自动变速器换挡控制策略

1、浅谈自动变速器的换挡控制策略摘要：车辆在道路上行驶时，换挡相当频繁。机械式自动变速器为非动力换挡，换挡过程中存在切断动力和恢复动力的阶段，故换挡过程的舒适性和离合器磨损是需要研究的问题。为了提高自动变速器的换挡品质，通过分析自动变速器的换挡过渡过程，提出了换挡机构自学习控制策略，分别由控制软件实现变速器装配完成后的（离线）位置初始化和变速器使用过程中的（在线位置修正）。关键字：自动变速器 换挡品质 换挡控制 自学习控制策略Abstract When the vehicle runs on the road, the gearshift of the AMT is frequent and pe

2、rformed under cutting off the power. During the gearshifting, there exist the phases of cutting off the power and resuming the power, the shift comfort and the clutch abrasion need to study. The shift system of electronic transmission was analyzed, That could be directly for shifting process control

3、, a self-learning control strategy is proposed for shift actuator .With this strategy, position initialization after AMT is just assembled and position amendment in the process of use are realized by respective control softw are.Key words AMT Shift quality Shifting control Self-learning control stra

4、tegy1940年通用公司生产了世界上第一台用于大规模生产的的全自动变速器Hydra-Matic，从此自动变速器得到了长足的发展和进步，自动变速器作为现代汽车的重要部件之一。一方面，它能协调发动机供应特性与汽车行驶需求特性的矛盾，满足汽车的行驶条件；另一方面，利用变速器的速比调节功能使发动机的工作点始终处于经济区域，使整车的油耗降到最低。近年来，以先进的电子技术装备改造传统的机械传动系，使手动变速器和干式摩擦离合器实现操纵自动化已成为应用研究的热点。为实现自动换挡，必须以某种（或某些）参数作为控制的依据，而且这种参数应能用来描述车辆对动力传动装置各项性能和使用的要求，能够作为合理选挡的依据，同

5、时，在结构上易于实现，便于准确可靠地获取。目前常用的控制参数是车速和发动机节气门开度。由于机械式自动变速器（AMT）为非动力换挡，换挡前要先断开离合器切断动力，换挡完成后再结合离合器恢复动力，因而在保证动力传动系寿命的前提下，能迅速而平稳地换挡变速的性能就成为AMT换挡控制的关键。自动变速器的换挡工况分为：升档、降档、制动换挡等。换挡过程动作包括离合器分离、选换挡操作、离合器结合。1.换挡品质的评价指标：换挡品质是指换挡过程的平顺性，即换挡过程能平稳而无颠簸或冲击地进行。换挡品质控制是自动换挡液压控制系统中的基本组成部分之一。对换挡过程的具体要求有两个：一是换挡过程应尽量迅速地完成，以减少由于

6、换挡时间过长而使摩擦元件的磨损增加和减少因换挡期间输入功率低或中断而引起的速度损失；其二是换挡过程应尽量缓慢平稳过渡，以使车速过渡圆滑，没有过高的瞬时加速度或瞬时减速度，避免颠簸和冲击，以提高乘坐舒适性，减小传动系的冲击载荷，延长机件寿命。以上两个要求是互相矛盾的。换挡过程快，就不可避免地产生较大的冲击和动载荷，换挡过程的平稳性就不好。而如果为了提高换挡过程的平稳性而延长过渡时间，则摩擦元件的滑转时间延长，累计滑摩功增加，导至摩擦元件温度升高、磨损增加。所以，在一般情况下，根据经验，最小滑摩时间在0.4s1s较为合适，在此前提下再设法提高换挡过程的平稳性。换挡过程品质控制的实质就是限制发生过于

7、剧烈的扭矩扰动，改善换挡质量。1.1换挡时间在换挡过程中，车辆由于离合器的分离使得动力性受到损失而引起车速下降，如果在整个换挡过程中动力中断时间过长，将严重影响车辆的动力性，上坡或超车时还会影响安全性。因此动力中断时间是衡量自动变速器性能的一个重要指标。好的换挡品质要求在平顺换挡的基础上换挡时间要尽量短。1.2冲击度冲击度是指在自动变速器中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。冲击度大小影响乘员乘坐舒适性、传动系动载荷和传动系寿命，要满足冲击度指标，关键是控制离合器在滑磨阶段所传递的扭矩平稳变化。1.3离合器滑磨功离合器滑磨功也是衡量换挡品质好坏的一个重要指标，它是离合器

