商用车AMT换挡过程发动机控制策略

刘振杰， 李志伟， 王 叶， 衣 超， 韩宇石

(中国北方车辆研究所车辆传动重点实验室，北京 100072)

商用车AMT换挡过程发动机控制策略

刘振杰， 李志伟， 王 叶， 衣 超， 韩宇石

(中国北方车辆研究所车辆传动重点实验室，北京 100072)

为了提高商用车AMT换挡舒适性，根据离合器工作特性，将换挡过程分为5个阶段，制定了每个阶段发动机目标转速和发动机控制模式.基于SAEJ1939通信协议，通过发送控制模式指令实现了AMT升挡过程发动机限速限扭控制策略和降挡过程发动机调速控制策略,并在南京依维柯AMT样车上进行了试验验证，结果表明：所提出的发动机控制策略能够很好地控制换挡过程发动机转速，达到发动机转速与输入轴转速同步的目的,提高了换挡舒适性.

商用车；发动机控制；AMT；换挡

电控机械式自动变速器(AMT)具有结构简单，传动效率高等优点，目前已被成功应用于商用车领域.但由于AMT换挡时存在动力中断、发动机转速和输入轴转速不同步等问题，影响了换挡舒适性[1].因此，AMT换挡过程中需要对发动机进行转速、扭矩干预控制[2-5].本研究在对南京依维柯AMT样车换挡过程分析的基础上，制定了换挡控制策略，基于SAEJ1939协议，通过引入限速限扭控制模式，实现对发动机转速控制,达到发动机转速与输入轴转速同步的目的.

SAEJ1939协议是美国汽车工程师协会专门为重载卡车和客车制定的一种串行通讯和控制协议，目前已成为世界各大商用车制造厂的总线标准[6].SAEJ1939中规定电控发动机有调速、调扭和限速限扭3种控制模式，通过发送相应的代码即可实现对发动机的控制.

1 AMT换挡过程研究

AMT换挡过程中首先要使离合器分开，离合器分开后选换挡执行机构动作完成换挡，换挡完成后离合器结合，最终完成换挡.以离合器位移作为依据，换挡过程阶段划分如图1所示.

图1 AMT换挡过程阶段划分

图中abcdef线代表换挡过程离合器位移变化示意曲线.按照该曲线，将换挡过程分为5个阶段：

1)在阶段1,离合器闭合，车辆处于非换挡状态；

2)在阶段2，离合器处于结合状态，但是开始逐渐分开到滑磨点；

3)在阶段3，离合器处于分离状态，此时AMT进行摘挡、选挡、换挡动作；

4)在阶段4，离合器开始结合，发动机转速和输入轴转速差逐渐减小；

5)在阶段5，离合器快速结合.

2 AMT换挡过程发动机控制策略制定

换挡过程中车速不会发生太大变化，但是当挡位发生变化时，AMT速比发生变化，此时输入轴转速也会发生较大变化.由于升挡时发动机需要降转速、降挡时发动机需要升转速，故分别制定升挡过程发动机控制策略和降挡时发动机控制策略.对AMT来说，换挡舒适性取决于发动机转速和输入轴转速的协调，基于发动机扭矩控制的换挡最终也是反馈到发动机转速的变化.不管是有动力换挡还是无动力换挡，或者说车辆对发动机扭矩的需求，均反映出发动机转速的变化，故在制定发动机控制策略时，以发动机目标转速为控制目标.

2.1 升挡时发动机控制策略

在升挡过程中可以认为车速几乎无变化，而变速箱传动比变小，这导致车速折合到变速箱输入轴的转速减小.为了减小换挡冲击，那么在升挡过程中需要降低发动机转速.

1)模块构建及工作流程.

AMT在升挡过程中发动机转速、输入轴转速、车速变化如图2所示.

图2 AMT升挡过程转速变化曲线

当AMT接收到升挡指令后，换挡过程从阶段1进入阶段2.此时离合器逐渐分开，直到离合器滑磨点.离合器分开的过程中可能出现因打滑而导致发动机转速与输入轴转速不同步.

