自動變速箱換擋過程及其控制方法分析

1、自動變速箱換擋過程及其控制方法分析沈炬奎;趙治國【摘要】搭載液力機械自動變速箱(Automatic Transmission,AT)車輛的換擋過程 控制對其換擋品質(zhì)有重要影響，通過AT換擋過程簡化模型，分析換擋品質(zhì)的關(guān)鍵控 制階段-扭矩相和慣性相.并以動力升擋為例，詳細分析換擋過程各階段換擋壓力控制 策略，即換擋搭接時刻、換擋壓力控制、自適性控制的具體實現(xiàn)方法.【期刊名稱】黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版) 【年(卷)，期】2018(032)005 【總頁數(shù)】6頁(P26-31) 【關(guān)鍵詞】自動變速箱;換擋品質(zhì);壓力控制啟適應(yīng) 【作者】沈炬奎;趙治國【作者單位】同濟大學(xué)汽車學(xué)院，上海201804

2、;同濟大學(xué)汽車學(xué)院，上海201804【正文語種】中文【中圖分類】U463換擋品質(zhì)控制一直是液力機械式自動變速箱(Automatic Transmission，AT)的研 究熱點，換擋品質(zhì)的提高很大程度上對改善乘車舒適性并減小對換擋元件磨損和車 輛沖擊起到?jīng)Q定性作用。目前，改善換擋品質(zhì)的主要措施包括：換擋過程中對摩擦 元件油壓變化規(guī)律的控制，達到換擋過程中車速變化平順，不出現(xiàn)過高的瞬時加速 度或減速度1；在換擋過程中，減少傳動系統(tǒng)動載荷，避免傳動系的動力出現(xiàn)瞬 間巨變或中斷2。通過油門和轉(zhuǎn)速的反饋，扭矩控制發(fā)動機在最佳工作位置，達 到變速過程平穩(wěn)而連續(xù)；在換擋過程中參與換擋的離合器摩擦片會以滑磨

3、功的方式 產(chǎn)生能量損耗量，這些熱量嚴重影響離合器的使用壽命，因此，換擋過程中在保證 換擋平順性下要減少離合器摩擦片的熱負荷，提高離合器的工作可靠性和耐用性 3。1 AT換擋過程控制分析1.1 AT換擋過程液力機械式自動變速箱主要由液力變矩器、機械齒輪變速系統(tǒng)、液壓操縱系統(tǒng)、液 壓或電子控制系統(tǒng)組成4。圖1為換擋過程的簡化模型，在前進擋位D位1擋時， 由離合器給1鏈接齒輪組1，實現(xiàn)某一固定速比的動力傳動。換擋時，離合器組1 脫開，離合器組2接合，動力由之前的齒輪組1傳遞切換為齒輪組2傳遞，速比 隨之改變?？偟膩碚fAT換擋過程離合器主要完成動力傳遞和速比變化。因此，換擋過程根據(jù)離合器接合元件的狀態(tài)

4、可劃分為3個階段，主要包括換擋準 備、扭矩相控制和慣性相控制，其升擋過程離合器控制如圖2所示。圖1換擋過程簡化模型圖2升擋過程控制階段分析1）換擋準備階段：該階段不產(chǎn)生任何動力傳遞和速比變化，只進行對待結(jié)合離合器 進行充油加壓和待分離離合器放油減壓。2）扭矩相控制階段:待分離離合器仍處于結(jié)合狀態(tài)，尚未打滑；待結(jié)合離合器已作 用摩擦轉(zhuǎn)矩，開始打滑。該過程中無急劇的轉(zhuǎn)速變化，僅僅是兩個接合元件中傳遞 的扭矩發(fā)生了變化，故稱這個階段為換擋過程的扭矩相。3）慣性相控制階段：待分離離合器開始打滑直至待結(jié)合離合器完全結(jié)合為止。在這 個階段兩個摩擦元件都打滑，故不僅有轉(zhuǎn)矩變動，同時伴有轉(zhuǎn)速或傳動比的急劇變

5、化，所以稱這個階段為換擋過程的慣性相，也稱為速比控制階段。在扭矩相，主要是控制接合和分離離合器的搭接時刻，保證兩個離合器的良好配合， 既不能造成渦輪轉(zhuǎn)速跑飛，也不能產(chǎn)生離合器雙鎖止。該階段因為渦輪轉(zhuǎn)速無急劇 變化，故沒有較明顯的控制輸入，控制起來較難。在控制兩個離合器搭接的時候， 需要考慮不同扭矩、轉(zhuǎn)速以及溫度下離合器充油特性和泄油特性，以及不同擋位離 合器與制動器行程的大小，設(shè)定不同的充油以及泄油參數(shù)。在慣性相，主要是靠控制接合側(cè)/分離側(cè)壓力來保證渦輪轉(zhuǎn)速平順變化。該階段由 渦輪轉(zhuǎn)速作為控制輸入，控制起來相對簡單，但是需要引入自學(xué)習來達到最佳控制 效果。1.2換擋壓力控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)按換