8、在结合过程中主从动摩擦盘间滑动摩擦做功的大小，定义为：式中W为滑磨功（它反映了离合器在接合过程中有多少机械能转换成温升和磨损），发动机角速度，为离合器从动盘角速度，t0为离合器接合过程中开始传递扭矩的时刻，tl为离合器主从动摩擦盘从滑磨进入同步的时刻，Tc为离合器主从动摩擦盘间传递的摩擦力矩。2.换挡品质影响因素分析2.1 发动机转矩和转速控制的影响离合器输入、输出端的转速和转矩之间的关系直接影响换挡品质的好坏。通过调节发动机的输出转速和转矩使离合器两端的转速和转矩尽量接近，可以提高换挡品质。发动机转矩和转速控制主要是通过控制节气门开度、发动机供油和点火提前角来实现。为了防止发送机转矩小于离合

9、器从动轴转矩，使发动机转速急剧下降而引起爆震，造成车身振动甚至发动机熄火，需要先计算发动机目标转速，判断在某一固定油门开度下发动机实际转速是否小于目标转速，如果发动机实际转速小于目标转速，则离合器分离，反之离合器接合。2.2 换挡规律的影响换挡规律是换挡控制系统的核心，它取决于选择的换挡控制参数和何时进行换挡等关键问题，换挡规律的好坏直接影响汽车的经济性和动力性，研究换挡规律是掌握汽车换挡理论的基础。换挡规律没做好，发动机工况和变速器工况就不能得到最佳匹配，可能造成发动机熄火而严重影响换挡品质。2.3 离合器接合规律的影响离合器的自动控制是自动变速器正常工作的关键环节，它直接影响换挡品质和离合

10、器的使用寿命。离合器的自动操纵主要就是对离合器分离、接合的控制，即通过控制离合器操纵机构实现离合器的最佳分离、接合。离合器接合控制主要指接合速度的控制，直接影响换挡品质。如果接合过快将造成换挡冲击，甚至熄火；若过慢将使离合器滑磨时间过长而有损其寿命。控制的参数主要是离合器主、从动盘转速差及其变化率、离合器所传递的转矩等。在转矩大致相同及转速差小于一定值时，快速结合离合器既能保证换挡时间短又不会产生较大的换挡冲击，离合器的磨损也不会太严重。2.4传动比与车速的影响自动变速器的换挡品质受传动比和车速的影响较大。由于变速器输出轴上的转矩与传动比成正比，所以传动比越大则后备牵引力越大，从而使车身产生的

11、纵向加速度也越大，传动系可能产生的动载荷也越大，此时如果要提高换挡品质就应当放慢接合速度。此时，车速也间接反映了外界的负载状态，例如汽车在同一油门开度下行驶时，车速越高则说明外部阻力越小，此时离合器接合可以加快。3.换挡过程控制策略AMT是通过电控液压操作换挡离合器或制动器来进行换挡操纵的。换挡时会产生换挡冲击、动力中断等换挡的平稳性，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。换挡过程中通常是结合元件结合，另一个结合元件分离。如果这两个结合元件分离和结合的时间不当，则会造成换挡不平稳；搭接过早会造成动力干涉，过晚会产生动力中

12、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。控制油压的适当变化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。换挡的控制即是对结合元件在换挡过程中的动作搭接时序、油压变化规律和发动机转矩的控制。发动机转矩的控制。发动机转矩的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转矩减少冲击。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，AMT换挡过程控制包括鲁两个方面的内容，换挡过程具有较为严格的时序关系，需要进行逻辑控制；另一方面需要通过协调控制发动机、离合器及变速箱等一系列操作对换挡性能进行控制。3.1

13、换挡过程AMT为非动力换挡，换挡时需要切断动力，档位变换完成后，再恢复动力。如果能实现发动机和离合器扭矩的协调控制，将发动机减少供油和分离离合器合并为一个阶段，将发动机恢复供油和结合离合器合并为一个阶段，那么换挡过程可以按下面逐步进行的4个阶段换挡过程实现上换挡或下换挡。3.1.1中断动力AMT的换挡操纵必须分离离合器以中断发动机和传动系之间的动力传递，同时必须控制发动机的供油（采用节气门控制的方式）来避免由于负荷的突然降低而导致发动机转速的急剧上升。换挡时，先将发动机的节气门调至怠速，再断开离合器，这样，将离合器传递的扭矩降低至零，就不会因为扭矩的突然中断而造成传动系的震荡和车辆冲击。如果节

