轿车自动变速器控制策略及发展.doc

轿车自动变速器控制策略及发展摘要:汽车变速器发展经历了100多年,从最初采用侧链传动到手动变速器,到现在的液力自动变速器和电控机械式自动变速器,再向无级自动变速器方向发展。文中说明了各种变速器的结构与工作原理及优缺点,论述了变速器的发展趋势。同时简要的分析了 AMT 系统的控制策略。包括AMT系统在起步、换档和制动过程中的离合器的控制策略以及几种常用的AMT 辅助控制策略。关键词:自动变速器，控制策略，AMT，发展和趋势一 轿车自动变速器的概述汽车变速器是为解决发动机输出的转速和转矩与车辆驱动所需的转速和转矩之间的矛盾而设立的。车辆行驶性能的好坏,不仅取决于发动机,而且在很大程度上还依赖于变速器以及变速器与发动机的匹配。由于自动变速器具有许多优点,因此在汽车上应用越来越广泛。目前,自动变速器在日本、美国、东南亚的装车率约为98 %、95 %和75 % ,中国的装车率不到10 %。我国目前使用的汽车绝大多数仍为手动变速,手动变速汽车由于频繁换挡的操作,易使驾驶员疲劳,影响行驶安全;而不同的驾驶技术水平对车辆的燃料经济性、动力性、乘坐舒适性造成极大差异,所以自动变速是人们长期追求的目标,是车辆向高级阶段发展的重要标志。目前我国自动变速器在轿车、城市客车、高级旅游客车、军用车、重型载货汽车及矿用车上已呈现越来越旺盛的需求。1 自动变速器的类型目前自动变速器技术的应用,主要有以下三种形式:液力自动变速器(Automatic Transmission ,简称“AT”) ; 电控机械式自动变速器(Automatic Me2chanical Transmission ,简称“AMT”) ;机械无级变速器( Continuously Variable Transmission , 简称“CVT”) 。其中,AMT 和AT 一样,是有级变速器的自动换档控制,而非无级变速器。二 轿车自动变速器的历史和发展美国通用汽车公司在1939年首先研制成功了又液力耦合器和行星齿轮变速器组成的四挡液力自动变速器，并安装在Oldsmobile轿车上。这是批量生产的美国汽车上最早的全自动变速器，并在1941年凯迪拉克(Cadillac)轿车装用该变速器，1948年旁帝克（Pontiac）轿车也装用了自动变速器。美国生产的这种自动变速器是现代自动变速器的代表。它的传动件结构简单、成本低；缺点是传动部分不能变扭矩，只能起耦合作用，也就是起连轴节作用，而传递扭矩的改变完全由行星齿轮机构完成。而在1950年美国福特汽车公司成功地研制出使用液力变矩器的三挡液力自动变速器。这种液力自动变速器第一个采用三元件液力变矩器结构，从此以后各国生产的自动变速器均采用三元件液力变矩器结构，这三元件是导轮、泵轮和涡轮。液力变矩器可增大起步时扭矩、提高车辆的激素性能、降低传动系的冲击、对发动机曲轴的扭转振动具有隔振作用，但由于它的泵轮与涡轮间存在转速差，致使传动效率低。采用锁定离合器机构，使泵轮和涡轮锁定，使发动机的动力直接传递给变速器的行星齿轮机构，从而解决了传动效率低的问题。为实现发动机和变速器之间的直接传动，目前轿车普遍使用液力操纵锁定离合器。最早采用液力变矩器锁定离合器的是美国帕卡德三挡自动变速器。在矩器中安装离心式离合器、液力操纵离合器和行星齿轮机构，可以实现发动机与变速器的直接传动。当锁定离合器处于结合状态时，涡轮和变矩壳锁在一起，这时发动机动力进行直接传递。