液力自動變速器換擋過程中的離合器滑差控制

液力自動變速器換擋過程中的離合器滑差控制

最佳換擋控制方法適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性好的自動換能器控制算法是實現(xiàn)和充分發(fā)揮液力自動換能器優(yōu)勢的必要方法。所謂離合器控制換擋是指一個離合器接合,另一個離合器分離的擋位切換過程,這個過程一般可分為3個階段:準(zhǔn)備期、轉(zhuǎn)矩相和慣性相。在本文中對應(yīng)地稱之為充油階段、轉(zhuǎn)矩交換階段和速度同步階段。液力自動變速器的換擋過程是分離離合器與接合離合器協(xié)調(diào)工作的過程,如果接合離合器接合過快,則會導(dǎo)致多一個離合器傳遞轉(zhuǎn)矩而引起自動變速器過約束沖擊;而分離離合器分離過快,則會導(dǎo)致自動變速器動力傳遞中斷。因此,離合器控制換擋要同時對接合離合器和分離離合器進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制。目前針對換擋過程中的離合器控制有多種不同的控制方法。本文中采用離合器滑差控制的方法,以實現(xiàn)接合離合器和分離離合器之間的協(xié)調(diào)控制。鑒于不同換擋類型之間存在相似性,本文中以有動力升擋的情況為例,對離合器的滑差控制策略進(jìn)行分析;同時為突出重點,假設(shè)車輛運行在較高擋位時進(jìn)行換擋,此時液力變矩器保持閉鎖狀態(tài)。1等效動橫向轉(zhuǎn)換液力自動變速器的換擋元件通常包括多個離合器和制動器,分布在自動變速器結(jié)構(gòu)的不同部位。布置位置的不同導(dǎo)致每個離合器的滑差值和可傳遞的最大轉(zhuǎn)矩(以下簡稱轉(zhuǎn)矩容量)對于整個系統(tǒng)的影響程度不同,但在換擋過程中必須完成的就是離合器之間的轉(zhuǎn)矩交換。根據(jù)滑差和轉(zhuǎn)矩等價的原則,可將離合器等效遷移至輸入軸的位置,從而液力自動變速器的離合器控制就轉(zhuǎn)換為雙離合器控制的問題,如圖1所示。圖1中IE、Iv分別為發(fā)動機(jī)和整車負(fù)載的等效轉(zhuǎn)動慣量,CL、CH分別為換擋過程中在低擋位和高擋位接合的離合器,iL、iH分別為換擋過程中低擋位和高擋位的傳動比,λcL、λcH分別為CL、CH由原位置等效至輸入軸位置的滑差轉(zhuǎn)換系數(shù)。以滑差和轉(zhuǎn)矩等價為基礎(chǔ)的離合器位置等效遷移的轉(zhuǎn)換系數(shù)λ可根據(jù)行星排轉(zhuǎn)速平面圖法進(jìn)行計算。圖2為一款8擋液力自動變速器(8AT)的行星排機(jī)構(gòu)簡圖,1擋時離合器C1、B1、C43個離合器接合。圖3為8AT自動變速器在1擋時的行星排轉(zhuǎn)速圖,縱軸表示各個轉(zhuǎn)動件的轉(zhuǎn)速,每個行星排機(jī)構(gòu)或普通齒輪副機(jī)構(gòu)都處于單獨的平面內(nèi)。離合器的嚙合或剛性連接使不同的機(jī)構(gòu)平面之間通過共享縱軸的方式相交。R1、P1和S1分別代表行星排SP1的齒圈、行星架和太陽輪;R3、P3和S3分別代表行星排SP3的齒圈、行星架和太陽輪;G5、G8、G6和G10分別代表齒輪5、8、6和10;i01、i03、iG5_8、iG6_10分別為行星排SP1、行星排SP3、齒輪副G5/G8、齒輪副G6/G10的傳動比,n′s為離合器C4的滑差,ns為輸入軸位置等效離合器的滑差。根據(jù)相似三角形原理,任意一個離合器的滑差值ns均可乘以相應(yīng)的比例系數(shù)λ等效為輸入軸位置等效離合器的滑差n′s,即n′s=λns(1)n′s=nP-nN(2)ns=nE-noig(3)式中:λ為離合器的滑差等效系數(shù),nP為離合器主動端轉(zhuǎn)速,nN為離合器被動端轉(zhuǎn)速,nE為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速,no為輸出軸轉(zhuǎn)速,ig為當(dāng)前擋位的傳動比。從圖3可計算出,1擋離合器C4的滑差轉(zhuǎn)換到等效離合器滑差時的滑差轉(zhuǎn)換系數(shù)λC4:λC4=iG5_8iG6_10i03=0.73(4)同樣的方法可以獲得所有離合器在所有擋位下的滑差轉(zhuǎn)換系數(shù)。2帶前饋的閉環(huán)pid控制鑒于成本和降低故障率的考慮,液力自動變速器一般只布置一個主供油油壓傳感器,而取消每個離合器的油壓傳感器。因此對于離合器的控制須通過速度傳感器計算出離合器的滑差狀況,進(jìn)而判斷離合器的運行狀態(tài),并將離合器的滑差設(shè)定為控制目標(biāo)。在液力自動變速器離合器滑差控制中采用等效離合器滑差,以實現(xiàn)離合器的統(tǒng)一管理和控制,完成穩(wěn)定的離合器間的轉(zhuǎn)矩交換。