萬國強，黃英，張付軍，李騫，左哲

(北京理工大學 機械與車輛學院，北京100081)

0 引言

車輛的動力性、經(jīng)濟性和舒適性一直是人們追求的目標。液力自動變速器以其優(yōu)越的性能和成熟的技術在高級車輛、工程機械和軍用車輛中占據(jù)一席之地。傳統(tǒng)的液力自動變速器一般要使用若干個單向離合器，以改善換擋品質。而現(xiàn)在的液力自動變速器則趨向于取消單向離合器，直接通過對離合器－離合器(制動器)的操作來實現(xiàn)換擋［1－5］。這就對控制提出了更高的要求。為了能夠與傳統(tǒng)的液力自動變速器在競爭中立于不敗之地，離合器—離合器式液力自動變速器就需要通過精確地協(xié)調控制待分離離合器和待接合離合器的動作，達到與傳統(tǒng)單向離合器式液力自動變速器相同的換擋品質［4－9］。

自動變速器的電控系統(tǒng)開發(fā)過程包括硬件開發(fā)、軟件開發(fā)和參數(shù)標定三個階段。參數(shù)標定是根據(jù)不同的性能要求，調整和優(yōu)化電控系統(tǒng)控制參數(shù)的過程。參數(shù)標定過程是實現(xiàn)控制策略，優(yōu)化控制品質的關鍵環(huán)節(jié)。由于電控系統(tǒng)標定方法和標定流程屬于電控系統(tǒng)開發(fā)過程的核心技術，幾乎所有的國外汽車公司和研發(fā)機構都在國外進行參數(shù)標定工作，而對國內采取嚴格的保密措施，所以開展電控系統(tǒng)標定方法和標定流程的研究對于促進國內汽車行業(yè)的發(fā)展和技術進步具有重要意義。本文針對換擋品質評價指標，結合Allison 2000 自動變速器的特點，制定了換擋過程開環(huán)控制策略，開展了離合器—離合器式液力自動變速器換擋過程控制參數(shù)標定方法研究。

1 換擋品質評價指標

目前換擋品質評價指標主要包括:

1)沖擊度(j):沖擊度定義為車輛縱向加速度的變化率，即

式中:a 為車輛行駛縱向加速度;r 為車輪半徑;if為主傳動比;To為變速器輸出軸轉矩;Tv為等效至變速器輸出軸的滾動阻力矩、空氣阻力矩、坡道阻力矩之和;Iv為等效至變速器輸出軸的車輪及整車等效轉動慣量。

由(1)式可以看出，沖擊度是由于輸出軸的轉矩波動引起的，與輸出軸轉矩的變化率成正比。

2)滑摩功(Wc)

式中:ts，tf為換擋開始和換擋結束時間;Tc為離合器傳遞的摩擦轉矩;ω1，ω2為摩擦元件主、從動片的角速度。

離合器的接合、分離過程產(chǎn)生滑摩功并轉化為熱，使摩擦元件的溫度升高，使摩擦元件的工作條件變差，加劇磨損，使摩擦元件壽命降低。

3)換擋時間(t)

式中:t1為填充相時間;t2為轉矩相時間;t3為慣性相時間。

2 開環(huán)控制策略

2.1 離合器控制油壓變化特性

待接合離合器控制油壓變化過程一般分為五個階段，如圖1所示

1)快速充油階段(0－1):在換擋開始初期，首先要對離合器容腔進行填充，直到容腔充滿，并且建立一定的油壓克服彈簧力，推動活塞動作消除摩擦片的間隙;

圖1 待接合離合器控制油壓變化過程示意圖Fig.1 Control pressure of oncoming clutch

2)緩慢升壓階段(1－2):快速充油階段完成之后，待接合離合器控制油壓緩慢上升，從而控制其傳遞的摩擦轉矩逐漸上升，一方面是為了保證動力換擋，另一方面是為了減小換擋沖擊;