6、擋類型分為動力升擋、動力降擋、滑行升擋、滑行降擋及移庫換 擋五大部分5。本文主要以動力升擋為例，分析換擋油壓和自適性控制的方法， 圖3為動力升擋5檔到6檔的控制策略過程，圖中詳細指出各換擋階段參數(shù)和自 適應(yīng)控制主要參數(shù)。圖3升擋過程控制邏輯通常AT自動變速箱換擋控制主要由時間控制和壓力控制兩部分組成，同時升擋過 程主要分為三個階段：1）換擋準備階段。渦輪轉(zhuǎn)速出現(xiàn)變化前，是結(jié)合側(cè)離合器充油，分離側(cè)離合器放油 的過程。2）扭矩相控制和慣性相控制階段。渦輪轉(zhuǎn)速變化中期，分離側(cè)已經(jīng)脫開，主要靠結(jié) 合側(cè)壓力使得渦輪轉(zhuǎn)速按照目標變化率平穩(wěn)變化。3）換擋結(jié)束階段。渦輪轉(zhuǎn)速變化結(jié)束期，渦輪轉(zhuǎn)速變化即將結(jié)束，結(jié)

7、合側(cè)壓力需要 逐步增大到最大值，直到離合器完全結(jié)合。1.2.1升擋過程中階段1控制從換擋點開始至渦輪轉(zhuǎn)速開始出現(xiàn)變化為止，這段時間定義為換擋第一階段。該階 段主要是結(jié)合側(cè)離合器前期充滿階段至靜態(tài)搭接點(kiss point)和分離側(cè)油壓放油 過程，渦輪轉(zhuǎn)速無急劇變化。換擋前期主要控制參數(shù)包括：Release time (RT):分離側(cè)從開始泄油到離合器從部分滑差開始的時間。Boost time (BT):從接合側(cè)離合器在復(fù)位彈簧自由狀態(tài)位置，以100%占空比控制 電磁閥一直移到離合器完全貼合，還剩離合行程余量為止所花時間。Stroke time (ST): BT時間之后接合側(cè)前期充滿結(jié)束，為避

8、免造成接合側(cè)接合過快， 離合器不能用100%占空比，以較小的占空比控制移動，消除行程余量，離合器真 正貼合上所花的時間。第一階段換擋搭接時間主要是靠BT、RT和ST的協(xié)調(diào)來實現(xiàn)，結(jié)合側(cè)/分離側(cè)的 銜接順序為：當BT+STRT時，結(jié)合側(cè)先充油，分離側(cè)從換擋開始點經(jīng)過(BT+ST-RT)時間 后開始泄油。當BT+STRT時，分離側(cè)先泄油，結(jié)合側(cè)從換擋開始點經(jīng)過RT-(BT+ST)時間 后開始充油。在換擋過程第一階段，BT、RT以及ST三者關(guān)系決定了離合器充油、泄油的銜接 順序，對換擋前期離合器雙鎖/跑飛，換擋中期的沖擊以及壓力自學(xué)習有著很大影 響。同時第一階段最大時間設(shè)定最大時間限值。當換擋時間超

9、過該限值時，則強行進入 第二階段，防止離合器因滑磨時間過長而磨損，通常不同檔位設(shè)置不同閥值。在結(jié)合側(cè)以100%占空比完成BT充油之后，轉(zhuǎn)為以基礎(chǔ)壓力進行后續(xù)控制。基礎(chǔ) 壓力的計算通常有3個模型進行控制，一種是基礎(chǔ)MAP主要根據(jù)擋位變化確認搭 接壓力的一維模型，第二種是根據(jù)渦輪轉(zhuǎn)速和發(fā)動機扭矩修正的三維MAP模型， 第三種是根據(jù)溫度修正的二維MAP模型。以上3種模型的累加構(gòu)成結(jié)合側(cè)搭接(kiss point)的壓力。而分離側(cè)壓力基礎(chǔ)壓力構(gòu)成由單個模型進行控制，也是根據(jù) 擋位變化確認泄油壓力的閥值的一維MAP模型。第一階段自學(xué)習主要進行充油時間(BT )和接合點壓力(Stoke Pressure-

