AMT換擋過程的協(xié)調(diào)控制策略研究

范珊珊，孫文軍，聶幸福

（陜西法士特汽車傳動研究院，陜西 西安 710119）

前言

近年來， AMT的需求量越來越大，其性能要求也越來越高，其中最重要的就是換擋品質(zhì)的問題。而AMT換擋時，動力中斷，前后速比有極差，勢必會造成換擋沖擊，所以必須與發(fā)動機和離合器相互協(xié)調(diào)配合，及時調(diào)整發(fā)動機轉(zhuǎn)速扭矩以及離合器分離接合來匹配整車狀態(tài)，提高乘坐的舒適性。

早期由于發(fā)動機電子控制單元 ECU技術(shù)以及整車通訊技術(shù)發(fā)展不夠完善，變速器控制單元TCU只能通過調(diào)整節(jié)氣門開度間接地實現(xiàn)對發(fā)動機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的控制。文獻(xiàn)[1]提出加裝一個電子節(jié)氣門實現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速的自動控制[1]，文獻(xiàn)[2]提出通過控制斷油電磁閥來調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速的方法，兩者都可以減小換擋時離合器主、從動部分的轉(zhuǎn)速差，提高換擋品質(zhì)[2]。文獻(xiàn)[3]則采用自適應(yīng)PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法進行油門調(diào)速，提高了發(fā)動機調(diào)速的響應(yīng)速度、魯棒性以及自適應(yīng)能力[3]。

但是上述方法，無法實時準(zhǔn)確地獲取發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)以及按照汽車行駛工況有效地實現(xiàn)對AMT和發(fā)動機、離合器的直接協(xié)調(diào)控制。隨著技術(shù)的進步，通信協(xié)議逐漸開放，使得發(fā)動機超越控制成為可能，也就是發(fā)動機控制系統(tǒng)允許傳動系統(tǒng)（如變速器、緩速器、取力器等）暫時接管發(fā)動機控制，以實現(xiàn)良好的駕駛性能。文獻(xiàn)[4]將AMT換擋過程分為三個階段：離合器分離階段，變速器摘擋、選擋、掛擋階段，離合器接合階段，前兩個階段采用轉(zhuǎn)速控制，第三階段采用轉(zhuǎn)矩控制，該方法基本滿足AMT換擋需求[4]。文獻(xiàn)[5]和[6]，繼續(xù)細(xì)分各個換擋階段，縮短換擋過程發(fā)動機控制時間[5-6]。但是發(fā)動機扭矩降低和增加的速率與AMT所處經(jīng)濟動力模式相關(guān)，同時還應(yīng)考慮油門踏板位置，反應(yīng)駕駛員意圖，實現(xiàn)AMT的智能化控制。目前對這方面的研究還有所欠缺，本文通過CAN總線完成AMT與發(fā)動機的通信，在換擋過程中由 AMT暫時接管發(fā)動機控制功能，依據(jù)離合器分離接合位置將換擋過程分為三個階段，分別采用發(fā)動機降扭控制、轉(zhuǎn)速控制、還扭控制，并在一定程度上反應(yīng)駕駛員意圖，實現(xiàn)AMT換擋過程的協(xié)調(diào)控制，可明顯提高換擋品質(zhì)。

1 發(fā)動機超越控制

正常工作情況下，發(fā)動機電控單元（ECU）通過采集加速踏板位置、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、曲軸位置、冷卻水溫、進氣壓力和進氣溫度等傳感器信號按照設(shè)定的規(guī)律（調(diào)速特性）控制燃油噴射系統(tǒng)的噴油量。為了實現(xiàn)良好的駕駛性能，車輛運行過程中，發(fā)動機也允許其他電控單元介入，如取力器、制動系統(tǒng)、ASR、TCU等，通過CAN總線發(fā)送轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩控制請求，從而暫時接管發(fā)動機的控制功能，這個過程就叫做發(fā)動機超越控制。

AMT換擋過程中離合器分離，動力中斷，必須合理控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩，與離合器分離接合的快慢相匹配，才能減小離合器沖擊，提高離合器壽命。其次，換擋前后傳動比有突變，必須進行調(diào)速，使帶嚙合的齒輪達(dá)到同步才能順利掛入目標(biāo)擋位，也就是通常所說的“降擋升速，升擋降速”。這些都要求變速器在換擋過程中，與發(fā)動機協(xié)調(diào)配合。所以AMT工作時，不僅僅通過采集換擋手柄位置、加速踏板位置、制動踏板位置、車速、離合器位移、當(dāng)前擋位、輸入軸和輸出軸轉(zhuǎn)速等信號來控制離合器的分離、接合及AMT的摘擋、選擋和換擋過程，而且要通過 CAN總線發(fā)超越控制請求，要求發(fā)動機達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩，協(xié)調(diào)控制各執(zhí)行機構(gòu)?；贑AN總線的AMT控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 基于CAN總線的AMT控制系統(tǒng)

