自動變速箱起步控制策略研究

戴冬華，陳加超

自動變速箱起步控制策略研究

戴冬華，陳加超

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

論文針對裝配自動變速箱的車輛起步控制問題，通過對起步過程的受力狀態(tài)分析，確認(rèn)起步過程車輛驅(qū)動力、阻力以及離合器扭矩之間的力學(xué)關(guān)系。基于此，從發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制、離合器扭矩控制和發(fā)動機(jī)扭矩控制三個方面設(shè)計起步控制策略，通過分階段定斜率控制離合器扭矩來保證起步過程平順性，以主動干預(yù)控制發(fā)動機(jī)扭矩來保證發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到目標(biāo)。最后通過MATLAB完成控制模型搭建，生成代碼后應(yīng)用到整車上，通過不同油門的起步工況測試，驗證該策略。試驗結(jié)果表明，該起步控制策略，能夠?qū)崿F(xiàn)平順、舒適起步，滿足車輛起步要求。

起步；力學(xué)關(guān)系；發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速；離合器扭矩；發(fā)動機(jī)扭矩

引言

很多駕駛員希望一松開制動踏板，車輛就能快速反應(yīng)，穩(wěn)定起步，但是在很多場合，如堵車和車庫停車，又希望能平穩(wěn)地慢速移動車輛，因為起步時車速的任何劇烈變化都會讓駕駛員恐慌，甚至和其他車輛或者物體造成碰撞。所以，起步的平順性直接關(guān)系到駕駛舒適性和行車安全性[1]。

起步主要分為兩種情況，一種是不踩加速踏板松開制動踏板自動起步，稱為“蠕動”；另一種是松開制動踏板踩加速踏板自動起步，稱為“起步”。

本文主要是針對第二種松開制動踏板踩加速踏板的自動起步情況，結(jié)合起步過程車輛動力系統(tǒng)受力情況分析，設(shè)計一種平順、舒適的起步控制策略。

1 起步過程受力分析

1.1 起步過程驅(qū)動力分析

發(fā)動機(jī)是傳統(tǒng)汽車的主要動力源，通過循環(huán)做功的方式將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，又經(jīng)過離合器、變速箱、傳動軸、主減速器、差速器等傳遞到半軸來驅(qū)動車輛。所以車輛起步的驅(qū)動力F為[2]：

式中，為輪胎滾動半徑，為車輪的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。

=Tii0η（2）

式中T為發(fā)動機(jī)輸出扭矩，i為變速箱傳動比，i為主減速器傳動比，η為傳動效率。

故車輛起步的驅(qū)動力F為：

所以，對于某一固定車型來講，起步過程的驅(qū)動力主要取決于發(fā)動機(jī)輸出扭矩。

1.2 起步過程阻力分析

車輛起步過程中主要受到滾動阻力、空氣阻力、加速阻力和坡道阻力，本文主要分析平直路面起步的情況，所以不考慮坡道阻力。

1.2.1滾動阻力

車輛在平直路面起步時，必須克服來自輪胎與支撐面間的滾動阻力F[3]。

F=·（4）

式中為汽車重力，為滾動阻力系數(shù)。

而對于轎車在良好路面行駛時，可表示為：

式中f為方程系數(shù)。

由于起步過程屬于低速控制過程，且1和2遠(yuǎn)小于0，故起步過程約等于0，所以起步過程滾動阻力可表示為：

F=·0（6）

故車輛起步過程的滾動阻力，主要取決于車輛的重力和滾動阻力方程系數(shù)。

表1 轎車f值的方程系數(shù)fi

路面狀況瀝青路水泥路 f00.011 520.012 96 f10.001 830.002 06 f20.001 590.001 79

1.2.2空氣阻力

車輛從靜止到移動后還需要克服來自周圍介質(zhì)的空氣阻力F。

式中C為空氣阻力系數(shù)，為汽車行駛速度，迎風(fēng)面積。

根據(jù)公式（7），空氣阻力與車輛行駛速度的平方成正比，由于車輛起步過程，車速低且時間短，所以起步過程不考慮空氣阻力的影響。

1.2.3加速阻力

汽車加速行駛還需克服平移質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性所產(chǎn)生的加速阻力F。

式中為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，為汽車重力，為重力加速度，為汽車行駛速度。

故車輛起步過程的加速阻力，主要取決于車輛的重力和起步過程車輛的加速度。

綜上所述，汽車起步過程總阻力為[3]：

=F+F（9）

即：

起步過程總阻力主要取決于車輛重力、滾動阻力方程系數(shù)和車輛起步過程加速度。

1.3 離合器傳扭分析

車輛起步是離合器主動盤和從動盤從滑摩狀態(tài)到壓緊狀態(tài)變化的過程，起步控制全過程離合器處于滑摩狀態(tài)，根據(jù)離合器的實際尺寸和摩擦特性，滑摩狀態(tài)下離合器能傳遞的轉(zhuǎn)矩T和施加在離合器的壓力F的關(guān)系為[4]：

