（车辆工程专业论文）4at控制系统关键技术的研究.pdf

4 a t 控制系统关键技术的研究 摘要 电控液力自动变速器的使用能有效的减少换挡冲击，降低传动系的动载荷， 改善汽车的动力性、经济性、乘坐舒适性和操作方便性，应用广泛，是当前自 动变速器的主流。电控液力自动变速器的研发对于促进国内汽车工业的发展和 技术进步具有重要的理论意义和实用价值。 本文结合安徽省自然基金项目和国家科技支撑计划项目，对4 a t 自动变速 器控制系统进行了研究，对发动机和液力变矩器联合工作输入和输出特性进行 了研究，得到了两者联合工作输入特性和输出特性；以发动机与液力变矩器联 合工作输出特性为基础，结合两参数换挡规律的制定方法，分别制订出了两参 数最佳动力性换挡规律和最佳经济性换挡规律；考虑到两参数换挡规律难以满 足车辆在不同行驶环境和驾驶员不同操作意图下行驶的性能需求，对智能换挡 规律进行了研究，提出一种基于模糊修正的智能换挡策略，并在s i m u l i n k 软件 中建立相应的模型，进行了仿真分析：分析了自动变速器的换挡过程，结合油 压控制规律和执行元件搭接时序控制，制定出了电磁阀开闭合曲线控制策略， 并建立了电磁阀开闭合曲线控制模型，进行了仿真分析；综合上述工作，依据 两参数换挡规律，建立了整车动力系统仿真模型，对控制系统模型进行了基于 m a t l a b s i m u l i n k 的离线仿真分析，并且在自动变速器试验台架上进行了基于 d s p a c e 的快速控制原型实验，对电磁阀开闭合曲线进行了标定，以改善换挡品 质，最后进行了实车的快速控制原型实验，验证了所设计的电控液力自动变速 器控制系统的正确性。 本文对电控液力自动变速器控制系统的研究经试验验证是正确合理的，能 应用到车辆自动变速器的实际控制，为开发电控液力自动变速器控制器提供了 参考。同时，所用到的控制系统设计和开发方法可以应用到其他类型的自动变 速器。 关键词：自动变速器控制系统智能换挡策略快速控制原型模糊控制 t h es t u d yo nk e y t e c h n o l o g yo fa f o u rs p e e da t c o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t a tw h i c hc a r le f f e c t i v e l yr e d u c es h i f ts h o c k sa n dt r a n s m i s s i o no ft h ed y n a m i cl o a d ，a n d c a ni m p r o v et h ec a l sp o w e r ，e c o n o m y ，c o m f o r ta n de a s eo fo p e r a t i o n ，i sw i d e l yu s e da n di s t h ec u r r e n tm a i n s t r e a mo fa u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n t h ed e v e l o p m e n to fa th a si m p o r t a n t t h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u ef o rt h ep r o m o t i o no ft h ed o m e s t i ca u t oi n d u s t r yd e v e l o p m e n t a n dt e c h n o l o g i c a lp r o g r e s s b a s e do na n h u ip r o v i n c en a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o np r o je c t sa n dn a t i o n a l s c i e n c ea n dt e c h n o l o g ys u p p o r tp r o je c t s ，t h i s p a p e rs t u d i e st h e4 a ta u t o m a t i c t r a n s m i s s i o nc o n t r o ls y s t e m t h ee n g i n ea n dt o r q u ec o n v e r t e r si n p u ta