汽车变速器控制面临的机遇和挑战.doc

汽车变速器控制面临的机遇和挑战Zongxuan Sun and Kumar HebbaleResearch and Development CenterGeneral Motors CorporationWarren, MI 48090摘要：在动力系统中，汽车变速器是连接动力源和车轮的关键部位。为了提高燃油经济性、降低排放及增强驱动性能，近几年来，许多新的技术已经在变速器领域出现了。本文章首先介绍了不同类型的汽车变速器，并阐述了它们各自独特的控制特点。接着，我们又讨论了在汽车变速器控制上来自三个方面的挑战：校准、转换调度，传感、驱动和电子技术。一直以来，研究人员都在寻找进一步改善系统性能的方法。许多新兴的自动变速器（AT），离合器对离合器转换被用来降低成本和改进包装。这涉及到即将出现的和就要过时的离合器的电子控制，以及它们之间的正时和协调。除了省去转换阀，蓄电池等，离合器对离合器转换也省去了滑行离合器和自由轮，这就大大简化了变速器的机械构造。省去这些设备使离合器对离合器转换的稳定控制成为一种挑战。1.介绍先进的汽车变速器技术为了提高燃油经济性，减少废气排放及提高性能，汽车制造商一直都在开发新的动力传动技术。在变速器领域，新兴的技术，如传动比连续变化的无级变速器（CVT），双离合器变速箱（DCT），自动手动的综合变速器（AMT）和电动无级变速器（EVT）已经在由齿轮自动变速器（AT）和手动变速器（MT）居于主导地位的市场上出现了。在众多不同的开发这些新型变速器的技术挑战中，系统动力和控制在提供优越的性能的同时，对实现燃油经济性及排放优势也起到了关键的作用。任何形式的自动变速器的基本功能就是将发动机的转矩平稳有效地传递到具有要求的传动比的汽车上。最常见的变速器控制装置是离合器和液压活塞。这些离合器由液力驱动，马达驱动或由其他方式驱动（见图一）。因此，离合器/活塞控制对传动操作是必不可少的。在DCT和AMT中，离合器是确保转矩平稳传递的关键。在CVT中，液压活塞控制对系统性能和设备的耐用性都很重要。在许多新型自动变速器（AT）中，采用离合器对离合器转换降低了成本、改进了包装。这不仅涉及到即将到来的和就要过时的离合器，而且涉及到它们之间正时和协调的电子控制。除了淘汰这种转变阀门和蓄电池等，离合器对离合器控制也减少了滑行离合器和自由轮，大大简化了机械传动的内容。取消这些装置使对离合器到离合器转换的控制成为一种挑战。伴随着具有离合器对离合器转换的自动变速器的传统控制系统，这种即将到来的离合器填充过程是一个不确定性的主要来源，它使在转变过程中协调离合器成为一项艰巨的任务。即将到来的离合器填充时间会受许多因素的影响而发生变化，如液体的温度，电磁阀的特点，线压力变化和转变过程中流逝的时间。要求的填充压力和填充时间对于在转变过程中实现良好的填充和平稳的开始过程是至关重要的。即使在计算这两个参数的过程中发生的微小错误也可能导致过满或底部填充，就像图2示意的那样。有些算法已发展到能够探测出使用高速信号填冲的终端，但是它们中没有一个被证明是可靠的及足够快去防止尖峰过满。图3显示了在挂高速档的过程中即将发生的离合器过满的例子。那个即将来临的离合器压有轻微的溢流现象，这会产生转换过程中的连锁反应，导致引擎下拉和输出转矩的大幅度下降。在这个例子中为了避免这些连锁反应需要更强大的离合器控制。尽管在未来的调整中可以使用适应性计划去更正过满现象，但是真正的挑战是如何在第一地点阻止它发生。 在目前大多数离合器对离合器转变的变速器中，由于开环控制、驱动控制和反馈控制方法的结合，离合器的协调配合得以实现。在这种控制中，变速器的输入输出转速是主要的测量对象。一个自适应系统主要用于补偿转换和开发过程中的变化2。近来，已经有人提出同时使用发动机和变速器产生混合扭矩的想法。这种产生扭矩的方法所面临的主要难题在于如何保证离合器协调和持续的转换质量。自动手动变速器（AMT）在欧洲已经开始受到欢迎。由于自身的设计使得在转换过程中扭矩中断，造成这种变速器在北美潜在的发展空间变得有限。AMT的一个分支是双输入离合器变速箱（DCT），它使用两个输入离合器一个适用于具有单数齿轮的变速箱，一个适用于具有双数齿轮的变速箱。DCT可以在转换过程中持续传输扭矩。在面临摩擦启动(FL)的启动和转换过程中，DCT遇到的所有控制方面的问题和挑战也在于它自身的设计。一台DCT比传统的液力变矩器自动变速器需要更多的校核工作，同时人们也希望DCT能够在生产和操控方面所需要的完善工作更少。