T=nμFrsgn (m?c) （11）

式中為摩擦面數(shù)目，為摩擦系數(shù)，r為等效摩擦半徑，m為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，c為輸入軸轉(zhuǎn)速。

所以，對于某一固定車型來講，起步過程離合器傳遞的扭矩大小與施加在離合器上的壓力成正比。

1.4 起步過程力的關(guān)系分析

車輛起步時，發(fā)動機(jī)提供驅(qū)動力，經(jīng)過離合器傳遞到變速箱，再傳遞到車輪，克服車輪側(cè)的阻力，從而驅(qū)動車輛起步行駛。當(dāng)車輛靜止時，主要克服車輛的滾動阻力或靜摩擦力，當(dāng)車輛開始移動后，主要克服滾動阻力和加速阻力。

圖1 汽車動力系統(tǒng)示意圖

2 控制策略設(shè)計

依據(jù)上述對于起步過程的受力分析，起步控制過程主要分為三個部分設(shè)計，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制、離合器扭矩控制和發(fā)動機(jī)扭矩控制。

2.1 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制

車輛起步時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)高于輸入軸轉(zhuǎn)速，起步過程輸入軸轉(zhuǎn)速不斷增大且逐步靠近發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，最終達(dá)到同步。

從文章1.1起步驅(qū)動力分析中可知，起步過程的驅(qū)動力主要取決于發(fā)動機(jī)輸出扭矩，但發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速又會影響發(fā)動機(jī)輸出扭矩，如圖2所示是某款發(fā)動機(jī)的外特性曲線，從曲線中可以看出，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在1 500 r/min以下，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，輸出扭矩不斷增大，達(dá)到1 500 r/min左右時，扭矩發(fā)揮到最大。所以為保證起步過程中的加速性能，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不能過低。

圖2 某款發(fā)動機(jī)外特性曲線

另外，起步過程離合器處于滑摩狀態(tài)，該狀態(tài)下發(fā)動機(jī)輸出功率P為：

P=T·N（12）

式中T為發(fā)動機(jī)輸出扭矩，N為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。

輸入軸得到的功率input為：

inputinput·input（13）

式中input為輸入軸扭矩，input為輸入軸轉(zhuǎn)速。

由于T和input相等，而N和input不相等，部分能量損失就消耗在摩擦片上，這部分損失能量P為：

P=T·(N?input) （14）

而此損失能量就會引起離合器摩擦片發(fā)熱和磨損，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速越大，損失能量越大，所以發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速同樣不宜過大。

故為了確保起步動力性，同時兼顧起步過程滑摩能量損失，設(shè)定起步過程發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制如下圖3中目標(biāo)轉(zhuǎn)速所示。

圖3 起步過程轉(zhuǎn)速控制示意圖

起步開始時，快速提升發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，充分發(fā)揮發(fā)動機(jī)動力性能，然后按照一定斜率與輸入軸轉(zhuǎn)速同步增長，減小起步過程的滑摩差，從而減少能力損失，保護(hù)離合器。

2.2 離合器扭矩控制

離合器的主要作用是傳遞發(fā)動機(jī)扭矩至車輪側(cè)，使得車輛能夠克服阻力并完成起步，故離合器扭矩的大小及變化，直接影響到車輛的起步狀態(tài)。

根據(jù)文章1.2中的式（10）可得，車輛起步過程阻力變化可分為兩個階段，第一階段為車輛靜止（車速為0）時，車輛阻力主要為滾動阻力，其大小為車重與滾動阻力方程系數(shù)的乘積，對于某一固定車型，在不考慮載重的情況下，其阻力值為定值。

第二階段為車輛加速（車速不為0）時，車輛阻力主要為滾動阻力和加速阻力，其大小與車重、滾動阻力方程系數(shù)和車輛起步過程加速度均相關(guān)，同樣對于某一固定車型，在不考慮載重的情況下，車重、滾動阻力方程系數(shù)為定值，所以車輛加速過程阻力相當(dāng)于車輛加速度的一階線性方程，加速度越大其阻力越大。

圖4 起步離合器扭矩控制示意圖

故離合器扭矩控制同樣分為兩個階段，如圖4所示，第一階段離合器扭矩以定斜率緩慢增長，直至能夠克服車輛靜止?fàn)顟B(tài)下的滾動阻力并開始移動，使得車輛平穩(wěn)起步。第二階段離合器扭矩以更大斜率增大至駕駛員期望扭矩，克服車輛起步加速過程中的加速阻力，使車輛獲得穩(wěn)定的加速度。

