商用車AMT換擋過程發(fā)動機控制策略

劉振杰， 李志偉， 王 葉， 衣 超， 韓宇石

(中國北方車輛研究所車輛傳動重點實驗室，北京 100072)

商用車AMT換擋過程發(fā)動機控制策略

劉振杰， 李志偉， 王 葉， 衣 超， 韓宇石

(中國北方車輛研究所車輛傳動重點實驗室，北京 100072)

為了提高商用車AMT換擋舒適性，根據(jù)離合器工作特性，將換擋過程分為5個階段，制定了每個階段發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速和發(fā)動機控制模式.基于SAEJ1939通信協(xié)議，通過發(fā)送控制模式指令實現(xiàn)了AMT升擋過程發(fā)動機限速限扭控制策略和降擋過程發(fā)動機調(diào)速控制策略,并在南京依維柯AMT樣車上進行了試驗驗證，結(jié)果表明：所提出的發(fā)動機控制策略能夠很好地控制換擋過程發(fā)動機轉(zhuǎn)速，達到發(fā)動機轉(zhuǎn)速與輸入軸轉(zhuǎn)速同步的目的,提高了換擋舒適性.

商用車；發(fā)動機控制；AMT；換擋

電控機械式自動變速器(AMT)具有結(jié)構(gòu)簡單，傳動效率高等優(yōu)點，目前已被成功應用于商用車領(lǐng)域.但由于AMT換擋時存在動力中斷、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和輸入軸轉(zhuǎn)速不同步等問題，影響了換擋舒適性[1].因此，AMT換擋過程中需要對發(fā)動機進行轉(zhuǎn)速、扭矩干預控制[2-5].本研究在對南京依維柯AMT樣車換擋過程分析的基礎(chǔ)上，制定了換擋控制策略，基于SAEJ1939協(xié)議，通過引入限速限扭控制模式，實現(xiàn)對發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制,達到發(fā)動機轉(zhuǎn)速與輸入軸轉(zhuǎn)速同步的目的.

SAEJ1939協(xié)議是美國汽車工程師協(xié)會專門為重載卡車和客車制定的一種串行通訊和控制協(xié)議，目前已成為世界各大商用車制造廠的總線標準[6].SAEJ1939中規(guī)定電控發(fā)動機有調(diào)速、調(diào)扭和限速限扭3種控制模式，通過發(fā)送相應的代碼即可實現(xiàn)對發(fā)動機的控制.

1 AMT換擋過程研究

AMT換擋過程中首先要使離合器分開，離合器分開后選換擋執(zhí)行機構(gòu)動作完成換擋，換擋完成后離合器結(jié)合，最終完成換擋.以離合器位移作為依據(jù)，換擋過程階段劃分如圖1所示.

圖1 AMT換擋過程階段劃分

圖中abcdef線代表換擋過程離合器位移變化示意曲線.按照該曲線，將換擋過程分為5個階段：

1)在階段1,離合器閉合，車輛處于非換擋狀態(tài)；

2)在階段2，離合器處于結(jié)合狀態(tài)，但是開始逐漸分開到滑磨點；

3)在階段3，離合器處于分離狀態(tài)，此時AMT進行摘擋、選擋、換擋動作；

4)在階段4，離合器開始結(jié)合，發(fā)動機轉(zhuǎn)速和輸入軸轉(zhuǎn)速差逐漸減??；

5)在階段5，離合器快速結(jié)合.

2 AMT換擋過程發(fā)動機控制策略制定

換擋過程中車速不會發(fā)生太大變化，但是當擋位發(fā)生變化時，AMT速比發(fā)生變化，此時輸入軸轉(zhuǎn)速也會發(fā)生較大變化.由于升擋時發(fā)動機需要降轉(zhuǎn)速、降擋時發(fā)動機需要升轉(zhuǎn)速，故分別制定升擋過程發(fā)動機控制策略和降擋時發(fā)動機控制策略.對AMT來說，換擋舒適性取決于發(fā)動機轉(zhuǎn)速和輸入軸轉(zhuǎn)速的協(xié)調(diào)，基于發(fā)動機扭矩控制的換擋最終也是反饋到發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化.不管是有動力換擋還是無動力換擋，或者說車輛對發(fā)動機扭矩的需求，均反映出發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化，故在制定發(fā)動機控制策略時，以發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速為控制目標.

2.1 升擋時發(fā)動機控制策略

在升擋過程中可以認為車速幾乎無變化，而變速箱傳動比變小，這導致車速折合到變速箱輸入軸的轉(zhuǎn)速減小.為了減小換擋沖擊，那么在升擋過程中需要降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速.

1)模塊構(gòu)建及工作流程.

AMT在升擋過程中發(fā)動機轉(zhuǎn)速、輸入軸轉(zhuǎn)速、車速變化如圖2所示.

圖2 AMT升擋過程轉(zhuǎn)速變化曲線

當AMT接收到升擋指令后，換擋過程從階段1進入階段2.此時離合器逐漸分開，直到離合器滑磨點.離合器分開的過程中可能出現(xiàn)因打滑而導致發(fā)動機轉(zhuǎn)速與輸入軸轉(zhuǎn)速不同步.