n do u t p u t c h a r a c t e r i s t i c so fj o i n tw o r kh a v eb e e ns t u d i e do n ，a n dt h ei n p u tc h a r a c t e r i s t i c sa n d o u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so fj o i n tw o r kh a v eb e e na c q u i r e d b a s e do nt h eo u t p u t c h a r a c t e r i s t i c so fjo i n tw o r ka n da c c o r d i n gt ot h et w o p a r a m e t e rs h i f ts c h e d u l e ，t h i s p a p e rh a sw o r k e do u tt h eb e s tp o w e rs h i f ts c h e d u l ea n dt h eb e s te c o n o m ys h i f t s c h e d u l e t a k i n gi n t oa c c o u n tt h a tt h et w o p a r a m e t e rs h i f ts c h e d u l ei sd i f f i c u l tt o m e e tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fv e h i c l ew h i c hi sd r i v e ni nd i f f e r e n td r i v i n ge n v i r o n m e n t s a n dd r i v e r so p e r a t i o ni n t e n t s ，t h ep a p e rh a ss t u d i e di n t e l l i g e n ts h i f ts c h e d u l ea n d p r o p o s e da ni n t e l l i g e n ts h i f ts t r a t e g yb a s e do nf u z z ya m e n d m e n ta n dc r e a t e di t s m o d e lu s e ds i m u l i n ks o f t w a r et oa n a l y z ei t sp e r f o r m a n c e t h i sp a p e ra l s oh a s a n a l y z e dt h ea u t o m a t i ct r a n s m i s s i o ns h i f t i n gp r o c e s s ，d e v e l o p e dac o n t r o ls t r a t e g yo f s o l e n o i dv a l v e s o p e na n dc l o s ec u r v e ，w h i c hi sc o m b i n e dw i t hh y d r a u l i cc o n t r o l l a w sa n de n f o r c e m e n tc o m p o n e n t sl a pt i m i n gc o n t r o l ，a n de s t a b l i s h e dt h ec o n t r o l m o d e lt oa n a l y z ei t sp e r f o r m a n c e a b o v ea l lt h ew o r k ，t h i sp a p e rh a se s t a b l i s h e d m o d e l so ft h ev e h i c l ep o w e r t r a i ns y s t e mb a s e do nt w ov a l u es h i f ts c h e d u l ea n d a n a l y z e dt h ep e r f o r m a n c eo fc o n t r o ls y s t e mm o d e l ，w h i c hw a sb a s e do nm a t l a b s i m u l i n ko f f - l i n es i m u l a t i o n a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nt e s tb e n c hw a se x p e r i m e n t e d b a s e do nd s p a c er a p i dc o n t r o lp r o t o t y p i n g ，t h es o l e n o i dv a l v e so p e na n dc l o s e c u r v e sw e r ec a l i b r a t e dt oi m p r o v es h i f tq u a l i t y f i n a l l y , d u r i n gt h ea c t u a lv e h i c l e r a p i dc o n t r o lp r o t o t y p i n ge x p e r i m e n t ，t h ec o n t r o ls y s t e m sc o r r e c t n e s so ff o u rs p e e d a th a sb e e nv e r if i e d i nt h i sp a p e r , a tc o n t r o l r e a s o n a b l e ，c a nb ea p p l i e dt o s y s t e mo fw h i c he x p e r i m e n t a l t h ea c t u a lc o n t r o lo fa u t o m a t i c r e s u l t sa r ec o r r e c ta n d t r a n s m i s s i o nv e h i c l e s ， a n dc a np r o v i d ear e f e r e n c ef o r t h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e d h y d r a u l i ca u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nc o n t r o l l e r a tt h es a m et i m e ，t h ed e s i g na n d d e v e l o p m e n tm e t h o d so fc o n t r o ls y s t e mc a nb ea p p l i e dt oo t h e rt y p e so fa u t o m a t i c t r a n s m i s s i o n k e y w o r d s ：a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ；c o n t r o ls y s t e m ；i n t e l l i g e n ts h i f ts t r a t e g y ；r a p i d c o n t r o lp r o t o t y p i n g ；f u z z yc o n t r o l ； 插图清单 图1 - 1 电子控制系统基本组成4 图2 - 1 发动机转矩特性7 图2 - 2 发动机燃油消耗率曲线8 图2 - 3 液力变矩器外特性9 图2 - 4 液力变矩器无因次特性曲线9 图2 - 5 透穿性能1 0 图2 - 6 发动机与液力变矩器共同工作输入特性1 3 图2 - 7 共同工作输出特性1 4 图2 - 8 联合工作燃油消耗特性1 4 图3 - 1 单参数换挡规律1 6 图3 - 2 两参数换挡规律1 7 图3 - 3 驱动力曲线1 8 图3 - 4 最佳动力性换挡规律1 9 图3 - 5 各挡位油耗图2 0 图3 - 6 不等牵引力换挡2 0 图3 - 7 汽车牵引特性和油耗特性2 0 图3 - 8 等牵引力油耗曲线2 1 图3 - 9 等牵引力变油门开度换挡曲线2 1 图3 - 1 0 最佳经济性换挡规律2 2 图4 - 1 上坡识别流程图2 3 图4 - 2 上坡时换挡循环的产生2 4 图4 - 3 下坡识别流程图2 4 图4 - 4 雪地识别流程图2 5 图4 - 5 脱离雪地工况识别流程图：2 5 图4 - 6 高低温识别流程图2 6 图4 - 7 弯道识别及换挡策略2 7 图4 - 8 智能换挡策略原理图2 9 图4 - 9 基本换挡规律2 