王爾烈，陶剛，王廣華，朱敏，陳慧巖

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇，南京 210094； 2.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；3.內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古，包頭 014030)

?

基于品質(zhì)評(píng)價(jià)分析的AT換擋過程研究

王爾烈1，2，陶剛2，王廣華3，朱敏2，陳慧巖2

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇，南京 210094； 2.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；3.內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古，包頭 014030)

針對(duì)AT現(xiàn)有換擋過程控制缺乏品質(zhì)控制理論分析展開研究，建立AT換擋過程動(dòng)力學(xué)模型，以某重型越野車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用沖擊度和滑摩功分別對(duì)升擋過程轉(zhuǎn)矩相和慣性相進(jìn)行特性分析，指出轉(zhuǎn)矩相臨界時(shí)間MAP圖以及慣性相渦輪速度過渡“凹”曲線能改善換擋品質(zhì)，并制定相應(yīng)的控制策略. 仿真分析和實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了品質(zhì)特性分析的正確性，能夠有效改善換擋品質(zhì)，提高整車性能.

自動(dòng)變速器；換擋過程；沖擊度；滑摩功

平順而無動(dòng)力中斷的擋位過渡是液力自動(dòng)變速器(automatic transmission, AT)控制研究的重要內(nèi)容之一，包含離合器充放油銜接的定時(shí)控制和油壓的魯棒控制[1]. 關(guān)于AT換擋過程控制的研究很多，Liu等[2]采用滑模變結(jié)構(gòu)進(jìn)行換擋品質(zhì)控制，以渦輪速度等斜率變化作為慣性相控制的參考模型，對(duì)參數(shù)不確定性具有良好的魯棒性；Zheng等[3]通過試驗(yàn)標(biāo)定慣性相持續(xù)時(shí)間最優(yōu)值，渦輪軌跡為根據(jù)標(biāo)定獲得的斜坡變化信號(hào)；John等[4]慣性相采用渦輪速度等斜率變化控制策略；Gao等[5]在設(shè)計(jì)慣性相渦輪參考軌線時(shí)，主要考慮相位過渡處的沖擊和持續(xù)時(shí)間；Zhang等[6]認(rèn)為轉(zhuǎn)矩相時(shí)間越短，轉(zhuǎn)矩下降越小，從控制結(jié)果來看，慣性相速比變化曲線為先慢后快的“凸”曲線. 上述控制都沒有交代轉(zhuǎn)矩相持續(xù)時(shí)間依據(jù)，對(duì)渦輪速度參考模型也沒有給出嚴(yán)格證明. 由于現(xiàn)有研究的重點(diǎn)在于換擋過程控制，轉(zhuǎn)矩相的持續(xù)時(shí)間和慣性相的閉環(huán)控制參考對(duì)象都缺乏理論依據(jù)，且需要大量標(biāo)定[7]，因此，有必要研究基于換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)分析的離合器滑摩式換擋AT的理想換擋過程，從而進(jìn)一步改善車輛換擋品質(zhì).

1 變速器動(dòng)力學(xué)建模

試驗(yàn)自動(dòng)變速器含2個(gè)旋轉(zhuǎn)離合器、3個(gè)制動(dòng)器(統(tǒng)稱為離合器)，換擋時(shí)一個(gè)離合器保持接合、另外兩個(gè)離合器交替接合和分離，因此，變速器結(jié)構(gòu)可簡化如圖1所示.

根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)及輸入輸出轉(zhuǎn)矩關(guān)系的分析，同時(shí)考慮到變速器工作過程中系統(tǒng)總勢(shì)能不變，采用Lagrange方程建立變速器動(dòng)力學(xué)模型

(1)

式中：I為2×2矩陣，各元素分別為

式中：λ為行星排齒圈齒數(shù)與太陽輪齒數(shù)之比，下標(biāo)P1、P2表示行星排；I為構(gòu)件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，下標(biāo)t、SS、CR、R、C分別為渦輪、太陽輪、P1行星架-P2齒圈、P1齒圈、P2行星架；T為轉(zhuǎn)矩，θ為角位移，下標(biāo)B1、B2、Out和t分別為B1、B2離合器、變速器輸出.

以i1和i2分別表示低擋和高擋速比，低擋時(shí)C1和B2結(jié)合，忽略慣性轉(zhuǎn)矩，由式(1)有

(2)

升擋過程分轉(zhuǎn)矩相和慣性相. 轉(zhuǎn)矩相期間，B1充油，B2放油，忽略慣性轉(zhuǎn)矩，有

(3)

(4)

當(dāng)忽略渦輪轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，式(3)(4)可簡化為

(5)

轉(zhuǎn)矩相結(jié)束時(shí)刻，放油離合器B2傳遞轉(zhuǎn)矩降為0，由式(3)～(5)得

(6)

變速器速比在慣性相發(fā)生改變，此時(shí)變速器構(gòu)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不可忽略，此外，還需注意渦輪軸轉(zhuǎn)矩隨換擋時(shí)間推移而變化. 由于此階段車速變化較小，故不予考慮，由式(1)有

(7)

(8)

當(dāng)B1的滑摩速度趨于0時(shí)，換擋結(jié)束、變速器升入高擋，此時(shí)忽略慣性轉(zhuǎn)矩，有

(9)

綜上式(2)～(3)、(5)～(6)、(8)～(9)可知，當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，轉(zhuǎn)矩相輸出轉(zhuǎn)矩變化量為與變速器換擋前后速比有關(guān)的定值. 慣性相的輸出轉(zhuǎn)矩由兩部分組成，圖2中Δ1是由速比更替時(shí)渦輪軸轉(zhuǎn)矩變化引起的，與車輛工況和擋位有關(guān)；Δ2來源于變速器構(gòu)件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的釋放，瞬時(shí)值與渦輪軸加速度有關(guān).

