重型AT換擋品質(zhì)仿真研究

朱海天，李紅勛，孟祥德，趙子涵

(1.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津300161;2.軍事交通學(xué)院 國(guó)家應(yīng)急交通運(yùn)輸裝備工程技術(shù)研究中心，天津300161)

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● 車輛工程Vehicle Engineering

重型AT換擋品質(zhì)仿真研究

朱海天1，李紅勛2，孟祥德2，趙子涵1

(1.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津300161;2.軍事交通學(xué)院 國(guó)家應(yīng)急交通運(yùn)輸裝備工程技術(shù)研究中心，天津300161)

利用AMESim軟件和Matlab/Simulink軟件建立某重型AT油壓控制系統(tǒng)和整車的聯(lián)合模型，分析單位階躍和單位斜坡這兩種典型PWM控制信號(hào)占空比下車輛的動(dòng)力學(xué)參數(shù)和離合器充放油規(guī)律。選取二擋升三擋過(guò)程，分析離合器充放油規(guī)律。引入換擋質(zhì)量參數(shù)作為換擋品質(zhì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)油壓參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明，采用優(yōu)化后油壓規(guī)律控制的換擋過(guò)程，車輛沖擊度較優(yōu)化前減小28.11%，離合器的滑磨功率數(shù)值較為合理，車輛的換擋品質(zhì)得到有效改善。

重型AT；換擋品質(zhì)；優(yōu)化控制

重型液力自動(dòng)變速器(automatic hydraulic transmission，AT)的換擋過(guò)程是由液壓控制系統(tǒng)控制一個(gè)離合器接合，另一個(gè)離合器分離實(shí)現(xiàn)的，換擋品質(zhì)標(biāo)志著換擋過(guò)程總體特性的好壞[1-2]。換擋沖擊的產(chǎn)生主要是由于離合器傳遞轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，而離合器所傳遞的轉(zhuǎn)矩又與其接合密切程度相關(guān)，因此，有效地控制換擋時(shí)離合器油壓的變化規(guī)律，可得到良好的換擋品質(zhì)[3]。

目前，國(guó)外對(duì)重型AT換擋品質(zhì)控制方面研究較多，技術(shù)相對(duì)成熟。Kohei對(duì)電液控制閥進(jìn)行了改造，從而控制離合器的接合壓力[4]。N Narumi對(duì)閉鎖離合器采用打滑控制，解決了燃油經(jīng)濟(jì)性和行駛平順性間的矛盾[5]。B Z GAO等應(yīng)用ISS理論，采取反步法設(shè)計(jì)了離合器到離合器的換擋控制器，提升了換擋品質(zhì)的控制性能[6]。

本文在建立某重型AT油壓控制系統(tǒng)和整車聯(lián)合模型的基礎(chǔ)上[7]，分析了單位階躍和單位斜坡這兩種典型PWM控制信號(hào)占空比下車輛的動(dòng)力學(xué)參數(shù)和離合器充油規(guī)律。以二擋升三擋過(guò)程為例，分析了離合器充放油交替規(guī)律。通過(guò)引入換擋質(zhì)量參數(shù)g(ψ，γ)對(duì)油壓變化規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，采用優(yōu)化后的油壓變化規(guī)律能夠顯著提升重型AT的換擋質(zhì)量。

1　AT換擋過(guò)程仿真

1.1仿真模型建立

以某重型AT作為研究對(duì)象，在分析其控制閥體以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用AMESim軟件建立其主油壓調(diào)節(jié)閥模型、主控制油壓調(diào)節(jié)閥模型、常閉和常開換擋電磁閥以及雙邊節(jié)流滑閥的仿真模型，根據(jù)其油壓控制系統(tǒng)原理建立離合器油壓控制模型。

在分析某重型AT結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)某重型車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，利用Matlab/Simulink軟件，建立包括發(fā)動(dòng)機(jī)、液力變矩器、變速箱以及車輛負(fù)載在內(nèi)的整車模型。最后根據(jù)建立的離合器油壓控制系統(tǒng)模型和整車模型，組建基于離合器油壓控制的車輛換擋聯(lián)合仿真模型(如圖1所示)。

1.2仿真參數(shù)設(shè)置

在搭建的車輛換擋聯(lián)合仿真平臺(tái)上進(jìn)行AT的換擋過(guò)程仿真。其中，除ECU占空比控制信號(hào)外，其余參數(shù)嚴(yán)格按照搭載重型AT的某重型越野車輛實(shí)際傳動(dòng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置[8]。

分別使用單位階躍占空比信號(hào)和單位斜坡占空比信號(hào)模擬ECU發(fā)出的換擋控制信號(hào)(如圖2和圖3所示)。模擬車輛在100%油門下從一擋起步直至最高擋位，然后在制動(dòng)力作用下減速，設(shè)定換擋規(guī)律為每隔5 s進(jìn)行一次換擋。其中，C1～C6分別為某重型AT的6個(gè)離合器。