10、SP )的自學(xué) 習，如圖4所示，其控制方法為：在BT自學(xué)習中，當TCU上電后，TF在每次自 學(xué)習時會以較大的步長自減，避免因制造散差引起的雙鎖止；直到出現(xiàn)第一次渦輪 跑飛，BT自學(xué)習則以較小的步長進行自減，避免自學(xué)習值來回振蕩。在SP自學(xué) 習中，主要通過在變速箱固定檔位下對非在擋離合器進行脈沖充油學(xué)習，直到變速 箱檢測到Tie up或者Flare為止。在確認該值為變速箱SP的學(xué)習前需要進行至少 3次重復(fù)的脈沖充油學(xué)習。圖4充油時間和接合點壓力自學(xué)習1.2.2升擋過程中階段2控制從離合器搭接時間ST控制至渦輪轉(zhuǎn)速變化結(jié)束為止，該段時間定義為換擋第二階 段，如圖5所示，包括扭矩控制和速比控制。在完

11、成ST壓力充油檢測到渦輪轉(zhuǎn)速 開始變化后，結(jié)合側(cè)離合器和分離側(cè)離合器開始進行扭矩相的轉(zhuǎn)換，結(jié)合側(cè)壓力以 基于渦輪轉(zhuǎn)速和發(fā)動機扭矩的三維MAP模型到達同步點，同時分離側(cè)壓力也以基 于渦輪轉(zhuǎn)速和發(fā)動扭矩的三維MAP模型到達同步點。通常利用此方法(Open Loop)實現(xiàn)平穩(wěn)的離合器間扭矩交換控制。當離合器開始出現(xiàn)滑差后控制器進入帶 有前饋的PID控制方法，前饋控制具有一定的預(yù)見性，然而卻不具備對控制誤差 的補償和對擾動的抑制功能，因此，控制策略將前饋控制與PID控制相結(jié)合，從 而生成1套具有前饋的PID控制方法。在前期基礎(chǔ)壓力匹配時可以關(guān)閉PID功能， 用恒定的ramp壓力來觀察渦輪變化的趨勢，避

12、免PID對基礎(chǔ)壓力匹配的影響6。 PID根據(jù)實際渦輪變化率與目標變化率之間的差值來調(diào)節(jié)控制占空比，防止出現(xiàn)換 擋結(jié)束點換擋不徹底產(chǎn)生加速度的波動，保證慣性相控制階段換擋過程的平順性， 其方法具有閉環(huán)控制的穩(wěn)定和前饋控制快速的優(yōu)勢。同時通過判斷渦輪轉(zhuǎn)速NT與起始擋位渦輪轉(zhuǎn)速(NT*起始擋位傳動比)之間的差值 大小(進入第二階段的渦輪轉(zhuǎn)速閥值對比)來決定是否進入速比控制階段。相應(yīng)在控 制系統(tǒng)中設(shè)置第二階段最大時間限值，當換擋時間超過該限值，則強行進入第三階 段，防止離合器片因滑磨時間過長而磨損。第二階段主要分為自學(xué)習區(qū)間和PID 控制區(qū)間，自學(xué)習區(qū)間時間主要在扭矩階段完成，主要對結(jié)合側(cè)和分離側(cè)壓力

13、搭接 同步點的控制，以結(jié)合側(cè)和分離側(cè)完成扭矩相控制為前提，同時保證渦輪轉(zhuǎn)速不出 現(xiàn)跑飛及沖擊現(xiàn)象。而在自學(xué)習區(qū)間之后，轉(zhuǎn)入PID反饋控制區(qū)間，該期間時間 的控制主要保證離合器滑磨功在其特性的安全值范圍內(nèi)，盡量保證換擋過程的平順 性。在換擋過程中主要監(jiān)視換擋完成百分比-shift complete percentage(SCP )的 曲線，平滑的SCP曲線可以直接反映換擋的平順，同時SCP曲線直接用于自學(xué)習 值標定的輸入?yún)?shù)判斷。第二階段自學(xué)習通常被稱為在擋自適應(yīng)控制：將換擋過程的速比變化階段分為三部 分，即離合器初始滑差時間、離合器速比滑差時間和離合器末段滑差時間。當升檔 控制完成并且滿足進入

