基于行星自动变速器换挡系统的换挡过渡过程研究

基于行星自动变速器换挡系统的换挡过渡过程研究

0换挡过程控制星电压自动仪表是指通过开关装置或装置交换性能和裕度的自动变更。换挡时会产生换挡冲击,动力中断等换挡不平稳现象。换挡过程控制的主要目的是为了增加换挡的平顺性,使驾驶更加舒适;减少传动系的动载荷,增加零件的使用寿命;减少离合器摩擦片热负荷,提高离合器的工作可靠性和耐用性。换挡的过程通常是一个结合元件结合,另一个结合元件分离的过程。如果这两个结合元件的分离和结合的时间不当会造成换挡不平稳,搭接过早会造成动力干涉,过晚会产生动力中断。换挡过程中作用在结合元件上的油压决定了结合元件所传递的转矩极限。适当的油压变化规律能够起到减小输出轴转矩的波动、减小结合元件磨损等作用。换挡过程控制是通过对结合元件在换挡过程中的动作搭接时序、油压变化规律实现的。结合元件在换挡过程中的动作搭接时序和油压变化规律是影响换挡品质的主要因素。本文通过对换挡过程理论分析与试验研究,得到了换挡过程的控制策略,并运用此策略得到了良好的控制效果。1自动故障模型和理论分析1.1简化模型的建立通过采用等效集中质量法把车辆动力传动系统简化成线性多自由度弹性集中质量系统,由无惯性的弹性环节和无弹性的惯性环节所组成,各相关部件以集中质量存在。在建模过程中,作以下基本假设。(1)忽略发动机扭振、轴的扭振对系统的影响。(2)忽略轴的横向振动。(3)将各元件视为完全刚性无阻尼的惯性元件,并以集中质量的形式表示。(4)忽略系统其他运动副的间隙。(5)除离合器的摩擦力外,忽略轴承和轴承座的摩擦阻力、搅油阻力等系统其他运动副的摩擦阻力。(6)假定车轮与地面间无滑转和滑移。以上因素不宜获取且忽略这些因素对整个换挡过程动力学分析不会产生太大影响。基于以上基本假设,将车辆动力传动系统简化为图1所示的模型。该模型只有两个挡位,接合制动器R时为低挡,接合离合器C时为高挡。这样就把车辆复杂的换挡过程转化成制动器R与换挡离合器C之间的切换过程。按动力传递关系,将该简化模型分解为4个自由体,即发动机——液力变矩器泵轮部分、液力变矩器涡轮一—太阳轮部分、制动器——齿圈部分及行星架——车轮部分,动力传动系统动力学简化模型如图2所示。图2中,Me为柴油机转矩,ωe为柴油机角速度,Ie为柴油机——液力变矩器泵轮部分自由体转动惯量,MB为变矩器泵轮转矩,ML为闭锁离合器摩擦力矩,MT为变矩器涡轮转矩,ωT为变矩器涡轮角速度,Mt为行星排太阳轮转矩,Mc为换挡离合器摩擦力矩,IT为液力变矩器涡轮——太阳轮部分自由体转动惯量,MR为制动器转矩,Mq为齿圈转矩,ωq为齿圈角速度,Iq为制动器——齿圈部分自由体转动惯量,k为行星排特性参数(其值等于齿圈与太阳轮齿数比),Mj为行星架转矩,ωj为行星架角速度,MV为换算至车轮的地面阻力矩,IV为行星架——车轮部分自由体转动惯量。1.2换挡过程各阶段的变化以升挡过程为例,根据以上模型对车辆换挡过程进行动力学分析,这一动态过程可以分为以下几个阶段(升挡过程液力变矩器一直处于闭锁工况)。(1)换挡前的低挡相:制动器R与闭锁离合器L均处于接合状态,换挡离合器C保持分离。变矩器闭锁,变速器处于机械工况,按低挡速比传递转矩。式中i1—低挡速比(2)低挡转矩相:制动器R开始放油分离,离合器C开始充油结合。由于开始时油压变动较小,制动器R仍然保持结合,而换挡离合器C则处于打滑之中。这一阶段只有传递转矩的重新分配,转速和速比尚无明显变化。式中为行星架即变速器输出轴的角加速度,。(3)惯性相:随着制动器R油压下降,使其进一步分离,直到不再传递摩擦力矩,车辆完全由自身惯性克服路面阻力行驶,车速开始下降。同时,换挡离合器C继续保持打滑。变速器各部件出现转速比的变动。同时变矩器涡轮轴转速逐渐从ωj=i1ωT变成式中ih为高挡速比。(4)高挡转矩相:随着换挡离合器C充油油压的升高,换挡离合器开始传递摩擦力矩,车辆的牵引转矩开始增加,换挡离合器主动轴转速和从动轴转速逐渐开始同步,变矩器涡轮轴转速和变速器输出轴转速之间逐渐接近高挡转速比。