重型载货车机械式自动变速器的动态仿真与应用*

李 骏，卢新田，向 羽，高炳钊，陈 虹

(1.第一汽车股份有限公司技术中心，长春 130011； 2.吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130025；3.东风本田汽车有限公司，武汉 430056； 4.吉林大学通信工程学院控制科学与工程系，长春 130025)



2015141

重型载货车机械式自动变速器的动态仿真与应用*

李 骏，卢新田，向 羽，高炳钊，陈 虹

(1.第一汽车股份有限公司技术中心，长春 130011； 2.吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130025；3.东风本田汽车有限公司，武汉 430056； 4.吉林大学通信工程学院控制科学与工程系，长春 130025)

对于某款搭载12挡AMT的重型载货汽车，在AMESim环境下搭建了包括发动机、离合器及其执行机构、变速器及其执行机构和车体与轮胎等部件的传动系动态仿真模型，进行仿真并通过了台架试验和实车试验的验证。然后以搭建的传动系模型为平台，通过AMESim-Simulink联合仿真，设计了车辆起步控制器并进行其参数标定。实车起步试验结果表明，所设计的PID起步控制器能够满足实车起步的要求。

重型载货汽车；机械式自动变速器；动态仿真；起步控制

前言

重型载货汽车质量大、工作工况复杂，变速器总速比范围宽、挡位数多[1]，因此，组合式变速器越来越多地应用在重型载货汽车上。为了提高重型载货汽车的操纵稳定性、动力性和经济性，电控机械式自动变速器(AMT)得到了广泛应用[2]。AMT具有传动效率高、成本低、易于制造等优点。

本文中针对某款12挡AMT重型载货汽车，应用AMESim软件搭建了整车模型并进行了仿真研究，然后通过实车实验验证了该模型的有效性。最后，以整车仿真模型为被控对象，通过AMESim-Simulink联合仿真，采用发动机恒转速控制思想，并由PID控制算法通过控制离合器的压紧力来控制起步过程。通过参数的调节并与实验起步过程的对比，验证了起步控制策略的有效性，说明基于动态仿真模型可以指导AMT起步过程的参数标定，提高整车厂自动变速器正向开发以及适应市场变化的能力。

1 仿真模型的搭建

带12挡AMT变速器的重型载货汽车的主要部件是：发动机、离合器及其气动执行机构、变速器及其各部件执行机构、差速器、驱动轴及车体部分。

1.1 发动机

重型载货汽车的动力源是柴油机，柴油机特性通过map表给出。发动机的最终输出力矩是在map表插值的基础上，考虑延迟时间和摩擦损失后的修正值。

1.2 离合器及其气动执行机构

离合器采用电控气动操纵方式，由4个PWM电磁阀控制进气与排气，并通过4个开关阀协调控制推动活塞运动，进而实现离合器的接合与分离。气动控制电磁阀包括2个大阀和2个小阀，且均为先导阀加机械阀的形式，气动执行机构如图1所示。

1.3 变速器及其各部件执行机构

12挡AMT是组合式变速器，采用主、副双箱式。主箱有6个挡位，采用无同步器电动换挡方式。副箱有2个挡位，采用同步器气动换挡方式，且挡位搭配采用分段式配挡[3]。主箱选挡和换挡双电机分别带动一个滚珠丝杠来推动选换挡拨头运动，这便将拨头的运动分解为空间正交方向的2个运动。选、换挡执行机构如图2所示，副箱及其同步器、气动执行机构见图3。

该AMT是在现有12挡手动变速器基础上改进的，为了进一步缩短换挡时间，在主箱右中间轴前端安装了气动制动器，其气动执行机构如图4所示。

1.4 差速器、驱动轴及车体部分

驱动半轴的扭转特性用带阻尼的扭转弹簧来模拟。轮胎模型中考虑了轮胎纵向滑移率-驱动力特性。行驶负载包括坡度阻力、地面对轮胎滚动阻力矩和空气阻力3个部分，其中滚动阻力矩视为常值，坡度阻力是重力与坡度的函数，空气阻力受车速和空气阻力系数等影响。

以上所有子模块搭建完成后，将其整合构成整车模型，如图5所示。模型中含有大量需要配置的参数，包括阻尼系数、流量系数等难以直接得到的参数。这些参数首先由经验给出，再通过台架实验进行标定和修正。

2 仿真模型的校验

为了节约开发成本，首先通过台架试验进行模型校验。模型参数的调整也是在这个时期完成，确定了所有模型参数之后，才进行实车试验结果校验。

采用开环控制校验方式，即模型中柴油机、离合器、中间轴制动器、副箱同步器的气动执行机构占空比和主箱选、换挡电机占空比等模型的输入均采用台架试验的实际数据，通过对离合器执行机构活塞位移、中间轴制动器制动效能、主箱选换挡动作和副箱换挡动作的校验，来验证仿真模型的有效性。

