自动变速器动力降挡过程控制的研究*

王尔烈，陶 刚，陈 凯，陈慧岩

(1.南京理工大学机械工程学院，南京 210094； 2.北京理工大学机械与车辆学院,北京 100081)



2015222

自动变速器动力降挡过程控制的研究*

王尔烈1,2，陶 刚2，陈 凯2，陈慧岩2

(1.南京理工大学机械工程学院，南京 210094； 2.北京理工大学机械与车辆学院,北京 100081)

虽然大多数车辆实际行驶时降挡过程中变速器的正向驱动转矩很小或为零，但当重型车满载爬坡时，往往须要进行动力降挡，为此，本文中对重型车动力不中断降挡控制进行研究。首先，建立动力传动系统模型，对降挡过程进行动力学分析，提出自动变速器动力降挡过程控制方法；接着，以惯性相时涡轮轴角加速度恒定作为参考模型，制定自适应控制策略，以提高控制策略的鲁棒性；最后进行满载爬坡实车试验。结果表明，动力降挡过程控制能有效提高换挡品质和车辆驾驶性能。

自动变速器；动力降挡；动力学建模；自适应控制

前言

自动变速器(automatic transmission, AT)的应用能有效提高重型车辆劳动生产效率、降低驾驶员的工作强度，其控制品质对于提高整车可靠性、燃油经济性、排放水平、安全性、机动性和舒适性等有重要意义。近年来，AT不仅在结构上获得巨大进步[1-2]，先进控制技术如闭环自适应控制[3]、滑模控制[4]、最优控制[5]、神经网络[6]、鲁棒控制[7]以及传动系统协同控制[8]等也相继成功应用。随着机、电、液、控技术以及系统集成和信息联网技术的不断发展，AT技术已经取得长足发展，并继续牢牢占据其在车辆传动领域的统治地位[1-2,9]。

自动变速控制包括换挡规律控制和换挡过程控制，换挡规律是指车辆换挡决策随控制参数变化的规律；换挡过程控制研究的是如何快速平顺实现挡位更替。与其他变速器相比，AT的一个显著优势就是换挡过程动力不中断，即“动力换挡”。目前，AT换挡过程研究大多集中于动力升挡过程的研究[3-12]，关于重型车辆动力降挡过程控制的研究则很少。一般情况下，车辆降挡过程油门开度很小或为0，因此正向转矩(发动机输出转矩至驱动轮)很小或者没有正向转矩传递，因而很少存在动力性降挡，然而实际上当重型车辆满载爬坡时，这种情况则较为常见，当车辆驱动力矩不足以克服所受阻力矩时经常需要降挡，此时变速器需保证正向动力传递，从而提高车辆行驶过程的动力性和安全性。本文中首先建立搭载行星自动变速器的车辆动力传动系统模型，在此基础上进行AT动力降挡过程的动力学分析、研究和控制实践，最后进行实车试验验证。

1 换挡过程系统模型

研究对象为搭载大功率AT的重型车辆，采用大功率全程调速柴油机作为动力源，试验自动变速器采用带闭锁离合器CL的液力变矩器和行星齿轮变速器串联。

为使建模工作顺利进行，结合实际情况，首先作出如下假设：(1)忽略发动机和轴的扭振对系统造成的影响；(2)换挡过程中车辆所受阻力矩保持不变；(3)假设车轮是纯滚动；(4)忽略湿式离合器的带排转矩；(5)将各构件都视为刚性惯量；(6)不考虑轴向受力及其影响；(7)忽略润滑和密封造成的影响；(8)齿轮啮合无相对滑动、无变形。

基于上述假设，分别建立车辆传动系各部件动力学模型。

1.1 发动机-变矩器模型的匹配

发动机和变矩器一般采用稳态试验数据进行二者的匹配。其模型描述如下：

(1)

式中：Te，Tp和Tt分别为发动机、泵轮和涡轮轴转矩；K为变矩器变矩比；i为变矩器变速比；Ie为发动机-泵轮惯量；α为发动机油门开度；θe和θt分别为发动机曲轴和变矩器涡轮轴的角位移。

