沈文臣,胡宇輝,席軍強(qiáng),陳慧巖

(1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081； 2.北京理工大學(xué)智能車輛研究所,北京 100081)

2016054

混合動力車輛自動機(jī)械變速器換擋過程分析與控制*

沈文臣,胡宇輝,席軍強(qiáng),陳慧巖

(1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081； 2.北京理工大學(xué)智能車輛研究所,北京 100081)

基于“虛擬離合器”技術(shù)的自動機(jī)械變速器換擋過程的關(guān)鍵是動力中斷過程中電機(jī)的主動同步與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的掛擋控制。通過對自動機(jī)械變速器中同步器的接合機(jī)理分析，提出一種基于電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的變速器輸入端主動同步方法，即通過電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出取代傳統(tǒng)同步器依靠換擋力產(chǎn)生的同步摩擦力矩來消除進(jìn)擋過程中同步器主從動部分的轉(zhuǎn)速差。試驗驗證的結(jié)果表明，基于電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的自動機(jī)械變速器換擋過程控制方法可以降低同步器的磨損，縮短動力中斷的時間，提高進(jìn)擋成功率與可靠性。

混合動力車輛；機(jī)械自動變速器；換擋過程；轉(zhuǎn)矩控制

前言

目前，石油短缺已成為最嚴(yán)重的世界性問題之一[1]；傳統(tǒng)車輛產(chǎn)生較多的溫室氣體很難滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)[2]。近年來，國內(nèi)外新能源汽車的蓬勃發(fā)展為解決上述問題提供了良好的手段，同時，也對新能源汽車零部件產(chǎn)業(yè)帶來新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)[3]?；旌蟿恿囕v作為新能源車輛中的一員，被公認(rèn)為現(xiàn)階段或不久的將來是傳統(tǒng)車輛最實際而高效的替代者。

單軸并聯(lián)混合動力汽車動力傳動系統(tǒng)比傳統(tǒng)汽車復(fù)雜，多種動力源的耦合對傳動系統(tǒng)的控制提出更高的要求。國內(nèi)外眾多研究人員對其廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[4]中提出基于電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的機(jī)械自動變速器不分離離合器換擋控制方法，可有效提高換擋品質(zhì)。文獻(xiàn)[5]中提出通過協(xié)調(diào)換擋過程中電機(jī)同步和機(jī)械同步來優(yōu)化換擋時間、保證換擋的魯棒性。文獻(xiàn)[6]中提出應(yīng)用于電動車輛無離合器換擋的優(yōu)化控制方法，包括模型參數(shù)識別、換擋過程中的轉(zhuǎn)速同步控制和換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運動控制。文獻(xiàn)[7]中基于遺傳算法優(yōu)化混合動力車輛的變速器速比和換擋控制策略，提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性、降低車輛的排放。文獻(xiàn)[8]中提出適用于插電式混合動力汽車的機(jī)械自動變速器動態(tài)協(xié)調(diào)控制方法。文獻(xiàn)[9]中提出在換擋過程中利用ISG電機(jī)的輔助作用的換擋品質(zhì)控制策略，減小了AMT的換擋沖擊，縮短動力中斷時間。文獻(xiàn)[10]中采用動力協(xié)調(diào)控制方法縮短換擋過程動力中斷時間、減小同步器和離合器的磨損，并通過實車試驗證明了該控制方法的有效性。總之，上述輔助換擋策略中，大部分都是利用電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制來縮短同步時間，降低同步器的磨損。但大量的試驗表明，轉(zhuǎn)速控制在某些未知情況下不足以保證變速器掛擋成功。

本文中對混合動力傳動系統(tǒng)中的自動機(jī)械變速器進(jìn)擋過程進(jìn)行研究，提出基于電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的掛擋策略，以降低換擋過程中同步器的磨損，縮短動力中斷的時間，提高掛擋成功率和可靠性。首先，介紹所研究的混合動力車輛機(jī)械自動變速器的換擋過程階段劃分；其次，對換擋過程中同步和掛擋階段進(jìn)行了詳細(xì)分析，闡述了同步器順利嚙合的機(jī)理；隨后，針對混合動力車輛機(jī)械自動變速器的結(jié)構(gòu)特點，提出基于電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的掛擋過程優(yōu)化控制方法；最后，通過實車試驗對提出的控制方法進(jìn)行驗證。