20世纪80年代中期，日本丰田汽车公司生产了具有超速挡的电控液力自动变速器。该变矩器采用三元件液力变矩器与多挡行星齿轮机构相结合的结构。液力变矩器不但在高档时能锁定，在其它挡位也能锁定。使该变速器扭矩比不但得到提高，并且使换挡润滑、传动效率高。在1990年以后，美国三大汽车公司先后都生产出了电控液力自动变速器，其变矩器都采用三元件结构。美国克莱斯勒汽车公司，最早采用了在液压阀体上使用电磁阀控制变矩器锁定离合器的结合和分离。由发动机电脑通过继电器控制电磁阀的工作。电脑根据冷却液温度、进其真空度、车速和解气门开度信号决定变矩器锁定离合器的结合和分离，使离合器的锁定控制更为精确。如克莱斯勒汽车A-604/41TE自动变速器，它是电控四挡变速驱动桥，它利用液力操纵离合器，变速驱动桥传感器输入信息、通过继电器控制电磁阀组件的工作。电磁阀组建包括四个电磁阀、它们用于控制离合器和变矩器锁定离合器的液压、实现换挡和锁定。这种自动变速器在二挡、三挡和超速挡均能实现变矩器锁定。美国通用汽车公司生产的4T60-E及4T65-E变速驱动桥，在1991年被安装在别克轿车上。该自动变速器由电脑控制，实现对变速器的换挡和变矩器锁定离合器的结合与分离。4T65-E是在4T60-E的基础上改进而成，它被安装使用在上海通用别克新世纪轿车上。福特汽车公司1991年在两种前轮驱动轿车上装用AXOD-E型四挡电控液力自动变速器，它的电子控制装置为福特EC-中央控制系统。福特汽车公司与马自达汽车公司合作生产的另一种4EAT自动变速器是一种电子和液力两种方式控制的四挡变速驱动桥。该变速器的各种传感器信号输入4EAT-马自达电控系统，由马自达电控系统控制四个电磁阀的动作、实现换挡和变矩器离合器的锁定。在20世纪80年代末，日本本田汽车公司生产的自动变速器是一种平行轴式齿轮变速器。该变速器使用与手动变速器相似的常啮合齿轮，当齿轮的组合通过离合器结合时，动力从第一轴传到中间轴产生不同的挡位。它的电控系统由TCM电控组件、各种传感器和四个电磁阀组成。由换挡电磁阀控制调节油压，使离合器结合实现换挡。锁定电磁阀变矩器锁定，进行动力直接传递。由于本田轿车采用发动机横置布置、前轮驱动，它的主减速器、差速器和自动变速器组成变速驱动桥结构，因此本田轿车平行轴式齿轮变速器是一种独特的电控液力自动变速器。随着各种新技术的不断进步,特别是微机控制功能、各种传感器和执行机构性能的提高,推动了汽车变速装置的重大变革,使自动变速器具有以下几个显著的发展方向:(1)多档位汽车自动变速器。5档或者6档自动变速器将逐步取代4档自动变速器的主导地位。档位多使变速器具有更大的速比范围和更细密的档位之间的速比分配,从而改善汽车的动力性,燃油经济性和换档平顺性。目前大批量生产的是电控四档,约占64%,三档仅占36%。(2)自动预选式换档系统。自动预选式换档装置,是全自动换档系统的基础,它具有电子控制自动选档、驾驶员确定换档时刻、主动和被动保护装置、诊断屏幕实现系统监督等性能。(3)电控无级变速器(ECVT)。无级变速器比多档位齿轮传动机构更优越,在整个传动范围内能连续的、无档比的切换变速比,使变速器始终按最佳换档规律自动变速。是自动变速器发展的最终目标。(4)电控智能型自动变速器。智能型的电控自动变速器的电子系统可以在汽车行驶过程中,对汽车的运行参数进行控制,合理地选择换档点, 而且在换档过程中对恶化的参数进行修正。如摩擦片的摩擦系数、油的粘度、车辆的负荷变化等。同时具有自动诊断系统,可以将汽车运行中的故障记录下来,便于维护。