由于变速器从低挡换至高挡,在整个换挡过程中,车速下降不是很多,因此,按照高挡速比,变矩器涡轮轴转速和变速器输出轴转速之间存在很大的速差,而换挡离合器C的结合过程,正是消除这个速差的过程。(5)高挡相:换挡过程完成。如图3所示,变速器在低挡时,制动器(Poff)处于结合状态,当电子控制单元(Electroniccontrolunit,ECU)发出换挡指令之后,换挡开始。首先离合器(Pon)充油,制动器开始放油,当离合器油缸充满油后,系统进入到转矩相阶段。在转矩相阶段,制动器继续放油,而离合器保持一定的油压(Pon)增长斜率。此时由于制动器还在传递转矩,并没有完全分离开,所以各个部件速率基本保持不变。直到监测到涡轮轴转速nt被拉下,此时转矩相结束,制动器放油结束。由于此阶段制动器处于滑摩状态,输出轴转矩M2呈现下降趋势。转矩相结束以后,系统进入到惯性相阶段。离合器处于打滑之中,由输出转矩变化的情况,可对换挡过程中的转矩扰动进行分析。在转矩相开始和惯性相结束的时刻,输出转矩有很大的变动。这就是引起换挡冲击的转矩扰动。在车辆行驶中,转矩相能够感觉到减速度,惯性相能够感觉到加速度。通过分析可知:过渡过程各阶段的变化,取决于执行机构的充放油过程。因此改变两个执行机构充放油的油压特性,就可减小输出转矩的扰动,提高换档品质。2换挡过程控制由以上分析可知,换挡过程的品质主要取决于离合器充放油的交替时序(图4)。在换挡开始时,命令充油离合器控制电磁阀全开一段时间,油液充满活塞后的空腔使活塞开始运动,充油离合器达到了充油油压的起始点。这段时间内电磁阀驱动信号的占空比是100%,即完全打开。同时,控制放油离合器的电磁阀占空比降为某一值,放油离合器油压开始下降。ECU开环阶段通过控制电磁阀驱动信号占空比的上升斜率,从而控制充油离合器的压力逐渐升高。开环上升斜率是一个预设的提高离合器油压的比率,它一直持续直到监测到涡轮轴转速被拉下时为止。在充油离合器的容积率和开环上升斜率期间,作用在放油离合器上的压力不断下降。当检测到涡轮轴转速下降后,ECU开始进入对充油离合器的闭环控制。闭环控制是ECU通过调制电磁阀驱动信号主动控制涡轮轴转速的时期。闭环控制一直持续到离合器主被动摩擦片几乎无转速差时结束。这将使涡轮轴转速保持有最佳的变化曲线。当ECU发现涡轮轴转速等于输出轴转速乘以与充油离合器对应的速比时(转速同步),就控制充油离合器进入完全接合时期。在这段时间内,ECU向电磁阀发出完全“开”的指令,使离合器完全接合,最终完成升挡操作。由上分析可知,对换挡过程可分为三个阶段进行控制:初始充放油阶段、开环控制阶段和闭环控制阶段。而不同的阶段需要采取不同的控制策略。(1)初始充放油阶段。如果初始充油时间过长,离合器结合过快,则会引起很大的转矩扰动;如果初始充油时间过短,会使得换挡时间增加。由于制造误差、油温以及油压等参数的影响,离合器初始充油时间是不同的。因此采用自适应控制策略,首先设定初始充油时间,而后根据压力传感器的反馈值进行充油时间的自动调节,将修改后的参数存放到E2PROM里,下一次换同一个挡位时(同时监测外界参数,比如油温、油压等)读取E2PROM里面的修正值。这样经过几次修正,则可达到很好的控制效果。放油过程:如果放油过快,则会存在动力中断,即变速器处于空挡阶段;如果放油过慢,则会存在挂双挡的情况。放油过程可通过监测输出轴转矩转速的变化予以自适应修正。(2)开环控制阶段。在离合器充满油但传递转矩未能使涡轮转速被拉下时,此时进入到开环控制阶段。此阶段根据设定的油压增长率进行,直到监测到涡轮轴转速下降。此阶段主要受油温的影响,可根据理想的参考模型对过程进行修正。(3)闭环控制阶段。闭环控制系统,是一个典型的非线性、时变系统。由于系统存在油液泄露、摩擦、机械惯性延迟、电磁阀的电液响应滞后及液压阀的非线性流量特性,使得控制系统表现为复杂的非线性。