9 图4 - 1 0 油门开度隶属度函数3 0 图4 - 11 挡位隶属度函数3 0 图4 - 1 2 模糊控制规则3 1 图4 - 13 上坡仿真结果3 1 图4 - 1 4 识别系统3 2 图4 - 15 驾驶员意图的模糊修正3 2 图4 - 1 6 不同行驶环境的模糊修正模型3 3 图4 - 1 7 智能换挡策略模型3 3 图5 1 换挡过程等效力学模型3 5 图5 2 不同定时时间产生的放油油压变化规律示意图4 0 图5 3 离合器油压变化曲线4 1 图5 - 4 电磁阀功能4 2 图5 - 6p w m 电磁阀工作原理及结构4 2 图5 7 各电磁阀控制模型4 3 图5 8 延迟模块4 4 图5 9 电磁阀开闭合曲线控制4 4 图5 1 0 车速、挡位及闭锁仿真结果4 5 图5 1 l 各挡电磁阀开闭合工作仿真结果4 5 图6 1 整车动力系统模型4 7 图6 - 2 驾驶员模型4 7 图6 3 发动机稳态转矩特性图4 8 图6 - 4 发动机模型4 8 图6 5 车辆模型4 9 图6 - 6 换挡规律5 0 图6 - 7 自动换挡控制模型5 0 图6 - 8 换挡逻辑模块5 1 图6 - 9 液力变矩器闭锁控制模型5 2 图6 1 0 液力变矩器模型5 2 图6 - 1l 电磁阀控制模型5 3 图6 - 1 2 换挡电磁阀控制及执行元件模型5 4 图6 - 13 仿真结果5 5 图6 - 1 4 自动变速器台架5 6 图6 - 1 5 实验台架快速控制原型实验原理图5 6 图6 - 16 台架试验图5 7 图6 - 17 挡位与车速、油门的关系5 7 图6 - 1 8 闭锁状态5 8 图6 - 1 9 起步、滑行和制动控制实验5 9 图6 2 0 起步、滑行及制动控制5 9 图6 2 1 电磁阀开闭合曲线修改6 0 图6 2 2 车速信号采集6 1 图6 2 3 油门开度传感器6 1 图6 - 2 4 实验方案6 2 图6 2 5 实车实验实物图6 2 图6 2 6 挡位和闭锁状态图6 2 图6 2 7 车速图6 3 图6 2 8 油门开度图6 3 表格清单 表2 - 1 发动机转矩实验数据7 表2 - 2 发动机燃油消耗率实验数据8 表2 3 液力变矩器实验数据1 0 表2 - 4 性能评价相关特性参数1 2 表5 1 各挡电磁阀工作逻辑4 3 表6 1 不同挡位各换挡执行元件的动作5 4 表6 - 2 整车相关参数5 5 独创性声明 本人声明所譬交的学位论文是本人在导师指导卜进行的研究l ：作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标忠禾l 致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金旦墨! ：业厶堂 或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同i ：作的同：对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字： 日签字日期：沙7 护年严月7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 佥日巴；! ：些厶堂 有关保留、使川学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部| j 或机构送交论文的复印什利磁盘，允许论文被j 卉 阅或借 阅。本人授权 金目里 些厶堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权：抟) 学位论文者签名： 玖友多 i 菩字吼切f 驴年缈叩日 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 翩虢i 7 乱锄 签字日期：劲c 口年华月夕 电话：f ? 予66 乎，6 i6 邮码一1 致谢 本文的研究工作是在尊敬的导师张炳力老师精心指导和悉心关怀下完成 的，在硕士学位论文即将完成之际，我深深感谢敬爱的张老师为我的成长所倾 注的心血。在我攻读硕士学位的三年时间里，自始至终得到了张老师的精心指 导和热情的关怀。本论文中的每一项研究成果，都凝聚着张老师的心血。张老 师严谨求实的治学作风，诲人不倦的师者风范，对教育事业满腔热情、无私奉 献的工作精神，时刻感染教育着我，将是我受益终生，在将来的工作和学习中， 我将铭记张老师的教诲，严格要求自己。 感谢一直关心和支持我的家人和亲友。正是他们无私的关怀和鼓励，使我 能够得以顺利完成学业。 