当离合器分离至滑磨点以后，换挡过程从阶段2进入阶段3.该阶段执行机构动作进行选挡换挡，由于发动机无负载，转速会突然上升，相反，由于失去动力，与负载端相连的输入轴转速会直接下降.当换挡完成后，输入轴转速变化与车速变化一致.

换挡完成后离合器开始结合，换挡过程从阶段3进入阶段4.发动机转速和输入轴转速差逐渐减小.

当发动机转速和输入轴转速差达到目标同步转速差时，换挡过程从阶段3进入阶段5.由于发动机转速和输入轴转速差非常小，该阶段离合器快速结合.

2)发动机控制策略制定.

在阶段1，离合器闭合，车辆处于非换挡状态，发动机不控制.

在阶段2，离合器处于结合状态，此时发动机目标转速应维持当前发动机转速，但由于发动机调速响应时间问题，该阶段应对发动机进行限速控制，以便于下一阶段的发动机控制.

在阶段3，离合器处于分离状态，此时发动机转速会发生突变，不管是有动力换挡还是无动力换挡，发动机目标转速都是降低，并与下一挡位的当前车速对应的输入轴转速一致.由于动力升挡时发动机转速调速控制模式效果不是特别理想，该阶段发动机控制采用限速限扭控制模式，即限制发动机转速不高于目标转速.

在阶段4，离合器结合，与前一阶段控制模式相同，此时由于发动机转速与输入轴转速接近相同，换挡舒适性会大大提高.

在阶段5，离合器快速结合，此时车辆需要较大动力，该阶段需要发动机扭矩迅速增加，但由于离合器没有完全结合，此时扭矩应逐渐增长，提高舒适性.

2.2 AMT降挡发动机控制策略

在降挡过程中车速几乎无变化，而由于发动机降挡时变速箱速比变大，所以导致车速折合到变速箱输入轴的转速增大.为了减小换挡冲击，在降挡过程中发动机需要升转速.

1)发动机控制策略制定.

AMT降挡过程发动机转速、输入轴转速、车速变化如图3所示.

图3 AMT降挡过程转速变化曲线

当有降挡指令后，进入阶段2，此时离合器逐渐分开，直到滑磨点，离合器分开的过程中可能出现因打滑而导致发动机转速与输入轴转速不同步.当离合器分离至滑磨点以后进入阶段3，离合器完全分开，此时由于油门开度较小或为怠速，发动机转速会较低，所以动力降挡时转速会上升，输入轴转速会直接下降.由于该阶段执行选换挡动作，换挡过程中，输入轴转速又会逐渐升高，换挡完成后，转速变化与车速变化一致.换挡完成后离合器开始结合，进入阶段4，当发动机转速和输入轴转速差达到目标同步转速差时，进入阶段5，在阶段5，由于发动机转速和输入轴转速差非常小，该阶段离合器快速结合.

2)发动机控制策略制定.

在阶段1，离合器闭合，车辆处于非换挡状态，发动机不控制.

在阶段2，离合器处于结合状态，此时发动机目标转速应维持当前发动机转速，但由于发动机调速响应时间问题，该阶段应对发动机进行调速控制，以便于下一阶段的发动机控制.

在阶段3，离合器处于分离状态，发动机转速可能会下降也可能会上升，不管是有动力降挡还是无动力降挡，发动机目标转速都是逐渐升高.由于升速调速控制容易超调，所以发动机目标转速逐渐增加.该阶段油门较小，而发动机转速又要提高，故该阶段采用调速控制模式.

在阶段4，离合器结合，与前一阶段控制模式相同，此时由于发动机转速与输入轴转速接近相同，换挡舒适性会大大提高.

在阶段5，离合器快速结合，此时车辆需要较大动力，该阶段需要发动机扭矩迅速增加，但由于离合器没有完全结合，此时扭矩应逐渐增长，以提高舒适性.

3 试验验证

试验车辆为南京依维柯2064车型，具体参数见表1.

表1 2064车型实车参数

基于该车型开发了AMT样车，采用文中控制策略在dsPACE快速原型控制平台上完成了控制软件开发和预标定.