3)調壓階段(2－3):該階段控制油壓將以一定的速率上升，從而控制待接合離合器傳遞的摩擦轉矩逐漸上升，使主、從動摩擦片盡快達到同步;

4)高壓保持階段(3－4):控制油壓保持待接合離合器完全接合，離合器從動摩擦變?yōu)殪o摩擦，該過程可能會產(chǎn)生尖峰載荷，造成換擋沖擊，所以該階段控制油壓需要降低或保持一段時間，本文采用保持控制油壓一段時間;

5)階躍升壓階段(4－5):為了保證離合器在傳遞轉矩過程中有一定的轉矩儲備，防止遇到突變載荷時離合器打滑，高壓保持段結束后離合器控制油壓提高至最大值。

待分離離合器控制油壓變化過程一般分為三個階段，如圖2所示。

圖2 待分離離合器控制油壓變化過程示意圖Fig.2 Control pressure of offgoing clutch

1)前快速泄壓階段(0－1):換擋開始后，待接合離合器開始填充過程的同時，待分離離合器開始快速泄壓，把離合器油壓降到一定值，為離合器分離做準備;

2)調壓階段(1－2):填充相結束后，進入調壓階段，該階段待分離離合器控制油壓以一定的速率減小，直至轉矩相結束;

3)后快速泄壓階段(2－3):當傳動比變化到當前擋位分離判斷點時，待分離離合器控制油壓迅速下降，使控制油壓以最快的速度下降為最小值。

2.2 換擋過程開環(huán)控制策略

本文以1－2 升擋過程為例，介紹換擋過程開環(huán)控制策略。綜合考慮Allison 2000 液力自動變速器的特點及待接合離合器和待分離離合器控制油壓變化特性制定的1－2 升擋過程控制策略如圖3所示。

圖3 1－2 升擋過程開環(huán)控制策略Fig.3 Control strategy for 1－2 upshift process

1－2 升擋過程，待分離離合器由A 閥控制，A 閥為常閉閥;待接合離合器由B 閥控制，B 閥為常開閥。A 閥通電時離合器放油;斷電時離合器充油。B 閥剛好相反，通電時離合器充油，斷電時離合器放油。電磁閥A、B 是PPC(Pressure Proportional to Current)型電磁閥，即通過電磁閥的電流與控制油壓成正比。換擋過程通過改變控制信號的占空比(PWM)來控制電磁閥的電流，從而控制離合器的油壓。

在離合器結構參數(shù)一定的情況下，離合器傳遞轉矩的大小主要與摩擦系數(shù)、離合器控制油壓、彈簧預緊力有關。在某一擋位當摩擦系數(shù)一定時，能夠傳遞當前負載的最小離合器油壓對應的PWM 值，本文稱為PWM 臨界值。

由圖3可以看出，換擋過程開始后，首先進入填充相。待接合離合器控制閥PWM 以最快的填充速率完成填充過程;待分離離合器控制閥PWM 則以PWM 臨界值保持低擋離合器接合，并為離合器分離做好準備。

填充相結束后，進入轉矩相。待分離離合器控制閥PWM 以一定的速率逐漸增大，使離合器控制油壓逐漸減小;待接合離合器控制閥PWM 以PWM臨界值保持不變，為進入慣性相做好準備。

當傳動比變化到低擋分離判斷點時，待分離離合器控制閥PWM 階躍為最大值，控制離合器迅速分離;待接合離合器控制閥PWM 以一定的速率逐漸上升，此時換擋過程進入慣性相。

當傳動比變化到高擋接合判斷點時，待接合離合器控制閥PWM 以某一定值保持一段時間，即高壓保持時間。經(jīng)過高壓保持階段后，待接合離合器控制閥PWM 階躍為最大值，換擋結束。

3 換擋過程標定方法

3.1 控制參數(shù)標定原則及臺架實驗條件確定方法

3.1.1 控制參數(shù)標定原則

顯然，換擋過程沖擊度和滑摩功兩個評價指標是互相矛盾的。換擋過程進行得迅速，就不可避免地產(chǎn)生較大的沖擊和動載;反之，如果換擋過程進行的緩慢，則摩擦元件的滑摩時間延長，滑摩功增加，磨損加劇。

