換擋過程兩換擋執(zhí)行元件充放油交替方法研究

李春芾，陳慧巖

（1.內(nèi)蒙古大學交通學院，內(nèi)蒙古呼和浩特010070；2.北京理工大學機械與車輛學院，北京100081）

換擋過程兩換擋執(zhí)行元件充放油交替方法研究

李春芾1，陳慧巖2

（1.內(nèi)蒙古大學交通學院，內(nèi)蒙古呼和浩特010070；2.北京理工大學機械與車輛學院，北京100081）

液力機械自動變速器（AT）換擋過程中兩個換擋執(zhí)行元件充放油交替過程時序不當會造成動力中斷或重疊過多（俗稱“掛雙擋），并引起功率損失、換擋沖擊及加劇換擋執(zhí)行元件磨損。以艾里森大功率自動變速器（HD4070PR自動變速器）為研究對象，利用拉格朗日方程建立換擋過程的動力學方程，依據(jù)所建立的方程分析升降擋過程中兩換擋執(zhí)行元件充放油交替方法，并通過自行開發(fā)的電控系統(tǒng)進行了實車試驗驗證。研究結果表明：對于升擋過程通過合理的動力搭接既可以實現(xiàn)無動力中斷換擋，又可以減小換擋沖擊；對于降擋過程不可避免出現(xiàn)動力中斷，只能盡可能地降低動力損失。

控制科學與技術；液力機械自動變速器；換擋執(zhí)行元件；交替定時方法

0　引言

液力機械自動變速器換擋過程控制關系到換擋品質(zhì)以及離合器或制動器的使用壽命，關鍵在于，一是離合器油壓的緩沖控制，二是兩換擋執(zhí)行元件充放油的交替方法（動力搭接原則）。兩換擋執(zhí)行元件充放油的交替過程實質(zhì)就是兩換擋執(zhí)行元件動力搭接的過程。如果搭接不當，則會出現(xiàn)動力中斷或換擋沖擊［1］。關于離合器油壓緩沖控制技術已有大量的研究，但對換擋過程兩換擋執(zhí)行元件充放油交替方法的研究還比較少見，特別對降擋過程的分析尤其少見。本文利用拉格朗日方程建立換擋過程的動力學方程，通過所建立的方程來分析升擋和降擋過程理想的交替方法，即由轉(zhuǎn)矩相向慣性相過渡的理想搭接原則，并通過實車試驗進行驗證。

1　換擋過程動力學方程

圖1為HD4070PR自動變速器2擋升3擋的動力學模型，圖中C代表離合器，B代表制動器。2擋工作的元件有C1、B3，3擋工作的換擋元件有C1、B2，那么2擋和3擋之間升降擋時，實際上就是B2和B3之間的交替工作。下面依據(jù)所建立的模型推導換擋過程動力學方程。

圖1中，Me、Mt、Mo分別為發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、渦輪轉(zhuǎn)矩、變速器輸出軸輸出的轉(zhuǎn)矩，Je、Jt、Jo、JV分別為發(fā)動機-泵輪構件轉(zhuǎn)動慣量、渦輪-輸入軸-離合器（C1、C2）主動部分轉(zhuǎn)動慣量、輸出軸轉(zhuǎn)動慣量、整個車輛與輸出軸相聯(lián)的慣量換算到輸出軸上的轉(zhuǎn)動慣量，ωe、ωt、ωo分別為發(fā)動機角速度、渦輪軸角速度、輸出軸角速度。

圖1　HD4070PR自動變速器2擋升3擋動力學模型Fig.1 Dynamic model of 2nd gear to 3rd gear up-shift for HD4070PR transmission

