王爾烈,陶 剛,陳 凱,陳慧巖
(1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,南京 210094; 2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院,北京 100081)
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2015222
自動(dòng)變速器動(dòng)力降擋過(guò)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(xué)機(jī)械工程學(xué)院,南京 210094; 2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院,北京 100081)
雖然大多數(shù)車(chē)輛實(shí)際行駛時(shí)降擋過(guò)程中變速器的正向驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩很小或?yàn)榱?,但?dāng)重型車(chē)滿載爬坡時(shí),往往須要進(jìn)行動(dòng)力降擋,為此,本文中對(duì)重型車(chē)動(dòng)力不中斷降擋控制進(jìn)行研究。首先,建立動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)模型,對(duì)降擋過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析,提出自動(dòng)變速器動(dòng)力降擋過(guò)程控制方法;接著,以慣性相時(shí)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(jìn)行滿載爬坡實(shí)車(chē)試驗(yàn)。結(jié)果表明,動(dòng)力降擋過(guò)程控制能有效提高換擋品質(zhì)和車(chē)輛駕駛性能。
自動(dòng)變速器;動(dòng)力降擋;動(dòng)力學(xué)建模;自適應(yīng)控制
自動(dòng)變速器(automatic transmission, AT)的應(yīng)用能有效提高重型車(chē)輛勞動(dòng)生產(chǎn)效率、降低駕駛員的工作強(qiáng)度,其控制品質(zhì)對(duì)于提高整車(chē)可靠性、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放水平、安全性、機(jī)動(dòng)性和舒適性等有重要意義。近年來(lái),AT不僅在結(jié)構(gòu)上獲得巨大進(jìn)步[1-2],先進(jìn)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(dòng)系統(tǒng)協(xié)同控制[8]等也相繼成功應(yīng)用。隨著機(jī)、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(zhǎng)足發(fā)展,并繼續(xù)牢牢占據(jù)其在車(chē)輛傳動(dòng)領(lǐng)域的統(tǒng)治地位[1-2,9]。
自動(dòng)變速控制包括換擋規(guī)律控制和換擋過(guò)程控制,換擋規(guī)律是指車(chē)輛換擋決策隨控制參數(shù)變化的規(guī)律;換擋過(guò)程控制研究的是如何快速平順實(shí)現(xiàn)擋位更替。與其他變速器相比,AT的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)就是換擋過(guò)程動(dòng)力不中斷,即“動(dòng)力換擋”。目前,AT換擋過(guò)程研究大多集中于動(dòng)力升擋過(guò)程的研究[3-12],關(guān)于重型車(chē)輛動(dòng)力降擋過(guò)程控制的研究則很少。一般情況下,車(chē)輛降擋過(guò)程油門(mén)開(kāi)度很小或?yàn)?,因此正向轉(zhuǎn)矩(發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩至驅(qū)動(dòng)輪)很小或者沒(méi)有正向轉(zhuǎn)矩傳遞,因而很少存在動(dòng)力性降擋,然而實(shí)際上當(dāng)重型車(chē)輛滿載爬坡時(shí),這種情況則較為常見(jiàn),當(dāng)車(chē)輛驅(qū)動(dòng)力矩不足以克服所受阻力矩時(shí)經(jīng)常需要降擋,此時(shí)變速器需保證正向動(dòng)力傳遞,從而提高車(chē)輛行駛過(guò)程的動(dòng)力性和安全性。本文中首先建立搭載行星自動(dòng)變速器的車(chē)輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)模型,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行AT動(dòng)力降擋過(guò)程的動(dòng)力學(xué)分析、研究和控制實(shí)踐,最后進(jìn)行實(shí)車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證。
研究對(duì)象為搭載大功率AT的重型車(chē)輛,采用大功率全程調(diào)速柴油機(jī)作為動(dòng)力源,試驗(yàn)自動(dòng)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(jìn)行,結(jié)合實(shí)際情況,首先作出如下假設(shè):(1)忽略發(fā)動(dòng)機(jī)和軸的扭振對(duì)系統(tǒng)造成的影響;(2)換擋過(guò)程中車(chē)輛所受阻力矩保持不變;(3)假設(shè)車(chē)輪是純滾動(dòng);(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(rùn)滑和密封造成的影響;(8)齒輪嚙合無(wú)相對(duì)滑動(dòng)、無(wú)變形。
基于上述假設(shè),分別建立車(chē)輛傳動(dòng)系各部件動(dòng)力學(xué)模型。
1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)-變矩器模型的匹配
發(fā)動(dòng)機(jī)和變矩器一般采用穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(dòng)機(jī)、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(dòng)機(jī)-泵輪慣量;α為發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)開(kāi)度;θe和θt分別為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸和變矩器渦輪軸的角位移。