故控制方法采用基于自适应参考模型的PID调节的增益调度控制,它既有PID调节简单方便的特点,又可根据运行条件自动调整控制参数,具有一定的适应性,升挡过程控制策略框图如图5所示。连续系统PID公式为式中en(t)——目标转速与实际转速的偏差un(t)——转速闭环的控制量Tni——转速闭环的积分时间常数对式(10)进行离散化,采用增量式PID算法于是有由转速闭环PID算法获得的控制量是电磁阀脉宽调制驱动信号的占空比。控制过程中,由当前涡轮转速与目标挡位的变速比计算出输出轴的目标挡位转速,于是可得到输出轴在换挡前后的转速差,并设定转速差在允许的换挡时间内线性递减,即可计算出当前的目标转速,然后在满足条件时对转速进行闭环控制,采用6所示的电磁阀驱动信号占空比变化规律。图6中B区和C区即为图4所示的闭环控制阶段,B区结束时刻转速同步,转速差消除。C区占空比下降是为了消除由滑动摩擦转换到静摩擦状态摩擦因数突变带来的转矩突变,限制加速度变化。O区表示充油离合器电磁阀全开自适应控制阶段,A区开环控制,进入D表示区换挡完成。具体控制参数须结合试验进行自适应调整。3控制策略在换挡过程中的应用试验时建立了自动变速器加载试验台,如图7所示,试验参数如下。发动机:BF6M1015CP电控柴油机(带增压中冷,330kW)。输入轴转矩仪:HBMT10(3kN·m)。变速器:HD4070PR电控自动变速器。输出轴转矩仪:5kN·m,5kr/min。增速箱:速比0.5,6kr·min-1/12kr·min-1。测功机:CW400-1900(最大功率400kW,最大转矩1.9kN·m,最高转速6.5kr·min-1)。惯量:125kg·m2。HD4070PR自动变速器(图8)拥有7个前进挡,它按照模块化设计:包括输入模块(带闭锁离合器的液力变矩器和取力器)、行星齿轮模块(4个行星排和2个离合器和4个制动器)、输出模块(带有液力缓速器)和电液控制模块。通过先进的电子控制单元控制,采用脉宽调制液压操纵机构,具有响应快、换挡平稳等优点,并拥有与发动机通讯的CAN接口,能实现与发动机有机的协调控制,并能通过手柄上的故障诊断按钮提取工作过程中的故障代码。试验时,通过在变速器输入输出轴上分别安装转矩仪的方式获取工作时的转矩值,同时能够通过CAN获取发动机油门和转速信号以及通过安装压力传感器的方式获取离合器或制动器的油压信号,通过以上数据即可得到换挡过渡过程各个信号的变化规律,从而对整个过程进行分析。以升挡为例说明控制策略在换挡过程中的应用:如图9所示,初始阶段充油的控制过程可由离合器充油压力以及输出轴转矩变化来确定。首先给定一个初始充油时间,在此阶段电磁阀完全打开,离合器快速充油。充油过程中监测油压以及输出轴转矩的变化。如图9所示,如果监测到在充油结束阶段油压过高,即充油时间过长,则存在输出轴转矩扰动,此时根据反馈值对初始充油时间进行修正,并将修正值保存至E2PROM里面,同时保存此时的油温油压等参数。下一次换挡开始时,初始充油时间读取E2PROM里面的修正值进行充油。这样经过5次的自适应调整,使得初始充油过程达到理想的控制目标。放油离合器的控制过程也是如此,即根据输出轴转矩变化来进行自适应调整,如图10所示。在开环控制阶段主要是根据油温的不同对电磁阀的占空比进行自适应调整。由于电磁阀的开启时间受温度的影响比较大,即根据温度的变化对此过程进行自适应调节。同一占空比下电磁阀的充油压力随油温变化情况如图11所示。在闭环控制阶段,根据增量式PID进行自适应控制。以3挡升4挡为例说明采用此控制策略前后对换挡过程的影响。图12是采用此控制策略之后的试验结果,与未采用此控制策略的结果相比(图13):制动器充油过程使得输出轴转矩扰动明显减小(峰值减小约300N·m),冲击度也明显减小(峰值减小约1g/s)(两次试验是在同一条件下进行的)。图13中PB1、PB2、PZ、PC1、nt和n2分别代表B1