以渦輪-變速器為隔離體建立方程。

通常的換擋過程分析是將其分為原擋、原擋轉(zhuǎn)矩相、慣性相、新?lián)醯?個階段［2-6］，并分別通過建立各階段不同條件下各元件的運動微分方程來描述換擋過程。在仿真研究與換擋過程的控制中，該方法不能方便、準確地描述車輛的動態(tài)換擋過程［7-8］。本文利用拉格朗日方程，以HD4070PR變速器2擋、3擋之間換擋過程的動力學模型為例，建立反映行星齒輪變速器換擋過程的力學輸入與輸出之間的動態(tài)響應關系的動力學方程。

由單行星排的運動方程可以推導出2擋升3擋過程中有

式中：φB2、φB3分別為P2行星排和P3行星排齒圈的轉(zhuǎn)角；φX2、φX3分別為P2行星排和P3行星排行星齒輪的轉(zhuǎn)角；φt、φo分別為渦輪軸轉(zhuǎn)角和輸出軸轉(zhuǎn)角；k2、k3分別為P2行星排和P3行星排的結構參數(shù)。

由（1）式可知，行星排齒圈轉(zhuǎn)速、行星齒輪轉(zhuǎn)速可以分別用變速器輸入軸和輸出軸轉(zhuǎn)速表示。則有

1）系統(tǒng)動能

式中：Jt為與輸入軸相聯(lián)的轉(zhuǎn)動慣量；Jo為輸出軸轉(zhuǎn)動慣量（包括與之相聯(lián)的行星排元件的轉(zhuǎn)動慣量）；Jq2為P2行星排齒圈及P1行星排行星架轉(zhuǎn)動慣量；Jq3為P3行星排齒圈和P2行星排行星架轉(zhuǎn)動慣量；∑JX2為P2行星排行星齒輪總轉(zhuǎn)動慣量；∑JX3為P3行星排行星齒輪總轉(zhuǎn)動慣量。

2）計算廣義力

式中：∑δW為系統(tǒng)總虛功；Qφt為輸入廣義力；Qφo為輸出廣義力；MB2為制動器B2制動力矩；MB3為制動器B3制動力矩。

3）動力學方程

式中：

（4）式反映了換擋過程中變速器各運動件的動態(tài)響應關系，適用于換擋過程的分析。

2　兩換擋執(zhí)行元件充放油交替方法分析

HD4070PR自動變速器為3自由度變速器，在換擋過程其中一個換擋執(zhí)行元件處于結合狀態(tài)不變，只需分離一個執(zhí)行元件和接合一個執(zhí)行元件。若換擋過程兩個換擋執(zhí)行元件交替工作時序不當會造成動力中斷或接合重疊過多，會引起功率損失或換擋沖擊及加劇換擋執(zhí)行元件磨損。為了獲得較理想的充放油交替過程，有必要對升擋過程和降擋過程中行星排各元件的運動關系和轉(zhuǎn)矩關系進行分析，以確定換擋執(zhí)行元件充放油的理想交替方法，為換擋過程控制提供依據(jù)。

2.1升擋過程兩換擋執(zhí)行元件充放油交替方法分析

在2擋升3擋過程中，B3制動器放油，B2制動器充油。為了方便分析，將變速器2擋升3擋的傳動簡圖進行進一步簡化，如圖2所示。

2擋升3擋開始后，B3制動器放油，B2制動器開始充油，由圖2可知P2行星排齒圈逆時針旋轉(zhuǎn)（從左向右看），因此P2行星排齒圈受到B2制動器的制動力矩MB2為順時針。同樣可分析出P3行星排齒圈所受B3的制動力矩MB3在換擋開始時也為順時針。這就說明在換擋初期由兩個制動器共同提供摩擦力驅(qū)動車輛。還可以分析出MB3會隨著MB2的增加而自然減?。ㄌ貏e注意MB3仍為靜摩擦力，其大小由外力而非油壓決定），直到MB3減小到0（B3的最大靜摩擦可能不為0），此時B2仍為滑摩狀態(tài)，這一階段沒有傳動比的變化，只有轉(zhuǎn)矩的重新分配，被稱為轉(zhuǎn)矩相。隨著MB2增加及MB3減小，P3行星排齒圈開始作順時針旋轉(zhuǎn)，開始出現(xiàn)傳動比的變化，慣性力的作用增加，開始進入慣性相，直到換擋完成。以上分析的是一個正常的工作過程，但如果兩個制動器充放油不當，可能出現(xiàn)動力中斷，或出現(xiàn)兩制動器重疊工作過多。例如，B3制動器放油過快，而B2制動器充油又過慢，會使P3行星排的齒圈逆時針旋轉(zhuǎn)而造成輸出軸轉(zhuǎn)矩下降，這就要求B3制動器的油壓降至一個安全的值（足以驅(qū)動車輛行駛而不打滑），同時B2制動器充油（但仍然保持打滑狀態(tài)），直到MB3降為0（注意此時油壓可能不為0），理論上此時B3應完成放油，自然過渡到慣性相，然后對B2制動器進一步進行閉環(huán)緩沖充油控制，最終完成2擋升3擋。由（4）式可知

