重型載貨車機(jī)械式自動(dòng)變速器的動(dòng)態(tài)仿真與應(yīng)用*

李 駿，盧新田，向 羽，高炳釗，陳 虹

(1.第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長(zhǎng)春 130011； 2.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130025；3.東風(fēng)本田汽車有限公司，武漢 430056； 4.吉林大學(xué)通信工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系，長(zhǎng)春 130025)

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2015141

重型載貨車機(jī)械式自動(dòng)變速器的動(dòng)態(tài)仿真與應(yīng)用*

李 駿，盧新田，向 羽，高炳釗，陳 虹

(1.第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長(zhǎng)春 130011； 2.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130025；3.東風(fēng)本田汽車有限公司，武漢 430056； 4.吉林大學(xué)通信工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系，長(zhǎng)春 130025)

對(duì)于某款搭載12擋AMT的重型載貨汽車，在AMESim環(huán)境下搭建了包括發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)、變速器及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)和車體與輪胎等部件的傳動(dòng)系動(dòng)態(tài)仿真模型，進(jìn)行仿真并通過了臺(tái)架試驗(yàn)和實(shí)車試驗(yàn)的驗(yàn)證。然后以搭建的傳動(dòng)系模型為平臺(tái)，通過AMESim-Simulink聯(lián)合仿真，設(shè)計(jì)了車輛起步控制器并進(jìn)行其參數(shù)標(biāo)定。實(shí)車起步試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的PID起步控制器能夠滿足實(shí)車起步的要求。

重型載貨汽車；機(jī)械式自動(dòng)變速器；動(dòng)態(tài)仿真；起步控制

前言

重型載貨汽車質(zhì)量大、工作工況復(fù)雜，變速器總速比范圍寬、擋位數(shù)多[1]，因此，組合式變速器越來越多地應(yīng)用在重型載貨汽車上。為了提高重型載貨汽車的操縱穩(wěn)定性、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，電控機(jī)械式自動(dòng)變速器(AMT)得到了廣泛應(yīng)用[2]。AMT具有傳動(dòng)效率高、成本低、易于制造等優(yōu)點(diǎn)。

本文中針對(duì)某款12擋AMT重型載貨汽車，應(yīng)用AMESim軟件搭建了整車模型并進(jìn)行了仿真研究，然后通過實(shí)車實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的有效性。最后，以整車仿真模型為被控對(duì)象，通過AMESim-Simulink聯(lián)合仿真，采用發(fā)動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)速控制思想，并由PID控制算法通過控制離合器的壓緊力來控制起步過程。通過參數(shù)的調(diào)節(jié)并與實(shí)驗(yàn)起步過程的對(duì)比，驗(yàn)證了起步控制策略的有效性，說明基于動(dòng)態(tài)仿真模型可以指導(dǎo)AMT起步過程的參數(shù)標(biāo)定，提高整車廠自動(dòng)變速器正向開發(fā)以及適應(yīng)市場(chǎng)變化的能力。

1 仿真模型的搭建

帶12擋AMT變速器的重型載貨汽車的主要部件是：發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器及其氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、變速器及其各部件執(zhí)行機(jī)構(gòu)、差速器、驅(qū)動(dòng)軸及車體部分。

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)

重型載貨汽車的動(dòng)力源是柴油機(jī)，柴油機(jī)特性通過map表給出。發(fā)動(dòng)機(jī)的最終輸出力矩是在map表插值的基礎(chǔ)上，考慮延遲時(shí)間和摩擦損失后的修正值。

1.2 離合器及其氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

離合器采用電控氣動(dòng)操縱方式，由4個(gè)PWM電磁閥控制進(jìn)氣與排氣，并通過4個(gè)開關(guān)閥協(xié)調(diào)控制推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)離合器的接合與分離。氣動(dòng)控制電磁閥包括2個(gè)大閥和2個(gè)小閥，且均為先導(dǎo)閥加機(jī)械閥的形式，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖1所示。

1.3 變速器及其各部件執(zhí)行機(jī)構(gòu)

12擋AMT是組合式變速器，采用主、副雙箱式。主箱有6個(gè)擋位，采用無同步器電動(dòng)換擋方式。副箱有2個(gè)擋位，采用同步器氣動(dòng)換擋方式，且擋位搭配采用分段式配擋[3]。主箱選擋和換擋雙電機(jī)分別帶動(dòng)一個(gè)滾珠絲杠來推動(dòng)選換擋撥頭運(yùn)動(dòng)，這便將撥頭的運(yùn)動(dòng)分解為空間正交方向的2個(gè)運(yùn)動(dòng)。選、換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖2所示，副箱及其同步器、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)見圖3。

