重型車(chē)液力自動(dòng)變速器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

馬文星，張 雁，雷雨龍

（1.吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春130022；2.吉林大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院，長(zhǎng)春130022）

目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的重型汽車(chē)多采用手動(dòng)變速，這主要是由于國(guó)內(nèi)對(duì)于自動(dòng)變速技術(shù)核心部分的研究尚不夠成熟，不具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。當(dāng)前我國(guó)已裝備有自動(dòng)變速器的重型汽車(chē)，其自動(dòng)變速器主要依賴(lài)進(jìn)口或與國(guó)外合資生產(chǎn)，所涉及到的核心技術(shù)主要掌握在歐美和日本等國(guó)家。雖然在重型車(chē)自動(dòng)變速技術(shù)的理論研究方面，國(guó)內(nèi)對(duì)換擋規(guī)律［1－2］、換擋過(guò)程控 制［3－4］以 及 電 控 系 統(tǒng)［5－7］的 研 究 取 得 了一定的成果，但在實(shí)際應(yīng)用方面與國(guó)外仍存在較大差距［8－13］。為實(shí)現(xiàn)重型車(chē)的自動(dòng)變速，本文設(shè)計(jì)了某重型車(chē)變速箱的電控系統(tǒng)，并在臺(tái)架上進(jìn)行了試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了功能驗(yàn)證。

1 電控系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

1.1 電控系統(tǒng)概述

電控系統(tǒng)將接收到的各種傳感器信號(hào)和CAN總線發(fā)送的信息送到變速箱控制單元（Transmission control unit，TCU）中，TCU 將輸入的信號(hào)與事先存儲(chǔ)在電控單元中的程序進(jìn)行比較，然后向相應(yīng)的電磁閥發(fā)出指令，接通或切斷流向換擋閥等的壓力油，使相應(yīng)的離合器和制動(dòng)器得到控制，從而精確地控制換擋時(shí)機(jī)和閉鎖離合器等工作。電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Structure of electronic control system

1.2 硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的電控系統(tǒng)硬件主要由輸入裝置、輸出裝置和變速器控制單元3部分組成。輸入裝置主要包括各種傳感器和開(kāi)關(guān)，其中傳感器為變速箱控制單元提供連續(xù)可變的電信號(hào)，而開(kāi)關(guān)提供簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)信號(hào)。在此次開(kāi)發(fā)的自動(dòng)變速器電控系統(tǒng)中主要包含用于測(cè)量各離合器和制動(dòng)器壓力的壓力傳感器和用于測(cè)量變速器和緩速器油溫的油溫傳感器。輸出裝置主要是電磁閥。根據(jù)變速器控制單元發(fā)出的指令，電磁閥開(kāi)啟或閉合，從而接通或切斷相應(yīng)的油道。

變速箱控制單元作為電控系統(tǒng)的核心，在其內(nèi)部固化了各種控制程序，以實(shí)現(xiàn)對(duì)變速箱的換擋控制、閉鎖離合器控制、液力緩速器充排油控制和換擋品質(zhì)控制等。本電控系統(tǒng)中的TCU 采用MC9S12XDT256作為主運(yùn)算單元，其外圍需要提供開(kāi)關(guān)量、頻率量和模擬量輸入的電路以及穩(wěn)壓電源電路，并且還需要用于提供外部通信（CAN 線）、PWM 電磁閥和比例電磁閥驅(qū)動(dòng)的電路，所開(kāi)發(fā)的變速箱控制單元的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 TCU結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of TCU