另一方面，因为DCT需要更多的校准处理，所以它们可以不断变化以适用于不同规格和不同行驶条件的汽车。在DCT和FL中，较少的变矩器传输在控制方面面临的一个挑战显示在图4中。具有阻尼传动系统的短暂变化，比如说转换过程，能够触发传动系统不良震荡，正如明显的输出转矩跟踪。在摩擦启动（单向离合器）的传输中，没有液力变矩器使得液压传动系统没有阻尼，由此带来许多控制方面的挑战，包括汽车启动时驾驶员的感觉，以及在转换和模拟过程中的阻尼情形。不使用昂贵的扭矩或压力传感器，操控一台具有模拟变矩器的离合器是一个重大挑战。而对于液压离合器和磁流变液离合器实现的可能性，研究人员已经进行了调查研究。传动比连续变化的无级变速器（CVT）使得发动机能够在很大的速度和承载范围内运转，而不受车辆的速度和承载要求的限制4。此功能允许发动机能够不受车辆速度的影响，而在最佳的范围内运转以实现最大限度地提高燃油利用率。市场上已经出现了不同种类的无级变速器。皮带和链传动的无级变速器使用液压活塞来保证绳轮在变速器中的地位和投入产出比。主要的控制挑战是在力求用快速的比例控制实现最大限度地提高燃油经济性的同时，如何保持最佳的加紧力去防止打滑。环形牵引驱动变速器（TCVT）已经被许多制造商视为链或带式无级变速器的理想的替代品。环形牵引驱动变速器能够提供更大的扭矩和更快的比例变化能力。一个半环形的无级变速器在在开环运作的情况下是不稳定的，从而需要一个速比控制系统5。此外，当无级变速器采用齿轮传动中性的概念时，它就不再需要启动装置，例如液力变矩器和打滑离合器。在齿轮中性传动时，速比控制变得不足，从而需要对输出力矩进行控制。在环形牵引驱动变速器中，控制方面的挑战凸显在6-7。 电动无级变速器（EVT）最近在市场上已经出现了。使用具有行星齿轮装置的电动机械，即电动机/发电机，它的优点包括灵活性，可控性和更好的性能。通过探索行星齿轮传动方式和与在步传输中类似的转变原则尽最大的努力来扩大速比范围。这些设计，一般来说，是相当复杂的工程，因为它们要涉及许多的行星齿轮装置和离合器。精心的控制计划必须确保相应的转换原则和避免在转换期间输出端扭矩的突然变化8-9。这种控制算法将最终决定司机感知混合动力汽车的性能如何，特别是当车辆在电动机和发动机之间来回切换时他们是否能准确感觉到。在传统的内燃机逐渐被燃料电池推进系统取代之前，混合动力汽车可能只是一个权宜之计。在燃料电池汽车中，电轮毂电机内可完全消除对变速器的需要和改变未来的主导技术10。2.传输控制算法和硬件发展具有矫正变量的查询表广泛应用于汽车变速器控制中。随着功能和电子部件的增加，系统校准的复杂性上升很快。这不仅是由传输中的电子控制造成的，而且与发动机和其它部件在动力传动系统中的协调性也有关系。例如，随着自动变速器中齿轮传动比数的增加，实现在任何行驶条件下平稳转换的校正变量的数量就会迅速上升。为了大大降低开发时间，提高性能，在校正过程中，自动化和系统化的方法是必需要的。首先，对自动调节过程进行研究使其在很少或没有人为干扰的条件下能够自动校正变速器。研究人员开发了一套自动化的工具装备用来校正在无人干涉条件下的汽车动力总成11。为了标定GDI发动机，研究人员开发了一种自适应网络设计实验（DOE）方法12。这种方法能为具有不规则形状的操作区域的非线性系统进行高效的实验设计。同样的方法也可以应用于汽车传输校准。其次，人们提出了将控制模型视为一个推动者的想法，目的在于减少校准变量数，以及校准的时间和精力。然而，环境的不确定性和操作范围的广泛是系统稳定性方面的一个主要挑战。传输温度可以在40摄氏度到150摄氏度之间变化，这反过来又影响到自动变速器流体的属性。从车辆完全停下来到高速大负荷的运转，这种大范围变化的操作需要精确的模型和高宽带控制。参考文献13介绍了确定一套线性模型的步骤和相关的自动变速器液力变矩器的非建模动力学，及应用稳劲的控制设计以达到预期的性能。详细的对于控制转换阶段变速器模型惯性的开发步骤呈现在文献14中。基于这些模型，可以对稳健的控制进行设计，使其不用考虑发动机负荷、自动传动流体的粘度，以达到理想的转向性能。为了实现自动手动变速器中离合器的控制，研究人员对变结构控制（VSC）进行了研究15。结果表明，变结构控制能够在未知的环境下保持系统的稳定。第三，自适应学习控制的开发是为了满足不确定的环境和不同的驾驶模式的要求。人工神经网络（ANN）的使用是用来模拟采用黑盒技术的汽车动力总成16。输入和输出数据是用来训练神经网络，使其能仿效变速器及它的子系统的功能。