該AMT是在現(xiàn)有12擋手動(dòng)變速器基礎(chǔ)上改進(jìn)的，為了進(jìn)一步縮短換擋時(shí)間，在主箱右中間軸前端安裝了氣動(dòng)制動(dòng)器，其氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖4所示。

1.4 差速器、驅(qū)動(dòng)軸及車體部分

驅(qū)動(dòng)半軸的扭轉(zhuǎn)特性用帶阻尼的扭轉(zhuǎn)彈簧來模擬。輪胎模型中考慮了輪胎縱向滑移率-驅(qū)動(dòng)力特性。行駛負(fù)載包括坡度阻力、地面對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力矩和空氣阻力3個(gè)部分，其中滾動(dòng)阻力矩視為常值，坡度阻力是重力與坡度的函數(shù)，空氣阻力受車速和空氣阻力系數(shù)等影響。

以上所有子模塊搭建完成后，將其整合構(gòu)成整車模型，如圖5所示。模型中含有大量需要配置的參數(shù)，包括阻尼系數(shù)、流量系數(shù)等難以直接得到的參數(shù)。這些參數(shù)首先由經(jīng)驗(yàn)給出，再通過臺(tái)架實(shí)驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定和修正。

2 仿真模型的校驗(yàn)

為了節(jié)約開發(fā)成本，首先通過臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行模型校驗(yàn)。模型參數(shù)的調(diào)整也是在這個(gè)時(shí)期完成，確定了所有模型參數(shù)之后，才進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果校驗(yàn)。

采用開環(huán)控制校驗(yàn)方式，即模型中柴油機(jī)、離合器、中間軸制動(dòng)器、副箱同步器的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)占空比和主箱選、換擋電機(jī)占空比等模型的輸入均采用臺(tái)架試驗(yàn)的實(shí)際數(shù)據(jù)，通過對(duì)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)活塞位移、中間軸制動(dòng)器制動(dòng)效能、主箱選換擋動(dòng)作和副箱換擋動(dòng)作的校驗(yàn)，來驗(yàn)證仿真模型的有效性。

2.1 離合器氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的校驗(yàn)

離合器氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由2個(gè)進(jìn)氣閥和2個(gè)排氣閥協(xié)調(diào)控制活塞運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，氣動(dòng)執(zhí)行器上裝有位移傳感器，能夠直接測(cè)得氣動(dòng)執(zhí)行器活塞的位移，然后按照一定比例就能得到離合器小端位移，進(jìn)而通過膜片彈簧彈性特性得到離合器大端夾緊力。因此，離合器氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的校驗(yàn)主要是活塞位移的校驗(yàn)。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖6所示。

1.5-1.9s為離合器斷開過程，進(jìn)氣閥1，3同時(shí)開到最大使離合器以較快速度斷開。實(shí)驗(yàn)和仿真中執(zhí)行器響應(yīng)滯后時(shí)間均為0.05s，離合器徹底斷開到最大位移處實(shí)驗(yàn)用時(shí)約0.39s，仿真用時(shí)0.41s，仿真誤差約為5.1%。2.72s時(shí)，離合器開始接合，通過排氣閥控制占空比和實(shí)驗(yàn)位移可以看出，離合器接合方式大體滿足“快—慢—快”的方式。接合全過程，離合器仿真時(shí)間與實(shí)驗(yàn)時(shí)間一致，均為7.95s。由于載貨汽車質(zhì)量大，且直接以2擋起步，因此，離合器接合時(shí)間較長(zhǎng)，以減小沖擊度和噪聲?？傮w來看，離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)仿真模型滿足實(shí)驗(yàn)要求。

2.2 中間軸制動(dòng)器制動(dòng)效能的校驗(yàn)

該12擋AMT主箱無同步器，為了降低換擋時(shí)的齒輪沖擊，必須在待嚙合的接合套花鍵齒與對(duì)應(yīng)齒輪接合齒圈轉(zhuǎn)速差小于一定值之后才能進(jìn)行換擋。改進(jìn)的變速器在主箱右中間軸上安裝制動(dòng)器，這樣可以縮短待嚙合的兩對(duì)齒輪轉(zhuǎn)速同步的時(shí)間。因此，中間軸制動(dòng)器氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的校驗(yàn)主要是換擋前輸入軸和輸出軸轉(zhuǎn)速差的校驗(yàn)。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖7所示。

13.51-13.62s是2擋換3擋過程中接合套花鍵齒與對(duì)應(yīng)齒輪接合齒圈轉(zhuǎn)速變化過程。12.9-13.4s是回空擋過程，為掛3擋做準(zhǔn)備。掛入3擋之前，中間軸制動(dòng)器氣動(dòng)閥開啟，制動(dòng)力使輸入軸轉(zhuǎn)速降低，車輛較大的等效慣量使輸出軸轉(zhuǎn)速基本不變；在13.63s即將掛入3擋時(shí)，3擋兩端齒輪轉(zhuǎn)速差實(shí)驗(yàn)值約為150r/min，仿真值轉(zhuǎn)速差約為120r/min，滿足實(shí)驗(yàn)要求，制動(dòng)器制動(dòng)效能較好。