14、自適應(yīng)性條件時，控制系統(tǒng)監(jiān)視換檔過程各參數(shù)，控制器根 據(jù)換擋目標參數(shù)對其判斷換擋的性能好壞。其結(jié)合側(cè)壓力區(qū)間的學(xué)習主要根據(jù)慣性 相轉(zhuǎn)速變化時間差：slip_error為離合器滑差目標時間值和離合器滑差實際時間值 之間的差值，作為在檔自適應(yīng)控制中差值修正模塊”的重要參數(shù)，直接確定對換 擋離合控制油壓的增加或減少(er1_add)。當slip_error為正值時說明換擋時間比 目標時間要長，因此，應(yīng)進行增壓控制；當slip_error為負值時，說明換擋時間比 目標時間短，要進行減壓控制。最終將所有變速箱換擋性能調(diào)整到目標一致。同時 為了保證自適應(yīng)控制的穩(wěn)定性和防止自適應(yīng)控制過于頻繁，在壓力修正圖中

15、增加自適應(yīng)不修正區(qū)域-deadband”，即出現(xiàn)slip_error不等于0的情況下有部分 區(qū)域認為不需要進行壓力調(diào)整。slip_error壓力修正標定如圖6所示。最終自適應(yīng) 控制根據(jù)slip_error輸出壓力修正值，并將該值寫入到TCU的KAM表格中，同 時，將在下個相同運行工況點下從KAM中輸出相應(yīng)的壓力修正值，完成對升擋結(jié) 合側(cè)壓力的自適應(yīng)控制。同時分離側(cè)壓力的學(xué)習主要靠監(jiān)視渦輪跑飛的情況進行壓 力學(xué)習，無任何跑飛的情況，分離側(cè)以0.25 psi的步長進行降壓，當監(jiān)視到渦輪 跑飛時，分離側(cè)壓力以步長0.25 psi進行加壓。最后達到分離側(cè)和結(jié)合側(cè)壓力的 搭接控制，完成自適應(yīng)控制對換擋性

16、能的優(yōu)化控制。圖5換擋過程壓力控制和自學(xué)習方法圖6 slip_error相對應(yīng)壓力修正參數(shù)1.2.3升擋過程中階段3控制從渦輪轉(zhuǎn)速變化結(jié)束到離合器壓力上升到最大壓力為止，這段時間定義為換擋第三 階段。主要通過判斷渦輪轉(zhuǎn)速NT與起始擋位渦輪轉(zhuǎn)速（NT *起始擋位傳動比）之 間的差值大小（進入第三階段的渦輪轉(zhuǎn)速閥值對比）來決定是否進入第三階段。在壓力控制第三階段，先由扭矩、轉(zhuǎn)速和油溫計算出保持階段的壓力，此壓力要比 基礎(chǔ)壓力略大，以保證在換擋后期離合器有足夠的壓力，維持一段時間后，壓力逐 步增大到最大壓力直至換擋結(jié)束。而在第三階段不存在自學(xué)習的控制。2結(jié)論本文結(jié)合實際項目對AT換擋控制方法進行研究

17、，詳細分析換擋過程中離合器搭接 時刻、離合器壓力控制和自適應(yīng)控制方法。結(jié)論如下：1）在換擋壓力控制中，涉及到的控制邏輯和控制參數(shù)有很多，在實際項目進行基礎(chǔ) 匹配時要注意先后順序，盡量避免未匹配模塊對其他模塊的影響。2）搭接定時基礎(chǔ)值和基礎(chǔ)壓力是需要預(yù)匹配的。搭接定時和基礎(chǔ)壓力時間上有先后， 可以大致認為搭接定時主要影響前期渦輪是否跑飛或者互鎖，基礎(chǔ)壓力主要影響第 二階段渦輪變化率，但兩者在第一階段末期也有相互影響。在整個渦輪變化過程趨 于平穩(wěn)，且前期沒有跑飛和雙鎖的前提下，再進行目標變化率的精細調(diào)節(jié)。3）基礎(chǔ)值設(shè)好后，再進行PID以及自學(xué)習的精細匹配。通過優(yōu)化目標變化率和設(shè) 定合理的自學(xué)習步長

18、，盡可能地將自學(xué)習控制在5次以內(nèi)完成。在自學(xué)習匹配期 間應(yīng)關(guān)閉PID控制，避免PID對自學(xué)習的影響。參考文獻【相關(guān)文獻】ZHENG Q, SRINIVASAN K. Transmission Clutch Pressure Control System: Modeling, Controller Development and ImplementationC.Proceeding of the Society of Automotive Engineer World Congress. Detroit, Michigan, USA: Paper No.2000-01-1149.VISIOLI A. A New Design for a PID plus Feed Forward Controller J.Journal of Process Control, 2004, 14:455-461.SZADKNOWSKI A. Shiftability and Quality Issue in Clutch-Transmission System. SAE Pap