机械式自动变速器换挡协调控制策略

周 辉，耿亦楠，张彦会

（1.东风柳州汽车有限公司，广西 柳州545005；2.广西科技大学，广西 柳州545005）

随着汽车制造技术的发展，机械式自动变速器的性能也逐年提高。而在机械式自动变速器的性能要求中，换挡品质是其中最重要的一个环节。由于机械式自动变速器在换挡过程动力发生中断以及前后挡位发生速比差，会造成挡过程中的顿挫与冲击，这对发动机传动系统造成一定的损伤，也给用户带来了不舒服感。为了解决这两方面的问题，需要调整离合器的接合及分离状态和发动机的扭矩，从而实现换挡过程中变速箱、发动机与离合器的协调性。

在汽车行业发展的早期，汽车整车通讯技术发展还较为落后，对机械式自动变速的控制只能通过变速器控制单元TCU调整发动机的节气门开度，从而实现发动机与变速器的协调控制。杜常清等[1]提出去除传统自动变速器的液力变矩器，从而使其同时兼备换挡方便和较高的传动效率；刘振军等[2]提出对发动机进行改装，在发动机上加装一个电子节气门来控制发动机的转速。谢先平等[3]提出将换挡的各个阶段继续细分成几个更小的阶段，进而实现缩短发动机对变速器控制时间。

但是以上方法均存在一定的缺点，由于无法快速准确地得到发动机转速、扭矩等重要数据，也无法实现对发动机、机械式自动变速器和汽车离合器的协调控制。本研究通过由CAN总线实现机械式自动变速器与发动机的协调控制，在换挡的过程中，变速器由CAN总线暂时对发动机进行控制，并将此阶段的换挡过程由发动机的控制策略分为3个部分：降低扭矩、保持转速及恢复扭矩，这样可以实现发动机、离合器以及机械式自动变速器在换挡过程中的同步控制。

1 机械式自动变速器工作特性分析

1.1 汽车发动机速度特性

发动机的速度特性是指在发动机的节气门开度固定时，发动机的功率、油耗以及发动机的扭矩等评价指标随曲轴转速变化而变化的关系，发动机特性曲线如图1所示。它与机械式自动变速器的关联最直接。发动机的速度特性越优，其与机械式自动变速器的协调度越高。

1.2 离合器的转矩传输特性

离合器作为汽车变速器传动系统中重要的组成部分，在车辆行驶过程中具有不可或缺的作用。汽车在行驶过程任何状态下都需要有离合器的配合，汽车处于启动阶段需要由离合器配合连接发动机以实现汽车的起步。车辆从起步到提速过程需要由离合器配合实现汽车的顺利换挡，以实现发动机与传动系的顺利对接；汽车的制动过程也会利用离合器来缓解刹车过程对汽车发动机产生的冲击。

图1 发动机特性曲线

在汽车的离合器调压系统里，换挡电磁阀是最重要的核心元件[4]。为了实现对压力的连续不断调节，换挡电磁阀会通过接受并控制传入的PWM信号，控制车辆离合器的结合与分离，最终达到对油压的连续控制的目的。换挡电磁阀的结构如图2所示。预设压力是由调节螺钉所决定的，为了改变进油口打开的大小，会在工作的过程中给线圈通电，从而产生磁场，进而让衔铁由于磁力而靠近，球阀会向左移动，使得压力油进入车辆的离合器油路。电流的大小同时决定了线圈磁场的强弱，也决定了能否对进油口的打开程度进行控制。

图2 换挡电磁阀结构图

为了对油压实现精准控制，必须在变速器设计阶段选用适当的可由磁场调节的阀门来实现，这是动力换挡变速器电液控制技术的核心。图3为动力换挡变速器电液控制系统原理图。从图中可以看出，采用电液比例换向阀来作为换挡电磁阀连接动力源P1，为了能实现自动变速器的换挡过程中的较小的液压冲击以及动力输出输入的中断，需要合理设置储能器以及控制调速阀。

图3 动力换挡变速器电液控制系统原理

1.3 车辆的动力学

为了对汽车自动变速控制进行分析，也需要对汽车进行动力学分析。由于在汽车行驶过程中有许多因素会对汽车动力学产生不同的影响，所以在解决这个问题时也需要从不同的角度去思考。在车辆行驶过程中，对汽车动力性影响的因素有动态输出转矩与变速器挡位，挡位、工况、作业速度及动态输出转矩之间存在密切相关性。

2 机械式自动变速器控制策略

2.1 换挡品质评价指标

传统的换挡品质，定义为换挡过程中的平顺性。换挡过程中的平顺性即指汽车能够在平稳无冲击的情况下完成换挡过程[5]。近年来，随着汽车产业的发展以及人们对换档要求的提高，换挡平顺性只是一项要求，还要求换挡过程的速度衔接、经济性、噪声以及对车辆燃油消耗与排放量等诸多方面，因此，换挡品质评价对自动变速系统有着十分重要的意义。

传统的评价方法采用与平顺性相关的指标：冲击度。换挡时间和滑磨功进行评价。冲击度（J）：冲击度定义为车辆纵向加速度的变化率。通过冲击度可以真实反映换档冲击对乘员感受程度的影响。例如在起步过程中，离合器结合速度越快，纵向加速度正向变化速率越快，正向冲击度就越大，同时该值越大，乘员向后坐的感觉越明显，那么评价等级会较低。当离合器结合后，纵向加速度负向变化斜率越快，负向冲击度就越大，同时该值越大，乘员向前倾的感觉越明显，那么评价等级会较低。

