基于行星自動(dòng)變速器換擋系統(tǒng)的換擋過渡過程研究

基于行星自動(dòng)變速器換擋系統(tǒng)的換擋過渡過程研究

0換擋過程控制星電壓自動(dòng)儀表是指通過開關(guān)裝置或裝置交換性能和裕度的自動(dòng)變更。換擋時(shí)會(huì)產(chǎn)生換擋沖擊,動(dòng)力中斷等換擋不平穩(wěn)現(xiàn)象。換擋過程控制的主要目的是為了增加換擋的平順性,使駕駛更加舒適;減少傳動(dòng)系的動(dòng)載荷,增加零件的使用壽命;減少離合器摩擦片熱負(fù)荷,提高離合器的工作可靠性和耐用性。換擋的過程通常是一個(gè)結(jié)合元件結(jié)合,另一個(gè)結(jié)合元件分離的過程。如果這兩個(gè)結(jié)合元件的分離和結(jié)合的時(shí)間不當(dāng)會(huì)造成換擋不平穩(wěn),搭接過早會(huì)造成動(dòng)力干涉,過晚會(huì)產(chǎn)生動(dòng)力中斷。換擋過程中作用在結(jié)合元件上的油壓決定了結(jié)合元件所傳遞的轉(zhuǎn)矩極限。適當(dāng)?shù)挠蛪鹤兓?guī)律能夠起到減小輸出軸轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)、減小結(jié)合元件磨損等作用。換擋過程控制是通過對(duì)結(jié)合元件在換擋過程中的動(dòng)作搭接時(shí)序、油壓變化規(guī)律實(shí)現(xiàn)的。結(jié)合元件在換擋過程中的動(dòng)作搭接時(shí)序和油壓變化規(guī)律是影響換擋品質(zhì)的主要因素。本文通過對(duì)換擋過程理論分析與試驗(yàn)研究,得到了換擋過程的控制策略,并運(yùn)用此策略得到了良好的控制效果。1自動(dòng)故障模型和理論分析1.1簡(jiǎn)化模型的建立通過采用等效集中質(zhì)量法把車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化成線性多自由度彈性集中質(zhì)量系統(tǒng),由無慣性的彈性環(huán)節(jié)和無彈性的慣性環(huán)節(jié)所組成,各相關(guān)部件以集中質(zhì)量存在。在建模過程中,作以下基本假設(shè)。(1)忽略發(fā)動(dòng)機(jī)扭振、軸的扭振對(duì)系統(tǒng)的影響。(2)忽略軸的橫向振動(dòng)。(3)將各元件視為完全剛性無阻尼的慣性元件,并以集中質(zhì)量的形式表示。(4)忽略系統(tǒng)其他運(yùn)動(dòng)副的間隙。(5)除離合器的摩擦力外,忽略軸承和軸承座的摩擦阻力、攪油阻力等系統(tǒng)其他運(yùn)動(dòng)副的摩擦阻力。(6)假定車輪與地面間無滑轉(zhuǎn)和滑移。以上因素不宜獲取且忽略這些因素對(duì)整個(gè)換擋過程動(dòng)力學(xué)分析不會(huì)產(chǎn)生太大影響?；谝陨匣炯僭O(shè),將車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化為圖1所示的模型。該模型只有兩個(gè)擋位,接合制動(dòng)器R時(shí)為低擋,接合離合器C時(shí)為高擋。這樣就把車輛復(fù)雜的換擋過程轉(zhuǎn)化成制動(dòng)器R與換擋離合器C之間的切換過程。按動(dòng)力傳遞關(guān)系,將該簡(jiǎn)化模型分解為4個(gè)自由體,即發(fā)動(dòng)機(jī)——液力變矩器泵輪部分、液力變矩器渦輪一—太陽(yáng)輪部分、制動(dòng)器——齒圈部分及行星架——車輪部分,動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化模型如圖2所示。