自动变速器换档品质的控制

自动变速器换档品质的控制

目前，自动分离器广泛应用于各种民用和军用交通工具，如汽车、坦克、装甲和商用车。当前使用的自动变速器(AT)主要分三种类型:由液力变矩器和辅助机械变速器两部分组成的液力机械式HMT(HydraulicMechanicalTransmission)、机械式AMT(AutomatedMechanicalTransmission)和无级变速CVT(ContinuouslyVariableTransmission),其中HMT应用最广。自动变速器的换档品质是指换档过程总体特性的优劣,是一个重要性能指标。换档品质控制已成为一个重要的研究课题。液力机械式自动变速器(HMT)的换档品质控制目前大多是通过电液系统来完成的。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简化,使得易于获得直接应用于实时控制的分析结果。论文通过换档过程的简要分析,使换档过程得到了直观的理解,获得了对换档品质控制具有应用价值的有用结果。1换档过程中的油压变化规律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。换档品质控制的主要目的是: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。换档品质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,是本文的主要研究内容。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就会造成换档不平稳,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。为提升换档品质,需要制定换档过程中相关结合元件的油压变化规律。换档品质的控制方式可分为开环控制和闭环控制两种。其中开环控制方式有全液压式控制和电子控制等方法,闭环控制有扭矩估计法和输出轴转速微分法等控制方法。但是闭环控制方式现在还未进入产业化的应用。目前液力自动变速器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、车速等信号等对结合元件进行控制,实现平稳换档。2简化车辆换档动力学模型换档过程的分析模型大致分为两种。复杂的详细模型可以考虑详细的系统细节,通常只能通过数值方法进行求解,不易获得可以用于实时控制的结果,并且不易获得定性分析结果。所以详细模型常用于进行系统仿真,验证简化模型分析结果的正确性等。另外一种是简化模型,通过对系统的适当简化易于获得直接的分析结果。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阻力为常数。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;TC1为离合器C1的扭矩;TC2为离合器C2的扭矩;ωC1为离合器C1的相对角速度;ωC2为离合器C2的相对角速度。2.1发动机转速和油路开度的模型描述对于研究换档品质,发动机的高频振动通常忽略不计,发动机作为一个旋转的刚体处理。发动机的输出扭矩特性是以发动机转速ωE和油门开度αTH为坐标的两维图表,可以用发动机转速和油门开度的函数来表达ΤE=ΤE(αΤΗ‚ωE)(1)液力变矩器的模型用变矩器的泵轮稳态特性描述ΤΡ=λ(i)γD5ω2Ρ(2)ΤΤ=Κ(i)ΤΡ(3)其中:i为变矩器传动比;D为变矩器有效直径;γ为油液密度;λ(i)为泵轮转矩系数。2.2结合元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=ωΤi1Μ-ωGi1S(4)ωC2=ωΤi2Μ-ωGi2S(5)其中:i1M为输入轴到离合器C1的传动比;i1S为离合器C1到输出轴的传动比;i2M为输入轴到离合器C2的传动比;i2S为离合器C2到输出轴的传动比。2.3车辆总质量d等效至输出轴的车辆运行时的阻力力矩为ΤL=(Fwind+Froll+Fincl)rRiD(6)其中:rR为轮胎半径;iD为差速器减速比;Fwind为风阻;Froll为滚动阻力;Fincl为坡道阻力。Fwind、Froll和Fincl分别由下式计算Fwind=12ρcwA(ωGrRiD)2(7)Froll=μrmgcosα(8)Fincl=mgsinα(9)ΤG=ΤL+˙ωGJΟ(10)其中:cw是空气阻力系数:ρ是空气密度;m是车辆总质量;μr是滚动阻力系数;α是坡道倾角。2.4滑摩下局部滑摩综合以上分模型可得换档过程的数学模型为[JΙ00JΟ](˙ωΤ˙ωG)=(ΤΤ-1i1ΜΤC1-1i2ΜΤC2-ΤL+i1SΤC1+i2SΤC2)(11)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(12)其中: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(12)代入式(11)即可。当结合元件处于结合状态时,扭矩不能通过(12)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=ixx=1,2(13)其中:i1=i1Mi1S为通过离合器C1的传动比;i2=i2Mi2S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=i1ΤΤ-ΤL+1i2Μ(i2-i1)ΤC2i21JΙ+JΟ(14)ΤC1=1JΟ/i21Μ+i21SJΙ(JΟi1ΜΤΤ+i1SJΙΤL-(JΟi1Μi2Μ+i1Si2SJΙ)ΤC2)(15)当C2结合,C1滑摩时对应的表达式是类似的。将式(14)代入式(10)即可得到变速器输出扭矩。3压力下多自由度克氏原螯虾协同点的结构工作原理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1所示。为减小篇幅,以下的分析主要针对升档过程。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。图3是利用所建立的分析模型对由1档换入2档升档过程的分析结果。如图所示,离合器C2在经过一段死区时间后开始充油,在间段I消除离合器间隙,压力较小。完成充油以后,离合器C2油压快速上升,在此阶段低档离合器C1开始释放油压并分离。在惯性相,高档离合器C2经过一段时间的滑摩以后逐渐达到同步并结合,结合点称为同步点。在扭矩相,ωC2、TC2均为正值,C2传递正向扭矩。随着处于滑摩状态C2传递扭矩的逐步增加,仍然保持结合状态CI传递的扭矩逐渐减小,C1传递的扭矩由式(15)计算。图3中所示是C1油压释放比较适当的情况,使得恰好在传递扭矩为零时分离。如果C1的油压释放过早将在传递扭矩尚未达到零时就开始滑磨,C1的油压释放过迟将在传递扭矩过零反向后仍不能及时分离,两种情况都将造成过大的扭矩相冲击。扭矩相结束后系统进入了两自由度的惯性相阶段,变速器的传动比不确定。在惯性相,伴随离合器C2的相对转速降低,涡轮转速也降低,涡轮输出扭矩TT增大,如果C2结合油压不变,则TC2不变,那么式(20)表示的离合器c2的减速度变小,减缓了离合器C2的结合。如果C2油压不足,会导致在˙ωC2=0,而ωC2≠0,离合器长期滑摩,不能进入同步状态。因此恰当的油压可以保证C2的及时结合和减小其结合过程的滑磨功。在同步点由于C2离合器由滑磨转变为结合,传递扭矩由式(12)计算的控制扭矩转变为由式(15)计算传动扭矩,从而造成传递扭矩的跳变。传递扭矩在同步点的跳变造成输出扭矩的阶跃冲击。因此在在保证可靠结合前提下,应使同步点的油压对应的控制扭矩尽可能与换档后的传动扭矩相同,以减小阶跃冲击。C2结合后为保证在换入档的可靠工作,应该进一步提高其供油油压。到此,换档结束。降档过程与升档过程有所不同,但其分析是类似的,限于篇幅在此不作详细分析。4换档控制策略的应用1.本文建立了自动变速器换档品质控制分析的简化动力学模型,该模型可直接应用于换档品质的实时控制。2.应用建立的模型对换档过程进行了分析,不仅对换