在轉(zhuǎn)矩相，隨MB2的增加，轉(zhuǎn)矩在兩行星排之間自動分配。而輸入的轉(zhuǎn)矩Mt由于傳動比沒有變化，可以認為變化很小，由（5）式可知

式中：C為常數(shù)。則

（7）式反映了轉(zhuǎn)矩相期間MB3隨MB2變化的關系（也就是說此時MB3的值由MB2決定），因此，在兩制動器交替工作時，B3制動器的油壓保證不使其打滑即可，只要注意B2制動器油壓的適當控制，沖擊度就會很小。理想情況下，在MB3減小為0時，應及時完成放油。如果B3制動器放油過快，會造成動力損失過多，如果B3制動器放油過慢（在轉(zhuǎn)矩相結束時仍有油壓），MB3將變?yōu)樽枇兀瑫斐晒β蕮p失增加或引起換擋沖擊。在實際控制時因無法監(jiān)測MB3的大小，因此可以通過渦輪轉(zhuǎn)速的變化來判斷B3制動器完全放油的時機，當檢測到渦輪轉(zhuǎn)速的下降，應及時控制完成放油。

在轉(zhuǎn)矩相結束時，如果B3制動器仍保持很高的結合壓力，而B2制動器結合又過快，將會出現(xiàn)嚴重的“掛雙擋”情況，會產(chǎn)生很大的沖擊甚至損壞變速器，要避免出現(xiàn)此種情況。

由（4）式可以得出

在轉(zhuǎn)矩相可以認為Mt為定值，由（8）式可知，在轉(zhuǎn)矩相輸出軸轉(zhuǎn)矩Mo是隨MB2的增加而下降的（o變化較小，近似認為是常數(shù)），假設在轉(zhuǎn)矩相結束時B3制動器完全分離，即MB3=0，并注意在轉(zhuǎn)矩相開始時MB2=0，則由（4）式可得到，在轉(zhuǎn)矩相結束時輸出軸轉(zhuǎn)矩下降量為

如果在轉(zhuǎn)矩相結束后B3制動器處于滑摩狀態(tài)而產(chǎn)生了阻力矩，輸出軸轉(zhuǎn)矩還會進一步下降。在慣性相開始時如果沒有完成放油，則MB3＜0，隨著B3的快速放油，由（4）式可知輸出軸轉(zhuǎn)矩Mo會有一個快速的上升，當MB3=0時有

由（10）式可知，在慣性相輸出軸轉(zhuǎn)矩會隨MB2的增加而增加。由（4）式可得出在慣性相有

以上升擋過程的分析可表示為圖3，圖中nt表示渦輪轉(zhuǎn)速，pB2和pB3分別表示B2和B3制動器的油壓。

圖3　升擋過程中各參數(shù)變化圖Fig.3 The variation of parameters during upshift

2.2降擋過程兩換擋執(zhí)行元件充放油交替方法分析

換擋過程按變速器輸入轉(zhuǎn)矩大小可分為動力換擋和非動力換擋兩種。動力換擋就是發(fā)動機處于正常的驅(qū)動車輛的工況，變速器有較大的轉(zhuǎn)矩輸入。非動力換擋一般指在松開加速踏板，車速快速下降，這時發(fā)動機幾乎沒有動力輸出，變速器輸入轉(zhuǎn)矩很小。由（4）式得