14、气门回怠速与断开离合器分别各自独立地同时进行，由于节气门回怠速后发动机动力降低的滞后反应，将造成离合器分离后发动机转速的上升，不利于后期挂挡后离合器主从动部分的同步，使同步时间加长。3.1.2摘档、选档在离合器的断开使发动机和传动系分离之后，通过控制选换挡执行机构使变速器从原档位摘除没，并选档到对应新档位的空档（当所选两档处于同一选档槽位，可以没有选档操作）。由于动力已中断，变速器从原档位选换到空档很容易完成。这一阶段所用时间完全由选换挡执行机构的设计参数决定3.1.3挂新档在挂入新档时，由于变速器主从动齿轮间存在转速差，所以要控制转速差小到一定程度才能挂入新档。但目前由于同步器的普遍使用，变

15、速器输入轴转速与输出轴转速的转速差依靠同步器实现同步，大大简化了该控制过程的复杂程度。3.1.4恢复动力挂入新档后，要通过离合器的接合来恢复发动机动力的传递，同时要根据车辆运行工况恢复发动机供油以保证车辆有足够的动力克服外界阻力。该过程离合器与发动机的控制策略好坏对换挡品质的影响最大。离合器接合过快会造成换挡冲击，反之将引起离合器摩擦片的过度滑磨，影响离合器的使用寿命。3.2换挡控制 换挡过程可分为4个阶段，其中第二阶段摘档、选档和第三阶段挂新档的控制容易完成，其性能主要由选换挡操纵机构确定。而在第一阶段中断动力过程和第四阶段恢复动力过程中，离合器和发动机的控制策略对冲击度、换挡时间和滑磨功这

16、三项换挡品质都有很大的影响。 中断动力过程控制通常采取先将节气门调至怠速再断开离合器的方式。节气门回怠速后，离合器传递的扭矩降低至零，此时断开离合器不会引起冲击。断开离合器的操作应尽快完成，这一过程的完成时间完全由所设计的离合器伺服机构决定。中断动力过程控制的关键是节气门回怠速的调节快慢和方式。只要发动机产生的主动力矩不会降得太快，就不会产生冲击和振荡。因此，在中断动力阶段可按一定降速度调节节气门至怠速。调节速度可根据加速踏板的踏入量和原档位进行调整。恢复动力过程与中断动力过程相反，需要将节气门调节至加速踏板给定的位置，需要将离合器由断开行程接合至传递最大动力的完全接合行程。在没有接合离合器的

17、情况下，恢复发动机动力将由于没有负载而使发动机转速飞升，只是需要避免的情况。发动机动力的恢复即节气门的恢复应该在离合器接合后或与离合器接合同时协调进行。在恢复动力阶段，如果采取在离合器接合之后恢复节气门的控制策略，离合器接合速度快或节气门恢复速度快会引起换挡后期的冲击。为了缩短换挡时间，在离合器接合完成后快速恢复节气门，发动机扭矩快速增加，扭矩快速变化会引起很大的冲击。离合器接合速度快，发动机转速下降速度快（以上换挡为例），则离合器主从动盘转速差的变化率在由滑磨阶段（离合器传递相同的阶段）时刻（这一同步时刻的时间设为tl）增大。车辆加速度在tl时刻的不连续变化与离合器主从动盘转速差的变化率成正

18、比，可表示为式中为车辆加速度在离合器从动盘上的等效转速变化率，为离合器主从动盘转速差的变化率，为离合器主动侧的转动惯量，为离合器从动侧的等效转动惯量。由式可知，越大，在时刻的车辆加速度变化越大，冲击度性能恶化。离合器接合速度慢或节气门恢复速度慢，换挡冲击小，但产生较大的滑磨功，且换挡时间长而使车辆的动力中断时间长。因此，必须对发动机和离合器进行协调控制。离合器接合速度慢，节气门恢复速度快，则会导致发动机转速飞升或离合器主从动盘转速长时间不能达到同步，离合器滑磨功急剧增加。离合器接合速度快，节气门恢复速度慢，则会导致发动机转速变化快而使大，造成冲击和振荡。采取离合器接合与节气门恢复协调配合进行的

19、控制策略时，离合器以正常速度接合，通过节气门的协调控制使离合器主从动盘转速差的变化率在时刻小于设定值，则由式可知车辆加速度变化量不会产生使乘员感到不舒适的冲击和振荡。结论 在恢复动力阶段，节气门和离合器的控制策略对换挡过程的性能指标影响很大。为了缩短换挡时间，恢复动力过程要快，势必造成车辆冲击和振荡。恢复动力过程变慢，平稳性好，则换挡时间加长。节气门恢复过快，将导致车辆冲击和振荡。离合器接合速度慢，则滑磨时间长，滑磨功增加。离合器接合速度快，换挡时间短，滑磨功减少，但离合器在由滑磨阶段进入同步阶段的时刻主从动盘转速差的变化率大，这会引起使乘员感到不舒适的冲击和振荡。为了达到降低离合器滑磨功、缩

