李軍求 陳建文 王宜河 王義政

摘要：針對(duì)裝配組合式離合器的兩擋行星變速器電動(dòng)車(chē)輛的換擋問(wèn)題，建立了換擋過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型，選取沖擊度和滑摩功作為綜合控制目標(biāo)，考慮換擋過(guò)程驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和變速器輸出端阻力矩的變化，建立組合式離合器摩擦轉(zhuǎn)矩線(xiàn)性二次型最優(yōu)控制模型，得到油壓最優(yōu)控制軌跡.選取電機(jī)不同油門(mén)開(kāi)度和路面坡道工況，仿真分析了兩擋行星變速箱降擋的控制過(guò)程.結(jié)果表明，所得到的最優(yōu)軌跡可以有效提高車(chē)輛的換擋品質(zhì)，且換擋品質(zhì)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化較變速器輸出端阻力矩的變化更為敏感.

關(guān)鍵詞：電動(dòng)車(chē)輛；組合式離合器；動(dòng)力學(xué)模型；線(xiàn)性二次型最優(yōu)控制；換擋品質(zhì)

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-2974（2016）02-0022-06

離合器換擋具有高效率、可靈活控制等特點(diǎn)，在車(chē)輛上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1].換擋過(guò)程中應(yīng)控制換擋沖擊和滑摩功，兩者均受離合器摩擦轉(zhuǎn)矩影響，在離合器幾何結(jié)構(gòu)一定時(shí)，摩擦轉(zhuǎn)矩由油壓特性決定.因此離合器油壓特性研究對(duì)改善換擋品質(zhì)有重要意義.

最優(yōu)控制理論在換擋品質(zhì)優(yōu)化中得到了廣泛應(yīng)用[2-7]，其中線(xiàn)性二次型、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、粒子群、模糊控制等算法對(duì)于改善變速箱離合器結(jié)合過(guò)程中沖擊度和滑摩功都取得了良好的應(yīng)用效果，其中較為典型的是豐田公司A350E自動(dòng)變速器，采用線(xiàn)性二次型最優(yōu)伺服控制器實(shí)現(xiàn)兩個(gè)制動(dòng)器轉(zhuǎn)速同步控制，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值，尤其是電動(dòng)汽車(chē)在換擋過(guò)程中驅(qū)動(dòng)電機(jī)相比發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速更為迅速，效果更為顯著.本文針對(duì)電動(dòng)車(chē)輛組合式離合器換擋的兩擋變速器，對(duì)降擋過(guò)程進(jìn)行分析，利用線(xiàn)性二次型最優(yōu)控制理論獲得不同坡度下離合器油壓最優(yōu)控制軌跡，使車(chē)輛獲得良好的換擋品質(zhì).

1系統(tǒng)組成及工作原理

變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案如圖1所示，由電機(jī)與兩檔行星自動(dòng)變速箱組成，其中離合器C和制動(dòng)器B為組合式離合器，完成高低擋切換，由單一液壓油缸、回位彈簧和換擋閥完成操控，結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)離合器、制動(dòng)器聯(lián)動(dòng)控制，油壓直接作用對(duì)象為液壓油缸活塞.

降擋時(shí)，換擋閥充油油路打開(kāi)，液壓油缸充油，控制油壓增大，推動(dòng)油缸活塞使得離合器C分離，經(jīng)過(guò)短時(shí)的自由階段（離合器和制動(dòng)器均處于分離）后，油缸活塞壓緊制動(dòng)器摩擦片，制動(dòng)器接合，使兩擋行星變速器處于低擋狀態(tài)，傳動(dòng)比為1+k，k為齒圈齒數(shù)與太陽(yáng)輪齒數(shù)之比.升擋時(shí)，換擋閥泄油油路打開(kāi)，制動(dòng)器油缸卸油，控制油壓下降，在回位彈簧的作用下，制動(dòng)器分離，經(jīng)過(guò)短時(shí)自由階段，油缸活塞壓緊離合器摩擦片離合器接合，使兩擋行星變速器處于高擋狀態(tài)，傳動(dòng)比為1.