2.1 离合器气动执行机构的校验

离合器气动执行机构由2个进气阀和2个排气阀协调控制活塞运动实现，气动执行器上装有位移传感器，能够直接测得气动执行器活塞的位移，然后按照一定比例就能得到离合器小端位移，进而通过膜片弹簧弹性特性得到离合器大端夹紧力。因此，离合器气动执行机构的校验主要是活塞位移的校验。仿真结果与实验结果对比如图6所示。

1.5-1.9s为离合器断开过程，进气阀1，3同时开到最大使离合器以较快速度断开。实验和仿真中执行器响应滞后时间均为0.05s，离合器彻底断开到最大位移处实验用时约0.39s，仿真用时0.41s，仿真误差约为5.1%。2.72s时，离合器开始接合，通过排气阀控制占空比和实验位移可以看出，离合器接合方式大体满足“快—慢—快”的方式。接合全过程，离合器仿真时间与实验时间一致，均为7.95s。由于载货汽车质量大，且直接以2挡起步，因此，离合器接合时间较长，以减小冲击度和噪声。总体来看，离合器执行机构仿真模型满足实验要求。

2.2 中间轴制动器制动效能的校验

该12挡AMT主箱无同步器，为了降低换挡时的齿轮冲击，必须在待啮合的接合套花键齿与对应齿轮接合齿圈转速差小于一定值之后才能进行换挡。改进的变速器在主箱右中间轴上安装制动器，这样可以缩短待啮合的两对齿轮转速同步的时间。因此，中间轴制动器气动执行机构的校验主要是换挡前输入轴和输出轴转速差的校验。仿真结果与实验结果对比如图7所示。

13.51-13.62s是2挡换3挡过程中接合套花键齿与对应齿轮接合齿圈转速变化过程。12.9-13.4s是回空挡过程，为挂3挡做准备。挂入3挡之前，中间轴制动器气动阀开启，制动力使输入轴转速降低，车辆较大的等效惯量使输出轴转速基本不变；在13.63s即将挂入3挡时，3挡两端齿轮转速差实验值约为150r/min，仿真值转速差约为120r/min，满足实验要求，制动器制动效能较好。

2.3 主、副箱的校验

该12挡变速器主箱6个挡、副箱2个挡，换挡过程中副箱没有空挡，主箱有空挡，1-6挡时副箱在低挡位，7-12挡时副箱在高挡位。变速器的校验主要是主箱选换挡拨头位移校验和副箱换挡拨头位移校验。这里为免赘述，只列了几个典型校验工况，如图8～图11所示。

由图8可以看出:5挡升6挡过程中无选挡动作，也没有副箱动作。5挡回空挡实验用时0.2s，仿真用时0.24s，仿真误差约为20%；空挡挂入6挡实验和仿真用时均为0.19s。

由图9可以看出：4挡升5挡时也没有副箱动作，主箱除了有换挡动作外，还必须有选挡动作的配合。首先换挡杆要将4挡拨回空挡，然后选挡杆沿选挡槽移动到5挡换挡杆位置，最后挂入5挡。4挡回空挡过程中，仿真响应有一定延迟，实验用时0.22s，仿真用时0.26s，仿真误差约为18%；选挡动作实验用时0.10s，仿真用时0.11s，仿真误差约为10%；空挡挂5挡实验用时0.24s，仿真用时0.21s，仿真误差约为12.5%。

图10和图11表示6挡挂7挡过程中主箱和副箱动作。6挡升7挡分为如下几步：主箱6挡回空挡、副箱换入高挡、主箱选挡和主箱挂上1挡(即7挡)。图7显示主箱选、换挡动作在整个阶段仿真值与实验值符合程度较好。图8显示副箱换挡位移动作，仿真动作较快，但并不影响主箱选换挡动作的执行，所以模型可用。

2.4 实车校验

通过台架试验确定了所有模型参数并进行了各模块的校验之后，进行了模型的整车试验校验。

12挡AMT重型载货汽车仿真车速与实验车速对比如图12所示。由图12可以看出，挡位从2挡升到7挡时，仿真结果与实验结果基本一致。

通过以上几个部分仿真结果与实验结果的校验对比可以看出：主箱选挡、换挡和副箱换挡动作之间并没有在时间上出现干涉。模型整体配合较好，离合器分离接合时间和选换挡时间等主要指标的精度达到80%以上，且仿真车速与实验车速基本一致，从而验证了仿真模型的有效性。

3 动态仿真模型的应用

起步性能是AMT系统性能的重要组成部分，离合器起步过程的控制目标是在保证离合器平稳接合的前提下，尽量减小离合器的滑摩功。若离合器接合速度过快，将导致起步过程产生较大的冲击和噪声；若离合器接合速度过慢，虽然可以降低冲击度，但过长的滑摩时间将导致滑摩功增大，降低离合器的使用寿命[4]。因此，起步的平稳性和离合器滑摩程度是两个矛盾的控制量。如何权衡两者之间的关系，成为控制离合器起步过程的一大技术难点。