衷心感谢师东升、张平平、胡先锋、徐德胜等师兄，李鑫、祝毅、宋振翔、 廖衔、吴迪、林鞯等同窗好友，杜红亮、季明微、胡福建、侯清亮、董彦文， 徐国胜等师弟师妹在学习和生活上对我的热情帮助。 感谢所有支持和爱护我的人! 作者：张友皇 2 0 0 9 年4 月1 8 日 第一章绪论 1 1 引言 汽车手动换挡变速器的使用提高了人们对车辆的使用性能，然而随着交通 拥挤状况等高强度换挡操作环境的出现，手动换挡变速器操作复杂，难于掌握 等缺点越发突出。 传统的手动机械式变速器在换挡时，需要驾驶员通过感官察觉路面状况、 交通状况和车辆实际运行状态，并通过手操纵换挡杆和脚操纵离合器踏板、油 门踏板、制动踏板，选择合适的挡位和换挡时间，进行换挡操作，这些协调同 步的操作对驾驶员提出了较高的驾驶要求。据不完全统计，驾驶员使用传统手 动换挡在交通拥挤的市区中驾车，平均每分钟要连续完成1 5 2 0 次手脚协调的 换挡动作【l 】。这样频繁的重复操作加重了驾驶员的驾驶劳动强度，容易使驾驶员 疲劳，分散其驾驶注意力，容易造成交通隐患。此外，手动换挡换挡时机的掌 握需要一定的驾驶经验和技巧，不恰当的换挡时机会产生换挡冲击、甚至起步 熄火等问题，从而导致燃油经济性差和乘坐舒适性下降等问题。针对手动换挡 的这些缺点，能够实现自动变速的变速器应运而生，成为汽车变速器技术发展 的热点。 自动变速器与传统手动变速器相比有以下优点【2 】： ( 1 ) 消除驾驶员换挡技术的差异，降低了驾驶员的劳动强度。自动变速器 取消了离合器踏板和原手动操作杆，驾驶员只要控制方向盘、油门踏板和制动 踏板就可以轻松的驾驶车辆，降低了驾驶员的劳动强度，从而提高了行驶的安 全性。 ( 2 ) 提高了车辆的动力性和经济性。自动换挡能根据车辆行驶环境和自身 运行状态等来合理的选择挡位，提高了车辆的使用性能。 ( 3 ) 改善了换挡品质。自动变速器通过油压控制规律等换挡品质控制方法 可以控制换挡执行元件结合与分离的速度，实现挡位间的平稳切换。 ( 4 ) 改善了车辆的排放性能。通过对传动系的合理控制，可以改变发动机 的负荷状况，使发动机处于良好的工作状态，改善了车辆的排放性能。 由于汽车变速器实现自动控制存在诸多优势，以及社会环境的迫切需求， 自动变速器必定是汽车变速器的发展趋势。 1 2 自动变速器的种类及特点 自动变速器可以分为四种类型【3 】：电控液力机械自动变速器( a t ) 、电控机 械自动变速器( a m t ) 、无级自动变速器( c v t ) 和双离合自动变速器( d c t ) 。 1 、电控液力机械自动变速器( a t ) 电控液力机械自动变速器主要由行星齿轮机构，液力变矩器和电控液压系 统组成，通过液力系统控制换挡执行元件动作的方式来实现变速。 a t 的优点：乘坐舒适性较好，换挡平稳，无冲击和振动。不受传递功 率的限制，适用于各种类型的车辆。 a t 的缺点：制造工艺复杂，制造成本高，投资规模大。传动效率较低， 燃油消耗量较大。a t 依然存在换挡冲击。机构复杂，维修成本高。 2 、电控机械式自动变速器( a m t ) a m t 是在普通机械式变速器基础上，加上替代人工换挡的微机控制电液伺服 操纵换挡机构，来操纵主离合器和变速器进行自动换挡。 a m t 的优点：结构简单，制造和维护成本低。传动效率高，燃料经济性 好。适用于各种车型，尤其是商用车。 a m t 的不足：换挡平顺性不高，舒适性较差。控制参数太多，实现自动 控制困难。 3 、无级自动变速器( c v t ) 无级自动变速器通过v 形传动带和工作直径可变的主、从动轮相互配合来传 递动力，能够在一定范围内实现传动比的连续改变。 c v t 的优点：加速性能好，燃油经济性高。实现了真正的无级变速，乘 坐舒适性好。零部件数量较少，结构简单。 c v t 的缺点：技术含量高，制造复杂，成本高。传动带容易损坏，使用 寿命受限，维护成本高。传递扭矩有限，应用范围受限。 4 、双离合自动变速器( d c t ) 双离合自动变速器有两个输入轴：一个离合器与套筒( 空心) 输入轴相联， 控制偶数挡，另一个离合器与实心输入轴相联，控制奇数挡。 d c t 的优点：质量更可靠，维修成本低。换挡时间较短，换挡舒适性高。 良好的动力性和经济性。不受传递功率的限制，可以广泛应用于各种车型。 d c t 的不足：技术难度大，电子控制系统较为复杂，生产成本相对较高。 1 3 自动变速控制技术国内外研究现状 随着汽车电子技术及控制技术的发展进步，自动变速器的控制技术可以分 为以下三个阶段【4 5 6 】：液力控制阶段、电子控制阶段、智能控制阶段。 