1 混合動力系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)介紹

本文中研究的混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，主要包括天然氣發(fā)動機(jī)、自動離合器、永磁同步電機(jī)、機(jī)械自動變速器、動力電池和各部件的控制系統(tǒng)。

圖1 混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 換擋過程

基于“虛擬離合器”技術(shù)的單軸并聯(lián)混合動力系統(tǒng)機(jī)械自動變速器換擋過程包含卸載、摘擋、同步、掛擋和轉(zhuǎn)矩恢復(fù)5個階段[11]，如圖2所示。其中，同步和掛擋階段主要是同步器的接合過程，涉及動力源與換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)控制。如果這一過程控制不當(dāng)，會導(dǎo)致掛擋失敗或掛擋時間過長，甚至導(dǎo)致同步器損壞。

圖2 機(jī)械自動變速器換擋過程(2擋升3擋)示意圖

2 同步和掛擋階段的分析

2.1 同步器結(jié)構(gòu)

常見的博格華納單錐面鎖環(huán)式同步器包括接合套、鎖環(huán)、接合齒圈、花鍵轂、滑塊和彈簧等主要部件。其裝配剖面圖和局部放大圖如圖3所示。

圖3 同步器系統(tǒng)裝配剖視圖與局部放大圖

2.2 同步器嚙合過程

同步器從中位鎖止位置到完全嚙合過程細(xì)化為以下7個階段。

2.2.1 第一次自由軸向運動

同步器處于空擋位置時，接合套在定位滑塊和彈簧的作用下保持中間位置。接合套在換擋力作用下，推動滑塊和鎖環(huán)向目標(biāo)擋位方向軸向運動，快速消除滑塊與鎖環(huán)、鎖環(huán)內(nèi)摩擦錐面與接合齒圈外摩擦錐面之間的間隙，如圖4中d1和d2。

圖4 同步器中位位置尺寸示意圖

此階段接合套在換擋力作用下的軸向位移為

D1=d1+d2sinα

(1)

式中α為鎖環(huán)內(nèi)摩擦錐角。

2.2.2 預(yù)同步階段

接合套在換擋力的作用下脫離定位滑塊，使接合套齒與鎖環(huán)齒相抵觸，保持正確的鎖止相位，如圖5所示。

圖5 鎖止位置結(jié)合齒相位關(guān)系圖

圖6 鎖環(huán)齒尺寸示意圖

接合套的軸向位移為

(2)

式中：d為鎖環(huán)齒的寬度；β為鎖環(huán)齒的角度，如圖6所示。

鎖環(huán)齒的寬度為

(3)

式中：dc為鎖環(huán)齒的平均有效直徑；n為鎖環(huán)的齒數(shù)。

2.2.3 轉(zhuǎn)速同步階段

接合套在換擋力的作用下有繼續(xù)做軸向運動的趨勢，壓迫鎖環(huán)使鎖環(huán)內(nèi)錐面與接合齒圈外錐面間產(chǎn)生同步摩擦力矩。同步器鎖環(huán)齒與接合套齒齒面接觸處于鎖止位置的示意圖如圖7所示。

圖7 同步器處于鎖止位置受力示意圖

在換擋力的作用下，鎖環(huán)齒受到接合套齒的擠壓，從而在接觸面處產(chǎn)生垂直于接觸面的法向正壓力FN和平行于接觸面的切向摩擦力FR。切向摩擦力與法向正壓力的關(guān)系為

FR=μs·FN

(4)

式中μs為接觸面的滑動摩擦因數(shù)。

作用于鎖環(huán)的撥環(huán)合力為

(5)

作用于鎖環(huán)的軸向壓緊合力為

(6)

因此由撥環(huán)合力Ft產(chǎn)生的撥環(huán)力矩Tt為

(7)

鎖環(huán)內(nèi)摩擦錐面在換擋力作用下產(chǎn)生的同步摩擦力矩Tf為

(8)