1.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件運(yùn)行載體為變速箱控制單元。軟件采用分層、分模塊方式開(kāi)發(fā)。從層次結(jié)構(gòu)以及開(kāi)發(fā)環(huán)境上劃分，軟件分為BDL層（Basic drivers layer，基本驅(qū)動(dòng)層）和ACL層（Advanced control layer，高級(jí)控制層），兩層通過(guò)API（Applications interface，應(yīng)用接口）實(shí)現(xiàn)連通并協(xié)調(diào)工作。其中，BDL層軟件采用嵌入式C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，負(fù)責(zé)TCU 的初始化、設(shè)備驅(qū)動(dòng)等工作，對(duì)外界保持統(tǒng)一的接口，供上層調(diào)用；ACL層使用MATLAB Simulink／Stateflow 開(kāi)發(fā)，利用RTW（Real－time workshop）工具自動(dòng)生成代碼，連 同BDL 層 在Freescale（飛 思 卡 爾）Code－Warrior平臺(tái)上進(jìn)行編譯，負(fù)責(zé)上層控制策略，完成擋位決策、換擋控制、容錯(cuò)處理等功能。軟件架構(gòu)如圖3 所示。其中，Input模塊對(duì)獲取的整車(chē)信息進(jìn)行濾波、標(biāo)度轉(zhuǎn)換和故障識(shí)別，Output模塊輸出信號(hào)用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)、繼電器的控制以及CAN 信息的傳遞。Shift control模塊是程序的控制中心，主要由初始化模塊、自檢模塊、關(guān)電模塊、故障處理模塊、換擋策略模塊、換擋過(guò)程控制模塊以及換擋過(guò)程失敗處理模塊組成。

圖3 TCU 軟件架構(gòu)Fig.3 Software architecture of TCU

AT 換擋分為T(mén)CU 換擋請(qǐng)求、降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、根據(jù)換擋邏輯控制離合器接合和關(guān)閉、恢復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩4個(gè)階段。降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩可減小離合器接合時(shí)的滑磨功和沖擊度，以降低換擋沖擊。

2 自動(dòng)換擋策略

換擋策略主要為協(xié)同部分工況識(shí)別的兩參數(shù)換擋規(guī)律，即基于車(chē)速、油門(mén)開(kāi)度并考慮各個(gè)工況所確定的換擋規(guī)律，主要包括升擋規(guī)律、降擋規(guī)律、負(fù)載識(shí)別、換擋延遲等模塊。升擋規(guī)律主要依據(jù)車(chē)速及油門(mén)開(kāi)度，當(dāng)達(dá)到某一油門(mén)開(kāi)度所對(duì)應(yīng)的車(chē)速時(shí)即發(fā)出升擋指令，通常小油門(mén)開(kāi)度以舒適、穩(wěn)定、少污染為主，故小油門(mén)對(duì)應(yīng)經(jīng)濟(jì)性換擋；大油門(mén)開(kāi)度時(shí)以車(chē)輛獲得最佳的動(dòng)力性為主，故大油門(mén)對(duì)應(yīng)動(dòng)力性換擋，升擋不能跳擋。降擋規(guī)律主要依據(jù)車(chē)速，并介入油門(mén)開(kāi)度、剎車(chē)，設(shè)置包括緩減速、急減速、加速降擋在內(nèi)的不同工況的降擋點(diǎn)，當(dāng)車(chē)速降到降擋點(diǎn)以下時(shí)發(fā)出降擋指令，其中急減速時(shí)不進(jìn)行換擋，可跳擋。負(fù)載識(shí)別模塊主要通過(guò)識(shí)別道路坡度和車(chē)輛載荷，從而修正換擋規(guī)律，使擋位符合車(chē)輛工況。換擋延時(shí)模塊主要為在通過(guò)換擋規(guī)律計(jì)算發(fā)出換擋指令時(shí)根據(jù)各工況延遲一定時(shí)間再進(jìn)行換擋，以防止各工況短時(shí)間的來(lái)回切換造成的頻繁換擋。