所以，在一般情況下，首先根據(jù)工程經(jīng)驗確定合適的換擋時間，使得換擋過程滿足滑摩功指標的要求。在取得這種折衷之后，通過進一步的標定控制參數(shù)，使換擋過程滿足沖擊度指標的要求。

本文把換擋時間分為轉矩相和慣性相兩部分，本文換擋過程控制參數(shù)標定原則就是在轉矩相和慣性相換擋時間分別滿足要求的前提下，優(yōu)化換擋過程沖擊度指標。

3.1.2 臺架實驗條件確定方法

對變速器輸出軸進行動力學分析得

其中，ωo為變速器輸出軸角速度。Iv大小根據(jù)下式確定，即

式中:Iw為所有車輪的轉動慣量，m 為整車質量。

由車輛動力學［12］得

式中:g 為重力加速度;f 為滾動阻力系數(shù);θ 為坡度角;Cd為空氣阻力系數(shù);A 為正面迎風面積;v 為車速。

換擋過程車速變化較小，如果忽略換擋過程坡道的變化，可以認為在換擋過程中Tv基本不變。所以利用動力傳動系統(tǒng)臺架進行換擋過程實驗研究，可以根據(jù)(4)式確定實驗臺架慣量加載系統(tǒng)所需要加載的慣量大小，根據(jù)(5)式確定測功機所需要加載的負載大小。

3.2 控制參數(shù)分析及標定方法

根據(jù)1－2 升擋過程開環(huán)控制策略，需要標定的控制參數(shù)有:PWM 初值、填充時間、填充速率、待分離離合器控制閥PWM 臨界值、待分離離合器控制閥PWM 上升速率、待接合離合器控制閥PWM 臨界值、待接合離合器控制閥PWM 上升速率、低擋分離判斷點、高擋接合判斷點和PWM 終值。

其中，PWM 初值、PWM 終值、低擋分離判斷點、高擋接合判斷點可以根據(jù)分析低擋(1 擋)和高擋(2擋)實驗數(shù)據(jù)進行確定。填充時間、填充速率則可以根據(jù)自動變速器控制油壓變化過程確定。這六個參數(shù)的標定不需要進行換擋操作就可以確定，屬于換擋過程控制參數(shù)預標定過程。

3.2.1 PWM 初值和PWM 終值

PWM 初值和PWM 終值對應低擋和高擋擋位穩(wěn)定狀態(tài)電磁閥的占空比值。本文所研究的Allison 2000 自動變速器PWM 初值在13%左右。PWM 終值是換擋結束后為了保證離合器傳遞轉矩時有一定的轉矩儲備，防止遇到突發(fā)載荷時離合器打滑，本文所研究的Allison 2000 自動變速器PWM 終值在60%左右。

3.2.2 填充時間和填充速率

進入換擋過程之后，待接合離合器進入填充相，由于離合器容腔是一定的，所以填充速率越快，填充時間就越短。一般情況下填充速率以最大占空比進行填充，而填充時間根據(jù)不同擋位具體確定。

3.2.3 低擋分離判斷點和高擋接合判斷點

低擋分離判斷點是低擋離合器開始滑摩的判斷點，也是待接合離合器控制油壓緩慢升壓階段和調壓階段，以及待分離離合器調壓階段和后快速泄壓階段切換的判斷點。當傳動比變化到低擋分離判斷點時，控制程序就判斷進入慣性相，待分離離合器迅速分離，待接合離合器逐漸接合。考慮到低擋傳動比的波動，一般該值選擇盡量接近低擋傳動比，同時考慮傳動比的波動。

高擋接合判斷點是高擋離合器從滑摩狀態(tài)轉變?yōu)殪o摩擦狀態(tài)的判斷點。該值選擇標準與低擋分離判斷點相似，一般該值選擇盡量接近高擋傳動比，同時考慮傳動比的波動。