式中：j為摩擦面數(shù)；di為鎖環(huán)內(nèi)摩擦錐面有效直徑；μ為鎖環(huán)內(nèi)摩擦錐面滑動摩擦因數(shù)。

與傳統(tǒng)車輛相比，基于“虛擬離合器”技術(shù)的混合動力車輛換擋過程控制中同步器輸入端的慣量和內(nèi)部摩擦阻力矩大得多，因此單純依靠摩擦錐面產(chǎn)生的同步摩擦力矩來實現(xiàn)同步器主從動端轉(zhuǎn)速的一致，不僅無法保證換擋時間的要求，而且會導(dǎo)致同步器的磨損加劇。

通過對電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制使電機(jī)輸出一定的力矩(正向或負(fù)向)替代鎖環(huán)在換擋力作用下產(chǎn)生的同步摩擦力矩，解決混合動力系統(tǒng)換擋過程中同步器同步力矩不足的問題。電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制過程中同時配合執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運動控制。

2.2.4 同步完成撥環(huán)階段

同步完成撥環(huán)開始階段接合套齒、鎖環(huán)齒與接合齒圈齒的相位關(guān)系如圖5所示。

同步器主從動部分轉(zhuǎn)速一致以后，鎖環(huán)齒內(nèi)摩擦錐面與接合齒圈外摩擦錐面間的滑動摩擦力矩變?yōu)殪o摩擦力矩。此時，接合套齒繼續(xù)在軸向換擋力的作用下，撥動同步器從動端前進(jìn)或倒退半個齒寬的角度。

2.2.5 第二次自由軸向運動

撥環(huán)階段完成以后，接合套齒與鎖環(huán)齒不再抵觸，換擋力推動接合套繼續(xù)自由軸向運動，直至接合套齒與接合齒圈齒接觸。

2.2.6 二次沖擊階段

接合套齒穿越鎖環(huán)完成自由軸向運動以后，具有一定的軸向速度。在這一階段初始時刻，接合套齒與接合齒圈齒的相位關(guān)系如圖8所示。在圖8(a)所示接合套齒處于接合齒圈相鄰齒的正中間位置時，接合套在軸向運動過程中不會產(chǎn)生二次沖擊。在圖8(b)所示接合套齒與接合齒圈齒處于頂尖位置時，在同樣的換擋力作用下會產(chǎn)生最大的二次沖擊。圖8(c)為二次沖擊階段接合套齒與接合齒圈齒的一般相位關(guān)系，接合套同樣需要在換擋力的作用下?lián)軇幽繕?biāo)擋位齒輪前進(jìn)或后退半個齒寬的角度，以便順利進(jìn)入最后自由軸向運動階段。

圖8 二次沖擊初始階段接合套齒與錐齒間相位關(guān)系

2.2.7 最后自由軸向運動

這是同步器接合過程的最后一個階段。接合套在換擋力的作用下可以很容易地完成這一階段的自由軸向運動。

3 掛擋過程優(yōu)化控制

混合動力傳動系統(tǒng)利用對電機(jī)的主動控制來實現(xiàn)機(jī)械自動變速器換擋過程中同步和掛擋階段目標(biāo)擋位的嚙合是實現(xiàn)不分離離合器換擋的關(guān)鍵。目前這一控制過程中多采用電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，而轉(zhuǎn)速跟蹤控制的精度和動態(tài)響應(yīng)的時間難以保證同步器的順利嚙合。據(jù)此，本文中提出一種基于電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的機(jī)械自動變速器換擋過程優(yōu)化控制方法，其流程圖見圖9。

溝通和合作能力培養(yǎng)有待進(jìn)一步加強(qiáng) 班級授課形式注重講授，學(xué)生之間、學(xué)生與教師之間溝通交流機(jī)會少。模式化的教學(xué)實踐難以適應(yīng)學(xué)生個體差異性，學(xué)生之間的團(tuán)隊合作意識和溝通意愿不足；難以適應(yīng)創(chuàng)新型國家建設(shè)對勞動者團(tuán)隊精神、協(xié)作意識等創(chuàng)新能力的要求。