換擋過程中，充油離合器B1的滑摩速度為

(10)

2 評(píng)價(jià)特性分析

車輛換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)分主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)兩種，其中客觀評(píng)價(jià)手段主要有沖擊度、滑摩功和換擋時(shí)間[1-2]. 換擋沖擊度指換擋過程車輛縱向加速度的變化率，滑摩功為離合器接合過程中因滑動(dòng)摩擦而耗散的熱量損失. 下面根據(jù)沖擊度j和滑摩功W來進(jìn)行升擋過程特性分析.

2.1 轉(zhuǎn)矩相特性分析

2.1.1 轉(zhuǎn)矩相滑摩功分析

轉(zhuǎn)矩相滑摩功為

(11)

(12)

式中：ttorq-表示轉(zhuǎn)矩相開始時(shí)刻；ttorq+表示轉(zhuǎn)矩相結(jié)束時(shí)刻；ttorq表示轉(zhuǎn)矩相持續(xù)時(shí)間.

2.1.2 轉(zhuǎn)矩相沖擊度分析

車輛行駛方程式為

(13)

式中：i0為變速器輸出軸至驅(qū)動(dòng)輪的速比；r為驅(qū)動(dòng)輪滾動(dòng)半徑，m；m為整車質(zhì)量，kg；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；A為車輛迎風(fēng)面積，m2；CD為風(fēng)阻系數(shù)；α為道路坡度，%；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；η為傳動(dòng)效率；g為重力加速度，m/s2；u為車速，m/s. 換擋持續(xù)時(shí)間較短，認(rèn)為道路滾阻系數(shù)和坡度保持常量，風(fēng)阻也認(rèn)為不變. 根據(jù)沖擊度定義，由式(6)、(13)可得

(14)

由式(12)、(14)可知，轉(zhuǎn)矩相換擋品質(zhì)控制即為持續(xù)時(shí)間的控制，時(shí)間越短，滑摩功越小，沖擊度幅值越大. 轉(zhuǎn)矩相沖擊度為負(fù)值，由于轉(zhuǎn)矩交替的原因，如果沒有發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同控制則該階段的沖擊不可避免. 轉(zhuǎn)矩相時(shí)間較短，以沖擊度為首要考慮指標(biāo)，試驗(yàn)?zāi)持匦驮揭败囕v液力工況1-2升擋規(guī)律如圖3所示.

由式(14)可知，沖擊度與整車質(zhì)量有關(guān)，但質(zhì)量對(duì)換擋規(guī)律影響很小，認(rèn)為二者相互獨(dú)立，定義良好的換擋過程沖擊度絕對(duì)值不大于≤10 m/s3，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)-變矩器匹配結(jié)果，可求出圖3所示換擋規(guī)律下的滿足沖擊度要求的轉(zhuǎn)矩相臨界時(shí)間如圖4所示. 當(dāng)轉(zhuǎn)矩相時(shí)間小于該臨界值時(shí)，沖擊度將變大；然而轉(zhuǎn)矩相時(shí)間越短、滑摩功越小，故該臨界時(shí)間為同時(shí)滿足滑摩功最小和沖擊度要求的理想值. 由圖4可知，轉(zhuǎn)矩相臨界時(shí)間隨整車質(zhì)量增大而變?。欢?，臨界時(shí)間還隨油門開度的增加而減少，這取決于發(fā)動(dòng)機(jī)特性和換擋規(guī)律設(shè)計(jì). 車輛滿載且油門全開時(shí)有最小臨界時(shí)間，空載小油門開度升擋時(shí)，需延長轉(zhuǎn)矩相時(shí)間以減少換擋沖擊.

2.2 慣性相特性分析

2.2.1 慣性相沖擊度分析

同理，由式(8)可得慣性相換擋沖擊度為

(15)

(16)

由式(16)可知，因i12<0，B1在慣性相初期迅速升壓后，傳遞轉(zhuǎn)矩需不斷下降以減少換擋沖擊(略微下降，即釋放慣性轉(zhuǎn)矩逐漸減少，假設(shè)摩擦因數(shù)不變)，當(dāng)沖擊度為0時(shí)，需滿足

(17)

2.2.2 慣性相滑摩功分析

將式(7)代入式(11)，同時(shí)結(jié)合(10)，有

(18)

3 仿真分析和實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)換擋過程動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，通過放油離合器的滑摩來判定轉(zhuǎn)矩相結(jié)束，慣性相采用滑模控制策略，如圖5所示. 分別進(jìn)行仿真分析和實(shí)車試驗(yàn)，驗(yàn)證客觀評(píng)價(jià)特性分析的正確性.