考慮到重型車(chē)行駛條件復(fù)雜，載荷波動(dòng)頻繁，所開(kāi)發(fā)的液力機(jī)械變速器采用等延遲型兩參數(shù)換擋規(guī)律，換擋參數(shù)選擇最常用的車(chē)速和油門(mén)開(kāi)度，換擋規(guī)律的確定基于以下整車(chē)動(dòng)力學(xué)參數(shù)：總質(zhì)量為25 000kg，車(chē)輪滾動(dòng)半徑為0.573 m，傳動(dòng)系效率為0.85，滾動(dòng)阻力系數(shù)為0.000 222＋0.0151ua，空氣阻力系數(shù)為0.9，迎風(fēng)面積為10.5 m2，主減速比為6，倒擋傳動(dòng)比為5.08，1 擋～6擋傳動(dòng)比分別為3.947、2.659、2.012、1.355、1、0.6736。

為了保證車(chē)輛的最佳動(dòng)力性，升擋點(diǎn)取同一油門(mén)開(kāi)度下相鄰兩擋加速度曲線的交點(diǎn)，整車(chē)的加速度表達(dá)式為：

式中：δ 為重型車(chē)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；Ft為牽引力；Ff為滾動(dòng)阻力；Fw為空氣阻力。

按式（2）求解不同油門(mén)開(kāi)度下相鄰兩擋加速度曲線的交點(diǎn)，即可獲得液力工況下的換擋規(guī)律，如圖4所示。

式中：an，α（v）為油門(mén)開(kāi)度為α?xí)rn 擋的加速度隨車(chē)速的變化關(guān)系；an＋1，α（v）為油門(mén)開(kāi)度為α?xí)rn＋1擋的加速度隨車(chē)速的變化關(guān)系。

圖4 液力工況下的換擋規(guī)律Fig.4 Shift schedule under hydrodynamic condition

閉鎖工況換擋規(guī)律的確定過(guò)程與液力工況的確定過(guò)程一致，由于1擋始終工作在液力工況下，因此1擋的換擋點(diǎn)不變化，在確定閉鎖工況的換擋規(guī)律時(shí)，不再計(jì)算1 擋的換擋點(diǎn)和換擋曲線。為了保證車(chē)輛的最佳動(dòng)力性，若同一油門(mén)開(kāi)度下相鄰兩擋的加速特性曲線有交點(diǎn)，則應(yīng)選取該交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的速度作為該油門(mén)開(kāi)度下的升擋點(diǎn)；若同一油門(mén)開(kāi)度下相鄰兩擋的加速特性曲線沒(méi)有交點(diǎn)，則應(yīng)選取該擋位所在油門(mén)開(kāi)度下的最大車(chē)速點(diǎn)作為升擋點(diǎn)。圖5為按上述原則確定的閉鎖工況下的換擋規(guī)律。

圖5 閉鎖工況下的換擋規(guī)律Fig.5 Shift schedule under lockout condition

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

液力自動(dòng)變速器的液壓系統(tǒng)原理圖如圖6所示，采用主調(diào)壓閥控制系統(tǒng)的操縱壓力，并通過(guò)溢流將多余的工作液提供給潤(rùn)滑點(diǎn)、液力變矩器和液力減速器；4 個(gè)失電常閉式開(kāi)關(guān)電磁閥M1～M4控制擋位閥與換擋結(jié)合元件8～13的連接狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)變速器的6個(gè)前進(jìn)擋、1個(gè)倒退擋和1個(gè)空擋，各個(gè)擋位接合的控制元件如表1所示。

圖6 液壓系統(tǒng)原理圖Fig.6 Principle diagram of the hydraulic system

此液力機(jī)械自動(dòng)變速器采用電液操縱完成變速器動(dòng)力換擋、閉鎖離合器結(jié)合與分離、液力變矩器供油、液力減速器控制及潤(rùn)滑功能，要求系統(tǒng)操縱油壓為1.2～1.68 MPa，潤(rùn)滑油壓為0.21 MPa，換擋離合器結(jié)合時(shí)間為0.8～1.8s，換擋過(guò)程要平穩(wěn)。