2.3 發(fā)動機(jī)扭矩控制

起步過程發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和離合器扭矩控制方式確定后，發(fā)動機(jī)扭矩是實現(xiàn)上述精確控制的動力源。因為發(fā)動機(jī)扭矩一部分經(jīng)過離合器傳遞到車輪驅(qū)動車輛，另一部分就是提升發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。

相對于發(fā)動機(jī)，離合器就是其負(fù)載，隨著起步過程滑摩差的減小和離合器扭矩的增大，發(fā)動機(jī)負(fù)載也越來越大，所以發(fā)動機(jī)扭矩控制應(yīng)該對應(yīng)于離合器扭矩控制，需要在克服離合器扭矩負(fù)載的基礎(chǔ)上提升相應(yīng)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在起步過程保持在目標(biāo)轉(zhuǎn)速。故發(fā)動機(jī)扭矩T為：

T=J·(N?N)+ T（15）

式中J為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量，N為發(fā)動機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，N為發(fā)動機(jī)實際轉(zhuǎn)速，T為離合器扭矩。

圖5 起步發(fā)動機(jī)扭矩控制示意圖

控制過程可以依據(jù)式（15）的計算結(jié)果，變速箱通過主動請求扭矩控制的方式，使得發(fā)動機(jī)按照請求輸出扭矩，同時可以基于發(fā)動機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的差值，通過PID控制調(diào)節(jié)方式，較少發(fā)動機(jī)扭矩控制的誤差，具體控制過程可參見圖5。

3 模型搭建

策略設(shè)計完成后，通過Matlab搭建控制模型[5]，參見圖6。核心執(zhí)行模塊主要分為輸入模塊、轉(zhuǎn)速控制模塊、離合器扭矩控制模塊、發(fā)動機(jī)扭矩控制模塊4個部分組成。

圖6 起步控制模型搭建

4 測試驗證

模型搭建完成后，完成仿真測試[6]，生成代碼[7]，將集成好的控制軟件刷寫到變速箱控制單元（TCU）中，并在某款搭載自動變速箱的整車上對起步控制策略開展驗證。

測試主要采用不同油門進(jìn)行起步，確認(rèn)起步過程發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速是否緩慢平滑上升，同時車輛是否穩(wěn)定加速，過程無抖動和沖擊。

圖7 整車起步測試數(shù)據(jù)

從圖7起步測試數(shù)據(jù)可以看出，起步過程發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定平滑上升，車輛穩(wěn)定加速，過程中車速無明顯抖動和跳動，說明起步過程平順，故該起步控制滿足設(shè)計意圖，能夠?qū)崿F(xiàn)車輛平順、舒適的起步。

5 結(jié)束語

本文介紹了一種自動擋起步控制策略，區(qū)別于其他控制策略，本策略主要是先確定好發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和離合器扭矩控制，再以發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為控制目標(biāo)，以離合器扭矩為負(fù)載，反算出發(fā)動機(jī)扭矩控制，最后采用變速箱主動干預(yù)的方式，實現(xiàn)發(fā)動機(jī)扭矩控制。

該起步控制策略不僅能夠?qū)崿F(xiàn)平順、舒適的起步，還能減少起步過程的離合器滑差，從而達(dá)到保護(hù)離合器的目的。

[1] 劉貽樟.AMT控制技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2016.

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Research of Automatic Transmission Launch Control Strategy

DAI Donghua, CHEN Jiachao

( Technical Center of Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

This paper aimed at the launch control problem of vehicles equipped with automatic transmis- sion, the mechanical relationship between the launch process vehicle driving force, the resistance, and the clutch torque was confirmed by analysis of the launching process. Based on this, the launch control strategy was designed from three aspects: engine speed control, clutch torque control and engine torque control. The clutch torque was controlled by constant slope in stages to ensure the smoothness of the launching process, and the engine torque was controlled by torque intervention to ensure that the engine speed reached the target. Finally, the control model was built by MATLAB, and the code was generated and applied to the vehicle. The strategy was verified by the launching condition test of different throttle. The test results showed that the launch control strategy could achieve smooth and comfortable launching to meet the launch requirements of the vehicle.

Launch; Mechanical relation; Engine speed; Clutch torque; Engine torque

U462

A

1671-7988(2021)24-77-05

U462

A

1671-7988(2021)24-77-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.024.017

戴冬華（1989—），男，學(xué)士，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心。

安徽省重點研究與開發(fā)項目——新型商用車AMT產(chǎn)品開發(fā)（201904a05020023）。