圖9 機(jī)械自動變速器換擋過程控制流程圖

3.1 掛擋過程電機(jī)轉(zhuǎn)速控制

采用電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的主動同步過程的一般流程如圖9(a)所示。

電機(jī)轉(zhuǎn)速控制模式由電機(jī)控制器內(nèi)部的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)閉環(huán)模塊實現(xiàn)，如圖10所示。由用戶發(fā)送給電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，控制器調(diào)節(jié)電機(jī)輸出一定力矩去跟蹤此目標(biāo)轉(zhuǎn)速。當(dāng)目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速存在一定偏差時，電機(jī)控制器會輸出一定的正負(fù)轉(zhuǎn)矩使其維持到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。實車測試過程中，傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速波動和CAN總線信號的傳輸延遲，導(dǎo)致電機(jī)的轉(zhuǎn)速跟蹤效果總是滯后于目標(biāo)轉(zhuǎn)速信號。這一微小的轉(zhuǎn)速信號偏差的存在，導(dǎo)致同步器主從動部分的轉(zhuǎn)速不一致而無法順利嚙合。

圖10 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制示意圖

3.2 掛擋過程電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制

換擋過程中電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的示意圖如圖11所示，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和精度要遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)速響應(yīng)。由TCU采集的變速器輸入軸轉(zhuǎn)速、輸出軸轉(zhuǎn)速和目標(biāo)擋位確定電機(jī)需要輸出的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩。

圖11 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制示意圖

電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的確定準(zhǔn)則為

(9)

式中：Δ為正數(shù)，取決于開始掛擋時刻電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的差值；nt為輸入軸目標(biāo)轉(zhuǎn)速；na為輸入軸當(dāng)前轉(zhuǎn)速；Tmax(ωm)和Tmin(ωm)分別為電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的最大和最小輸出轉(zhuǎn)矩。

Tsyn=Tt+Tf

(10)

式中Tt和Tf的符號與同步器主從動端的轉(zhuǎn)速差的符號一致。由于|Tsyn|≥|Tf|>|Tt|，在同步器主從動端未同步以前，同步器處于同步鎖止位置。同步完成以后，Tt>Tsyn=0，同步器主動端在由換擋力產(chǎn)生的撥環(huán)力矩Tt作用下，旋轉(zhuǎn)半個齒寬的角度，完成進(jìn)擋動作。

4 實車試驗驗證

基于電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的AMT換擋過程的驗證在一輛混合動力客車上進(jìn)行，如圖12所示。其關(guān)鍵零部件和AMT的參數(shù)如表1所示。

發(fā)動機(jī)額定輸出功率/kW(轉(zhuǎn)速/(r·min-1))最大輸出轉(zhuǎn)矩/(N·m)(轉(zhuǎn)速/(r·min-1))怠速轉(zhuǎn)速ne/(r·min-1)140(2500)650(1500)600永磁同步電機(jī)額定輸出功率/kW最大輸出轉(zhuǎn)矩/(N·m)基速Nm/(r·min-1)264201000氣動自動機(jī)械變速器1擋i12擋i23擋i34擋i45擋i56擋i6倒擋iR7.054.132.521.591.000.786.75自動離合器類型最大傳遞轉(zhuǎn)矩/(N·m)作動方式干式單片膜片彈簧750氣動

4.1 連續(xù)升擋試驗

該試驗工況為100%油門開度下，車輛由靜止起步持續(xù)加速至最高車速。其中變速器擋位由1擋連續(xù)升至6擋。具體試驗曲線由圖13所示，圖13(d)為2擋升3擋過程中電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的放大圖。由圖13(d)可見：2擋擋位脫開至空擋以后，TCU發(fā)送給電機(jī)的目標(biāo)制動轉(zhuǎn)矩為最大值，此階段電機(jī)的實際輸出轉(zhuǎn)矩受電機(jī)本身特性及電池供電的影響，只能輸出對應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速下的最大轉(zhuǎn)矩；當(dāng)變速器輸入軸轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的差值小于200r/min后，電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩值與轉(zhuǎn)速差成正比；當(dāng)轉(zhuǎn)速差小于20r/min以后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)開始施加換擋力促使3擋的同步器嚙合，完成2擋換3擋。整個換擋過程中動力中斷的持續(xù)時間為0.8s。