2 0 世纪3 0 年代末到6 0 年代初，自动变速技术处于液力控制阶段。1 9 3 8 年， 液力自动变速器首先装于通用o l d s m o b i l e 车上，其操纵机构和控制系统都是通过 液压系统来实现的。液力控制的原理为：由若干个复杂的液压阀和油路构成的 逻辑控制系统，通过反映油门开度大小的节气门阀和反映车速高低的速控阀， 按照设定的换挡规律，控制换挡执行机构的动作，从而实现自动换挡。 2 0 世纪6 0 年代末到9 0 年代，自动变速技术处于电子控制阶段。1 9 6 9 年，法 2 国雷诺r 1 6 t a 轿车自动变速器首先采用了电控换挡技术。电子控制系统将将控制 参数( 油门开度，车速等) 从相应的传感器中采集出来，通过控制系统内部控 制算法，将控制信号作用于换挡电磁阀，从而控制液压换挡执行元件的结合与 分离，实现自动换挡。 从2 0 世纪9 0 年之后，自动变速技术处于电子控制的智能换挡阶段。智能换 挡控制系统在换挡控制时考虑了行驶工况，驾驶员的操作意图和车辆自身性能 状况，使车辆能像经验丰富的驾驶员一样自动换挡，满足车辆行驶的各种性能 需求。如：b w m 、z f 和b o s c h 公司合作推出的5 h p 2 4 自动变速器可以识别驾 驶员的操作意图，选用相应的模式。同时，能根据当前行驶工况对换挡曲线作 适当的修改。日本三菱公司的“f u z z ys h i f t4 a t ”率先采用了“模糊控制”的概 念。法国p s a 集团和雷诺公司合作开发的自动变速器采用先进电脑控制和模糊逻 辑技术，可以根据驾驶员及路况等多种因素选择最合适的挡位。德国大众第三 代自动变速器a g 4 变速系统能够根据行驶环境和驾驶员的驾驶习惯自主进行挡 位选择【7 1 。 国外自动变速器技术相对比较成熟，控制系统理论和方法也比较先进，相 对应的产品也全面实现了产业化。目前国外自动变速器的研究方向主要是向着 自动控制的智能化，多挡位化，小型轻量化，低噪音化等领域发展。 国内在自动变速控制技术理论方面的研究及自动变速器的研制方面均取得 了很多成果。吉林大学葛安林教授提出了三参数( 车速、油门和加速度) 控制 换挡理论；清华大学张俊智博士提出了边界点换挡规律、动力性换挡规律确定 的动态驱动力法和经济型换挡规律的油门法和车速法：自动变速器智能控制理 论方面如：自适应控制技术，模糊控制技术等，也已经达到世界先进水平。吉 林大学率先将智能控制理论应用到工程机械中，研制出推土机和轮式装载机的 模糊换挡系统。神龙公司在富康4 8 8 “领导者”以及富康1 6 l 轿车上装备了进口 a l 4 智能型自动变速器，采用了模糊控制理论和动力传动系统综合控制技术。国 内自动变速器的开发和研制虽然取得不少成果，但是真正的完全自主地应用到 实车的产品相对比较少，与国外自动变速技术还有一定的差距。 1 4a t 控制系统的基本组成和控制功能 1 4 1a t 控制系统的基本组成 自动变速器电子控制系统的组成如图1 所示，它由三个基本部分组成【8 1 ：检 测车辆运行状况、行驶环境和驾驶员操作信息的传感器及各种控制开关；对变 速器进行综合控制运算的电子控制单元；依据控制信号进行挡位切换的换挡执 行部分。 1 4 2a t 控制系统的主要控制功能 电子控制系统的功能是通过各种传感器检出汽车运行状态、行驶工况和司机 驾驶愿望和要求等参数输入控制器，经控制器分析处理按设定的控制规律要求 输出控制指令，通过电液转换执行机构实现所需的控制功能。a t 控制系统的主 要控制功能包括以下几部分： 车辆信号 图1 - 1 电子控制系统基本组成 1 、换挡规律控制 选挡杆处于不同杆位下，根据检出的车速和油门开度等信号，控制器自动选 择挡位，发出控制信号，通过换挡执行元件，完成换挡动作。 2 、换挡品质控制 换挡过程要求快速、平稳、冲击小，有良好的换挡感觉，为此要求控制器正 确控制换挡电磁阀，实现执行元件合适的换挡搭接时序和结合与分离油压合理 的变化。同时，通过发动机转速和转矩控制来帮助改善换挡品质。 3 、换挡液压系统的调压控制 a t 要求换挡液压系统有合适油压和流量，尽量减少能量损耗，保证良好的 操纵性能。控制器可根据油门开度、发动机转速、挡位等输入信息，确定系统 油压，输出p w m 控制信号，控制电子调压阀来实现油压控制。 4 、闭锁离合器控制 控制器根据发动机转速、变速器输入轴转速、油门开度等参数，通过电磁阀 来控制闭锁离合器的接合和分离，以提高传动系的效率。 5 、自调整和自诊断功能 自动变速器的自身性能发生变化时，控制器应具有自动调整功能；出现故障 时具有应急处理功能；防止危险和不利状态出现的安全防护功能：遇到特殊环 境的自动修正功能。 