圖1　聯(lián)合仿真模型

圖2　單位階躍控制信號(hào)

圖3　單位斜坡控制信號(hào)

1.3仿真結(jié)果分析

運(yùn)行仿真后，分別得到兩種輸入信號(hào)下的車輛沖擊度、滑磨功率、主油壓變化曲線和各離合器油壓變化曲線，如圖4～圖7所示。

圖4　車輛沖擊度

圖5　車輛滑磨功率

圖6　主油壓變化

圖7　各離合器油壓變化

由圖4和圖5可以看出，當(dāng)輸入單位階躍信號(hào)時(shí)，換擋時(shí)間較短，車輛在換擋時(shí)刻沖擊度有較大變化，而離合器滑磨功率較?。划?dāng)輸入單位斜坡信號(hào)時(shí)，換擋時(shí)間增加，車輛沖擊度減小，但離合器滑磨功率增大，該結(jié)果也驗(yàn)證了車輛的沖擊度和滑磨功之間的固有矛盾。從圖6和圖7來(lái)看，無(wú)論是換擋過(guò)程中突變的階躍油壓還是較為平緩的斜坡油壓都在一定程度上影響了車輛的換擋品質(zhì)。因此，很有必要分析離合器油壓對(duì)換擋品質(zhì)的影響規(guī)律，優(yōu)化油壓變化規(guī)律，從而獲得較好的換擋品質(zhì)。

2　離合器充放油規(guī)律

在換擋時(shí)，如果兩個(gè)離合器交替工作時(shí)序配合不好，就會(huì)出現(xiàn)動(dòng)力中斷或重疊量過(guò)多等問題。以車輛二擋升三擋的過(guò)程為例，在該過(guò)程中，C5離合器放油，C4離合器充油，該過(guò)程控制的關(guān)鍵之處有兩點(diǎn)：一是兩個(gè)離合器油壓的緩沖控制，二是兩個(gè)離合器充放油的規(guī)律[8]。

該過(guò)程初期是由兩個(gè)離合器共同提供摩擦力驅(qū)動(dòng)車輛。隨著C4離合器摩擦力矩增加及C5離合器摩擦力矩減小，行星排齒圈開始順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，出現(xiàn)傳動(dòng)比的變化，慣性力的作用增加，逐漸進(jìn)入慣性相，直到換擋過(guò)程完成。但是如果C5離合器放油過(guò)快，而C4離合器充油又過(guò)慢，會(huì)使C5離合器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)而造成輸出軸轉(zhuǎn)矩下降。如果C5離合器放油過(guò)慢，C5離合器的摩擦力矩將變?yōu)樽枇?，?dǎo)致功率損失。

3　AT換擋過(guò)程優(yōu)化

3.1換擋質(zhì)量參數(shù)

理想的換擋過(guò)程要求換擋過(guò)程的沖擊度較小和滑磨功較少，因此目前通常用沖擊度和滑磨功率這兩個(gè)指標(biāo)來(lái)定義換擋質(zhì)量參數(shù)。綜合衡量沖擊度和滑磨功率兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，定義換擋質(zhì)量參數(shù)g(ψ，γ)作為評(píng)價(jià)換擋品質(zhì)的綜合指標(biāo)。

式中：ε1為沖擊度指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，且ε1≥0；ε2為滑磨功權(quán)重系數(shù)，ε2≤1；j為沖擊度，g/s；Wc為摩擦元件的滑磨功，J。本文采用ε1=ε2=0．5的權(quán)重系數(shù)定義換擋質(zhì)量參數(shù)。通過(guò)對(duì)參數(shù)化的油壓進(jìn)行多次仿真，對(duì)比分析各次仿真結(jié)果產(chǎn)生的換擋質(zhì)量參數(shù)，從中選取比較理想的油壓變化規(guī)律。

3.2油壓參數(shù)設(shè)計(jì)

離合器油壓調(diào)節(jié)是基于脈寬調(diào)制高速電磁閥進(jìn)行離合器充油放油控制，通過(guò)改變ECU輸出PWM控制信號(hào)的占空比，實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)電磁閥開啟與關(guān)閉，進(jìn)而調(diào)節(jié)離合器充放油。

下面以車輛二擋升三擋的換擋過(guò)程作為研究對(duì)象，以實(shí)車試驗(yàn)測(cè)得的換擋電磁閥PWM控制信號(hào)占空比為基本曲線，在其上選取10個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，將曲線進(jìn)行分段處理[10](如圖8所示)。

圖8　充放油PWM控制信號(hào)占空比分段變化曲線

設(shè)定在t時(shí)刻接收到換擋控制信號(hào)并開始進(jìn)行換擋，并設(shè)置換擋時(shí)間與實(shí)車試驗(yàn)的換擋時(shí)間相同。取b、d、e、h、m五個(gè)點(diǎn)的縱坐標(biāo)為變化參數(shù)，設(shè)為θ1～θ5。為方便計(jì)算，給定參數(shù)θ1=0．4、0.6和1，θ2=0．2和0.4，θ3=0．4和0.6，θ4=0．4和0.6，θ5=0．2。設(shè)置參數(shù)后運(yùn)行仿真，仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9　二擋升三擋充放油優(yōu)化結(jié)果