式中：rr为车轮滚动半径；i0为驱动桥主传动比；IW为变速器输出轴相联惯量；TW为车轮上的牵引转矩；T0T为变速器输出轴转矩；ω0T为变速器输出轴角速度。

离合器比滑磨功：离合器比滑磨功是滑磨功Lc与离合器摩擦面积Fc之比，比滑摩功越小，温度越低，则离合器寿命越长。但是，低的比滑磨功会引起冲击度（J）的升高，进而影响评价等级。

式中：Tc（t）为离合器结合时摩擦力矩增加规律；w1（t）为变速器第一轴角速度；ωe（t）为发动机的角速度。

2.2 换挡过程控制策略制定

自动变速器的换挡离合器的液压特性由输入的信号形式所决定，如图4所示的是理想的汽车自动变速器换挡离合器的油压特性曲线。以汽车L挡切换至D挡为例，当汽车处于t0时刻，这时候由驾驶员发出挡位切换信号，此时信号发出，离合器的电磁阀迅速开启至所需大小，时间来到t1，此时的压力到达Pcp，在此压力下活塞开始运动，从而推动接触摩擦片，此时压力继续增加，进而接合离合器开始传递转矩，进入下一阶段后分离离合器由接合处于滑磨阶段，直到t2时刻后，分离离合器完全分离，接合离合器油压继续升高至Pcf，达到系统压力Pms。

图4 换挡离合器油压特性曲线

通常在建立自动变速器控制系统时会将离合器的油缸活塞位移作为反馈信号建立整体的闭环控制系统，可以由理想的自动变速器离合器油液结合特性来搭建一个由换挡电磁阀所确定的分段函数输入输出信号函数图像。如图5所示。

图5 换挡电磁阀输入信号

在现代协调控制策略的控制下，机械自动变速器控制系统TCU会根据此时刻下输入的汽车工况信号如汽车的行驶车速、发动机牵引力、轮胎的滑移率等等，按一定的控制策略实现汽车自动变速器的合适时刻的换挡[6]。

在对汽车的自动变速器控制时通常会建立模型，如图6所示。其中包括四组动力换挡电磁阀以及离合器。这个模型可以准确反映出汽车在换挡过程中的各个部件的响应特性。同时在这个模型中不考虑整体系统的泄露和发热，忽略液压缸的死区特性和管道内壁的压力。

图6 变速器电液控制模型示意图

CAN总线同时连接发动机与变速器，控制正常换挡以及发动机的转矩和转速，同时在换挡的过程中还需要同时追踪变速器所需要的发动机目标转矩。如图7所示是变速器由一档进入二档的过程图。当变速器处于A1→A2阶段，此时发动机的转速由于转矩下降进而呈现出迅速下降的趋势；进入A3→A4阶段，变速器的换挡品质在实际转速相同时会受到非常明显的影响。离合器摩擦因子n，接合压力Y，摩擦半径T，关系式为Rcl=2ηcTcYcl。

图7 发动机转矩和转速图

利用本文设计的CAN总线协调控制法，可以使发动机的转速以及输入轴更加快速、接合的时间也会更加的趋于理想的换挡结果。证明本文的设计方法确实可以从降低换挡的冲击度以及离合器的接合时间等方面来提高车辆的换挡品质。

3 实验论证

根据本文所设计出的自动变速器协同控制换挡策略，设计出一款8速机械师自动变速器控制软件，并且在装有WD615.W发动机的车辆上进行道路测试。整车参数，见表1。

表1 整车参数

在实际道路上进行测试后，可以发现整车的换挡过程更加流畅，同时整车的舒适性得到了极大地提高，同时在换挡过程中，发动机的转速变化更加平稳，换挡带来的换挡冲击更小，动力中断的时间也更短。原因是，离合器分离过程中离合器分离和发动机降扭保持协调一致，发动机转速平稳，车辆继续保持一定的加速度，减小了动力损失；选换挡过程中通过转速控制使待啮合齿轮达到精确同步，换挡平顺，冲击减小，同时离合器主、从动转速差也大大减小。

实验证明本方案有助于缩短换挡时间，改善了汽车的操纵稳定性以及驾驶过程中的舒适性，为汽车机械式自动变速器控制提供了参考。

4 结语

本设计的发动机、离合器以及机械式自动变速器在换挡过程中的同步控制的优势在于可以实现车辆的信息的集中处理，同时降低了车辆在CAN总线冲突的概率以及汽车总线的容错能力，是汽车未来发展的方向之一。硬件特点是在CAN总线的帮助下，汽车的发动机、离合器、变速器协同控制实现了信息备份，从而保证了在任何一个部件发生故障的情况下，都可以实现驾驶员想要对车辆的控制效果，增加了整体的容错能力。不足之处在于只从液压冲击对换挡品质进行了评价，由于离合器接合过程存在滑磨损失，产生的热量会导致摩擦片温度升高、表面磨损等问题，进一步的换挡品质研究可以采用离合器摩擦片滑磨功及温度等影响因素进行评价。