發(fā)動(dòng)機(jī)和變矩器匹配后形成新的動(dòng)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(guò)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(duì)更難。低擋在擋時(shí),C1離合器保持接合,換擋過(guò)程中兩個(gè)制動(dòng)器(B1和B2,下面統(tǒng)稱(chēng)為換擋離合器)交替工作,其中一個(gè)分離,另一個(gè)接合,因此,變速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。
變速器動(dòng)力學(xué)模型為
(2)
其中:
式中:λ為行星盤(pán)齒圈齒數(shù)與太陽(yáng)輪齒數(shù)之比,下標(biāo)P1和P2分別表示行星盤(pán);I為構(gòu)件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,下標(biāo)SS,CR,R,C分別表示太陽(yáng)輪、P1行星架-P2齒圈、P1齒圈、P2行星架;T為轉(zhuǎn)矩,下標(biāo)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(dòng)慣量。
1.3 離合器模型
換擋離合器是改變功率傳動(dòng)路線的工具,離合器傳遞的動(dòng)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(kāi)關(guān)電磁閥作為先導(dǎo)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(guò)程中可對(duì)動(dòng)作離合器的搭接時(shí)序以及調(diào)壓過(guò)程進(jìn)行精確控制。
電磁閥占空比-離合器油壓標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示,為便于分析,對(duì)油壓進(jìn)行歸一化處理。
降擋過(guò)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(duì)降擋過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析,并據(jù)此進(jìn)行降擋過(guò)程的控制策略設(shè)計(jì)。
2.1 原擋在擋
原擋在擋時(shí),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(dāng)前擋速比及變速器慣量。
2.2 目標(biāo)擋在擋
目標(biāo)擋在擋時(shí),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(biāo)擋速比及變速器慣量。
2.3 降擋慣性相
AT換擋過(guò)程一般可分為原擋、轉(zhuǎn)矩相、慣性相和目標(biāo)擋,轉(zhuǎn)矩相和慣性相的順序與變速器結(jié)構(gòu)、升降擋動(dòng)作和動(dòng)力傳遞方向有關(guān)。在該動(dòng)力降擋過(guò)程中,慣性相在前,轉(zhuǎn)矩相在后。
當(dāng)滿足降擋條件時(shí),TCU發(fā)出換擋指令,變速器首先進(jìn)入空行程階段,油壓驅(qū)動(dòng)離合器活塞消除空行程,該階段結(jié)束時(shí)充油離合器的摩擦片貼合而沒(méi)有摩擦轉(zhuǎn)矩傳遞。此后,變速器進(jìn)入降擋慣性相控制環(huán)節(jié)。為實(shí)現(xiàn)動(dòng)力降擋,慣性相期間通過(guò)控制放油離合器滑摩實(shí)現(xiàn)降擋過(guò)程速比過(guò)渡,即慣性相充油離合器只貼合而不傳遞轉(zhuǎn)矩,通過(guò)控制放油離合器分離,其動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩不斷減小,當(dāng)速比更替完成、充油離合器轉(zhuǎn)速趨于同步時(shí),如果此時(shí)立即進(jìn)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(shí),放油離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩則隨之增長(zhǎng),然而,放油離合器須不斷放油直至完成分離,故降擋過(guò)程無(wú)法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩連續(xù)搭接,即存在動(dòng)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(shí)充油離合器主從動(dòng)片之間的滑摩角速度(因從動(dòng)片角速度為0,該滑摩角速度即為主動(dòng)片角速度)變向后絕對(duì)值增大,此時(shí)慣性相結(jié)束,因其滑摩角速度為負(fù)(定義渦輪軸角速度方向?yàn)檎?,充油離合器傳遞正向動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩,隨著充油離合器油壓的增長(zhǎng)和放油離合器油壓的繼續(xù)降低,實(shí)現(xiàn)兩者之間轉(zhuǎn)矩的交替,從而消除換擋過(guò)程動(dòng)力中斷,當(dāng)充油離合器轉(zhuǎn)速再次同步時(shí),這時(shí)控制放油離合器徹底分離,同時(shí)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(dòng)力,B1出現(xiàn)滑摩,變速器自由度增加,速比向目標(biāo)擋過(guò)渡,此外,換擋過(guò)程車(chē)速變化很小,故在此不考慮變速器輸出角速度變化,降擋過(guò)程慣性相動(dòng)力學(xué)方程為
(9)
(10)
2.4 降擋轉(zhuǎn)矩相
當(dāng)速比交替完成后,變速器進(jìn)入降擋轉(zhuǎn)矩相控制環(huán)節(jié)。為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩搭接,此時(shí)充放油油壓須按一定的關(guān)系消長(zhǎng)。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(dòng)力學(xué)方程為
(11)
(12)
轉(zhuǎn)矩相持續(xù)時(shí)間較短,其間油門(mén)和渦輪軸角速度變化都很小,變速器輸入轉(zhuǎn)矩認(rèn)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(shí)現(xiàn)降擋過(guò)程動(dòng)力輸出連續(xù)。