(5)电控闭锁离合器。为了提高传动效率,改善燃油经济性,车用自动变速器普遍采用了变矩器闭锁离合器,并进行电子控制以保持其换档的平顺性。通过锁止电磁阀通断电(ON/OFF)实现锁止继动阀的液压控制来进行11。带闭锁离合器的液力变矩器,克服了液力变矩器输出轴与输入轴之间存在滑动而使液力变矩器传动效率降低的缺点,这种闭锁装置实际上是全自动离合器,闭锁离合器时,变矩器将不起作用,提高了燃油的经济性,降低了变速器的工作温度。(6)齿轮无级变速器。齿轮无级变速器(GearContinuously Variable Transmission,简称“G-CVT”),是利用齿轮传动实现高效率、大功率的无级变速传动。齿轮无级变速器的优势表现为传动功率大、传动效率高、结构简单、大幅度降低生产成本、提高了传动效率。我国从60年代起，就在“红旗”770轿车上使用了具有两个前进档的液力自动变速器，1975年又研制出有三个前进档的CA774。随着中国的改革开放，大量国外轿车进人我国市场，其中许多中高档轿车是带有自动变速的，且几乎全部是液力自动变速器。去年，一汽大众公司生产的“捷达王”，已将自动变速器列为选装件。神龙汽车公司也在其“富康”1.6L的车型上推出了电控式液力自变速器。上海通用汽车公司在所生产的别克“世纪”轿车上装备了目前最为先进的4T65E型四档电控自动变速驱动桥。从研究与生产环节来看，CA77O液力自动变速器生产过近两千台，加之工程机械、军用车辆采用动力换档的行星齿轮变速器已有十多年的历史，近几年，国内也为大功率车辆研制成功电控自动变速器。因此，在液力自动变速器的研究、生产及修理方面均有一定的基础。在电子控制机械式自动变速器方面，国内有关部门也正在进行研究。吉林工业大学于1993年完成了试验样机的鉴定，现已进入产品化开发阶段。至于机械式无级变速器，早在十年前，国内就有高校购买过国外样机作分析研究。根据国外目前CVT应用的趋势和所做的预测，CVT可能是最有发展前景的小功率(发动机排量ZL以下)液力自动变速器。走技术引进的道路是国内生产实用CVT的一条捷径。今后由于大量非职业驾驶人员的出现和对汽车性能要求的提高，装备自动变速器的至少占10%，再加上部分大客车也采用自动变速器，对自动变速器的需求量将在20万台以上，这对于我国的汽车工业，将是一个极好的机遇，同时也是一场新的挑战。三 轿车自动变速器的控制策略3.1 AMT系统AMT是在传统手动变速器和干式离合器的基础上，应用电子技术、液压技术和自动变速理论，以微处理器为核心，通过液压执行系统控制离合器的分离与结合、选换档操作，通过电子油门控制发动机的扭矩和转速，来实现起步换档的自动化的。其基本思想是：根据驾驶员的意图（加速踏板、制动踏板、选择器开关等）和车辆的状态（发动机转速、输入轴转速、车速、档位），依据适当的控制规律（换档规律、离合器接合规律等），借助相应的执行机构（电子油门、离合器执行机构、选换档执行机构），对车辆的动力传动系（发动机、离合器和变速器）进行联合控制。控制策略AMT系统的软件核心。它在对车辆的状态和外界环境的正确判断的基础上，通过不同的控制模式使车辆按照驾驶者的意图行驶，同时使保证车辆行驶的稳定性和换档的平顺性。它要和谐有序的控制离合器和变速器的执行机构，乃至制动系统之间的工作，又要在驾驶者不当操作的时候进行干预以保护动力传动系统不被损坏。