總線通信協(xié)議J1939中的TSC1報文對發(fā)動機超越控制進行了詳細(xì)定義。發(fā)動機超越控制模式包括轉(zhuǎn)速控制、扭矩控制、轉(zhuǎn)速/扭矩限制，報文同時還定義了超越控制優(yōu)先級、轉(zhuǎn)速控制條件以及需求扭矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，TSC1報文格式如表1所示。AMT運行過程中正是通過發(fā)送TSC1報文請求發(fā)動機超越控制，主要應(yīng)用了發(fā)動機扭矩限制和速度控制兩種模式。AMT換擋過程從離合器開始分離到離合器完全接合為止，這期間可分為減載、空載、加載3個過程，分別采用發(fā)動機降扭控制，轉(zhuǎn)速控制，還扭控制，下面將對此展開詳細(xì)論述。

表1 發(fā)動機超越控制請求報文TSC1

2 AMT換擋過程的協(xié)調(diào)控制

AMT運行過程中，當(dāng)檢測到目標(biāo)擋位與當(dāng)前擋位不符時，就開始進行換擋。首先分離離合器，然后摘擋、選擋，變速器同步后掛入目標(biāo)擋位，最后再接合離合器。按照離合器位置，將該過程分為三段，如下圖所示，離合器分離階段負(fù)載逐漸降低，采用降扭控制；選換擋階段由于要同步帶嚙合齒輪，采用轉(zhuǎn)速控制；離合器接合階段則逐漸恢復(fù)扭矩，采用還扭控制。

圖2 AMT換擋過程

2.1 換擋前發(fā)動機降扭控制

換擋前也就是離合器分離階段，當(dāng)目標(biāo)擋位與當(dāng)前擋位不符時，系統(tǒng)接受換擋請求，直到離合器分離至滑磨點（即離合器恰好可以傳遞扭矩所對應(yīng)的接合位置）時結(jié)束，在這個階段，離合器在保持發(fā)動機轉(zhuǎn)速平穩(wěn)的基礎(chǔ)上，遵循“快——慢——快”的規(guī)律，逐步分離離合器，發(fā)動機在此期間要同步降低輸出轉(zhuǎn)矩，防止發(fā)生明顯的減速沖擊。扭矩降低的速率由AMT所處的模式和當(dāng)前瞬時扭矩決定，如表2所示。

表2 發(fā)動機降扭速率

倒擋R模式的降扭速率最大，手動模式也比較大，動力模式降扭速率較經(jīng)濟模式大。發(fā)動機扭矩依據(jù)選擇的降扭斜率逐漸降至 0，以防出現(xiàn)扭矩突變或振蕩，造成換擋沖擊。整個過程中，扭矩響應(yīng)延遲和跟隨誤差都應(yīng)控制在一個很小的范圍。

2.2 換擋過程中發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制

由于換擋時間很短，可以假設(shè)換擋期間車速是保持不變的，變速器輸出軸轉(zhuǎn)速也認(rèn)為幾乎不變。換擋前，變速器輸入端轉(zhuǎn)速與輸出端轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下：

式中，ni指的是輸入端轉(zhuǎn)速，no是輸出端轉(zhuǎn)速，in是換擋前變速器所處擋位，i0是主減速器速比。換擋后，輸入轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下：

式中，ni+1指的是換擋后輸入端轉(zhuǎn)速， in+1是目標(biāo)擋位。從上式分析，升擋時，目標(biāo)擋位速比較當(dāng)前擋位速比小，掛入目標(biāo)擋位后，輸入軸轉(zhuǎn)速要降低。相反，降擋時，輸入軸轉(zhuǎn)速要升高。所以，換擋前后變速器的傳動比發(fā)生了變化，使得變速器輸入軸轉(zhuǎn)速產(chǎn)生跳變，若換擋過程中不調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速，在換擋完成離合器再接合時，其主、從動盤之間也會存在較大轉(zhuǎn)速差，導(dǎo)致?lián)Q擋沖擊和離合器過度磨損，縮短離合器使用壽命。如下圖所示，圖3（a）為升擋時發(fā)動機的轉(zhuǎn)速控制，發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速逐漸降低。圖3（b）為降擋時發(fā)動機的轉(zhuǎn)速控制，發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速逐漸升高。

圖3 換擋過程發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制

AMT換擋過程，變速箱內(nèi)部也要對待嚙合齒輪進行調(diào)速，使之與滑套同步，平緩地掛入目標(biāo)擋位，否則掛擋沖擊大，影響換擋品質(zhì)。變速器內(nèi)部調(diào)速同樣也遵循“升擋降速，降擋升速”的規(guī)律。變速器內(nèi)部安裝有一個制動裝置，升擋時起制動中間軸的作用，使待嚙合齒輪和滑套的速度相匹配，順利掛入擋位。降擋時，則需要再次接合離合器，通過發(fā)動機帶動一軸及中間軸轉(zhuǎn)速升高，速度匹配后分離離合器，再掛入目標(biāo)擋位。掛擋完成后，發(fā)動機轉(zhuǎn)速和變速器輸入軸轉(zhuǎn)速仍有一定速差，也就是離合器的主、從動盤仍要進行同步調(diào)速。因而，AMT換擋過程的轉(zhuǎn)速控制過程，可細(xì)分為變速器同步調(diào)速階段、換擋階段和離合器同步階段。