綜上所述,正向動(dòng)力傳動(dòng)情況下動(dòng)力降擋過(guò)程分析如圖4所示。圖中貼合點(diǎn)指離合器摩擦片貼合而沒(méi)有摩擦轉(zhuǎn)矩傳遞的位置,臨界點(diǎn)是指離合器能傳遞當(dāng)前轉(zhuǎn)矩所需最小油壓對(duì)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(biāo)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(guò)程各階段離合器充放油油壓初始值根據(jù)上述建模及計(jì)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(jī)械磨損等對(duì)換擋過(guò)程控制會(huì)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)降擋過(guò)程中實(shí)際渦輪軸角速度的變化,并與EEPROM中存儲(chǔ)的參考模型進(jìn)行比較,從而調(diào)整電磁閥的調(diào)壓占空比,實(shí)現(xiàn)離合器油壓閉環(huán)自適應(yīng)控制。降擋過(guò)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(kāi)始和結(jié)束的判據(jù)。采用離合器角速度作為換擋過(guò)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(guò)程變速器輸入輸出角速度的變化,故能及時(shí)對(duì)相位切換做出準(zhǔn)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(lái)計(jì)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(shí)測(cè)值的比較結(jié)果,通過(guò)自適應(yīng)計(jì)算來(lái)調(diào)節(jié)控制器的PWM占空比輸出值,從而完成對(duì)受控離合器油壓的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。
為驗(yàn)證動(dòng)力降擋過(guò)程的控制策略,試驗(yàn)在搭載了全程調(diào)速柴油機(jī)和大功率多擋行星液力自動(dòng)變速器的某重型車(chē)輛上進(jìn)行。由于空載情況下車(chē)輛所受阻力矩不大,難以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力降擋,因此,試驗(yàn)時(shí)車(chē)輛滿載,并在山區(qū)道路進(jìn)行爬坡。圖6和圖7分別為動(dòng)力降擋過(guò)程控制和傳統(tǒng)動(dòng)力中斷降擋過(guò)程控制試驗(yàn)結(jié)果。
從圖6看出,為有別于常見(jiàn)的油門(mén)開(kāi)度為零的降擋,降擋過(guò)程中保持有一定的油門(mén)開(kāi)度,發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩百分比在32%左右,車(chē)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(biāo)擋。在空行程階段,放油離合器快速卸除儲(chǔ)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(kāi)始滑摩,渦輪軸角速度上升,此時(shí)充油離合器保持貼合但不傳遞轉(zhuǎn)矩,當(dāng)充油離合器角速度開(kāi)始反向、渦輪軸角速度出現(xiàn)一定超調(diào)時(shí),進(jìn)入轉(zhuǎn)矩相固定斜率充放油,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩銜接,當(dāng)放油離合器完全分離時(shí)降擋過(guò)程完成,充油離合器快速充油完成鎖止。動(dòng)力降擋過(guò)程變速器輸出軸角速度無(wú)明顯波動(dòng),表明動(dòng)力連續(xù)性較好。
從圖7看出,降擋過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩百分比保持在22%左右。空行程結(jié)束后,由階段①的油壓曲線可知(充油油壓過(guò)低,見(jiàn)圖中扁圓處),該過(guò)程沒(méi)有轉(zhuǎn)矩交替,渦輪軸角速度也沒(méi)有變化;此后的階段②渦輪軸角速度向目標(biāo)擋過(guò)渡,放油油壓迅速降低而充油油壓沒(méi)有及時(shí)升高,渦輪軸角速度快速飆升,沒(méi)有轉(zhuǎn)矩交替和離合器滑摩控制。該傳統(tǒng)非動(dòng)力降擋過(guò)程既不存在離合器滑摩過(guò)渡的“慣性相”,也沒(méi)有動(dòng)力搭接的“轉(zhuǎn)矩相”。換擋過(guò)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(dòng),由于動(dòng)力中斷時(shí)間較長(zhǎng)(超過(guò)0.2s),實(shí)際駕乘能體驗(yàn)到明顯的溜車(chē)感,為保證行車(chē)安全,換擋結(jié)束時(shí)駕駛員加大油門(mén)開(kāi)度提高動(dòng)力輸出以避免溜車(chē)事故,換擋過(guò)程沖擊度的峰-峰值(4.2g)也明顯大于動(dòng)力降擋過(guò)程沖擊度峰-峰值(3.1g)。
為提高換擋品質(zhì),改善重型車(chē)輛行駛動(dòng)力性和安全性,提出了自動(dòng)變速器動(dòng)力降擋過(guò)程控制辦法。建立動(dòng)力不中斷降擋過(guò)程模型,并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析,以渦輪軸角速度等斜率變化作為參考模型制定動(dòng)力降擋過(guò)程模型參考自適應(yīng)控制策略。最后進(jìn)行了實(shí)車(chē)滿載爬坡試驗(yàn),通過(guò)動(dòng)力降擋與傳統(tǒng)非動(dòng)力降擋試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證了動(dòng)力降擋過(guò)程控制的有效性。
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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(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA111713)和中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)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。