液力机械式自动变速器换档过程分析的简化动力学模型

液力机械式自动变速器换档过程分析的简化动力学模型

目前，液力自动自动换纸过程主要通过电液系统完成。本文分析了使用液力机械式自动变速器车辆的传动系统,建立了换档过程分析的简化动力学模型。所建立的模型通过对系统的适当间化,使易于获得直接应用于实时控制的分析结果。1换档过程控制液力自动变速器是通过液压操纵换档离合器或制动器来进行换档操纵的。换档时会产生换档冲击,动力中断等换档不平稳现象。换档过程控制的主要目的是为了增加换档的平稳性,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。换档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档不平稳,搭接过早会造成动力干涉,过晚会产生动力中断。换档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扭矩极限。适当的油压变化规律能够起到减小输出轴扭矩的波动、减小结合元件磨损等的作用。换档过程控制是通过对结合元件在换档过程中的动作搭接时序、油压变化规律以及发动机的扭矩控制实现的。发动机的扭矩控制通常采用节气门控制,点火延迟和切断燃油供给等方法,目的是降低换档期间传动系统的扭矩,减少冲击。结合元件在换档过程中的动作搭接时序和油压变化规律是影响换档品质的主要因素。目前液力自动变速上主要使用的控制方式是电子开环控制。即事先根据试验和分析确定换档过程结合元件的动作搭接时序和结合油压变化规律,根据实时的油门开度,车速等信号对结合元件进行控制,实现平稳换档。2机械阻拉机构的简化动力学模型利用简化模型可以获得对换档过程的直观理解,其分析结果可以直接用于实时控制。以下建立的模型就是据于实时控制应用目的的简化模型。变速器是整个车辆传动系的一部分,传动系的简化动力学模型如图1所示。在简化模型中通常忽略相关零部件及支承的弹性变形和系统的阻尼,并假设换档期间车辆的行驶力为常数。图中:ωP为泵轮转速;ωT为涡轮转速;ωE为发动机转速;ωG为辅助机械变速器输出转速;TE为发动机扭矩;TP为泵轮扭矩;TT为涡轮扭矩;TG为机械变速器输出扭矩;TL为车辆负载扭矩。2.1主动片相对于输出构件的角速度变速器的换档等效模型如图2所示,输入和输出部分的转动惯量分别等效到辅助机械变速器的输入轴和输出轴上。C1、C2是在某换档过程中改变结合状态的结合元件。未挂档时,C1、C2均处于非结合状态时,系统有两个自由度。低档时C1结合,C2分离;高档时C1分离,C2结合。JI是与输入轴固接构件等效到输入轴上的转动惯量,J0是所有与输出轴固接构件等效到输出轴上的转动惯量,包括车身质量的等效转动惯量。结合元件C1、C2主动片相对于从动片的相对角速度可用输入、输出构件的角速度表示:ωc1=ωΤi1-ωGi2(1)ωc2=ωΤi3-ωGi4(2)ωc1=ωTi1−ωGi2(1)ωc2=ωTi3−ωGi4(2)式中,i1为输入轴到离合器C1的传动比;i2为离合器C1到输出轴的传动比;i3为输入轴到离合器C2的传动比;i4为离合器C2到输出轴的传动比。2.2滑摩模式下系统的响应面综合以上分模型可得换档过程中的数学模型为[JΙ00J0](˙ωΤ˙ωG)=(ΤΤ-1i1ΤC1-1i3ΤC2-ΤL+i2ΤC1+i4ΤC2)(3)[JI00J0](ω˙Tω˙G)=(TT−1i1TC1−1i3TC2−TL+i2TC1+i4TC2)(3)对于换档过程的不同阶段,换档过程的运动方程是不同的。当离合器处于滑摩状态时,离合器的传递扭矩由供油油压决定(以下称为控制油压)ΤCx=sign(ωCx)μCApzrmΡx=1‚2(4)式中,sign()是符号函数,μC是摩擦片的摩擦系数:AP是摩擦面积;z是摩擦片数目;rm是等效半径;P为作用油压。当两个结合元件都处于滑摩状态时,将式(4)代入式(3)即可。当结合元件处于结合状态时,扭矩不能通过(4)计算。在求解方程时必须补充一个约束条件,当一个离合器x处于结合状态时˙ωΤ˙ωG=ρxx=1‚2(5)式中,ρ1=i1i2为通过离合器C1的传动比;ρ2=i3i4为通过离合器C2的传动比。由此可以求得结合状态离合器的扭矩和输出加速度的表达式。当C1结合,C2滑摩时为˙ωG=ρ1ΤΤ-ΤL+1i3(ρ-ρ1)ΤC2ρ21J1+J0(6)ΤC1=1J0/i21+i22J1(J0i1ΤΤ+i2JΙΤL-(J0i1i3+i2i4JΙ)ΤC2)(7)ΤG=ΤL+˙ωGJ0(8)当C2结合,C1滑摩时对应的表达式是类似的。将式(6)代入式(8)即可得到变速器输出扭矩。3升档过程分析以下利用建立的模型对自动变速器的换档过程进行分析。由所导出的公式可以容易的得出主要物理量在换档前后的变化情况如表所示。换档过程一般可分为扭矩相和惯性相两个阶段。扭矩相是指待结合元件已经有摩擦扭矩作用了,但是原结合元件仍然保持结合状态,此时输入轴的转速未发生大的变化,仅仅是两个结合元件传递的扭矩发生了变化。惯性相是指从原结合元件开始打滑到待结合元件完成结合的过程,在此阶段输入轴的转速发生了较大的变化,受输入端惯性影响较大。以下主要针对升档过程进行分析。升档过程扭矩相:在此换档阶段,接合元件C1中的油压开始下降,但仍处于结合状态,接合元件C2中的油压开始上升,由分离进入打滑状态,传递部分扭矩,系统仍处于低档运行,各部件的角速度无急剧变化,随着摩擦力矩的增大,接合元件C1所传递的力矩减小,变速器输出力矩减小,输出力矩的变化增大,即高档接合元件的摩擦力有助于低档接合元件的分离。升档过程惯性相:在此换档阶段,接合元件C1由结合进入打滑状态,接合元件C2还未进入结合状态,系统具有两自由度,输出力矩的变化量及输出力矩随着摩擦力矩的增大而增大。在惯性相结束后,接合元件C2保持接合状态,完成换档过程。然而,在接合元件C2结合的瞬间,接合元件传递的力矩、对应的变速器输出力矩会产生突变,形成换档冲击。图3为自动变速器由2档升至3档过程换档元件中油压变化的测试结果。图中曲线1为接合元件C1的油压变化曲线,曲线2为接合元件C2的油压变化曲线。由图可知,在待分离的接合元件C1的油压降为零之前,待结合的接合元件C2的油压已开始上升,避免了换档过程中的动力中断。由此可见,变速器升档过程接合元件的搭接控制原则是:既要避免出现换档过程中动力中断现象,又要减少由于部分功率循环造成的动力损失。4升档过程分析(1)建立了自动变速器换档过程控制分析的简化动力学模型,可直