这种方法的特点是它不仅可以模拟稳态运作，还可以模拟动态/瞬态系统的运作。这种方法的主要优点包括使用实时车辆数据的在线培训、自适应校正或控制能力。随着变速器速比数的增加，换挡规律也变得更加复杂了。由于传统的换挡规律只考虑到用汽车的速度和节气门开度来确定换档位置，所以换挡复杂已经成为在某些情况下，如丘陵地形条件，的关注焦点。例如，在蜿蜒上坡的道路上行驶时，驾驶员在进入曲线行驶之前要释放加速踏板来降低车速，而传统的换挡规律为了响应油门的变化可能会换高速档。但蜿蜒路段过后，司机需要踩加速踏板提高车速和执行换低档操作。同样在下坡行驶时，一旦节气门开度减小，传统的换挡系统会挂高档，结果降低了发动机制动性能。由于一些因素，如道路等级、转向角度、汽车加速等，既能满足客户要求，又有良好的燃油经济性的灵活的换挡系统必须得到开发研究。采用模糊集和神经网络技术来避免换挡繁杂已经在以往的文献17-18中得到了探讨。大多数呈现在文献中的自适应换挡点算法需要搜集大量车辆的信息和车辆行驶的道路坡度。这些文献很少提供可靠的质量估计算法。如果有大量适用的信息，那么道路等级的估计直截了当。近来，汽车导航系统用于提供一些在换挡过程中关于道路形状和条件的预览信息19。针对换挡系统的近期工作增加了模糊逻辑系统的反馈研究，实时更新隶属函数以更好地满足不同的驾驶模式。它们也拓展了一些功能，不仅仅包括AT也包括AMT、DCT和CVT。总结一般结构换挡规律的框图方法如图5所示。 为了满足对计算能力、遥感和驱动能力不断增加的需求，变速器控制硬件已经发生了许多变化。这些变化包括三个方面的复杂性：遥感水平、驱动水平和系统水平。在遥感水平方面，新的遥感技术用于要么提高目前硬件的性能和效率，要么用于启动新的驱动技术。压力调节器和温度传感器在目前生产的变速器上比较适用。为了提高变速器的性能，压力传感器和扭矩传感器是必不可少的。将这些传感器引用到生产单元的主要挑战是生产成本和耐用性。圧阻式半导体压力传感器是汽车应用水平的评价标准21。它宣称测量可达到3.5兆帕，在满刻度的百分之一范围左右。早期的扭矩传感器的研究可以追溯到八十年代初期，那时研究人员22为自动变速器研究了一种非接触式微型扭矩传感器。最近许多研究人员对磁扭矩传感器进行了研究23-24。把材料应力转化成磁性能的变化的反磁现象用于测量传输的扭矩。为了克服变速器中的恶劣环境，特种涂料技术已经得到开发以保护传感器部件。带有扭矩传感器的离合器盘被提议用在汽车上25。安装在离合器盘上的传感器元件用于实现精确可靠的测量。在驱动级中，电磁阀控制技术的研究在于改善液压系统的可控性和灵活性。对于离合器驱动而言，为了获得更好的可控性，变分压螺线管（VBS）电磁阀现在普遍取代了脉冲宽度调制（PWM）阀。然而，VBS的阀门会因为温度变化出现滞后和变化的问题。系统辨识理论26用于对比例控制电磁阀进行分析建模。报告的结论是该阀的带宽受到螺线管电磁部分带宽的限制。为了进一步提高系统性能，快速、精确的气门驱动装置是必不可少的。一种关于开关阀/执行器旋转的新概念建议处理在不到5毫秒的响应时间里大于10行/毫米的流量。这种概念的主要特点是这种阀有一个单级结构，却有两级功能。可选的离合器传动技术也被提倡去取代电动液压执行器自动变速器，以改善燃油经济性和性能。许多研究人员28已经对电动驱动离合器进行了研究。这种机电执行器的主要挑战是车内的低功率密度和合适的电力。通常扩大电机的转矩能力需要某种齿轮传动。研究人员已经开发了一些用于离合器驱动装置的智能材料。在自动变速器中使用电流（ER）流体传动离合器的可行性已经得到了证实，电流流体的理想性能的提出也是为了以后的研究29。磁粉离合器作为一种启动离合器被用在CVT上30。文献31讨论了磁流MR液压离合器的潜在用途。在系统级中，有一种将电子控制从乘客车厢转移到传动箱，甚至整合齿轮箱内部的电子控制以减少成本和提高性能和质量32-33。最近创造出了一种叫机电一体化传输的新术语，用来解释本身具有传输装置的电子控制的整合。除了成本和质量效益之外，这一方法将使装配线上传输装置的测试和校准成为可能。为启用变速箱集成电子产品，新型的电子集成和封装技术也得到了研究，以克服变速箱内的恶劣环境35。3.结论为了实现最大的燃油经济性并提高优越的性能，在控制软件/算法和硬件方面的研究和开发对于自动变速器来说都是必不可少的。随着增强的功能和软件、硬件日益增加的复杂性，系统整合是变速器成功发展的关键。参考文献:1. 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