由圖2分析可知，3擋時B3制動器從動部分順時針旋轉(zhuǎn)，在降擋開始時若B3制動器充油，則MB3為負值（逆時針），而完成降擋后MB3變?yōu)檎担槙r針），也就是說MB3有由負變正的過程。再由（12）式可知，當MB2減小和MB3絕對值由0增加時，不論如何控制，輸出軸轉(zhuǎn)矩Mo都會降得很低（只有部分慣性力矩），即總會發(fā)生動力中斷，因此無法實現(xiàn)通過B2制動器與B3制動器的動力搭接來防止動力中斷。只能先將B2制動器快速放油解除動力傳遞，緊接著再通過B3制動器的充油緩沖來恢復動力完成降擋。通過合理的控制可使動力降擋過程的動力中斷時間達到盡可能小。圖4為動力驅(qū)動工況降擋過程中各參數(shù)變化圖。

圖4　動力驅(qū)動工況降擋過程中各參數(shù)變化圖Fig.4 The variation of parameters during downshift under the power driving condition

圖5　升擋過程兩換擋執(zhí)行元件充放油交替不當試驗曲線Fig.5 Test curves for improper timing method of two shifting actuators filling and draining hydraulic oil during shifting

3　試驗研究

針對以上分析的升降擋過程的兩換擋執(zhí)行元件充放油的交替方法，進行了實車試驗驗證，圖5為升擋過程兩換擋執(zhí)行元件充放油交替不當試驗曲線。圖中no表示輸出軸轉(zhuǎn)速，i3代表3擋傳動比，S2表示控制B2制動器的電磁閥，S3表示控制B3制動器的電磁閥。圖5（a）為一組充放油交替（重疊）時間過多的試驗曲線，試驗中有意使放油元件（制動器B3）保持較高的壓力且放油速度較慢，充油元件（制動器B2）壓力等斜率增長，隨著壓力的增長，制動器B2傳遞的轉(zhuǎn)矩不斷增加，此時轉(zhuǎn)矩在B2和B3之間進行分配。由前面的理論分析可知，B3傳遞的轉(zhuǎn)矩會隨著B2傳遞的轉(zhuǎn)矩的增加而自然減小，其大小由外力而非油壓決定，這一點從圖5（a）中可以看出，在轉(zhuǎn)矩相階段，隨著B2制動器壓力的增長渦輪轉(zhuǎn)速幾乎不變且沖擊度一直保持較小，這說明B3制動器傳遞的轉(zhuǎn)矩隨著B2制動器壓力的變化而變化，證明了理論分析的正確性。當檢測到渦輪轉(zhuǎn)速下降即進入慣性相之后，由于此時B3制動器油壓較高來不及降低到0，由前面的理論分析可知其摩擦轉(zhuǎn)矩會變成了較大的阻力矩，使輸出軸轉(zhuǎn)矩下降較多，隨著B3制動器的快速放油輸出軸會產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩波動，從而會產(chǎn)生較大的換擋沖擊。圖5（b）為一組充放油交替時間不足的試驗曲線，由圖可知由于B3制動器放油過快出現(xiàn)了動力中斷，同時會造成后面的控制難度加大，易產(chǎn)生換擋沖擊。因此理想的放油規(guī)律是在保證不打滑的前提條件下油壓應快速降低，在慣性相開始時變?yōu)?.而理想的充油規(guī)律是首先通過快充油迅速消除離合器間隙，在相對較短的時間內(nèi)完成轉(zhuǎn)矩相的控制，要注意油壓增長不能過快，否則易產(chǎn)生換擋沖擊，通過閉環(huán)油壓緩沖控制完成換擋過程控制。要注意換擋元件完成接合瞬間容易產(chǎn)生沖擊，這是因為由動摩擦轉(zhuǎn)成靜摩擦的過程中，如果油壓過高會產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩變化，因此在完成接合前應適當將油壓調(diào)低。