在第（1）階段中間軸同步時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在目標(biāo)轉(zhuǎn)速窗口外，如圖3所示，要求發(fā)動機的速度控制具有較快的轉(zhuǎn)速響應(yīng)和較小的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速偏差，可以采用較大的PI參數(shù)進行調(diào)節(jié)；第（2）階段換擋時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速已基本進入目標(biāo)轉(zhuǎn)速窗口內(nèi)，可以采用較小的PI參數(shù)進行調(diào)節(jié)；第（3）階段，當(dāng)變速箱掛擋完成進入離合器同步階段，要求發(fā)動機速度控制的扭矩輸出要平滑、穩(wěn)定，但對轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速偏差要求較低，可以采用較小的PI參數(shù)，并引入D環(huán)節(jié)進行補償。

2.3 換擋后發(fā)動機還扭控制

選換擋結(jié)束離合器接合階段，需將當(dāng)前的發(fā)動機扭矩逐漸恢復(fù)。離合器遵循“快—慢—快”的接合規(guī)律，從分離點到滑磨點，接合速度可以較快，但是從滑摩點到同步點則采用慢速接合，該階段最易引起換擋沖擊，同步點到完全接合點，又應(yīng)該快速接合。發(fā)動機還扭速率與AMT模式相關(guān)，具體如表3所示。

表3 發(fā)動機還扭速率

離合器接合行程的每個點可傳遞的扭矩有限，如果接合速度過快，離合器可傳遞扭矩大于發(fā)動機還扭矩，那么將產(chǎn)生類似發(fā)動機制動的反拖效果，造成沖擊，降低換擋舒適性。如果接合速度過慢，離合器可傳遞扭矩小于發(fā)動機還扭矩，那將延長滑磨時間，降低離合器使用壽命。所以，問題的關(guān)鍵是使發(fā)動機還扭矩與離合器傳遞扭矩相協(xié)調(diào)，實現(xiàn)離合器快速接合，盡快恢復(fù)汽車的動力，達(dá)到駕駛員期望的牽引效果。

3 試驗驗證

基于文中換擋過程協(xié)調(diào)控制策略，開發(fā)16速AMT控制軟件，在裝有WP12.375 E4發(fā)動機和SACHS SAE1#離合器的車輛上進行試驗驗證。如表4所示，為整車參數(shù)：

表4 整車參數(shù)列表

在試車場以及實際道路進行測試，發(fā)現(xiàn)換擋迅速，舒適性提高。如圖4所示為從8擋到10擋的升擋過程，發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化平穩(wěn)，換擋沖擊小，動力中斷時間短。原因是，離合器分離過程中離合器分離和發(fā)動機降扭保持協(xié)調(diào)一致，發(fā)動機轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，車輛繼續(xù)保持一定的加速度，減小了動力損失；選換擋過程中通過轉(zhuǎn)速控制使待嚙合齒輪達(dá)到精確同步，換擋平順，沖擊減小，同時離合器主、從動轉(zhuǎn)速差也大大減小。第3階段扭矩恢復(fù)，發(fā)動機扭矩與離合器接合過程保持一致，既保持了換擋舒適性，又增強了換擋過程的動力性。

圖4 升擋過程（8~10）

圖5為從15擋到14擋的降擋過程，降擋平穩(wěn)快捷，通過發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制及扭矩控制，減小了離合器主、從動部分轉(zhuǎn)速差，車輛無制動感，發(fā)動機轉(zhuǎn)速無轟響，獲得了很好的換擋效果。

圖5 降擋過程（15~14）

試驗結(jié)果表明，AMT換擋過程的協(xié)調(diào)控制策略，可提高換擋舒適性，減小沖擊，能夠滿足實際車輛運行的需要。

4 結(jié)論

AMT換擋過程影響因素眾多，邏輯復(fù)雜，本文詳細(xì)分析AMT換擋過程，提出一種協(xié)調(diào)控制策略，結(jié)合離合器的分離接合狀態(tài)，將AMT換擋過程分為換擋前降扭控制，換擋過程轉(zhuǎn)速控制，和換擋后還扭控制，實現(xiàn)了AMT與發(fā)動機、離合器的綜合控制，改善了 AMT的換擋品質(zhì)。在裝有WP12.375 E4發(fā)動機，16速AMT，SACHS SAE1#離合器的車輛上進行試驗驗證，試驗結(jié)果表明，該方法有利于縮短換擋時間，提高換擋舒適性和動力性，為AMT換擋過程控制提供參考。