4 1 5 课题来源和意义 本文是安徽省自然科学基金重点项目“汽车自动变速器电子控制单元( t c u ) 关键技术问题的基础研究( 项目编号：0 8 0 4 0 1 0 2 0 0 1 ) 和国家科技支撑计划( 项 目编号：2 0 0 9 b a g l 2 8 0 0 0 3 ) 中关于电控液力自动变速器控制系统方面的研究。 自动变速器控制系统作为其核心技术之一，其好坏直接影响到整车性能的 发挥。良好的控制系统能够提高乘坐舒适性和行驶的安全性，能发挥出较好的 节能环保性，能提高车辆的使用性能，也能够满足驾驶员的不同驾驶需求。因 此，自动变速器控制系统的开发至关重要。我国自主开发自动变速器已有2 0 多 年的历史，在自动变速器的开发和研制方面取得了一定的成果，但是完全自主 开发的、经过市场长期检验的自动变速器产品还很少，究其原因还是控制系统 开发方面存在不足1 9 1 。目前电控液力自动变速器是汽车自动变速器的主流，研究 其控制系统，有助于开发和研制电控液力自动变速器，对提高我国自主的自动 变速技术，形成具有核心竞争力的自主产品具有重要意义。 本文正是在此背景下对电控液力自动变速器控制系统进行了探索性的研 究，为发展我国自主的自动变速器技术提供理论支持。 1 6 研究内容 本文围绕着电控液力自动变速器控制系统进行如下研究： ( 1 ) 发动机与液力变矩器匹配研究。获取发动机与液力变矩器联合工作的输 入特性及输出特性，并且对两者匹配性能进行了评价。 ( 2 ) 基本换挡规律研究，制定两参数最佳动力性换挡规律和最佳燃油经济性 换挡规律。 ( 3 ) 智能换挡规律研究，对不同行驶环境和驾驶员不同操作意图进行了识别 和换挡策略分析，制订了基于模糊修正的智能换挡规律，并且建立智能换挡控 制系统仿真模型。 ( 4 ) 电控液力自动变速器的换挡品质控制研究，对换挡过程进行了动力学分 析，利用油压变化规律和执行元件搭接时序方法对换挡电磁阀进行了控制，建 立电磁阀开闭合曲线仿真模型。 ( 5 ) 建立电控液力自动变速器控制系统仿真模型，对控制系统进行仿真分 析，并且在自动变速器台架和实车上进行快速控制原型实验。 第二章发动机与液力变矩器的匹配 2 1 引言 汽车在行驶过程中，发动机运转情况因行驶环境和自身状况的差异而有所 不同。总的来讲，汽车发动机具有如下工作特点【l o 】： ( 1 ) 工作转速和负荷不固定，可以在较广的范围内变化； ( 2 ) 负荷和转速可以同时变化，也可以单独变化； ( 3 ) 转速和负荷的变化率有快有慢。 本章在分析发动机稳态特性及液力变矩器通用特性和原始特性的基础上， 对发动机与液力变矩器联合工作输入和输出特性的获取做了研究。 2 2 发动机的稳态特性 2 2 1 发动机速度特性的定义 发动机的速度特性定义为在节气门开度一定的情况下，发动机的功率、转 矩以及燃油消耗率与发动机转速之间的关系特性【1 1 】。发动机速度特性包括：不 同油门开度下发动机转矩特性和发动机油耗特性。发动机转矩特性和油耗特性 均是发动机节气门开度和发动机转速的函数，即乃= f ( c t ，) ，q = 厂 ，g e ) 。 2 2 2 发动机速度特性的拟合方法 根据发动机特性曲线的性质一般采用以下三种方式进行数值曲线拟合阳1 ： 1 、最小二乘法进行方程式拟合 最d , - 乘法就是根据“使偏差平方和最小”的原则选取拟合曲线的方法。一 般采用五次以下多项式可以保证拟合精度。拟合后曲线的方程形式用下式表示： 扭矩：乏= g o + a l n + a 2 n 2 + a 3 r 3 + a 4 r 4 + a s r 5 ( 2 1 ) 油耗量：q = b o + b i n + b 2 n 2 + 吃甩3 + 6 4 玎4 + 玩 ( 2 2 ) 2 、分段线性插值 分段线性插值是把整个插值区间分成若干小区间，在每个小区间内进行线性 插值，用折线代替曲线的方法。 3 、三次样条函数插值 三次样条函数的特点是：函数在每个子区间上是不高于三次的多项式，在每 个节点上保证函数值、一阶导数和二阶导数都连续，在每个节点上保证与实际 值相等。 2 2 3 发动机速度特性曲线拟合 本文利用上述最小二乘法对发动机速度特性进行曲线拟合，发动机的转矩实 验数据如表2 - 1 所示。发动机燃油经济性实验数据如表2 - 2 所示。利用m a t l a b 多项 式拟合命令p o l y f i t ，对发动机速度特性进行5 次多项式拟合【1 2 】，拟合程序及拟合 结果分别如图2 - 1 和图2 2 所示。 