圖13 連續(xù)升擋試驗曲線

4.2 連續(xù)降擋試驗

該試驗工況為油門關(guān)閉，車輛由最高車速逐漸減速至靜止?fàn)顟B(tài)。其中變速器擋位由6擋連續(xù)降至1擋，具體試驗曲線由圖14所示。4擋降3擋過程中電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的放大圖如圖14(d)所示，由圖可見：4擋擋位脫開至空擋以后，TCU發(fā)送給電機(jī)的目標(biāo)輸出轉(zhuǎn)矩為最大值，隨著變速器輸入軸轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的差值逐步減小，電機(jī)的目標(biāo)輸出轉(zhuǎn)矩也逐步降低；4擋降3擋過程中，動力中斷的時間約為0.7s。

圖14 連續(xù)降擋試驗曲線

4.3 掛擋過程中電機(jī)控制的對比

混合動力客車機(jī)械自動變速器掛擋過程中電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的對比試驗如圖15所示。

圖15 4擋降3擋過程中電機(jī)轉(zhuǎn)速控制

由圖15(a)可見，摘空擋以后電機(jī)采用轉(zhuǎn)速控制調(diào)節(jié)變速器輸入軸主動跟蹤變速器輸出軸轉(zhuǎn)速，當(dāng)兩者的轉(zhuǎn)速差小于10r/min以后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)開始動作，使3擋的同步器完成接合。而在進(jìn)擋過程中，由于電機(jī)采用速度環(huán)控制，目標(biāo)轉(zhuǎn)速的微小變動導(dǎo)致電機(jī)輸出較大的轉(zhuǎn)矩來克服轉(zhuǎn)速的波動(圖15(b))。基于前述同步器的接合過程分析，電機(jī)輸出的這一轉(zhuǎn)矩有可能成為同步器前進(jìn)過程中的阻力，延長進(jìn)擋時間或?qū)е聮鞊跏?。從圖15(c)中可以看出，同步器完成接合的時間約為0.8s，比圖14中的0.6s長。因此，換擋過程中采用電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制，可使電機(jī)輸出可控的較小轉(zhuǎn)矩，以消除同步器主從動端的轉(zhuǎn)速差，順利完成進(jìn)擋操作。

5 結(jié)論

通過對傳統(tǒng)車輛機(jī)械自動變速器中同步器接合機(jī)理的分析，提出一種適用于混合動力車輛中電機(jī)輔助自動機(jī)械變速器換擋過程的轉(zhuǎn)矩控制方法。該方法不僅可以大大降低換擋過程中同步器的磨損，提高同步器的使用壽命；而且可以降低換擋過程中同步器主動端的同步時間，縮短動力中斷的時間。而且相比于目前混合動力系統(tǒng)中主動同步過程應(yīng)用較多的電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，基于電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的自動變速器掛擋成功率與可靠性更高。

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Analysis and Control of the Shifting Process of AMT in HEV

Shen Wenchen, Hu Yuhui, Xi Junqiang & Chen Huiyan

1.SchoolofMechanicalEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081;2.ResearchCenterofIntelligentVehicle,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081;

The keys to the shifting process of automatic mechanical transmission (AMT) based on “virtual clutch” technology are the active synchronization of motor and the shift-in control of actuator in the process of power interruption. Through an analysis on the engagement mechanism of AMT synchronizer, an active synchronization method of transmission input shaft based on motor torque control is proposed, in which the synchronous friction torque generated by shifting force in traditional synchronizer is replaced by motor output torque to eliminate the rotation speed difference between the driving and driven parts of synchronizer. Finally the results of verification test show that the AMT shifting control method based on motor torque control can reduce the wear of synchronizer, shorten the time of power interruption and enhance the success rate and reliability of up shifting.

hybrid electric bus; AMT; shifting process; torque control

*國家自然科學(xué)基金青年基金(51505029)資助。

原稿收到日期為2015年6月23日，修改稿收到日期為2015年8月31日。