圖2中,Me為柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩,ωe為柴油機(jī)角速度,Ie為柴油機(jī)——液力變矩器泵輪部分自由體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,MB為變矩器泵輪轉(zhuǎn)矩,ML為閉鎖離合器摩擦力矩,MT為變矩器渦輪轉(zhuǎn)矩,ωT為變矩器渦輪角速度,Mt為行星排太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)矩,Mc為換擋離合器摩擦力矩,IT為液力變矩器渦輪——太陽(yáng)輪部分自由體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,MR為制動(dòng)器轉(zhuǎn)矩,Mq為齒圈轉(zhuǎn)矩,ωq為齒圈角速度,Iq為制動(dòng)器——齒圈部分自由體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,k為行星排特性參數(shù)(其值等于齒圈與太陽(yáng)輪齒數(shù)比),Mj為行星架轉(zhuǎn)矩,ωj為行星架角速度,MV為換算至車輪的地面阻力矩,IV為行星架——車輪部分自由體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。1.2換擋過程各階段的變化以升擋過程為例,根據(jù)以上模型對(duì)車輛換擋過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析,這一動(dòng)態(tài)過程可以分為以下幾個(gè)階段(升擋過程液力變矩器一直處于閉鎖工況)。(1)換擋前的低擋相:制動(dòng)器R與閉鎖離合器L均處于接合狀態(tài),換擋離合器C保持分離。變矩器閉鎖,變速器處于機(jī)械工況,按低擋速比傳遞轉(zhuǎn)矩。式中i1—低擋速比(2)低擋轉(zhuǎn)矩相:制動(dòng)器R開始放油分離,離合器C開始充油結(jié)合。由于開始時(shí)油壓變動(dòng)較小,制動(dòng)器R仍然保持結(jié)合,而換擋離合器C則處于打滑之中。這一階段只有傳遞轉(zhuǎn)矩的重新分配,轉(zhuǎn)速和速比尚無明顯變化。式中為行星架即變速器輸出軸的角加速度,。(3)慣性相:隨著制動(dòng)器R油壓下降,使其進(jìn)一步分離,直到不再傳遞摩擦力矩,車輛完全由自身慣性克服路面阻力行駛,車速開始下降。同時(shí),換擋離合器C繼續(xù)保持打滑。變速器各部件出現(xiàn)轉(zhuǎn)速比的變動(dòng)。同時(shí)變矩器渦輪軸轉(zhuǎn)速逐漸從ωj=i1ωT變成式中ih為高擋速比。(4)高擋轉(zhuǎn)矩相:隨著換擋離合器C充油油壓的升高,換擋離合器開始傳遞摩擦力矩,車輛的牽引轉(zhuǎn)矩開始增加,換擋離合器主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速和從動(dòng)軸轉(zhuǎn)速逐漸開始同步,變矩器渦輪軸轉(zhuǎn)速和變速器輸出軸轉(zhuǎn)速之間逐漸接近高擋轉(zhuǎn)速比。由于變速器從低擋換至高擋,在整個(gè)換擋過程中,車速下降不是很多,因此,按照高擋速比,變矩器渦輪軸轉(zhuǎn)速和變速器輸出軸轉(zhuǎn)速之間存在很大的速差,而換擋離合器C的結(jié)合過程,正是消除這個(gè)速差的過程。(5)高擋相:換擋過程完成。如圖3所示,變速器在低擋時(shí),制動(dòng)器(Poff)處于結(jié)合狀態(tài),當(dāng)電子控制單元(Electroniccontrolunit,ECU)發(fā)出換擋指令之后,換擋開始。首先離合器(Pon)充油,制動(dòng)器開始放油,當(dāng)離合器油缸充滿油后,系統(tǒng)進(jìn)入到轉(zhuǎn)矩相階段。在轉(zhuǎn)矩相階段,制動(dòng)器繼續(xù)放油,而離合器保持一定的油壓(Pon)增長(zhǎng)斜率。此時(shí)由于制動(dòng)器還在傳遞轉(zhuǎn)矩,并沒有完全分離開,所以各個(gè)部件速率基本保持不變。直到監(jiān)測(cè)到渦輪軸轉(zhuǎn)速nt被拉下,此時(shí)轉(zhuǎn)矩相結(jié)束,制動(dòng)器放油結(jié)束。由于此階段制動(dòng)器處于滑摩狀態(tài),輸出軸轉(zhuǎn)矩M2呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。轉(zhuǎn)矩相結(jié)束以后,系統(tǒng)進(jìn)入到慣性相階段。