液力自動變速器升檔過程發(fā)動機(jī)協(xié)調(diào)控制

李波 張健 侯連軍 穆勇勇

摘要：發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制是提高液力變速器換擋品質(zhì)的重要技術(shù)手段。以某型號柴油機(jī)和西安雙特智能傳動有限公司的FC180液力自動變速器組成的動力傳動系統(tǒng)，制定了換擋過程發(fā)動機(jī)協(xié)調(diào)控制策略，并在實(shí)車上進(jìn)行了對比試驗(yàn)。結(jié)果表明：通過在慣性相初期階段減小發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩以抵消部件轉(zhuǎn)動慣量釋放的轉(zhuǎn)矩，在慣性相后期通過標(biāo)定發(fā)動機(jī)使其轉(zhuǎn)矩增加，以抵消升擋后由于速比減小導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩減小而引起的沖擊，提高換擋品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；自動變速器；協(xié)調(diào)控制；換擋過程

不斷提高車輛的動力性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性和操縱性是人們一直追求的目標(biāo)。液力自動變速器換擋品質(zhì)是影響車輛舒適性的重要方面，而提高換擋品質(zhì)，不僅需要自動變速器的精確控制，而且需要發(fā)動機(jī)的有效協(xié)調(diào)控制。

在換擋過程中，液力機(jī)械式自動變速器是通過控制行星齒輪傳動系中相應(yīng)離合器或制動器的結(jié)合、分離來實(shí)現(xiàn)的。通過控制換擋執(zhí)行元件的油路油壓，延長滑摩時(shí)長可以有效降低離合器結(jié)合過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動。但較長的滑摩時(shí)長減小了離合器的壽命。萬國強(qiáng)等[1]在AT升擋過程中發(fā)動機(jī)協(xié)調(diào)控制的試驗(yàn)研究中提出，減小升擋過程發(fā)動機(jī)噴油量可以有效地抑制輸出軸轉(zhuǎn)矩的增加，但是卻增加了換擋結(jié)束時(shí)產(chǎn)生的反向沖擊。

本文以減小液力機(jī)械式自動變速器換擋沖擊為優(yōu)化目標(biāo)，為抑制變速器輸出轉(zhuǎn)矩波動，提高換擋過程舒適性，提出一種換擋過程中的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)策略。在慣性相初期通過降低發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出，減小轉(zhuǎn)動慣量引起的轉(zhuǎn)矩上升，在慣性相后期通過發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)使其轉(zhuǎn)矩上升以減小由于速比減小而引起的輸出轉(zhuǎn)矩降低。

自動變速器建模及理論分析

1.離合器的動力學(xué)分析模型

車輛的動力傳動系統(tǒng)是一個連續(xù)、多自由度的復(fù)雜系統(tǒng)，為了方便分析，將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械變速系統(tǒng)動力學(xué)分析模型并且對其進(jìn)行如下假設(shè)：

1）忽略發(fā)動機(jī)扭振、擺振等振動影響。

2）忽略齒輪嚙合等其他運(yùn)動副的間隙和阻尼。

3）忽略動力傳動系統(tǒng)中軸承和軸承座的摩擦阻力。

4）忽略以上因素對整個換擋過程動力分析不會產(chǎn)生太大影響。

基于以上假設(shè)，可將車輛動力傳動系統(tǒng)簡化為圖1所示模型。

圖1中，Jin為變速器輸入軸轉(zhuǎn)動慣量，Jout為變速器輸出軸轉(zhuǎn)動慣量，CL為低擋位離合器，CH為高擋位離合器，iL為低擋位傳動比，iH為高擋位傳動比，Tin為變速器輸入端轉(zhuǎn)矩，Tout為變速器輸出端轉(zhuǎn)矩[2]。

自動變速器換擋離合器從分離到接合過程中，在滑動摩擦力的作用下，離合器主動端和被動端的轉(zhuǎn)速差不斷的減小而最終達(dá)到零。在此過程中，如果忽略油膜變化對離合器摩擦特性的影響，離合器的摩擦轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩容量可以通過下式進(jìn)行描述

當(dāng)離合器的主被動端存在滑摩時(shí)，離合器的轉(zhuǎn)矩容量和滑摩轉(zhuǎn)矩相等，并與離合器的壓緊油壓成正比關(guān)系。而當(dāng)離合器壓緊以后，主被動端的滑差為0，此時(shí)離合器的轉(zhuǎn)矩容量和滑摩轉(zhuǎn)矩不再相等，其滑摩轉(zhuǎn)矩保持不變而轉(zhuǎn)矩容量則隨著油壓的增加而增大。

因此可以根據(jù)變速器輸入軸和輸出軸分別得到關(guān)于離合器CH和離合器CL的轉(zhuǎn)矩平衡公式，換擋過程中離合器一定滿足的基本轉(zhuǎn)矩配合關(guān)系。在自動變速器換擋過程中，不同的離合器處于不同的工作狀態(tài)，因而兩個平衡公式的具體形式也略有不同。

無論哪種換擋類型，離合器工作狀態(tài)一定處于充油階段、轉(zhuǎn)矩交換階段、轉(zhuǎn)速同步階段、完全分離階段和完全壓緊階段中的某一工作狀態(tài)[3]。