3.2 AMT综合控制策略一般的AMT控制策略包括：(1) 状态识别：驾驶员意图判断、驾驶员类型识别、道路状况、行驶阻力，发动机转速和扭矩等；(2) 过程控制：控制时序、各执行器动作控制（行程和力）、起步、缓行等；(3) 换档规律：冰雪路面模式、经济/运动模式、山路模式（包括坡路起步和下坡控制）、停车起步、转弯策略等；(4) 辅助控制：暖机、Fast-Off、冬季程序、离合器保护、应急控制、误操作保护、发动机辅助制动、噪声控制等。1、起步过程控制策略起步是指车辆从静止状态起动并加速到某一车速的过程。在AMT控制中根据车辆行驶方向的不同分为前进起步和倒车起步。由于前进起步和倒车起步时的变速器速比不同，两者的离合器控制作用量也不一样。起步过程表现在离合器传递的扭矩克服汽车静摩擦阻力使车辆产生加速度。进入前进起步的条件是车速为零，变速器手柄在前进档位置，变速器处在一档或二档，离合器切开，发动机转速在怠速以上且制动踏板踩下。退出的条件是手柄在空档位置或离合器完全接合。进入倒车起步的条件是车速为零，变速器手柄在倒车档位置，变速器处于倒档，离合器切开，发动机转速在怠速以上且制动踏板踩下。退出的条件是手柄在空档位置且变速器也在空档。起步过程中，离合器传递到整车的扭矩不但与离合器位置有关，而且和发动机扭矩密切相关。汽车起步过程必须依靠离合器的打滑使输入轴转速与发动机转速同步，增加车速。传统AMT起步过程控制中通常以油门为控制参数来控制离合器接合速度，即油门由驾驶员控制，离合器的控制是根据油门开度来决定的。而实际手动操纵起步过程中油门和离合器是互动关系，所以AMT智能化综合控制技术还有待进一步深化研究。油门开度是AMT起步控制的关键参数，本项目归纳了手动操纵起步过程中与油门开度相关的三组重要关系：(1) 油门开度与离合器半接合点手动操纵表明通常所说的离合器半接合点是一个动态的区域，不是一个固定的点，随油门开度的大小而在某一区域有规律的变化。AMT控制中半接合点是一固定位置，这就要影响对驾驶意图的响应。随油门开度的变化半接合点的位置逐渐要低，分析原因是因为大油门意味急起步，而且发动机要提供相对大的功率，半接合位置低能够加快起步提高响应速度。同时有助于控制发动机转速在目标位置，不必造成不必要的功率损失，另外减小离合器滑磨程度，有利于离合器使用寿命。(2) 油门开度与发动机目标转速发动机转速是驾驶员控制目标，起步过程中根据油门开度大小保持发动机在某一稳定转速运行，有利于发动机平稳工作，不至于因动力不足而熄火，同时也不会因为动力过胜而使发动机转速过高产生轰响和动力浪费，也可减小离合器滑磨。随油门开度的加大，发动机目标转速不断提高，充分发挥发动机动力。3) 油门开度与离合器结合速度离合器接合速度直接关系到AMT起步控制品质，接合过快会造成冲击，过慢会导致离合器磨损，影响使用寿命。随油门开度的加大，离合器接合速度加快，主要体现驾驶员意图，提高响应速度。2、换档过程控制策略换档过程动作包括离合器分离、选换档操作、离合器结合，在这个过程中同时进行发动机控制。在换档过程中，由于离合器分离和结合，车辆的动力性受到损失，如果在整个换档过程中动力中断时间过长，不但影响车辆的加速性，而且在低档影响车辆的平顺性。因此动力中断时间是衡量AMT性能的一个重要指标。另一个指标是冲击度，它是加速度的变化率。在AMT中它指在离合器结合开始到发动机恢复正常扭矩输出过程中加速度的变化率。AMT换档控制不但要缩短动力中断时间而且要减小冲击度，两者在一定的情况下是不矛盾的。动力中断时间短车辆速度变化小（车辆的惯性），加速度和冲击度比较小。