20、短动力中断时间，减少换挡后期冲击的目的，对AMT车辆的道路试验研究结果表明：（1）不能等待离合器主从动盘同步或接合完成后才能进行节气门控制，更不能恢复节气门后再接合离合器；（2）发动机与离合器必须进行协调控制使离合器主从动盘转速差的变化率在时刻小于设定值，才能使换挡快速、平稳。利用电子控制装置协调控制发动机和离合器，大大改善换挡品质指标，取得了良好的应用效果。这对于AMT车辆的产品化研究具有重要的意义。4.AMT选换档机构自学习控制4.1目标档位位置计算档位计算参数包括（t=0，1,，6）、（k=0，1,，5）和（j=1,，9）。假设各档位位置（n=0，1,，6）为式中：为选档行程坐标函数；为

21、换挡行程坐标函数。假设其坐标系顶点为1档位置，即则可得到2档和3档位置为 其他档位可以此类推 4.2 自学习控制策略AMT选换挡机构自学习策略如图所示，可分为离线和在线两大部分 ，具体包括4个功能模块：离线自学习、NVRAM初始化、参考坐标系自学习和在线自学习。4.2.1 离线自学习 离线自学习也叫参考自学习，即上述参考点、和的测量，它和参考坐标系自学习不同，主要用于产品的下线检测和维修服务。当一个新的AMT变速器装配好以后，可以通过离线自学习来测量变速器各个挡为的位置和匹配选换档执行机构的间隙。整个过程将依次完成1、2、3、4、5、R和空档的位置测量计算，即和值的测量，每次各个挡位的选挡位置

22、和换挡位置测量3次后取均值。4.2.2NVRAM初始化 NVRAM初始化在车辆每次点火开关加电时都被启动点火开关加电时都被启动，主要用来调用TCU的EEPROM存储的参数，当EEPROM中的数据调用成功后就发布相应的参考坐标顶点位置，并用1挡位置来校验，也就是参考坐标系顶点的位置。当实际值和存储值的差值 大于偏移量阈值，说明当前选挡位置发生较大的变化，此时将调用参考坐标系自学习功能。将学习成功后的值存储在NVRAM中代替原来的值，以弥补制造精度和变速器的磨损。为不影响驾驶员的驾驶操作，整个运行时间控制在400ms左右。4.2.3参考坐标系自学习当NVRAM初始化不成功，或者实际的挡位位置和储存

23、差异较大而不匹配时，将触发参考坐标系自学习。由于所处挡位起始点不一样，参考坐标系自学习顺序也不一样，例如当实际挡位处于R时，换挡器动作其顺序是空档，从而得到、等参数，并由此计算出参考点的位置，其他挡位以此类推。当参考坐标系位置发生变化时，则将新的值代替原值存入NVRAM中。按照该方法可以确定换挡器的参考坐标系。该功能同时也可在产品离线时被调用。4.2.4在线自学习在线自学习主要用于车辆使用过程中学习换挡器中参考坐标系的位置。车辆使用一段时间后，换挡指、换挡拨叉、同步器，包括换挡执行机构等都会磨损因而“XY”型换挡器参考坐标系参数会变化 如果继续可以通过1挡使用次数和实际末端自由行程来判断变速器

24、的磨损程度，一旦以上参数超过一定的阈值，就触发在线自学习功能：通过上述方法，以保证换挡器的参考坐标位置的正确性，从而防止换挡卡滞。 车辆在道路上行驶时，会遇到各种路况，换挡相当频繁。机械式自动变速器为非动力换挡，换挡过程中存在切断动力和恢复动力的阶段，故换挡过程的舒适性和离合器磨损是很重要的。本文对汽车换挡控制和控制策略进行了分析。换挡控制的性能能用换挡品质评价指标（换挡时间、冲击度和滑磨）来衡量。我们通过换挡机构的自学习控制策略的分析表明，选换挡机构自学习控制策略能够很好地满足现有手动档变速器制造精度的要求，克服制造公差和变速磨损造成的位置变化，准确而快速地进行换挡，提高了AMT的鲁棒性，取得了满意的效果。 参考文献 1 常思勤. 汽车动力装置M. 北京：机械工业出版社，2006.2 何忠波，白鸿柏，张培林，等. 电控机械自动变速器挂挡柔性控制实验J. 农业机械学报，2006，37（1）.3 郭晓林，胡纪滨，苑士华，等. DCT系统换挡品质的控制方法J. 机械科学与技术，2006，25（6）：698-701.4 焦俊生，张伟. 脉宽调制型变量喷雾控制ECU设计与分析J. 农业