发动机和变矩器匹配后形成新的动力源，其特性如图1所示。

1.2 变速器模型

通常，低挡(直接挡以下)阶比较大，换挡过程构件角速度和传递转矩变化都较大，更易于发生换挡冲击，品质控制也相对更难。低挡在挡时，C1离合器保持接合，换挡过程中两个制动器(B1和B2，下面统称为换挡离合器)交替工作，其中一个分离，另一个接合，因此，变速器结构简图如图2所示。

变速器动力学模型为

(2)

其中：

式中：λ为行星盘齿圈齿数与太阳轮齿数之比，下标P1和P2分别表示行星盘；I为构件转动惯量，下标SS，CR，R，C分别表示太阳轮、P1行星架-P2齿圈、P1齿圈、P2行星架；T为转矩，下标B1，B2，Out和In分别表示B1离合器、B2离合器、变速器输出和输入；θOut为变速器输出轴角位移。

变速器输入转矩TIn为

(3)

式中It为变矩器涡轮及其附件的转动惯量。

1.3 离合器模型

换挡离合器是改变功率传动路线的工具，离合器传递的动摩擦转矩为

(4)

1.4 电磁阀-滑阀模型

换挡液控系统采用高速开关电磁阀作为先导阀、双边节流滑阀作为后置流量放大装置，电磁阀由TCU(transmission control unit)的PWM占空比直接控制，换挡过程中可对动作离合器的搭接时序以及调压过程进行精确控制。

电磁阀占空比-离合器油压标定试验结果如图3所示，为便于分析，对油压进行归一化处理。

2 降挡过程分析与控制

降挡过程B2离合器充油接合，B1离合器放油分离，下面根据上述建模对降挡过程进行动力学分析，并据此进行降挡过程的控制策略设计。

2.1 原挡在挡

原挡在挡时，C1和B1接合，B2分离，变速器速比为icur。根据式(2)得出

(5)

(6)

式中：icur和Icur分别为当前挡速比及变速器惯量。

2.2 目标挡在挡

目标挡在挡时，C1和B2接合，B1分离，根据式(2)得出

(7)

(8)

iobj=1+λP2

式中：iobj和Iobj分别为目标挡速比及变速器惯量。

2.3 降挡惯性相

AT换挡过程一般可分为原挡、转矩相、惯性相和目标挡，转矩相和惯性相的顺序与变速器结构、升降挡动作和动力传递方向有关。在该动力降挡过程中，惯性相在前，转矩相在后。

当满足降挡条件时，TCU发出换挡指令，变速器首先进入空行程阶段，油压驱动离合器活塞消除空行程，该阶段结束时充油离合器的摩擦片贴合而没有摩擦转矩传递。此后，变速器进入降挡惯性相控制环节。为实现动力降挡，惯性相期间通过控制放油离合器滑摩实现降挡过程速比过渡，即惯性相充油离合器只贴合而不传递转矩，通过控制放油离合器分离，其动摩擦转矩不断减小，当速比更替完成、充油离合器转速趋于同步时，如果此时立即进入转矩搭接控制，输出转矩将随着充油离合器摩擦转矩的增大而下降，与此同时，放油离合器传递的转矩则随之增长，然而，放油离合器须不断放油直至完成分离，故降挡过程无法实现转矩连续搭接，即存在动力中断。因此，在惯性相后期，须要继续控制放油离合器放油滑摩，这时充油离合器主从动片之间的滑摩角速度(因从动片角速度为0，该滑摩角速度即为主动片角速度)变向后绝对值增大，此时惯性相结束，因其滑摩角速度为负(定义涡轮轴角速度方向为正)，充油离合器传递正向动摩擦转矩，随着充油离合器油压的增长和放油离合器油压的继续降低，实现两者之间转矩的交替，从而消除换挡过程动力中断，当充油离合器转速再次同步时，这时控制放油离合器彻底分离，同时充油离合器迅速接合，转矩相结束，变速器完成降挡。

惯性相B2不传递动力，B1出现滑摩，变速器自由度增加，速比向目标挡过渡，此外，换挡过程车速变化很小，故在此不考虑变速器输出角速度变化，降挡过程惯性相动力学方程为

(9)

(10)

