M C2
在惯性相阶段,输出扭矩M s 与摩擦力矩M C2
成正比,因此,在这一阶段,对C2离合器的充油过程进行缓冲控制,使其摩擦力矩M C2缓慢上升,对提高换挡品质有实际意义。

(4)高挡阶段
升入高挡后,只有离合器C2结合,而离合器C1则保持分离,此时处于稳定行驶状态,在此阶段中
M C2=i 2M K M e M s =i 2S i 2M K M e =i 2K M e
2 换挡品质控制策略
评价换挡品质的常用指标是冲击度,冲击度是
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第2期 王娟等:液力机械自动变速器换挡品质控制方法
指车辆纵向加速度的变化率。

其数学表达式为[1]
j =d a d t =
d 2v d t 2
式中 v 车辆行驶速度
a 车辆行驶纵向加速度
冲击度的起因在于输出扭矩的扰动,其数值与输出扭矩的变化率成正比。

通过对升挡过渡过程各阶段的分析,提出以下换挡品质控制策略:在扭矩相,对换挡离合器充放油的搭接时序进行精确控制,以满足自动变速器升挡过程结合元件的换挡搭接控制原则,从而避免两执行元件重叠过多或动力中断引起的冲击;在惯性相,对换挡离合器充油过程进行缓冲控制,确保离合器摩擦力矩平稳增加,使换挡过程平稳过渡。

2 1 控制参数和控制原理
由于控制系统中无法安装扭矩传感器,而从冲击度的数学表达式中可以看出,冲击度与转速信号直接相关;由上述的动力学分析可以看出涡轮轴转速不仅反映了发动机的工作状况,而且可以反映出离合器所传递的力矩的变化;又由于惯性相的始末可以由离合器主、被动部分转速值的变化明显反映,所以换挡品质的控制过程拟采用涡轮轴转速n T 和输出轴转速n s 作为参数。

从传动系简化模型可知,涡轮轴转速n T 和输出轴转速n s 直接对应于离合器主、被动部分的转速。

换挡过程采用如图3所示的
转速闭环控制。

图3 换挡过程控制原理图
Fig.3 Control pr inciple chart of the up shift process
换挡执行机构采用二级阀控制系统,其中高速响应开关电磁阀作为先导阀,双边节流滑阀作为后
置流量放大装置,电磁阀由电控单元的PWM 功率驱动信号直接控制,可以在换挡过程中对换挡离合器的充放油时序以及充、放油过程进行精确控制,也可以对闭锁离合器的自动解闭锁进行控制。

2 2 电控系统硬件组成
电控硬件系统采用M otorola 公司的MC68376单片机,完成输入信号的采集和控制算法的计算,从而实现对高速响应电磁阀的PWM 驱动控制。

图4为电控系统硬件组成框图。

控制系统按功能划分为
输入信号处理电路、处理器系统和输出信号驱动电
路。

图4 电控系统硬件组成框图
Fig.4 Hardware structur e of electro nic control system
采用磁电式转速传感器,转速信号的采集由单
片机的TPU 定时中断完成;油压传感器输出的模拟信号经滤波及隔离处理送往单片机的A/D 输入引脚;TPU 时间处理单元产生PWM 驱动信号用来驱动电磁阀。

2 3 离合器自适应控制模型
采用参考模型自适应控制,即将所要求的输出作为参考模型,并使控制器自动地适应所跟踪的参考模型[4]。

控制系统对涡轮轴转速和输出轴转速进行实时采集,通过处理计算,与存储在存储器中的参考模型进行比较,调整电磁阀的调压占空比,实现油压的闭环控制。

图5
为离合器自适应控制模型。

图5 离合器自适应控制模型结构图
Fig.5 Structure o f adaptive control model o f clutch
基于转速信号的离合器自适应控制系统包括2
个回路,即离合器控制回路和自适应回路。

离合器控制回路包括控制器和离合器,控制器根据涡轮轴转速、输出轴转速、目标挡位和控制算法的计算结果实施对离合器的结合控制。

而自适应回路包括参考模型,它根据参考模型的输出值与实测值的比较结果,通过自适应计算调节控制器的输出值,即控制离合器的油压变化。

2 4 控制策略的应用
图6为1挡升2挡过程试验曲线,曲线从上到下依次代表:变速箱传动比i 、C1/C2的充放油压力、控制C2的电磁阀占空比和涡轮轴转速n T 。

结
40农 业 机 械 学 报 2008年
合图6分析升挡过程换挡品质控制策略的具体运
用。

图6 升挡过程参数关系曲线(充放油重叠时间合适)Fig.6 Curves of the up shift process (proper overlap
of the o il filling )
在时刻A 之前,处在低挡阶段,A 到B 之间,驱
动C2的电磁阀占空比为100%,这段时间 1被称作容积率[5],是为了使离合器活塞开始移动,即消除空行程。

1是根据C2离合器油缸的具体参数来确定的,在换挡过程中, 1是固定的。

t 1时刻以后,油压信号开始响应电信号,进入扭矩相阶段。

同时,在B 时刻,控制C1的电磁阀完全关闭,C1开始放油。

在AB 之间控制C1的电磁阀是完全打开的,这一阶段是两换挡离合器充放油重叠阶段,这段重叠时间严格按照换挡搭接控制原则,即在扭矩相结束时刻,满足M C 1=0。

C1油压值由1 5MPa 左右降到了0 8MPa 左右,是由于在C2自由行程过程中,主油压会降低,C1的油压值也被拉低,但由于C1有一定的力矩储备系数,C1仍处在结合的状态。