圖6為升降擋過程兩換擋執(zhí)行元件充放油交替合適的試驗曲線。圖6（a）為2擋升3擋曲線圖，從A到B段為B2制動器的快充油時間（克服離合器間隙），同時B3制動器快速放油到一個安全的壓力（不打滑）。從B到C段，B2制動器油壓緩慢增加直到檢測到渦輪轉(zhuǎn)速下降，同時B3制動器回油完全打開。從C到D段，對B2制動器油壓進行閉環(huán)控制直到升擋完成。圖6（b）為3擋降2擋曲線圖。B3制動器快充油期間B2制動器完成解除制動（電磁閥占空比分段降為0，以盡量減少動力中斷），之后對B3制動器進行閉環(huán)控制，直到降擋完成。試驗過程換擋平穩(wěn)無沖擊，主觀評價良好，說明了理論分析的正確性。

圖6　升降擋過程兩換擋執(zhí)行元件充放油交替合適的試驗曲線Fig.6 Test curves for proper timing method of two shifting actuators filling and draining hydraulic oil during shifting

4　結論

本文針對3自由度大功率液力機械自動變速器（HD4070PR自動變速器），利用拉格朗日方程建立了換擋過程的動力學方程，通過所建立的方程分析了升擋和降擋過程中兩個換擋執(zhí)行元件充放油交替的理想方法，得到以下結論：

對于升擋過程，放油執(zhí)行元件要保證在轉(zhuǎn)矩相不打滑，在轉(zhuǎn)矩相結束時要完全解除制動，充油執(zhí)行元件在轉(zhuǎn)矩相注意油壓不能增長過快，否則會造成輸出轉(zhuǎn)矩下降過多過快造成換擋沖擊，在慣性相注意油壓緩沖，結束換擋時注意適當調(diào)低油壓以減少沖擊。

2）對于降擋過程不可避免動力中斷，只是盡可能地降低動力損失，降擋控制時充油執(zhí)行元件快充油的同時放油元件放油，在充油執(zhí)行元件快充油完成時放油元件要完全解除制動，也就是無法通過兩換擋執(zhí)行元件的動力搭接來防止動力中斷。

以上結論的正確性已通過實車試驗驗證。

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Research on Timing Method of Two Shifting Actuators Filling and Draining Hydraulic Oil During Shifting

LI Chun-fu1，CHEN Hui-yan2
（1.Transportation college，Inner Mongolia University，Hohhot 010070，Inner Mongolia，China；2.School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

The shifting process of automatic transmission is an alternating process of two actuators filling and draining the hydraulic oil.The improper oil filling and draining of two shifting actuators may cause power interruption or too much overlap，power lose，impact of shifting and aggravated wear of shift actuator.Lagrange equation is used to establish the dynamic equation of the shifting process by taking Allison automatic transmission（HD4070PR）as the study subject.The timing method of two shifting actuators filling and draining hydraulic oil during shifting process is analyzed on the basis of the equation，and verified by real vehicle test.The research results show that，for the upshifting process，the power shifting can be realized，and the impact of shifting can be reduced through the rational power lap；and for the downshift process，since the emergence of power interruption is inevitable，only the loss of the power should be reduced as far as possible.

control science and technology；hydraulic mechanical automatic transmission；shifting actuator；timing method

U463.212+.2

A

1000-1093（2015）01-0012-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.01.002

2014-02-11

國家高技術研究發(fā)展計劃項目（2012AA111713）；內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學?？茖W研究項目（NJZY12007）

李春芾（1974—），男，副教授。E-mail：jtlcf@imu.edu.cn；陳慧巖（1961—），男，教授，博士生導師。E-mail：Chen_h_y@263.net