由圖9可以看出，第10次仿真結(jié)果的換擋質(zhì)量參數(shù)最小，此時(shí)各油壓參數(shù)取值為θ1=0.6、θ2=0.2、θ3=0.4、θ4=0.6和θ5=0.2。

3.3仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

采用優(yōu)化后的油壓變化規(guī)律進(jìn)行換擋過(guò)程仿真，將其與實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖10～圖12所示。

圖10　車輛沖擊度

圖11　離合器滑磨功率

圖12　離合器充油油壓

由圖10～圖12可以看出，采用優(yōu)化后油壓規(guī)律控制的換擋過(guò)程，車輛沖擊度較優(yōu)化前減小了28.11%，C4和C5離合器滑磨功率數(shù)值較為合理，峰值均在20 kW左右。由此可見，優(yōu)化后的油壓控制規(guī)律能夠有效改善車輛的換擋品質(zhì)。

4　結(jié)　語(yǔ)

本文在建立某重型AT油壓控制系統(tǒng)和整車聯(lián)合模型的基礎(chǔ)上，在聯(lián)合仿真平臺(tái)上分析了單位階躍和單位斜坡這兩種典型PWM控制信號(hào)占空比下車輛的動(dòng)力學(xué)參數(shù)和離合器充油規(guī)律，驗(yàn)證了車輛的沖擊度和滑磨功之間的固有矛盾。

以二擋升三擋過(guò)程為例，分析了離合器充放油交替規(guī)律。定義了換擋質(zhì)量參數(shù)作為換擋品質(zhì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，以實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，控制PWM控制信號(hào)占空比關(guān)鍵點(diǎn)的變化，對(duì)油壓參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明：采用優(yōu)化后油壓規(guī)律控制的換擋過(guò)程，車輛沖擊度較優(yōu)化前減小了28.11%，離合器的滑磨功率數(shù)值較為合理，車輛的換擋品質(zhì)得到了有效改善。

[1]李春芾，陳慧巖，孫文濤，等．重型車輛液力機(jī)械自動(dòng)變速器綜述[J]．汽車工程，2009，31(9)：876-880．

[2]吳光強(qiáng)，孫賢安．汽車自動(dòng)變速器發(fā)展綜述[J]．同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，38(10)：1478-1483．

[3]洪濤．工程機(jī)械自動(dòng)變速器理論與控制系統(tǒng)研究[D]．上海：同濟(jì)大學(xué)，2007．

[4]KOHEI K，YASUNORI O．A transmission control system for construction machinery[J]．SAE Technical Paper 901557,1990:11．

[5]Narumi N，Suzuki H，Sakakiyama R．Trends of powertrain control[C]．Tokyo:International Congress on Transportation Eiectronics,1990:313-323．

[6]GAO B Z，CHEN H，SANADA K，et al．Design of clutch-slip controller for automatic transmission using backstepping[J]．IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2011，16(3)：498-508．

[7]高龍．大功率AT換擋離合器油壓對(duì)換擋品質(zhì)影響的仿真分析[D]．天津：軍事交通學(xué)院，2014．

[8]唐新星，趙丁選，黃海東，等．工程車輛自動(dòng)變速控制系統(tǒng)的仿真與試驗(yàn)[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38(4)：26-29．

[9]李春芾．重型車輛AT電液換擋控制技術(shù)研究[D]．北京:北京理工大學(xué)，2012．

[10]孫文濤，陳慧巖．電控自動(dòng)變速器換擋過(guò)程控制策略[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2008，39(10)：23-26．

(編輯：史海英)

Simulation Study of Heavy-Duty AT Shift Quality

ZHU Haitian1， LI Hongxun2，MENG Xiangde2，ZHAO Zihan1

(1.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China；2.National Emergency Transportation Equipment Engineering Technology Research Center,Military Transportation University， Tianjin 300161, China)

On the base of AMESim and Matlab/Simulink, a combined simulation model of automatic hydraulic transmission oil pressure control system and vehicle is established, the dynamic parameters of the vehicle and the variation rules of oil pressure under two typical PWM control signals are analyzed. Taking shifting process of the second gear upshift to third gear as an example, the rules of clutch filling and discharging are analyzed. The design of the oil pressure parameters is optimized by using shift quality parameters to evaluate shift quality. The simulation results show that during the optimized shift process, the degree of shock is reduced by 28.11%, the friction power is reasonable, and heavy-duty AT shift quality is improved.

heavy-duty AT; shift quality; optimal control

2015-08-23；

2015-10-27．

國(guó)家高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2012AA112101)．

朱海天(1991—)，男，碩士研究生.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.06.008

U463.22

A

1674-2192(2016)06- 0032- 05