自动变速器闭锁策略设计

王雷雷，吴光强，2

（1.同济大学 汽车学院，上海201804；2.东京大学 生产技术研究所，日本 东京153－8505）

闭锁策略是液力式自动变速器的核心技术之一.其设计包含两部分内容：闭锁规律的设计，判断自动变速器何时闭锁；设计闭锁时离合器油压（离合器充满油后）的变化规律，使得闭锁快速、平顺.

单、双参数闭锁规律通常根据挡位、车速或者泵轮和涡轮的速比来判断是否满足闭锁条件；或在液力变矩器进入偶合区后闭锁，以充分发挥变矩器的增扭特性［1－2］.单、双参数闭锁规律设计仅从液力变矩器或变速器的自身特性出发，忽略了发动机扭矩输出特性以及燃油消耗特性，整车的动力性或经济性因此受到影响.

闭锁离合器油压变化是影响闭锁平顺性的关键因素，合理的油压变化规律可保证闭锁平顺无冲击［3－5］.闭锁过程中，摩擦片和油液同时传递力矩，二者相互影响，耦合变化；同时，摩擦片的动摩擦系数与离合器油压以及摩擦片转速呈非线性关系［6］，都使得求取闭锁离合器油压变化规律变得困难.

笔者综合考虑发动机扭矩输出特性，同时建立闭锁性能优化模型，对闭锁策略进行深入研究.

1 模型建立

1.1 液力变矩器数学模型

闭锁过程中，液力变矩器的输出力矩为

式中：Tc为闭锁过程中离合器处于滑摩状态下所传递的力矩，N·m；Tt为闭锁过程中油液所传递的力矩，N·m；To为液力变矩器的总输出力矩，N·m；μc为动摩擦系数；pc为闭锁离合器油压，Pa；Sc为离合器片面积，m2；rc为离合器片等效半径，m；z为离合器摩擦片面数；K为变矩比；λp为泵轮转矩系数；ρ为工作油密度，kg·m－3；D为变矩器有效直径，m；np为泵轮转速，r·min－1；nt为涡轮转速，r·min－1；g为重力加速度，m·s－2.

闭锁结束后，闭锁离合器处于锁止状态，此时，Tc和Tt分 别 为

其中，μc 0为摩擦片静摩擦系数.

1.2 液力变矩器动力学模型

闭锁过程中，液力变矩器将摩擦片和油液传递的力矩之和通过变速器的机械传动部分输出至车轮，如图1所示.其力学模型为

式中：Je为发动机曲轴、飞轮、泵轮、闭锁离合器主动部分转动惯量之和，kg·m2；Jv为变速器机械部分、车轮以及整车的等效转动惯量，kg·m2；Te为发动机输出力矩，N·m；Tp为泵轮输出力矩，N·m；α为车轮角加速度，rad·s－2；i为传动力比；ωe为发动机速度；t为时间.

图1 动力学模型示意图Fig.1 Dynamic diagram of torque converter

2 动力性3参数闭锁规律设计

将变速器闭锁前后视为两个挡位，分别比较闭锁前后变速器输出至车轮的驱动力矩，同时考虑变速器工作特点，低挡位下不闭锁，高挡位下选取油门开度a、泵轮转速np、涡轮转速nt作为闭锁参数.以设计国内某款变速器三挡闭锁规律为例，具体设计流程和步骤如下：

（1）求取液力变矩器输出力矩

对任意np和nt（np≥nt），根据式（2），（7），（8），液力变矩器的输出至车轮的驱动力矩Td如图2所示.

图2 车轮驱动力矩Fig.2 The driving torque of wheel

（2）计算闭锁后的发动机输出力矩

整车惯量较大，闭锁后发动机转速等于闭锁前涡轮转速n′t，根据发动机扭矩输出特性，闭锁后发动机输出至车轮力矩为

式中：T为驱动力矩；i0为主减速器传动比；ig为变速器传动比.图3为50%节气门开度、液力变矩器处于不同np，nt下，闭锁前液力变矩器和闭锁后发动机输出至车轮力矩相交图.

图3 液力变矩器和发动机输出力矩相交图Fig.3 The intersection graph between TC and engine torque

图4为图3在Z方向俯视图.在当前油门开度a下，以涡轮转速和泵轮转速为坐标，当nt，np处于交线的左上侧，液力变矩器输出力矩大于此时闭锁后的发动机输出力矩，液力变矩器不闭锁；当处于黑色直线和交线之间的区域，液力变矩器闭锁.

图4 三参数动力性闭锁规律Fig.4 Dynamic three－parameter lockup control rule

（3）设计不同油门开度下的闭锁规律

根据上述方法，分别求取不同油门开度下的最佳动力性闭锁规律.如图5所示，随着油门开度的加大，闭锁范围也随之加大；油门开度大，发动机可以提供更大的驱动力矩，要求泵轮和涡轮之间的转速差相对较大，才能提供与之相等的力矩，因此，闭锁范围也随之增大.