基于搭建的动态仿真模型，进行了起步控制策略的离线标定。起步控制采用发动机恒转速控制原则[5-6]：以驾驶员控制的节气门开度为依据，发动机输出转矩最大时对应的转速为目标转速，保证起步过程中，发动机在该对应转速下恒定运行，但为了同时兼顾减少离合器滑摩损失，应尽量降低离合器主、从动盘的速差，权衡之下将发动机目标转速限制在一定范围之内。本文中柴油机限制最大转速为1 200r/min，目标转速与节气门开度的关系如图13所示。

起步控制通过PID控制方法来实现，通过微调控制离合器，使发动机转速保持期望值。当发动机实际转速大于期望转速时，PID控制增大离合器的接合量，使发动机的负载增加，从而降低发动机的实际转速；反之，PID控制减小离合器的接合量，增加发动机的实际转速。PID控制框图如图14所示。

车辆行驶工况复杂，这里选择2挡爬行起步作为代表性工况来验证算法的可行性。选择2挡爬行起步是因为货车驾驶员经常采用2挡起步，AMT需要具有2挡起步的功能；此外，爬行起步对控制精度要求高，更能检验控制算法的性能和鲁棒性。

通过AMESim-Simulink联合仿真，标定好PID参数在节气门开度为20%时，离合器接合过程仿真结果如图15所示。由图15可以看出，起步过程仿真用时8s左右。离合器逐渐接合直至同步闭锁，在这个过程中，发动机转速维持在800～900r/min之间，变化范围较小，基本实现了恒转速控制目标。这样可以有效地改善发动机的工作条件，并减小离合器接合过程中的滑摩功，延长离合器的使用寿命。从仿真结果可见，标定后的起步控制器可以满足车辆起步要求。

将以上标定好的PID控制器用于重型载货汽车实车上，起步过程实验结果如图16所示。

由图16可以看出，PID控制器用于实车的起步过程，实验车以2挡起步。在发动机目标节气门开度为20%左右时，起步过程实车实验用时7.97s左右，与仿真起步过程用时基本相同。发动机转速也能维持在转速期望值附近。由实验离合器位移可以看出，PID起步控制器能够很好地控制离合器的接合量和接合速度。可见，基于动态仿真模型标定的控制器可以很好地实现实车起步。

4 结论

利用AMESim软件，建立了某款重型载货汽车传动系的仿真模型，包括柴油机、离合器及其气动执行机构、变速器主箱及其电动滚珠丝杠执行机构、副箱及其气动执行机构、中间轴制动器及其气动执行机构。通过与实验结果的对比可以看出：离合器分离接合时间、选换挡时间等主要指标的精度可达到80%以上。验证了模型有效性后，以搭建的传动系动态仿真模型为平台，通过AMESim-Simulink联合仿真，对车辆起步控制器进行了仿真测试和参数标定。实车试验结果表明：基于动态仿真模型标定的PID起步控制器能够很好地适用于实车起步，基于模型的开发流程对提高自动变速器正向开发能力有重要意义。

[1] 晓青.2002年我国重型汽车市场形势分析[J].重型汽车,2001(6):25-26.

[2] 刘振军,秦大同,胡建军.重型车辆自动变速技术及发展趋势[J].重庆大学学报,2003(10):3-4.

[3] 陈家瑞.汽车构造[M].北京:机械工业出版社,2005.

[4] 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.

[5] Sun Tao, Hu Haiyan. Nonlinear Dynamics of a Planetary Gear System with Multiple Clearances[J]. Mechanism and Machine Theory, 2003,38(12):1371-1390.

[6] 孙冬野,陈然,秦大同,等.AMT汽车起步过程节气门目标控制量的确定[J].汽车工程,2009,31(11):1020-1024.

Dynamic Simulation and its Application of the AMT for Heavy Trucks

Li Jun1, Lu Xintian1, Xiang Yu2,3, Gao Bingzhao2& Chen Hong2,4

1.R&DCenter,FAWGroupCorporation,Changchun130011; 2.JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl,Changchun130025; 3.DongfengHondaAutomobileCo.,Ltd.,Wuhan430056; 4.DepartmentofControlScienceandEngineering,JilinUniversity,Changchun130025

A dynamic simulation model for the powertrain system of a heavy truck equipped with a 12-speed AMT is set up with AMESim, which covers the sub-models of engine, clutch and its actuator, transmission and its actuator, body and tires. A simulation is conducted and verified by both bench and real vehicle tests. Then an AMESim-Simulink co-simulation is performed on the model established, and a vehicle start-up controller is designed with its parameters calibrated. The results of real vehicle starting test show that the PID start-up controller can meet the requirements of vehicle starting process.

heavy truck; automated manual transmission; dynamic simulation; starting control

*国家自然科学基金(61034001，61374046)和吉林省科技厅(20150204056GX，20130522183JH)资助。

原稿收到日期为2013年10月21日，修改稿收到日期为2014年3月5日。