離合器處于打滑之中,由輸出轉(zhuǎn)矩變化的情況,可對(duì)換擋過程中的轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)進(jìn)行分析。在轉(zhuǎn)矩相開始和慣性相結(jié)束的時(shí)刻,輸出轉(zhuǎn)矩有很大的變動(dòng)。這就是引起換擋沖擊的轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)。在車輛行駛中,轉(zhuǎn)矩相能夠感覺到減速度,慣性相能夠感覺到加速度。通過分析可知:過渡過程各階段的變化,取決于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的充放油過程。因此改變兩個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)充放油的油壓特性,就可減小輸出轉(zhuǎn)矩的擾動(dòng),提高換檔品質(zhì)。2換擋過程控制由以上分析可知,換擋過程的品質(zhì)主要取決于離合器充放油的交替時(shí)序(圖4)。在換擋開始時(shí),命令充油離合器控制電磁閥全開一段時(shí)間,油液充滿活塞后的空腔使活塞開始運(yùn)動(dòng),充油離合器達(dá)到了充油油壓的起始點(diǎn)。這段時(shí)間內(nèi)電磁閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比是100%,即完全打開。同時(shí),控制放油離合器的電磁閥占空比降為某一值,放油離合器油壓開始下降。ECU開環(huán)階段通過控制電磁閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比的上升斜率,從而控制充油離合器的壓力逐漸升高。開環(huán)上升斜率是一個(gè)預(yù)設(shè)的提高離合器油壓的比率,它一直持續(xù)直到監(jiān)測(cè)到渦輪軸轉(zhuǎn)速被拉下時(shí)為止。在充油離合器的容積率和開環(huán)上升斜率期間,作用在放油離合器上的壓力不斷下降。當(dāng)檢測(cè)到渦輪軸轉(zhuǎn)速下降后,ECU開始進(jìn)入對(duì)充油離合器的閉環(huán)控制。閉環(huán)控制是ECU通過調(diào)制電磁閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)主動(dòng)控制渦輪軸轉(zhuǎn)速的時(shí)期。閉環(huán)控制一直持續(xù)到離合器主被動(dòng)摩擦片幾乎無轉(zhuǎn)速差時(shí)結(jié)束。這將使渦輪軸轉(zhuǎn)速保持有最佳的變化曲線。當(dāng)ECU發(fā)現(xiàn)渦輪軸轉(zhuǎn)速等于輸出軸轉(zhuǎn)速乘以與充油離合器對(duì)應(yīng)的速比時(shí)(轉(zhuǎn)速同步),就控制充油離合器進(jìn)入完全接合時(shí)期。在這段時(shí)間內(nèi),ECU向電磁閥發(fā)出完全“開”的指令,使離合器完全接合,最終完成升擋操作。由上分析可知,對(duì)換擋過程可分為三個(gè)階段進(jìn)行控制:初始充放油階段、開環(huán)控制階段和閉環(huán)控制階段。而不同的階段需要采取不同的控制策略。(1)初始充放油階段。如果初始充油時(shí)間過長(zhǎng),離合器結(jié)合過快,則會(huì)引起很大的轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng);如果初始充油時(shí)間過短,會(huì)使得換擋時(shí)間增加。由于制造誤差、油溫以及油壓等參數(shù)的影響,離合器初始充油時(shí)間是不同的。因此采用自適應(yīng)控制策略,首先設(shè)定初始充油時(shí)間,而后根據(jù)壓力傳感器的反饋值進(jìn)行充油時(shí)間的自動(dòng)調(diào)節(jié),將修改后的參數(shù)存放到E2PROM里,下一次換同一個(gè)擋位時(shí)(同時(shí)監(jiān)測(cè)外界參數(shù),比如油溫、油壓等)讀取E2PROM里面的修正值。這樣經(jīng)過幾次修正,則可達(dá)到很好的控制效果。