表1 換擋控制邏輯Table 1 Shift control logic

在自動(dòng)變速試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了電控系統(tǒng)功能試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)康挠袃蓚€(gè)，一是調(diào)試TCU 底層，驗(yàn)證TCU 能否正常工作，二是調(diào)試控制程序，驗(yàn)證控制程序能否實(shí)現(xiàn)換擋功能［14－16］。實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備包括用于編譯程序、下發(fā)控制指令、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的筆記本電腦，用于將程序下載至TCU 中并通過(guò)BDM 口調(diào)試程序的P＆E USB Multilink 下載器，以及用于建立計(jì)算機(jī)與TCU 二者之間的通信連接的Vector CANcaseXL等。試驗(yàn)軟件工具包括用于圖形化算法設(shè)計(jì)和建模的Simulink／Stateflow，用于編輯、編譯、連接程序的Freescale CodeWarrior IDE，以及用于下發(fā)控制指令、監(jiān)控運(yùn)行變量的Vector CANape。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的連接如圖7所示，圖中實(shí)線連接部分為電氣連接，虛線連接部分為通信連接。程序通過(guò)電腦和下載器下載到TCU 中，由電腦控制程序的執(zhí)行；通過(guò)TCU中的控制程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)電磁閥的占空比控制，同時(shí)電腦通過(guò)CANcaseXL 監(jiān)控程序的運(yùn)行，下發(fā)控制指令，采集數(shù)據(jù)。圖8為自動(dòng)變速試驗(yàn)臺(tái)，圖9為試驗(yàn)臺(tái)電控部分。

圖7 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)連接示意圖Fig.7 Connection diagram of experimental system

圖8 自動(dòng)變速試驗(yàn)臺(tái)Fig.8 Test bench of automatic transmission

圖9 試驗(yàn)臺(tái)電控部分Fig.9 Electrical control part of test bench

對(duì)AT 變速箱進(jìn)行了N－1－2－3－4擋和4－3－2－1－N 擋的循環(huán)換擋試驗(yàn)，論文中選取部分試驗(yàn)結(jié)果，如圖10所示。圖中粗實(shí)線代表離合器9的壓力變化，細(xì)實(shí)線代表離合器11的壓力變化，虛線代表離合器12的壓力變化。圖10（a）為1擋升2擋離合器壓力變化曲線，其中離合器9和12有壓力；圖10（b）為3擋升4擋離合器壓力變化曲線，其中離合器9和11有壓力；圖10（c）為3擋降2擋離合器壓力變化曲線，其中離合器9和12有壓力；圖10（d）為1擋降空擋離合器壓力變化曲線，此時(shí)無(wú)壓力。

試驗(yàn)結(jié)果表明：CANape能接收到CAN 總線的信息，TCU 的總線功能正常；TCU 控制傳感器的電壓為5V，表明TCU 可以正常驅(qū)動(dòng)傳感器；電磁閥通斷正常，表明TCU 可以正?？刂齐姶砰y；TCU 可以控制主油路的工作油壓，同時(shí)因?yàn)槠椒€(wěn)結(jié)合閥的作用使得在換擋過(guò)程中油壓上升有緩沖過(guò)程，故換擋過(guò)程平穩(wěn)、無(wú)動(dòng)力中斷。

圖10 離合器壓力變化曲線Fig.10 Pressure curves of clutches

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)重型車(chē)的特點(diǎn)，制定了詳細(xì)的TCU 硬件電路實(shí)現(xiàn)方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)變速箱的綜合控制。在換擋過(guò)程中，變速箱控制單元降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，同時(shí)對(duì)換擋時(shí)的主油路工作油壓進(jìn)行控制，以保證換擋平穩(wěn)、無(wú)沖擊，提高乘坐舒適性。采用分層、分模塊方式開(kāi)發(fā)TCU 軟件；制定了重型車(chē)自動(dòng)換擋的換擋策略，并在臺(tái)架上進(jìn)行了試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了功能驗(yàn)證。結(jié)果表明，所開(kāi)發(fā)的重型車(chē)電控單元軟硬件能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)合控制。

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