6 表21 发动机转矩实验数据 弋 图2 1 发动机转矩特性 表2 - 2 发动机燃油消耗率实验数据 i 汰 目2 - 2 发动机燃油消耗率曲线 22 液力变矩器特性分析 2 2l 液力变矩器的外特性 液力变矩器外特性是指在某一工况下液力变矩器工作液体与工作轮相互作 用的力矩与效率随工况变化的特性【i o , 1 3 i 。液力变矩器的外特性，如图2 3 所示， 可由m 。= f ( n r ) ，一坼= f ( n ，) 和q = f ( n r ) 三条曲线表征。 图2 3 中泵轮力矩的变化趋势主要取决于循环流量q 随件的变化特性， 不同结构形式和结构参数的液力变矩器具有不同的变化特性。涡轮力矩一眸 随惕，的增加而减少；液力变矩器的效率，7 = 厂( 唧) 。当仰= o 时，输出功率 坼= 一坼嘶= o ，故7 7 = 0 ；随脚增大，效率，7 也增大，至某一件时，达到最大值 瓤；唧继续增大，刁降低，直至一坼= 0 ，输出功率坼= 一坼坼= o ，效率又等 于零。 触i 船 雄 瓣 图2 - 3 液力变矩器外特性 2 2 2 液力变矩器的原始特性 液力变矩器的外特性只能表示一定形式和尺寸的液力变矩器的性能。液力 变矩器的原始特性曲线能够确切地表示一系列不同转速、不同尺寸而几何相似 的液力变矩器的基本性能8 1 。 图2 4 暇力变矩器无凼次特性曲线 液力变矩器的原始特性可由液力变矩器的无因次特性，即透穿性：砧= 厂( f ) ( 或k = f ( i ) ) ，变矩特性：k = f ( i ) 和效率特性：巧= f ( i ) 三条曲线来表示，如图 2 4 。 变矩系数k 的定义为： k ：警：孚：巾) ( 2 - 3 ) m bk 一 9 *簌燕馘丑般戳 o b 2 o 8 6 2 o 毛 l l l l l o o o o o 咖 獭 锄 郴 锄 狮 啪 m m 啪m 蒙懈删均 变矩器的效率r l 定义为： 玎：车：挚：k i ：朋) ( 2 4 ) 。 尼毛 。“ 一般用如= f ( i ) 表示变矩器的透穿性能。图2 4 中的容量系数七为与如有关， 因：= f 阜l = ：g m 5 以2 ，所以可得，i 1 = 4 p g d ，因此可知，容量系数后 庀， 庀 为与厶成反比关系。 由上述分析可知，当d 以d i 0 ( 即d k d i 0 ( 即d k d i 8 0 ) 的宽度。 最高效率越高，高效范围越大，则说明该液力变矩器的经济性能好。但是这 两个指标通常是相互矛盾的，实际评价时要予以兼顾。 3 、能容性能 液力变矩器的能容性能表示其吸收动力装置功率的能力，跟无因次特性的 泵轮扭矩特性以= 厂( f ) 相关。 m b = p g 砧2 d 5 ( 2 - 5 ) 只：丝监：p 9 2 b n 3 d 5 ( 2 6 ) 。 7 1 6 27 1 6 2 从以上两式可以看出，以越大则液力变矩器吸收动力装置的能量越大。能容 性能的好坏一般用最大效率工况时的泵轮扭矩系数正来评价。 4 、透穿性能 液力变矩器的透穿性能是指涡轮转矩和转速的变化是否影响泵轮转矩和转 速变化的性能。透穿性能与无因次特性的泵轮扭矩特性如= f ( i ) 或容量系数 k = 厂( f ) 相关，取决于其形状。 当厶= f ( i ) 曲线随着f 的增加而呈下降趋势时，说明该液力变矩器具有正穿 透性，即涡轮转矩增大时，泵轮转矩也随之增大；当砧= 厂( f ) 曲线随着f 的增加 而呈上升趋势时，说明该液力变矩器具有负穿透性，即涡轮转矩增大时，泵轮 转矩随之减小；当厶= f ( i ) 曲线随着f 的增加而先呈上升趋势后呈下降趋势时， 说明该液力变矩器具有混合穿透性，即涡轮转矩增大时，泵轮转矩会随不同门二 况而增大和减小。当取k = f ( i ) 评价其透穿性时，因容量系数k 为与以成反比关 系，所以评价时与以= ( f ) 相反。 本文所用到的液力变矩器按照上述性能评价，相关的特性参数如表2 - 4 所 示。从实验数据和表2 4 可以看出该液力变矩器在速比江0 0 5 的范围内是负 透穿性，其余为正透穿性，具有混合透穿性，这种混合透穿性能降低低速噪声 和提高起步工况的燃油经济性；该液力变矩器的高效率区域的速比范围为： 0 8 6 5 f 0 6 5 ，对应的效率范围为：o 8 6 刁0 8 ，高效区的宽度为： 厶= f f = 0 8 6 5 o 6 5 = 1 3 3 ，车辆在正常行使时，为了提高液力变矩器的效率 应该使变矩器工作在f o 6 5 的速比范围内；该液力变矩器的能容性是通过最高 效率对应的z 来评价的，其值为2 5 1 0 。6 。 表2 4 性能评价相关特性参数 屯屯okk 刁 白 1 7 6