放油過程:如果放油過快,則會(huì)存在動(dòng)力中斷,即變速器處于空擋階段;如果放油過慢,則會(huì)存在掛雙擋的情況。放油過程可通過監(jiān)測(cè)輸出軸轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的變化予以自適應(yīng)修正。(2)開環(huán)控制階段。在離合器充滿油但傳遞轉(zhuǎn)矩未能使渦輪轉(zhuǎn)速被拉下時(shí),此時(shí)進(jìn)入到開環(huán)控制階段。此階段根據(jù)設(shè)定的油壓增長(zhǎng)率進(jìn)行,直到監(jiān)測(cè)到渦輪軸轉(zhuǎn)速下降。此階段主要受油溫的影響,可根據(jù)理想的參考模型對(duì)過程進(jìn)行修正。(3)閉環(huán)控制階段。閉環(huán)控制系統(tǒng),是一個(gè)典型的非線性、時(shí)變系統(tǒng)。由于系統(tǒng)存在油液泄露、摩擦、機(jī)械慣性延遲、電磁閥的電液響應(yīng)滯后及液壓閥的非線性流量特性,使得控制系統(tǒng)表現(xiàn)為復(fù)雜的非線性。故控制方法采用基于自適應(yīng)參考模型的PID調(diào)節(jié)的增益調(diào)度控制,它既有PID調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單方便的特點(diǎn),又可根據(jù)運(yùn)行條件自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù),具有一定的適應(yīng)性,升擋過程控制策略框圖如圖5所示。連續(xù)系統(tǒng)PID公式為式中en(t)——目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差un(t)——轉(zhuǎn)速閉環(huán)的控制量Tni——轉(zhuǎn)速閉環(huán)的積分時(shí)間常數(shù)對(duì)式(10)進(jìn)行離散化,采用增量式PID算法于是有由轉(zhuǎn)速閉環(huán)PID算法獲得的控制量是電磁閥脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比。控制過程中,由當(dāng)前渦輪轉(zhuǎn)速與目標(biāo)擋位的變速比計(jì)算出輸出軸的目標(biāo)擋位轉(zhuǎn)速,于是可得到輸出軸在換擋前后的轉(zhuǎn)速差,并設(shè)定轉(zhuǎn)速差在允許的換擋時(shí)間內(nèi)線性遞減,即可計(jì)算出當(dāng)前的目標(biāo)轉(zhuǎn)速,然后在滿足條件時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制,采用6所示的電磁閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比變化規(guī)律。圖6中B區(qū)和C區(qū)即為圖4所示的閉環(huán)控制階段,B區(qū)結(jié)束時(shí)刻轉(zhuǎn)速同步,轉(zhuǎn)速差消除。C區(qū)占空比下降是為了消除由滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)換到靜摩擦狀態(tài)摩擦因數(shù)突變帶來的轉(zhuǎn)矩突變,限制加速度變化。O區(qū)表示充油離合器電磁閥全開自適應(yīng)控制階段,A區(qū)開環(huán)控制,進(jìn)入D表示區(qū)換擋完成。具體控制參數(shù)須結(jié)合試驗(yàn)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。3控制策略在換擋過程中的應(yīng)用試驗(yàn)時(shí)建立了自動(dòng)變速器加載試驗(yàn)臺(tái),如圖7所示,試驗(yàn)參數(shù)如下。發(fā)動(dòng)機(jī):BF6M1015CP電控柴油機(jī)(帶增壓中冷,330kW)。輸入軸轉(zhuǎn)矩儀:HBMT10(3kN·m)。變速器:HD4070PR電控自動(dòng)變速器。