在这一阶段,无须控制C1电磁阀的占空比减小就实现了C1油压值的减小,简化了控制过程。

B 时刻之后,占空比由100%减小至40%,并保持不变,当ECU 检测到涡轮转速n T 开始减小时,进入离合器结合的闭环控制CD 阶段,即惯性相阶段。

在这个过程,控制策略又分为2个阶段:在惯性相起始阶段,ECU 通过检测 n T ( n T =n T -n T l ,其中n T 为当前涡轮轴转速值,n T l 为10ms 前涡轮轴转速值)的大小,对C2电磁阀的占空比进行调节,控制C2的缓冲充油过程,从而实施对涡轮转速的控制;当C2接近同步时,即接近惯性相的末阶段时,由于离合器的扭矩储备系数较大,传递力矩将由摩擦力矩转为负载扭矩,会出现传递力矩值的阶跃
变化,所以控制策略转为根据C2同步转速差的减小值 (n T -n s i g )( (n T -n s i g )=(n T -n s i g )-(n Tl -n sl i g ))的大小来进行占空比的控制,这个阶段一直持续到离合器同步为止。

图7 控制策略框图
F ig.7 Block diag ram of contro l strategy
当涡轮转速等于输出轴转速乘以相应的传动比(即同步转速)时,给予电磁阀100%占空比,并保持 2,即DE 阶段,让离合器完全结合,进入高挡阶段,E 时刻以后,电磁阀转为高频控制,保持完全开启状态,完成了升挡过程,直到下一次换挡开始。

控制策略框图如图7所示。

3 相同充放油重叠时间对3次不同换挡过
程的影响
图6、图8~9所示的3次换挡过程,两离合器的充放油重叠时间是一致的,即图中的AB 阶段。

但由于是不同挡位之间的更换,这段重叠时间对3次换挡过程的效果是不同的。

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第2期 王娟等:液力机械自动变速器换挡品质控制方法
图8 升挡过程参数关系曲线(充、放油重叠时间不足)
Fig.8 Inadequate overlap of the oil filling
图9 升挡过程参数关系曲线(充、放油重叠时间过长)
F ig.9 Excessive overlap of the o il filling
图8所示是5挡升6挡的过程,两换挡离合器
充放油重叠时间(AB 阶段)对于这次升挡过程是不够的,C2油压在扭矩相结束时刻所传递扭矩M C2不足以克服行驶阻力,造成传递动力的部分中断,在扭矩相结束的t 2时刻,涡轮轴转速n T 突增,导致在惯
性相阶段,离合器需要1 1s 的时间才能同步,使离合器滑磨功增大,不利于换挡。

图9所示是3挡升4挡的过程,对于这次换挡过程,充放油重叠时间过长,C2的油压在扭矩相上升较快,所传递的扭矩M C2超过了行驶阻力,换挡离合器C1将传递部分反向扭矩,形成部分功率循环,出现短暂的 挂双挡 现象,对涡轮轴造成制动作用,致使n T 值下降太快,在惯性相阶段,离合器只用了0 2s 的时间就达到同步,造成明显的换挡冲击。

而图6所示为1挡升2挡的过程,重叠时间满足升挡过程结合元件搭接控制原则,既避免了出现换挡过程中的动力中断现象,又减少了由于部分功
率循环所造成的动力损失。

在惯性相阶段,离合器
同步时间0 6s ,涡轮轴转速n T 和传动比i 的值平滑过渡,乘员主观感觉换挡冲击较小,离合器滑磨功不大,从而保证了较好的换挡品质和较小的离合器磨损。

4 结论
(1)建立了某液力自动变速箱换挡过程的简化动力学模型,应用模型对换挡过程的扭矩相和惯性相的特性进行了分析,推导出在换挡过程各阶段变速箱输出轴扭矩的变化特性。

(2)根据换挡过程结合元件的搭接控制原则,阐明了换挡过程的控制策略:对搭接时序进行控制,减小扭矩相的冲击以及避免动力中断的出现;通过对电磁阀驱动信号占空比大小的实时闭环调节,对
换挡离合器充油阶段进行缓冲控制,从而使换挡过
程平稳无冲击。

(3)对换挡品质控制策略进行了实车验证,结合一次典型升挡过程对换挡离合器的充放油控制过程进行了分析,验证了控制策略的合理性和可行性。

(4)对比充放油重叠过少和过多两种情况下的换挡过程曲线,进一步阐明了合适的换挡重叠对保证较好的换挡品质有重要的意义。

参
考
文
献
1 丁华荣.车辆自动换挡[M ].北京:北京理工大学出版社,1992.
2 朱经昌,孙传文,魏宸官.车辆液力传动:上册[M ].北京:国防工业出版社,1982.
3 李兴华,何国旗,焦建雄,等.自动变速器换挡品质及其控制[J].机械传动,2004,28(3):63~66.
4 李士勇.模糊控制、神经控制和智能控制论[M ].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1998.
5 深圳市艾里逊实业有限公司技术部.艾里逊自动变速箱M D/HD/B/T /M H 系列工作原理[M ].通用汽车公司,2001.
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