3.2.4 待分離離合器控制閥PWM 臨界值

進入換擋過程，待分離離合器控制閥PWM 從PWM 初值跳變到待分離離合器控制閥PWM 臨界值，目的是在保證低擋離合器不打滑的情況下，為低擋離合器進入轉矩相做好準備，減少換擋時間。保證低擋離合器不打滑的最小油壓對應的PWM 值就是待分離離合器控制閥PWM 臨界值。待分離離合器控制閥PWM 臨界值標定流程如圖4所示。

圖4 待分離離合器控制閥PWM 臨界值標定流程Fig.4 Calibration procedure for solenoid valve PWM threshold of offgoing clutch

3.2.5 待接合離合器控制閥PWM 臨界值

填充相完成后，待接合離合器進入緩慢升壓階段，等待待分離離合器分離。能夠傳遞當前負載的最小油壓對應的PWM 值就是待接合離合器控制閥PWM 臨界值。標定待接合離合器PWM 臨界值時，液力自動變速器采用動力中斷的換擋方式，標定流程如圖5所示。

圖5 待接合離合器PWM 臨界值標定流程Fig.5 Calibration procedure for solenoid valve PWM threshold of oncoming clutch

3.2.6 待分離離合器控制閥PWM 上升速率

填充相完成之后就進入了轉矩相，控制器通過待分離離合器控制閥PWM 上升速率控制轉矩相時間。待分離離合器控制閥PWM 上升速率標定原則是在轉矩相時間滿足要求的前提下，減小轉矩坑和沖擊度。標定待分離離合器控制閥PWM 上升速率時，液力自動變速器采用動力換擋方式，標定流程如圖6所示。

圖6 待分離離合器控制閥PWM 上升速率標定流程Fig.6 Calibration procedure for solenoid valve PWM rising rate of offgoing clutch

3.2.7 待接合離合器控制閥PWM 上升速率

當傳動比達到低擋分離判斷點，待接合離合器進入調壓階段，即慣性相滑摩階段?？刂破魍ㄟ^待接合離合器控制閥PWM 上升速率控制待結合離合器接合的速度。待接合離合器控制閥PWM 上升速率標定原則是待接合離合器滑摩時間，即慣性相時間，滿足要求的前提下，減小轉矩波動和沖擊度。標定待接合離合器控制閥PWM 上升速率時，液力自動變速器采用動力換擋方式，標定流程如圖7所示。

圖7 待接合離合器控制閥PWM 上升速率標定流程Fig.7 Calibration procedure for solenoid valve PWM rising rate of oncoming clutch

3.3 換擋過程控制參數(shù)標定流程

通過對換擋過程中需要標定的控制參數(shù)的分析，可以看出需要標定的參數(shù)較多，而且各個參數(shù)之間又相互關聯(lián)，只有通過合理的標定方法和標定流程確定的控制參數(shù)才可以保證換擋品質，減少換擋沖擊，縮短換擋時間。本文制定的標定流程如圖8所示。

圖8 控制參數(shù)標定流程Fig.8 Calibration procedure for gear shifting

4 實驗研究

4.1 實驗臺架介紹

在DEUTZ BF4M 1013 柴油機和Allison 2000 自動變速器臺架上進行了1－2 升擋過程控制參數(shù)標定方法實驗研究。轉矩儀為華欣機電HX－906 型轉矩信號耦合器，量程2 000 N·m，精度0.5%。測功機為洛陽南峰CW440 型電渦流測功機。慣量箱為ZL－GL20 慣量加載系統(tǒng)，可以加載慣量范圍為3～20 kg·m2.實驗臺架如圖9所示。

圖9 實驗臺架實物圖Fig.9 Test bench

4.2 實驗標定結果

利用第三部分介紹的標定方法和標定流程對自動變速器在不同負載下進行了1－2 升擋過程控制參數(shù)在線標定。標定結果如圖10、11 所示。

圖10 負載為100 N·m，1－2 升擋過程標定結果Fig.10 Experimental result of 1－2 upshift，with 100 N·m

從圖中可以看出:換擋過程填充時間約為100 ms，轉矩相約為300 ms，慣性相約為500 ms，整個換擋時間小于1 s;換擋過程轉矩相轉矩坑很小，慣性相和換擋結束轉矩峰值、轉矩波動較小，沖擊度小于2 g/s.