當離合器分離至滑磨點以后，換擋過程從階段2進入階段3.該階段執(zhí)行機構(gòu)動作進行選擋換擋，由于發(fā)動機無負載，轉(zhuǎn)速會突然上升，相反，由于失去動力，與負載端相連的輸入軸轉(zhuǎn)速會直接下降.當換擋完成后，輸入軸轉(zhuǎn)速變化與車速變化一致.

換擋完成后離合器開始結(jié)合，換擋過程從階段3進入階段4.發(fā)動機轉(zhuǎn)速和輸入軸轉(zhuǎn)速差逐漸減小.

當發(fā)動機轉(zhuǎn)速和輸入軸轉(zhuǎn)速差達到目標同步轉(zhuǎn)速差時，換擋過程從階段3進入階段5.由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速和輸入軸轉(zhuǎn)速差非常小，該階段離合器快速結(jié)合.

2)發(fā)動機控制策略制定.

在階段1，離合器閉合，車輛處于非換擋狀態(tài)，發(fā)動機不控制.

在階段2，離合器處于結(jié)合狀態(tài)，此時發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速應維持當前發(fā)動機轉(zhuǎn)速，但由于發(fā)動機調(diào)速響應時間問題，該階段應對發(fā)動機進行限速控制，以便于下一階段的發(fā)動機控制.

在階段3，離合器處于分離狀態(tài)，此時發(fā)動機轉(zhuǎn)速會發(fā)生突變，不管是有動力換擋還是無動力換擋，發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速都是降低，并與下一擋位的當前車速對應的輸入軸轉(zhuǎn)速一致.由于動力升擋時發(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)速控制模式效果不是特別理想，該階段發(fā)動機控制采用限速限扭控制模式，即限制發(fā)動機轉(zhuǎn)速不高于目標轉(zhuǎn)速.

在階段4，離合器結(jié)合，與前一階段控制模式相同，此時由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速與輸入軸轉(zhuǎn)速接近相同，換擋舒適性會大大提高.

在階段5，離合器快速結(jié)合，此時車輛需要較大動力，該階段需要發(fā)動機扭矩迅速增加，但由于離合器沒有完全結(jié)合，此時扭矩應逐漸增長，提高舒適性.

2.2 AMT降擋發(fā)動機控制策略

在降擋過程中車速幾乎無變化，而由于發(fā)動機降擋時變速箱速比變大，所以導致車速折合到變速箱輸入軸的轉(zhuǎn)速增大.為了減小換擋沖擊，在降擋過程中發(fā)動機需要升轉(zhuǎn)速.

1)發(fā)動機控制策略制定.

AMT降擋過程發(fā)動機轉(zhuǎn)速、輸入軸轉(zhuǎn)速、車速變化如圖3所示.

圖3 AMT降擋過程轉(zhuǎn)速變化曲線

當有降擋指令后，進入階段2，此時離合器逐漸分開，直到滑磨點，離合器分開的過程中可能出現(xiàn)因打滑而導致發(fā)動機轉(zhuǎn)速與輸入軸轉(zhuǎn)速不同步.當離合器分離至滑磨點以后進入階段3，離合器完全分開，此時由于油門開度較小或為怠速，發(fā)動機轉(zhuǎn)速會較低，所以動力降擋時轉(zhuǎn)速會上升，輸入軸轉(zhuǎn)速會直接下降.由于該階段執(zhí)行選換擋動作，換擋過程中，輸入軸轉(zhuǎn)速又會逐漸升高，換擋完成后，轉(zhuǎn)速變化與車速變化一致.換擋完成后離合器開始結(jié)合，進入階段4，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速和輸入軸轉(zhuǎn)速差達到目標同步轉(zhuǎn)速差時，進入階段5，在階段5，由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速和輸入軸轉(zhuǎn)速差非常小，該階段離合器快速結(jié)合.

2)發(fā)動機控制策略制定.

在階段1，離合器閉合，車輛處于非換擋狀態(tài)，發(fā)動機不控制.

在階段2，離合器處于結(jié)合狀態(tài)，此時發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速應維持當前發(fā)動機轉(zhuǎn)速，但由于發(fā)動機調(diào)速響應時間問題，該階段應對發(fā)動機進行調(diào)速控制，以便于下一階段的發(fā)動機控制.

在階段3，離合器處于分離狀態(tài)，發(fā)動機轉(zhuǎn)速可能會下降也可能會上升，不管是有動力降擋還是無動力降擋，發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速都是逐漸升高.由于升速調(diào)速控制容易超調(diào)，所以發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速逐漸增加.該階段油門較小，而發(fā)動機轉(zhuǎn)速又要提高，故該階段采用調(diào)速控制模式.

在階段4，離合器結(jié)合，與前一階段控制模式相同，此時由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速與輸入軸轉(zhuǎn)速接近相同，換擋舒適性會大大提高.