2組合式離合器換擋動(dòng)力學(xué)模型

忽略變速箱中軸、軸承及齒輪嚙合的彈性與阻尼，將各元件視為剛性無(wú)阻尼慣性元件，并以集中質(zhì)量形式表示，這些簡(jiǎn)化對(duì)換擋過(guò)程動(dòng)力學(xué)分析不會(huì)產(chǎn)生太大影響[8]，由此得到采用組合式離合器換擋的兩擋行星變速器動(dòng)力學(xué)模型如圖2所示.圖中，Tm為電機(jī)轉(zhuǎn)矩，Tf為變速器輸出端阻力矩，Tcl與Tbr分別為離合器與制動(dòng)器傳遞轉(zhuǎn)矩，J1為電機(jī)慣量， J2為整車(chē)平移質(zhì)量等效慣量，太陽(yáng)輪、齒圈、行星架和行星輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、轉(zhuǎn)速、質(zhì)量分別以下標(biāo)s，r，c，p加以區(qū)別.

3換擋品質(zhì)最優(yōu)控制模型

本文以上坡降擋工況為例，進(jìn)行換擋過(guò)程最優(yōu)控制，并假設(shè)換擋過(guò)程中變速器輸出端阻力矩保持定值，輸入端力矩由電機(jī)油門(mén)開(kāi)度確定.

3.1換擋綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建

離合器換擋過(guò)程主要有兩個(gè)控制指標(biāo)，即離合器結(jié)合平穩(wěn)和使用壽命，分別由沖擊度和滑摩功來(lái)評(píng)價(jià).換擋過(guò)程中沖擊度越大，車(chē)上乘員舒適性越差，此外過(guò)大的沖擊度對(duì)車(chē)輛傳動(dòng)系部件也會(huì)造成不良影響，因此需將沖擊度控制在一定范圍之內(nèi).沖擊度j定義為車(chē)輛縱向加速度的變化率，即：

換擋過(guò)程非常短暫，實(shí)際應(yīng)用將不同工況下最優(yōu)軌跡進(jìn)行函數(shù)擬合，擬合系數(shù)保存在車(chē)輛控制系統(tǒng)內(nèi)存.在線(xiàn)控制時(shí)，通過(guò)查表和插值獲得擬合系數(shù)，從而迅速得到最優(yōu)軌跡[9].

4仿真分析

車(chē)輛上坡時(shí)，當(dāng)車(chē)速降到一定數(shù)值（本文設(shè)定為25km/h）后開(kāi)始換擋.假設(shè)降擋時(shí)油門(mén)開(kāi)度保持不變，最優(yōu)控制時(shí)選取η=0.5.本文仿真對(duì)象為某電動(dòng)車(chē)輛，參數(shù)見(jiàn)表1.為了對(duì)比分析干擾矩陣對(duì)換擋品質(zhì)的影響，對(duì)不同油門(mén)開(kāi)度α、不同路面坡度i的最優(yōu)控制和無(wú)最優(yōu)控制工況進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖3-圖8所示.

無(wú)最優(yōu)控制的油壓變化如下：第一階段組合式離合器快速充油，使離合器C分離階段時(shí)間短，該階段出現(xiàn)第一個(gè)大沖擊度；第二階段油液推動(dòng)油缸活塞運(yùn)動(dòng)，離合器和制動(dòng)器均不傳遞轉(zhuǎn)矩，產(chǎn)生動(dòng)力中斷；第三階段為制動(dòng)器B滑摩啟動(dòng)狀態(tài)，這是瞬間過(guò)渡狀態(tài)，液壓油缸無(wú)體積變化，摩擦片貼合，壓力升高，開(kāi)始產(chǎn)生制動(dòng)器摩擦力矩，由于缸內(nèi)壓力升高，使摩擦力矩瞬間增大，過(guò)渡到滑磨階段，形成第二個(gè)大沖擊度；第四階段制動(dòng)器開(kāi)始滑摩，隨著油壓的升高，制動(dòng)器滑摩速度絕對(duì)值逐漸減小直至為0，在制動(dòng)器完全接合的瞬間，制動(dòng)器實(shí)際轉(zhuǎn)矩變?yōu)殪o摩擦力矩，使得出現(xiàn)第三個(gè)大沖擊度，如圖3和圖4所示.