图5 不同油门开度下的闭锁规律Fig.5 Lockup strategy of different throttle opening

3 闭锁油压变化规律

闭锁过程中的闭锁离合器油压变化规律直接影响闭锁性能.为使车辆闭锁快速、平顺且无动力间断，要求闭锁中整车加速度平稳变化.

闭锁起始时刻，车辆加速度a1为

式中：Ff为滚动阻力，N；Fi为坡度阻力，N；Fω为风阻，N；δ为汽车旋转质量换算系数；m为整车质量，kg.

闭锁时间短，油门开度在闭锁前后可视为不变，根据发动机扭矩输出特性，闭锁后发动机的输出扭矩Tc，以及闭锁后整车加速度a2为

根据闭锁离合器机械特性，限定闭锁时间长度τ为0.2s≤τ≤0.6s.为使整车加速度变化平稳，闭锁过程中车辆目标加速度变化曲线可近似为

式中：atg为闭锁过程中车辆目标加速度，m·s－2；t1为闭锁起始时刻，s.

期望闭锁过程中车辆实际加速度av沿目标加速度曲线的变化，如图6所示.

图6 优化模型示意图Fig.6 The diagram of optimization model

综合考虑电磁阀和液压系统特性，得到闭锁性能优化模型如下：

式中：z1为目标函数；p为闭锁离合器油压，MPa；av为车辆闭锁过程中实际的纵向加速度，m·s－2.

蚁群算法是一种求解最优路径的新型启发式方法，具有正反馈、分布式计算和富于建设性的贪婪启发式搜索的特点.

如图7所示，蚂蚁所行走的不同路径代表了闭锁离合器油压变化规律；每经一个时间步长（以电磁阀额定工作周期作为时间步长，Δt＝0.005s），根据式（1）—（8）以及挡位传动比计算车辆当前加速度，再与理想加速度曲线比较.当差值偏离设定阈值时（出现冲击或动力间断），即判定该蚂蚁死亡，如蚂蚁最终能走向终点（泵轮转速和涡轮转速同步），则算存活.其优化流程见图8.

图7 蚁群算法分析Fig.7 Algorithm analysis of ant colony algorithm

4 结果验证

分别建立发动机、液力变矩器、变速器及整车纵向动力学仿真模型，验证上述的闭锁策略.

油门开度保持在50%不变，结果显示，根据动力性闭锁规律闭锁，仿真结束，车速v可以达到91.7 km·h－1，而普通的闭锁规律车速是88.5 km·h－1，动力性提高3.6%.见图9.

以求取三挡闭锁油压规律为例，经过多次循环迭代，留下信息素的节点如图10所示，其中的最优油压变化规律如图11中黑色曲线所示.

图8 优化流程图Fig.8 The flow chart of optimization algorithm

图9 闭锁规律对比结果Fig.9 The comparison results of different lockup strategy

图10 蚁群留下信息素Fig.10 Pheromone of ant colony

图11 不同油压上升规律Fig.11 Different oil pressure curves

闭锁过程中，闭锁油压满足式（14）—（20）的约束条件，分别让油压以较快（或慢）和最优变化规律变化，如图12所示.结果显示，闭锁油压上升过快或慢，闭锁会给整车带来冲击或动力间断；根据蚁群算法结果，整个闭锁过程中，整车加速度变化平稳，无明显冲击或者动力间断，提高了乘坐的舒适性.

图12 闭锁过程对比结果Fig.12 The comparison results in the locking

5 结论

与2参数闭锁规律相比较，动力性3 参数闭锁规律对整车动力性有所提高.同时，闭锁快速、平顺，整车无冲击或无动力间断，车辆的舒适性得到提高.

［1］ 葛安林.车辆自动变速理论与设计［M］.北京：机械工业出版社，1993.GE Anlin.The theory and design of automatic transmission［M］.Beijing：China Machine Press，1993.

［2］ 余志生.汽车理论［M］.北京：机械工业出版社，2004.YU Zhisheng.Automotive theory［M］.Beijing：China Machine Press，2004.

［3］ Han S J，Yeong P，Jang L.A study on the improvement of the shift characteristics for the passenger car automatic transmission［J］.International Journal of Vehicle Design.2000（3）：2.

［4］ Toshimichi Minowa，Tatsuya Ochi，LIU Kangzhi.Smooth gear shift control technology for clutch－to－clutch shifting［C］∥International Congress and Exposition.Detroit：SAE，1999：1－6.

［5］ 孙文涛，陈慧岩.液力变矩器闭锁过程控制技术研究［J］.汽车工程，2009，31（8）：1.SUN Wentao，CHEN Huiyan.A research on control technique for the lock－up process of hydraulic torque converter［J］.Automotive Engineering，2009，31（8）：1.

［6］ 王立勇，马彪，李和言.湿式换挡离合器摩擦片磨损规律研究［J］.北京理工大学学报：自然科学版，2008，28（4）：1.WANG Liyong，MA Biao，LI Heyan.Wearing of wet shifting clutch friction discs［J］.Transactions of Beijing Institute of Technology：Natural Science，2008，28（4）：1.