2.換擋過程理論分析

（1）充油階段的離合器動力學(xué)分析 在升擋的充油階段，離合器CL處于壓緊狀態(tài)并且承擔(dān)著傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩而離合器CH處于完全分離狀態(tài)，不承載任何轉(zhuǎn)矩。

（2）轉(zhuǎn)矩交換階段的離合器動力學(xué)分析 在升擋的轉(zhuǎn)矩交換階段，離合器CL仍然處于接合狀態(tài)并且承擔(dān)的轉(zhuǎn)矩逐漸轉(zhuǎn)交到CH，此時(shí)離合器CH處于滑摩狀態(tài)。轉(zhuǎn)矩交換階段的理想模型是CH滑摩、CL保持接合狀態(tài)、傳動系統(tǒng)仍然以iL工作。

（3）轉(zhuǎn)速同步階段的離合器動力學(xué)分析 在升擋的轉(zhuǎn)速同步階段，離合器CL完全分離處于帶排狀態(tài)，CH處于滑摩狀態(tài)并且承擔(dān)所有轉(zhuǎn)矩，傳動比從低擋位iL的向高擋位iH過渡，輸入端轉(zhuǎn)速由低擋位轉(zhuǎn)速同步至高擋位轉(zhuǎn)速。

（3）完全壓緊階段 在升擋的完全壓緊階段，離合器CL完全分離，CH處于完全壓緊狀態(tài)，傳動系統(tǒng)以iH工作。

換擋過程控制策略分析

文中策略只針對轉(zhuǎn)速相進(jìn)行調(diào)控，因此只分析轉(zhuǎn)速相階段轉(zhuǎn)矩變化。在轉(zhuǎn)速相階段轉(zhuǎn)矩變化CH離合器傳遞轉(zhuǎn)矩TCH如下

忽略路面波動等情況，輸出軸的沖擊度與輸入端轉(zhuǎn)矩的變化率和輸入軸加速度有關(guān)。如圖2所示，?1來自于升擋過程中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下降而引起的變速器部件的轉(zhuǎn)速慣量的釋放，瞬時(shí)值與輸入軸的加速度成正比；?2來自于不同擋位之間的速比變化引起的，與擋位及車輛工況有關(guān)。

基于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略

升擋過程中基于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩的協(xié)調(diào)控制是指：在升擋過程中，通過對發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的合理控制，以使自動變速器的輸出轉(zhuǎn)矩接近理想值，從而減小輸出軸轉(zhuǎn)矩波動，提升換擋質(zhì)量。

因此，關(guān)鍵在于發(fā)動機(jī)目標(biāo)輸出轉(zhuǎn)矩的確定，理想的輸出軸轉(zhuǎn)矩如圖2A-C所示。從圖2可以看出，理想的輸出軸轉(zhuǎn)矩一般隨換擋時(shí)間逐漸減小，其初值等于換擋前輸出軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩。AB階段為轉(zhuǎn)矩相，BC階段為慣性相。A點(diǎn)轉(zhuǎn)矩值為換擋前輸出軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩；C點(diǎn)轉(zhuǎn)矩值由發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)和變速器高擋位傳動比確定[3]。

在動力升擋過程中，標(biāo)定發(fā)動機(jī)降扭請求并且通過CAN總線通信發(fā)給發(fā)動機(jī)控制模塊，要求發(fā)動機(jī)減小轉(zhuǎn)矩輸出以抵消?1引起的轉(zhuǎn)動慣量釋放。在慣性相后期，關(guān)閉發(fā)動機(jī)降扭請求，此時(shí)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩會緩慢上升此時(shí)增加的轉(zhuǎn)矩以抵消?2降低的轉(zhuǎn)矩（見圖3），可以通過發(fā)動機(jī)標(biāo)定使其轉(zhuǎn)矩上升滿足要求[4]。

試驗(yàn)及結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文提出的發(fā)動機(jī)降扭控制策略的正確性，在安裝有AT的大型客車上，通過車輛安裝加速度儀測試發(fā)動機(jī)無降轉(zhuǎn)矩和降轉(zhuǎn)矩的換擋對比試驗(yàn)。

本文僅以在相同的節(jié)氣門開度下2擋升3擋為例，在慣性相階段未進(jìn)行發(fā)動機(jī)降扭控制時(shí)，車輛加速度有0.05g的變化（見圖4），在進(jìn)行發(fā)動機(jī)降扭控制時(shí)，車輛加速度有0.02g的變化（見圖5）。因此可以證明，在慣性相階段對其發(fā)動機(jī)進(jìn)行降扭控制有利于換擋質(zhì)量的改善。

結(jié)語

為了抑制慣性相階段轉(zhuǎn)動慣量引起的轉(zhuǎn)矩波動，提高換擋品質(zhì)，提出了一種換擋過程中的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)策略。該策略通過在慣性相初期階段減小發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩以抵消部件轉(zhuǎn)動慣量釋放的轉(zhuǎn)矩，在慣性相后期通過標(biāo)定發(fā)動機(jī)使其轉(zhuǎn)矩增加以抵消升擋后由于速比減小導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩減小而引起的沖擊。通過在實(shí)際車輛測試，在換擋過程中該控制策略能很好地改善換擋過程中輸出軸轉(zhuǎn)矩波動，提高換擋平順性。

參考文獻(xiàn)：

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