輸出軸轉(zhuǎn)矩儀:5kN·m,5kr/min。增速箱:速比0.5,6kr·min-1/12kr·min-1。測(cè)功機(jī):CW400-1900(最大功率400kW,最大轉(zhuǎn)矩1.9kN·m,最高轉(zhuǎn)速6.5kr·min-1)。慣量:125kg·m2。HD4070PR自動(dòng)變速器(圖8)擁有7個(gè)前進(jìn)擋,它按照模塊化設(shè)計(jì):包括輸入模塊(帶閉鎖離合器的液力變矩器和取力器)、行星齒輪模塊(4個(gè)行星排和2個(gè)離合器和4個(gè)制動(dòng)器)、輸出模塊(帶有液力緩速器)和電液控制模塊。通過先進(jìn)的電子控制單元控制,采用脈寬調(diào)制液壓操縱機(jī)構(gòu),具有響應(yīng)快、換擋平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn),并擁有與發(fā)動(dòng)機(jī)通訊的CAN接口,能實(shí)現(xiàn)與發(fā)動(dòng)機(jī)有機(jī)的協(xié)調(diào)控制,并能通過手柄上的故障診斷按鈕提取工作過程中的故障代碼。試驗(yàn)時(shí),通過在變速器輸入輸出軸上分別安裝轉(zhuǎn)矩儀的方式獲取工作時(shí)的轉(zhuǎn)矩值,同時(shí)能夠通過CAN獲取發(fā)動(dòng)機(jī)油門和轉(zhuǎn)速信號(hào)以及通過安裝壓力傳感器的方式獲取離合器或制動(dòng)器的油壓信號(hào),通過以上數(shù)據(jù)即可得到換擋過渡過程各個(gè)信號(hào)的變化規(guī)律,從而對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行分析。以升擋為例說明控制策略在換擋過程中的應(yīng)用:如圖9所示,初始階段充油的控制過程可由離合器充油壓力以及輸出軸轉(zhuǎn)矩變化來確定。首先給定一個(gè)初始充油時(shí)間,在此階段電磁閥完全打開,離合器快速充油。充油過程中監(jiān)測(cè)油壓以及輸出軸轉(zhuǎn)矩的變化。如圖9所示,如果監(jiān)測(cè)到在充油結(jié)束階段油壓過高,即充油時(shí)間過長(zhǎng),則存在輸出軸轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng),此時(shí)根據(jù)反饋值對(duì)初始充油時(shí)間進(jìn)行修正,并將修正值保存至E2PROM里面,同時(shí)保存此時(shí)的油溫油壓等參數(shù)。下一次換擋開始時(shí),初始充油時(shí)間讀取E2PROM里面的修正值進(jìn)行充油。這樣經(jīng)過5次的自適應(yīng)調(diào)整,使得初始充油過程達(dá)到理想的控制目標(biāo)。放油離合器的控制過程也是如此,即根據(jù)輸出軸轉(zhuǎn)矩變化來進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整,如圖10所示。在開環(huán)控制階段主要是根據(jù)油溫的不同對(duì)電磁閥的占空比進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。由于電磁閥的開啟時(shí)間受溫度的影響比較大,即根據(jù)溫度的變化對(duì)此過程進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。同一占空比下電磁閥的充油壓力隨油溫變化情況如圖11所示。在閉環(huán)控制階段,根據(jù)增量式PID進(jìn)行自適應(yīng)控制。以3擋升4擋為例說明采用此控制策略前后對(duì)換擋過程的影響。圖12是采用此控制策略之后的試驗(yàn)結(jié)果,與未采用此控制策略的結(jié)果相比(圖13):制動(dòng)器充油過程使得輸出軸轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)明顯減小(峰值減小約300N·m),沖擊度也明顯減小(峰值減小約1g/s)(兩次試驗(yàn)是在同一條件下進(jìn)行的)。圖13中PB1、PB2、PZ、PC1、nt和n2分別代表B1