2.4 降挡转矩相

当速比交替完成后，变速器进入降挡转矩相控制环节。为实现转矩搭接，此时充放油油压须按一定的关系消长。转矩相期间，变速器速比变化很小，构件角加速度趋于0，动力学方程为

(11)

(12)

转矩相持续时间较短，其间油门和涡轮轴角速度变化都很小，变速器输入转矩认为不变，故有

(13)

由式(13)可知，B1离合器传递转矩随B2充油而不断减小，输出转矩随B2充油而不断增加，从而实现降挡过程动力输出连续。

综上所述，正向动力传动情况下动力降挡过程分析如图4所示。图中贴合点指离合器摩擦片贴合而没有摩擦转矩传递的位置，临界点是指离合器能传递当前转矩所需最小油压对应的位置。将式(1)、式(3)和式(4)代入式(9)～式(13)，结合电磁阀-滑阀标定结果，即可根据充放油离合器传递转矩确定电磁阀控制所需初始占空比。

2.5 控制策略

降挡过程各阶段离合器充放油油压初始值根据上述建模及计算分析结果确定，其中惯性相涡轮轴角速度按固定斜率变化，故惯性转矩为常量。然而，因工况、ATF温度的变化以及机械磨损等对换挡过程控制会产生很大干扰，良好的换挡品质要求相应调整控制参数，在此采用自适应控制策略，控制器以等斜率变化的涡轮轴角速度曲线作为控制的参考模型。TCU实时监测降挡过程中实际涡轮轴角速度的变化，并与EEPROM中存储的参考模型进行比较，从而调整电磁阀的调压占空比，实现离合器油压闭环自适应控制。降挡过程分别以分离离合器角速度和接合离合器角速度作为惯性相开始和结束的判据。采用离合器角速度作为换挡过程相位判据，不仅考虑了离合器所受摩擦转矩的影响，还考虑了降挡过程变速器输入输出角速度的变化，故能及时对相位切换做出准确判断，比仅用涡轮轴角速度作为判据更为合理。离合器角速度根据变速器输入、输出角速度来计算。图5为离合器自适应控制模型，根据参考模型输出值与实测值的比较结果，通过自适应计算来调节控制器的PWM占空比输出值，从而完成对受控离合器油压的自适应调节。

3 试验

为验证动力降挡过程的控制策略，试验在搭载了全程调速柴油机和大功率多挡行星液力自动变速器的某重型车辆上进行。由于空载情况下车辆所受阻力矩不大，难以实现动力降挡，因此，试验时车辆满载，并在山区道路进行爬坡。图6和图7分别为动力降挡过程控制和传统动力中断降挡过程控制试验结果。

从图6看出，为有别于常见的油门开度为零的降挡，降挡过程中保持有一定的油门开度，发动机输出转矩百分比在32%左右，车辆由原挡依次经历空行程快速充放油、惯性相和转矩相换入目标挡。在空行程阶段，放油离合器快速卸除储备油压、充油离合器迅速充油消除摩擦副间隙，惯性相放油离合器缓慢泄压并开始滑摩，涡轮轴角速度上升，此时充油离合器保持贴合但不传递转矩，当充油离合器角速度开始反向、涡轮轴角速度出现一定超调时，进入转矩相固定斜率充放油，实现转矩衔接，当放油离合器完全分离时降挡过程完成，充油离合器快速充油完成锁止。动力降挡过程变速器输出轴角速度无明显波动，表明动力连续性较好。

从图7看出，降挡过程发动机输出转矩百分比保持在22%左右。空行程结束后，由阶段①的油压曲线可知(充油油压过低，见图中扁圆处)，该过程没有转矩交替，涡轮轴角速度也没有变化；此后的阶段②涡轮轴角速度向目标挡过渡，放油油压迅速降低而充油油压没有及时升高，涡轮轴角速度快速飙升，没有转矩交替和离合器滑摩控制。该传统非动力降挡过程既不存在离合器滑摩过渡的“惯性相”，也没有动力搭接的“转矩相”。换挡过程转矩中断造成涡轮轴角速度和输出轴角速度均有较大波动，由于动力中断时间较长(超过0.2s)，实际驾乘能体验到明显的溜车感，为保证行车安全，换挡结束时驾驶员加大油门开度提高动力输出以避免溜车事故，换挡过程冲击度的峰-峰值(4.2g)也明显大于动力降挡过程冲击度峰-峰值(3.1g)。