2.3 主、副箱的校驗(yàn)

該12擋變速器主箱6個(gè)擋、副箱2個(gè)擋，換擋過程中副箱沒有空擋，主箱有空擋，1-6擋時(shí)副箱在低擋位，7-12擋時(shí)副箱在高擋位。變速器的校驗(yàn)主要是主箱選換擋撥頭位移校驗(yàn)和副箱換擋撥頭位移校驗(yàn)。這里為免贅述，只列了幾個(gè)典型校驗(yàn)工況，如圖8～圖11所示。

由圖8可以看出:5擋升6擋過程中無選擋動(dòng)作，也沒有副箱動(dòng)作。5擋回空擋實(shí)驗(yàn)用時(shí)0.2s，仿真用時(shí)0.24s，仿真誤差約為20%；空擋掛入6擋實(shí)驗(yàn)和仿真用時(shí)均為0.19s。

由圖9可以看出：4擋升5擋時(shí)也沒有副箱動(dòng)作，主箱除了有換擋動(dòng)作外，還必須有選擋動(dòng)作的配合。首先換擋桿要將4擋撥回空擋，然后選擋桿沿選擋槽移動(dòng)到5擋換擋桿位置，最后掛入5擋。4擋回空擋過程中，仿真響應(yīng)有一定延遲，實(shí)驗(yàn)用時(shí)0.22s，仿真用時(shí)0.26s，仿真誤差約為18%；選擋動(dòng)作實(shí)驗(yàn)用時(shí)0.10s，仿真用時(shí)0.11s，仿真誤差約為10%；空擋掛5擋實(shí)驗(yàn)用時(shí)0.24s，仿真用時(shí)0.21s，仿真誤差約為12.5%。

圖10和圖11表示6擋掛7擋過程中主箱和副箱動(dòng)作。6擋升7擋分為如下幾步：主箱6擋回空擋、副箱換入高擋、主箱選擋和主箱掛上1擋(即7擋)。圖7顯示主箱選、換擋動(dòng)作在整個(gè)階段仿真值與實(shí)驗(yàn)值符合程度較好。圖8顯示副箱換擋位移動(dòng)作，仿真動(dòng)作較快，但并不影響主箱選換擋動(dòng)作的執(zhí)行，所以模型可用。

2.4 實(shí)車校驗(yàn)

通過臺(tái)架試驗(yàn)確定了所有模型參數(shù)并進(jìn)行了各模塊的校驗(yàn)之后，進(jìn)行了模型的整車試驗(yàn)校驗(yàn)。

12擋AMT重型載貨汽車仿真車速與實(shí)驗(yàn)車速對(duì)比如圖12所示。由圖12可以看出，擋位從2擋升到7擋時(shí)，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

通過以上幾個(gè)部分仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的校驗(yàn)對(duì)比可以看出：主箱選擋、換擋和副箱換擋動(dòng)作之間并沒有在時(shí)間上出現(xiàn)干涉。模型整體配合較好，離合器分離接合時(shí)間和選換擋時(shí)間等主要指標(biāo)的精度達(dá)到80%以上，且仿真車速與實(shí)驗(yàn)車速基本一致，從而驗(yàn)證了仿真模型的有效性。

3 動(dòng)態(tài)仿真模型的應(yīng)用

起步性能是AMT系統(tǒng)性能的重要組成部分，離合器起步過程的控制目標(biāo)是在保證離合器平穩(wěn)接合的前提下，盡量減小離合器的滑摩功。若離合器接合速度過快，將導(dǎo)致起步過程產(chǎn)生較大的沖擊和噪聲；若離合器接合速度過慢，雖然可以降低沖擊度，但過長(zhǎng)的滑摩時(shí)間將導(dǎo)致滑摩功增大，降低離合器的使用壽命[4]。因此，起步的平穩(wěn)性和離合器滑摩程度是兩個(gè)矛盾的控制量。如何權(quán)衡兩者之間的關(guān)系，成為控制離合器起步過程的一大技術(shù)難點(diǎn)。

基于搭建的動(dòng)態(tài)仿真模型，進(jìn)行了起步控制策略的離線標(biāo)定。起步控制采用發(fā)動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)速控制原則[5-6]：以駕駛員控制的節(jié)氣門開度為依據(jù)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩最大時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為目標(biāo)轉(zhuǎn)速，保證起步過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)在該對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下恒定運(yùn)行，但為了同時(shí)兼顧減少離合器滑摩損失，應(yīng)盡量降低離合器主、從動(dòng)盤的速差，權(quán)衡之下將發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速限制在一定范圍之內(nèi)。本文中柴油機(jī)限制最大轉(zhuǎn)速為1 200r/min，目標(biāo)轉(zhuǎn)速與節(jié)氣門開度的關(guān)系如圖13所示。