3.1 仿真分析

仿真分析采用Simulink環(huán)境，工況設(shè)為車輛滿載、發(fā)動(dòng)機(jī)50%油門開度，結(jié)合圖4計(jì)算結(jié)果，轉(zhuǎn)矩相時(shí)間取0.06 s，為便于對(duì)比，慣性相時(shí)間固定為0.80 s. 仿真選取圖6(a)中的3種渦輪變化曲線輪廓，方案1為凹曲線、2和3分別為常見的凸曲線和等斜率曲線.

由于轉(zhuǎn)矩相采用相同控制時(shí)間和控制規(guī)律，故3種方案的沖擊度均為[-10，15] m/s3，如圖6(d)所示，與評(píng)價(jià)特性分析結(jié)果相符；而且，在慣性相初期出現(xiàn)一個(gè)較大沖擊后，方案1的沖擊度更為趨近0. 如圖6(c)可計(jì)算出各換擋過程滑摩功. 其中，方案1的滑摩功23.4 kJ比方案3的27.1 kJ減少了16.1 %，比方案2的30.5 kJ減少了30.5 %. 此外，由圖6(a)中橢圓所示，由換擋結(jié)束后的渦輪速度可知，換擋后方案1的車速v1，方案3的車速v3，方案2的車速v2的關(guān)系為v1>v3>v2. 這是因?yàn)閾Q擋過程因滑摩功造成的能量損失不一樣，導(dǎo)致車輛加速度不同，從而體現(xiàn)在換擋結(jié)束后車速的變化上，這從另一個(gè)角度反映了不同換擋過程能量損失的差別. 可見，根據(jù)客觀評(píng)價(jià)特性分析結(jié)果設(shè)計(jì)的換擋過程，有效改善了換擋品質(zhì)和整車性能.

3.2 實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)車試驗(yàn)采用與仿真分析相同的控制策略，基于某重型輪式越野車輛進(jìn)行，試驗(yàn)工況為試驗(yàn)場平直路面、車輛空載、約50%的油門開度，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，從沖擊度和換擋過程車輛動(dòng)力性(車速變化)來看，試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析基本一致，在此不再贅述.

4 結(jié) 論

建立了用于換擋過程的AT動(dòng)力學(xué)模型，采用沖擊度和滑摩功對(duì)升擋過程轉(zhuǎn)矩相和慣性相分別進(jìn)行特性分析，針對(duì)換擋過程特點(diǎn)制定相應(yīng)的分階段控制策略，通過仿真分析和實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證，指出根據(jù)分析得出的轉(zhuǎn)矩相臨界時(shí)間MAP和慣性相渦輪角速度凹曲線設(shè)計(jì)的換擋過程，能有效減少轉(zhuǎn)矩相標(biāo)定工作、改善換擋品質(zhì)，提高整車動(dòng)力性.

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[2] Liu Zhiyuan，Gao Jinwu，Zheng Quan. Antishudder gearshift controller design for automatic transmission[J]. IEEE Trans. on Vehicular Technology，2011，60(9):4261-4275.

[3] Zheng Q，Srinivasan K，Rizzoni G. Transmission shift controller design based on a dynamic model of transmission response[J]. Control Engineering Practice，1999，7:1007-1014.

[4] John E M，Steven P M，Matthew D W，et al. Clutch-to-clutch transmission control strategy, SAE Paper: 2007-01-1313.[R]. Detroit, USA: SAE, 2007.

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(責(zé)任編輯：孫竹鳳)

Gear Shift Control Analysis Based on Quality Evaluation for AT

WANG Er-lie1，2，TAO Gang2，WANG Guang-hua3，ZHU Min2，CHEN Hui-yan2

(1.School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science & Technology，Nanjing, Jiangsu 210094，China;2.School of Mechanical and Vehicular Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China;3.Inner Mongolia First Machinery Group Corporation，Baotou, Inner Mongolia 014030，China)

Researches were carried out for the lack of theoretical analysis of shift quality of current shift control for AT. First a transient dynamic model of AT was built. Then taking the power train of heavy-duty off-road vehicle as an example, an evaluation method with shift jerk and slipping work was presented to analyze the characteristic of torque phase and inertia phase in the ascending shift process. The analysis results show that the minimum time MAP of torque phase and the concave trajectory of turbine speed in inertia phase can help to improve shift quality. Following the corresponding phased control strategy was proposed. Simulation and real vehicle test results verify the correctness of quality analysis method, and show that it can improve the shift quality for AT.

automatic transmission; gear shift; jerk; slipping work

2014-09-29

國家“八六三”計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA111713)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(30915118832)

王爾烈(1985—)，男，博士，講師，E-mail:wangerlie89@163.com.

陶剛(1977—)，男，博士，講師，E-mail:tayicheng@yahoo.com.

U 463.212

A

1001-0645(2016)07-0690-05

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.07.006