4 结论

为提高换挡品质，改善重型车辆行驶动力性和安全性，提出了自动变速器动力降挡过程控制办法。建立动力不中断降挡过程模型，并进行动力学分析，以涡轮轴角速度等斜率变化作为参考模型制定动力降挡过程模型参考自适应控制策略。最后进行了实车满载爬坡试验，通过动力降挡与传统非动力降挡试验结果对比，验证了动力降挡过程控制的有效性。

[1] 吴光强,孙贤安.汽车自动变速器发展综述[J].同济大学学报(自然科学版),2010,8(10):1478-1483.

[2] 李春芾,陈慧岩,孙文涛,等.重型车辆液力机械自动变速器综述[J].汽车工程,2009,31(9):876-881.

[3] Sun Wentao, Chen Huiyan. Research on Control Strategy of Shifting Progress[C]. SAE Paper 2008-01-1684.

[4] Song X, Sun Z. Pressure-Based Clutch Control for Automotive Transmission Using a Sliding-Mode Controller[J]. IEEE/ASME Trans. on Mechatronics,2011,99:1-13.

[5] Haj-Fraj A, Pfeiffer F. Optimal Control of Gear Shift Operations in Automatic Transmissions[J]. J. of the Franklin Institute,2001,338:371-390.

[6] Shin B K, Hahn Jin-Oh, et al. A Supervisor -Based Neural -Adaptive Shift Controller for Automatic Transmissions Considering Throttle Opening and Driving Load[J]. KSME Inter. J.,2000,14(4):418-425.

[7] Kim Deok-Ho, Yang Kyung-Jinn, Hong Keum-Shik, et al. Smooth Shift Control of Automatic Transmission Using a Robust Adaptive Scheme with Intelligent Supervision[J]. International Journal of Vehicle Design,2003,32(3-4):250-272.

[8] 高金武,刘志远,Zheng Quan.换挡过程中发动机转矩控制的研究[J].汽车工程,2012,34(8):669-674.

[9] 孙文涛.基于HD4070PR自动变速器换档过程控制技术研究[D].北京:北京理工大学,2009.

[10] 赵丁选,崔功杰,李东兵.工程车辆传动系统的换挡品质[J].江苏大学学报(自然科学版),2008,29(5):386-389.

[11] 冯能莲,郑慕侨,马彪.车辆液力机械传动系统换挡过程动态特性仿真[J].农业机械学报,2001,32(3):15-19.

[12] Gao Bingzhao, Chen Hong, Li Jun, et al. Observer-based Feedback Control During Torque Phase of Clutch-to-clutch Shift Process[J]. International Journal of Vehicle Design,2012,58(1):93-108.

A Research on Power-on Downshift Control for Automatic Transmission

Wang Erlie1,2, Tao Gang2, Chen Kai2& Chen Huiyan2

1.SchoolofMechanicalEngineering,NanjingUniversityofScience&Technology,Nanjing210094;2.SchoolofMechanicalEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081

Though the driving torque of transmission is trivial or even zero in the downshift process of practical driving for majority vehicles, but in the condition of full load hill climbing for heavy-duty vehicles, power-on downshift is often necessary. Accordingly, the downshift control without power interruption for heavy-duty vehicles is studied in this paper. Firstly the model for powertriain system is set up and a control scheme for the power-on downshift process of automatic transmission is proposed based on a dynamics analysis of downshift process. Then with a constant angular acceleration of turbine shaft in the inertia phase of shifting process as reference model, an adaptive control strategy is worked out for enhancing its robustness. Finally a real vehicle hill climbing test with full load is conducted. The results show that power-on downshift control can effectively enhance the shifting quality and driving performance of vehicles.

automatic transmission; power-on downshift; dynamics modeling; adaptive control

*国家863计划项目(2012AA111713)和中央高校基本科研业务费专项资金项目(30915118832)资助。

原稿收到日期为2014年1月13日，修改稿收到日期为2014年4月15日。