5 結論

圖11 負載為200 N·m，1－2 升擋過程標定結果Fig.11 Experimental result of 1－2 upshift，with 200 N·m

離合器－離合器式液力自動變速器為達到和傳統(tǒng)的單向離合器式液力自動變速器相同的換擋品質，需要制定合理的控制策略和采用合理的標定方法和標定流程。本文結合Allison 2000 液力自動變速器的特點及待接合離合器和待分離離合器的控制油壓變化特性，制定了換擋過程開環(huán)控制策略，詳細分析了需要標定的控制參數(shù)特點，確定了換擋過程控制參數(shù)標定方法和標定流程。

本文給出了通過臺架標定換擋過程的試驗條件確定方法，并在DEUTZ BF4M 1013 柴油機和Allison 2000 自動變速器臺架上進行了不同負載條件下1－2升擋過程標定方法實驗研究。實驗結果表明本文制定的液力自動變速器換擋過程控制參數(shù)標定方法和標定流程合理的考慮了換擋過程參數(shù)之間的相互影響關系，標定方法和標定流程具有較好的可操作性，在換擋時間滿足要求的前提下，有效地優(yōu)化了換擋過程沖擊度指標。

References)

［1］ Anna T，Govindswamy K，Wolter，et al.Aspects of shift quality with emphasis on powertrain integration and vehicle sensitivity［C］∥Traverse:SAE 2005 Noise and Vibration World Conference and Exhibition，2005.

［2］ Scherer H，Bek M and Kilian S.ZF new 8－speed automatic transmission 8HP70－basic design and hybridization［C］∥Detroit:SAE World Congress and Exhibition，2009.

［3］ Schang M，Whitton M，Webert D，et al.Gen2 GF6 transmission hardware and controls updates［C］∥Detroit:SAE World Congress and Exhibition，2011.

［4］ Toshimichi M，Tatsuya O，Hiroshi K，et al.Smooth gear shift control technology for clutch－to－clutch shifting［C］∥Detroit:International Congress and Exposition，1999.

［5］ Shushan B，Robert L M，Todd S，et al.Development of a new clutch－to－clutch shift control technology［C］∥Detroit:SAE 2002 World Congress and Exhibition，2002.

［6］ Albert Y，Pramod K，Kumar H.Randomized algorithms for openloop control of clutch－to－clutch transmissions［J］.Transactions of ASME，1999，121(3):508－517.

［7］ John E.M，Steven P.M，Matthew D.W，et al.Clutch－to－Clutch Transmission Control Strategy ［C］∥Detroit:2007 World Congress，2007.

［8］ Wentao S，Huiyan C.Research on control strategy of shifting progress［C］∥Shanghai:2008 SAE International Powertrains，F(xiàn)uels and Lubricants Congress，2008.

［9］ 李騫.Clutch－to－clutch 自動變速器換擋控制策略及實驗研究［D］.北京:北京理工大學，2010:12－14.LI Qian.The research of shift strategy and experiment study on clutch－to－clutch automatic transmission［D］.Beijing:Beijing Institute of Technology，2010:12－14.(in Chinese)

［10］ Shushan B，Daniel B，Don D，et al.Integrated powertrain control［C］∥Detroit:SAE World Congress and Exhibition，2010.

［11］ Gao B，Chen H，Sanada K，et al.Design of clutch－slip controller for automatic transmission using backstepping［J］.IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2011，16:498－508.

［12］ 余志生.汽車理論［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006:7－18.YU Zhi－sheng.Automobile theory［M］.Beijing:China Machine Press，2006:7－18.(in Chinese)