在階段5，離合器快速結(jié)合，此時車輛需要較大動力，該階段需要發(fā)動機扭矩迅速增加，但由于離合器沒有完全結(jié)合，此時扭矩應逐漸增長，以提高舒適性.

3 試驗驗證

試驗車輛為南京依維柯2064車型，具體參數(shù)見表1.

表1 2064車型實車參數(shù)

基于該車型開發(fā)了AMT樣車，采用文中控制策略在dsPACE快速原型控制平臺上完成了控制軟件開發(fā)和預標定.

3.1 AMT升擋試驗結(jié)果

2擋升3擋時，基于一般發(fā)動機調(diào)速控制的試驗結(jié)果如圖4所示.

圖4 AMT升擋過程發(fā)動機調(diào)速控制試驗結(jié)果

現(xiàn)有AMT在換擋過程階段2～階段4，發(fā)動機采用調(diào)速控制模式，在階段5采用限速限扭控制模式.在階段2，發(fā)動機轉(zhuǎn)速略高于目標轉(zhuǎn)速；在階段3，由于離合器分離，發(fā)動機負載突然變小，發(fā)動機轉(zhuǎn)速有一個小的快速升高，即飛車現(xiàn)象；在階段4，離合器開始結(jié)合，發(fā)動機負載增加，此時要維持目標轉(zhuǎn)速不變，發(fā)動機就需要增加輸出扭矩.發(fā)動機輸出扭矩增加容易出現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加，即二次飛車.在階段5，此時離合器快速結(jié)合，為提高換擋舒適性，該階段進行發(fā)動機限速限扭控制.

2擋升3擋時，基于發(fā)動機限速限扭控制的試驗結(jié)果如圖5所示.

圖5 AMT升擋過程發(fā)動機限速限扭控制試驗結(jié)果

在換擋過程階段2～階段5，發(fā)動機采用限速限扭控制模式.在階段2，發(fā)動機轉(zhuǎn)速略低于目標轉(zhuǎn)速；在階段3，發(fā)動機轉(zhuǎn)速剛開始有稍微上升后逐漸下降；在階段4，發(fā)動機轉(zhuǎn)速也持續(xù)下降；在階段5，此時離合器快速結(jié)合，發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速稍高于當前發(fā)動機轉(zhuǎn)速，防止出現(xiàn)降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速的現(xiàn)象.相比于發(fā)動機調(diào)速控制模式，在換擋過程發(fā)動機沒有出現(xiàn)超調(diào)、飛車等現(xiàn)象，大大地提高了換擋舒適性.

3.2 AMT降擋試驗結(jié)果

在降擋過程中，發(fā)動機需要升轉(zhuǎn)速，故降擋過程需采用調(diào)速模式，4擋降3擋時，試驗結(jié)果如圖6所示.

在階段3，由于離合器分離，失去了車輛的轉(zhuǎn)動慣量，所以發(fā)動機轉(zhuǎn)速有一定的下降，隨后由于調(diào)速控制，發(fā)動機轉(zhuǎn)速逐漸上升，換擋舒適性較好.

圖6 AMT降擋過程試驗結(jié)果

4 結(jié) 論

根據(jù)離合器工作特性，將AMT換擋過程分為5個階段，制定了升擋過程和降擋過程發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速；基于SAEJ1939通信協(xié)議，通過發(fā)送控制模式指令實現(xiàn)了AMT升擋和降擋時發(fā)動機調(diào)速和限速限扭控制；基于dsPACE快速原型控制平臺，在NJ2064 AMT樣車上進行了試驗驗證，結(jié)果表明：所提出的升擋時采用發(fā)動機限速限扭控制模式和降擋時采用發(fā)動機調(diào)速控制模式能夠很好地控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速，提高了換擋舒適性.

[1] Alex Gibson，IIya Kolmanovsky．Modeling and Analysis of Engine Torque Modulation for Shifting Quality Improvement[C]．SAE Paper，2006-01-1073.

[2] 黃 英，萬國強，崔 濤，等. AMT 換擋過程發(fā)動機控制策略研究[J]. 汽車工程，2012，34(3):245-248.

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[5] 周晉超，劉子建，皮皓杰，等. 基于發(fā)動機轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速控制的AMT換擋策略研究[J]. 工程設(shè)計學報，2015，22(2):185-192.

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Engine Control Strategy for AMT Shifting of Commercial Vehicle

LIU Zhen-jie， LI Zhi-wei, WANG Ye, YI Chao, HAN Yu-shi

(Science and Technology on Vehicle Transmission Laboratory, China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072, China)

In order to improve the shift quality of the automatic mechanical transmission(AMT) , the shifting process was divided into five stages and the engine target speed and control strategy of each stage were formulated based on the characteristics of clutch work. Based on SAEJ1939 protocol, engine speed and speed limit torque control by sending engine control mode were implemented. The results of test on NJ2046 vehicle showed that the engine control strategy realized effectively the engine control process, and the AMT shifting comfort was improved.

commercial vehicle; engine control; AMT; shifting

1009-4687(2017)01-0025-04

2016-11-21.

劉振杰(1986-)，男，高級工程師，研究方向為傳動信息與控制.

U270.1+1

A