組合式離合器在不加控制時(shí)活塞油壓完全由液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定，在不同油門(mén)開(kāi)度和路面坡度時(shí)油壓特性相同，如圖3中曲線(xiàn)1所示.因此，隨著油門(mén)開(kāi)度和路面坡度的增加，只能通過(guò)增加換擋時(shí)間來(lái)滿(mǎn)足換擋所需的摩擦力矩，并且油門(mén)開(kāi)度對(duì)換擋時(shí)間的影響更為顯著，如圖5所示.圖中曲線(xiàn)1為系統(tǒng)摩擦力矩儲(chǔ)備，即在系統(tǒng)最大油壓下的系統(tǒng)的儲(chǔ)備靜摩擦轉(zhuǎn)矩，在離合器分離階段前指離合器轉(zhuǎn)矩，在制動(dòng)器結(jié)合后指制動(dòng)器轉(zhuǎn)矩.由圖5可知，當(dāng)油門(mén)開(kāi)度和路面坡度改變時(shí)，系統(tǒng)摩擦轉(zhuǎn)矩均在摩擦力矩儲(chǔ)備范圍內(nèi).

通過(guò)對(duì)組合式離合器油壓進(jìn)行最優(yōu)控制，并通過(guò)合理調(diào)整離合器分離時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)不同工況下?lián)Q擋時(shí)間一致，如圖3中2，3，4所示曲線(xiàn).圖6中在控制滑摩功的同時(shí)，合理減小該階段的沖擊度，且將自由階段控制在極短時(shí)間內(nèi)，有效減小了換擋過(guò)程的動(dòng)力中斷，并消除了滑摩啟動(dòng)狀態(tài)，這使得在組合式離合器進(jìn)入制動(dòng)接合階段時(shí)換擋平穩(wěn)性得到很大提升.在制動(dòng)器接合階段主從部分轉(zhuǎn)速差接近0時(shí)，調(diào)節(jié)油壓使得制動(dòng)器的實(shí)際傳遞轉(zhuǎn)矩接近于由動(dòng)力學(xué)模型決定的靜摩擦力矩，減小該瞬時(shí)的沖擊度.根據(jù)換擋時(shí)摩擦元件的滑磨時(shí)間在0.5～1.5 s較為適宜[10]，圖7說(shuō)明了通過(guò)油壓合理控制，各工況下?lián)Q擋時(shí)間控制為0.63 s，最大的沖擊度為6.3 m/s3，滿(mǎn)足沖擊度控制標(biāo)準(zhǔn)j<10 m/s3.圖8進(jìn)一步說(shuō)明了在離合器分離和制動(dòng)器結(jié)合階段，通過(guò)最優(yōu)控制電機(jī)和齒圈轉(zhuǎn)速變化更為平緩.

降擋過(guò)程中各種情況下滑摩功和沖擊度見(jiàn)表2.

表2進(jìn)一步說(shuō)明：油門(mén)開(kāi)度和道路坡度相同時(shí)，最優(yōu)控制時(shí)的沖擊度和滑摩功均小于無(wú)控制情況，且上述2種情況下沖擊度和滑摩功都隨電機(jī)轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增加而增大，其中負(fù)載阻力增大時(shí)，即坡度從5%變化為10%而油門(mén)開(kāi)度都維持50%，最大沖擊度增加相對(duì)量較小，其中無(wú)控制時(shí)最大沖擊度從49.6 m/s3增加到62 m/s3，最優(yōu)控制時(shí)從3.3 m/s3增加到了3.8 m/s3，變化范圍為15%～25%；但是電機(jī)轉(zhuǎn)矩增大時(shí)，即油門(mén)開(kāi)度從50%增加到80%而坡度都維持10%，無(wú)控制時(shí)最大沖擊度從62 m/s3增加到105.4 m/s3，有最優(yōu)控制時(shí)從3.8 m/s3變?yōu)?.3 m/s3，變化范圍為65%～70%，且滑摩功變化不明顯，沖擊度對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化更為敏感，其依據(jù)是降擋時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化通過(guò)變速箱減速增扭作用擴(kuò)大了1+k倍，因此對(duì)沖擊度影響更為顯著.

5結(jié)論

1）系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)控制時(shí)，通過(guò)調(diào)整油壓變化和換擋時(shí)間，有效地控制了系統(tǒng)沖擊度，同時(shí)降低了換擋滑摩功.這使沖擊度和滑摩功得到了較好的平衡，有效地提高了換擋品質(zhì)，為解決自動(dòng)變速器的換擋控制問(wèn)題提供了一種有效方法.

2）在考慮干擾矩陣的情況下，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和路面坡度改變時(shí)，滑摩功變化很小，但是沖擊度變化明顯，且對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化更加敏感.電機(jī)轉(zhuǎn)矩較大時(shí)，沖擊度和滑摩功較大.

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