起步控制通過PID控制方法來實(shí)現(xiàn)，通過微調(diào)控制離合器，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持期望值。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速大于期望轉(zhuǎn)速時(shí)，PID控制增大離合器的接合量，使發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載增加，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速；反之，PID控制減小離合器的接合量，增加發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。PID控制框圖如圖14所示。

車輛行駛工況復(fù)雜，這里選擇2擋爬行起步作為代表性工況來驗(yàn)證算法的可行性。選擇2擋爬行起步是因?yàn)樨涇囻{駛員經(jīng)常采用2擋起步，AMT需要具有2擋起步的功能；此外，爬行起步對(duì)控制精度要求高，更能檢驗(yàn)控制算法的性能和魯棒性。

通過AMESim-Simulink聯(lián)合仿真，標(biāo)定好PID參數(shù)在節(jié)氣門開度為20%時(shí)，離合器接合過程仿真結(jié)果如圖15所示。由圖15可以看出，起步過程仿真用時(shí)8s左右。離合器逐漸接合直至同步閉鎖，在這個(gè)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速維持在800～900r/min之間，變化范圍較小，基本實(shí)現(xiàn)了恒轉(zhuǎn)速控制目標(biāo)。這樣可以有效地改善發(fā)動(dòng)機(jī)的工作條件，并減小離合器接合過程中的滑摩功，延長(zhǎng)離合器的使用壽命。從仿真結(jié)果可見，標(biāo)定后的起步控制器可以滿足車輛起步要求。

將以上標(biāo)定好的PID控制器用于重型載貨汽車實(shí)車上，起步過程實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖16所示。

由圖16可以看出，PID控制器用于實(shí)車的起步過程，實(shí)驗(yàn)車以2擋起步。在發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)節(jié)氣門開度為20%左右時(shí)，起步過程實(shí)車實(shí)驗(yàn)用時(shí)7.97s左右，與仿真起步過程用時(shí)基本相同。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也能維持在轉(zhuǎn)速期望值附近。由實(shí)驗(yàn)離合器位移可以看出，PID起步控制器能夠很好地控制離合器的接合量和接合速度?？梢姡趧?dòng)態(tài)仿真模型標(biāo)定的控制器可以很好地實(shí)現(xiàn)實(shí)車起步。

4 結(jié)論

利用AMESim軟件，建立了某款重型載貨汽車傳動(dòng)系的仿真模型，包括柴油機(jī)、離合器及其氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、變速器主箱及其電動(dòng)滾珠絲杠執(zhí)行機(jī)構(gòu)、副箱及其氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、中間軸制動(dòng)器及其氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比可以看出：離合器分離接合時(shí)間、選換擋時(shí)間等主要指標(biāo)的精度可達(dá)到80%以上。驗(yàn)證了模型有效性后，以搭建的傳動(dòng)系動(dòng)態(tài)仿真模型為平臺(tái)，通過AMESim-Simulink聯(lián)合仿真，對(duì)車輛起步控制器進(jìn)行了仿真測(cè)試和參數(shù)標(biāo)定。實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果表明：基于動(dòng)態(tài)仿真模型標(biāo)定的PID起步控制器能夠很好地適用于實(shí)車起步，基于模型的開發(fā)流程對(duì)提高自動(dòng)變速器正向開發(fā)能力有重要意義。

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Dynamic Simulation and its Application of the AMT for Heavy Trucks

Li Jun1, Lu Xintian1, Xiang Yu2,3, Gao Bingzhao2& Chen Hong2,4

1.R&DCenter,FAWGroupCorporation,Changchun130011; 2.JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl,Changchun130025; 3.DongfengHondaAutomobileCo.,Ltd.,Wuhan430056; 4.DepartmentofControlScienceandEngineering,JilinUniversity,Changchun130025

A dynamic simulation model for the powertrain system of a heavy truck equipped with a 12-speed AMT is set up with AMESim, which covers the sub-models of engine, clutch and its actuator, transmission and its actuator, body and tires. A simulation is conducted and verified by both bench and real vehicle tests. Then an AMESim-Simulink co-simulation is performed on the model established, and a vehicle start-up controller is designed with its parameters calibrated. The results of real vehicle starting test show that the PID start-up controller can meet the requirements of vehicle starting process.

heavy truck; automated manual transmission; dynamic simulation; starting control

*國(guó)家自然科學(xué)基金(61034001，61374046)和吉林省科技廳(20150204056GX，20130522183JH)資助。

原稿收到日期為2013年10月21日，修改稿收到日期為2014年3月5日。