如果动力中断时间产生的振动频率在道路振动的频率内，驾驶员感觉不到是换档产生的冲击还是道路产生的。在车辆的上坡中，如果动力中断时间长，车辆减速比较快，在低档（车速低）有可能造成换档循环。在平路行使中，如果换档时间长，车辆速度从快慢到快中变化，换档平稳，但驾驶员感觉不好。减小动力中断时间是AMT的关键，也是AMT努力要解决的问题。(1) 换档过程操纵时序换档时序是AMT换档综合控制的基础，为达到尽量减小动力中断时间的目的，要某些控制动作间交叉并行控制。(2) 换档规律即油门开度、车速及档位换档规律是关系到发动机与变速箱动力传动系统匹配的关键，是自动变速理论的核心内容。根据油门开度和车速判断升、降档点，换档点的制定直接影响发动机的动力性和经济性的发挥。(3) 油门开度、档位与离合器半接合点换档过程离合器半接合点影响动力中断时间和换档响应特性，与起步相似，随油门开度的变化和档位的升高半接合点的位置逐渐要低，由于高档间档位转换传动比变化小，离合器主从动片间转速差小，离合器接合速度相对要快，半接合点位置低有利于减小动力中断时间。(4) 油门开度、档位与离合器结合速度同起步相同，离合器接合速度直接关系到AMT换档控制品质，接合过快会造成冲击，过慢会导致离合器磨损，影响使用寿命。3、制动工况控制策略在车辆正常运行过程中，由于AMT换档时一般采用步进式逐个档位的顺序换档，而不是跳跃换档。但是当驾驶员如果踏下制动踏板且踏入量比较大时，车辆的降速很大。如果再采用顺序换档，必然降低了系统的响应速度，同时对执行结构的寿命也不利。为了解决这个问题，判断制动工况，对制动工况进行特殊处理。首先判断档位并监测车速和油门踏板的位置，如果油门踏板位置未变，则保持档位，直至进入停车工况；如果油门踏板位置变化，则根据换档表判断应挂入的档位，随后完成换档。4、AMT 辅助控制策略道路交通是一个极其复杂多变的系统，可供通行的道路的行驶条件也是多种多样的。车辆在道路上、在交通系统中会遇到各种各样的情况，除了平路外还要遇到山路，转弯等情况，这时就需要一些辅助的控制策略对AMT系统的基本控制策略进行修正。(1)Fast-OffFast-Off 策略是在大油门踏板行程情况下，司机迅速收油门时，变速器依然保持在较低的档位上（不换到高档位）的控制策略。而传统的稳态换档策略是在给定的车速下，小油门开度关联高档位。这是一种基于驾驶平顺性和保护执行机构寿命考虑的策略。(2)城市行驶模式在拥挤的城市交通中还经常遇到车辆频繁的起步停车的情况。此时考虑到离合器和执行器的寿命问题，常采用比正常起步高一档位的模式来起步。AMT系统通过监测停车与起步的频率和油门踏板的位置来判断是否采用此种控制模式。(3)辅助制动控制策略辅助制动控制策略通常是用在运动型车辆上，当驾驶员在转弯前大力制动时使用发动机制动。这时TCU将选择降档使发动机转速升高来帮助车辆减速。它可以通过输入信号来触发制动踏板、制动压力、加速度（可能需要额外的传感器）、车速和环境温度等。(4)转弯控制策略车辆在道路上行驶转弯是不可避免的。但是有时候当车辆急速转弯时，轮胎就有可能达到它的仅限能力，如果此时传动系统的动力中断就有可能车辆发生甩尾、跑偏和失去转向控制等极其危险的情况。所以在车辆转弯时就要去对AMT系统延迟换档或不换档，以保障弯路行驶的安全，防止以外发生。(5)加速噪声控制策略当车辆的车外噪声存在问题时，有时候就应用这种控制策略来减少噪声以应对法规的要求。它通过在