3.1 AMT升挡试验结果

2挡升3挡时，基于一般发动机调速控制的试验结果如图4所示.

图4 AMT升挡过程发动机调速控制试验结果

现有AMT在换挡过程阶段2～阶段4，发动机采用调速控制模式，在阶段5采用限速限扭控制模式.在阶段2，发动机转速略高于目标转速；在阶段3，由于离合器分离，发动机负载突然变小，发动机转速有一个小的快速升高，即飞车现象；在阶段4，离合器开始结合，发动机负载增加，此时要维持目标转速不变，发动机就需要增加输出扭矩.发动机输出扭矩增加容易出现发动机转速的增加，即二次飞车.在阶段5，此时离合器快速结合，为提高换挡舒适性，该阶段进行发动机限速限扭控制.

2挡升3挡时，基于发动机限速限扭控制的试验结果如图5所示.

图5 AMT升挡过程发动机限速限扭控制试验结果

在换挡过程阶段2～阶段5，发动机采用限速限扭控制模式.在阶段2，发动机转速略低于目标转速；在阶段3，发动机转速刚开始有稍微上升后逐渐下降；在阶段4，发动机转速也持续下降；在阶段5，此时离合器快速结合，发动机目标转速稍高于当前发动机转速，防止出现降低发动机转速的现象.相比于发动机调速控制模式，在换挡过程发动机没有出现超调、飞车等现象，大大地提高了换挡舒适性.

3.2 AMT降挡试验结果

在降挡过程中，发动机需要升转速，故降挡过程需采用调速模式，4挡降3挡时，试验结果如图6所示.

在阶段3，由于离合器分离，失去了车辆的转动惯量，所以发动机转速有一定的下降，随后由于调速控制，发动机转速逐渐上升，换挡舒适性较好.

图6 AMT降挡过程试验结果

4 结 论

根据离合器工作特性，将AMT换挡过程分为5个阶段，制定了升挡过程和降挡过程发动机目标转速；基于SAEJ1939通信协议，通过发送控制模式指令实现了AMT升挡和降挡时发动机调速和限速限扭控制；基于dsPACE快速原型控制平台，在NJ2064 AMT样车上进行了试验验证，结果表明：所提出的升挡时采用发动机限速限扭控制模式和降挡时采用发动机调速控制模式能够很好地控制发动机转速，提高了换挡舒适性.

[1] Alex Gibson，IIya Kolmanovsky．Modeling and Analysis of Engine Torque Modulation for Shifting Quality Improvement[C]．SAE Paper，2006-01-1073.

[2] 黄 英，万国强，崔 涛，等. AMT 换挡过程发动机控制策略研究[J]. 汽车工程，2012，34(3):245-248.

[3] 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.

[4] 谢先平，梅近仁，李 君，等. 基于发动机联合控制的AMT 换挡控制策略[J]. 汽车技术，2012，(6):28-33.

[5] 周晋超，刘子建，皮皓杰，等. 基于发动机转矩与转速控制的AMT换挡策略研究[J]. 工程设计学报，2015，22(2):185-192.

[6] 王云成. 重型商用车不分离离合器AMT关键技术研究[D]. 吉林：吉林大学，2010.

Engine Control Strategy for AMT Shifting of Commercial Vehicle

LIU Zhen-jie， LI Zhi-wei, WANG Ye, YI Chao, HAN Yu-shi

(Science and Technology on Vehicle Transmission Laboratory, China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072, China)

In order to improve the shift quality of the automatic mechanical transmission(AMT) , the shifting process was divided into five stages and the engine target speed and control strategy of each stage were formulated based on the characteristics of clutch work. Based on SAEJ1939 protocol, engine speed and speed limit torque control by sending engine control mode were implemented. The results of test on NJ2046 vehicle showed that the engine control strategy realized effectively the engine control process, and the AMT shifting comfort was improved.

commercial vehicle; engine control; AMT; shifting

1009-4687(2017)01-0025-04

2016-11-21.

刘振杰(1986-)，男，高级工程师，研究方向为传动信息与控制.

U270.1+1

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