離合器的滑差通過帶前饋的閉環(huán)PID方法對離合器的轉(zhuǎn)矩容量進(jìn)行控制:如果離合器的轉(zhuǎn)矩容量大于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩,則發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩可被傳遞至輸出軸,離合器無滑差;如果離合器轉(zhuǎn)矩容量小于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩,只有等于離合器轉(zhuǎn)矩容量的那部分發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩可以傳遞至輸出軸,離合器的鋼片和摩擦片之間將會產(chǎn)生速度差,即離合器出現(xiàn)滑差。因此增大離合器轉(zhuǎn)矩容量將降低離合器滑差,減小離合器轉(zhuǎn)矩容量將增大離合器滑差。圖4為離合器的閉環(huán)滑差控制原理圖,其控制方法為帶前饋的閉環(huán)PID方法,該方法具有閉環(huán)控制穩(wěn)定和前饋控制快速的優(yōu)勢。當(dāng)主控制器判斷出離合器的目標(biāo)滑差nst后,將nst與實際反饋的離合器滑差ns進(jìn)行比較并通過帶前饋的PID控制器,將滑差偏差值轉(zhuǎn)換為離合器的命令轉(zhuǎn)矩Tcc。根據(jù)式(5)濕式多片離合器傳遞轉(zhuǎn)矩計算公式即可計算出離合器的命令油壓Pc,相應(yīng)的離合器在命令油壓Pc的作用下獲得轉(zhuǎn)矩容量Tc,進(jìn)而獲得離合器控制后的滑差ns。Tc=23μsSNPc(R3o?R3iR2o?R2i)(5)式中:μs是摩擦片的摩擦因數(shù),S是摩擦片的有效摩擦面積,N是摩擦面數(shù)目,Pc是離合器的推動油壓,Ri和Ro是摩擦面的內(nèi)徑和外徑。3在動態(tài)激勵下，對陽離子的控制策略3.1約束滑差控制在充油階段,目標(biāo)充油壓力既是液力自動變速器離合器獲得良好充油狀態(tài)的必要條件,同時也是為下一步接合離合器與分離離合器之間的轉(zhuǎn)矩交換提供正確的初始油壓必要條件。理想情況下目標(biāo)充油壓力應(yīng)設(shè)置為離合器開始接觸時的接觸點油壓。在離合器的接觸點,離合器的摩擦片和鋼片發(fā)生輕微接觸,此時離合器的轉(zhuǎn)矩容量稍大于0N·m。為區(qū)別于離合器的完全分離狀態(tài)此時的離合器轉(zhuǎn)矩容量記為0+N·m。因此在離合器的充油階段須達(dá)到式(6)和式(7)兩個離合器的轉(zhuǎn)矩目標(biāo):①降低離合器CL的轉(zhuǎn)矩容量,使其從完全鎖止?fàn)顟B(tài)的轉(zhuǎn)矩容量降低到即將分離的臨界狀態(tài);②增加離合器CH的油壓,使其轉(zhuǎn)矩容量從0N·m增加到0+N·m。然而對于控制器來說無法直接判斷①的臨界轉(zhuǎn)矩也無法直接區(qū)別0N·m和0+N·m。這時就須通過滑差轉(zhuǎn)速的計算來間接控制。即通過開環(huán)控制略微提高CH的充油壓力,同時將CL控制到微小的滑差狀態(tài)(等效滑差ns<20r/min),以柔性補(bǔ)償CH的過度充油。CL保持微小滑差狀態(tài)時,可以判斷其傳遞的摩擦轉(zhuǎn)矩約等于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩。TCH=0+N·m(6)TCL=TE(t)-IEαE(7)3.2約束加工中的扭矩交換控制液力自動變速器換擋操作的一個基本任務(wù)是將轉(zhuǎn)矩從離合器CL平穩(wěn)地移交給離合器CH,而不產(chǎn)生發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出軸轉(zhuǎn)速的波動。圖5為閉環(huán)滑差控制下的離合器轉(zhuǎn)矩交換過程。在轉(zhuǎn)矩交換階段離合器CL和CH都處于滑摩狀態(tài),其轉(zhuǎn)矩容量符合如下關(guān)系:TCL+TCH=TE-IEαE(8)假設(shè)在轉(zhuǎn)矩交換過程中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩和加速度不變,則有:T˙CL+T˙CH=0(9)式中:αE為發(fā)動機(jī)的加速度;T˙CL、T˙CH分別為離合器CL和CH的轉(zhuǎn)矩容量變化率。兩個離合器以大小相等符號相反的轉(zhuǎn)矩變化率交換轉(zhuǎn)矩。在轉(zhuǎn)矩交換階段離合器控制的難點在于:如果離合器CL的轉(zhuǎn)矩容量增加過快,則會使液力自動變速器過約束而產(chǎn)生沖擊;如果離合器CL的轉(zhuǎn)矩容量增加過慢,則會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)負(fù)載降低而引起發(fā)動機(jī)速度瞬間提升。由于系統(tǒng)油壓的不穩(wěn)定和響應(yīng)的延遲,很難保證離合器油壓曲線遵循理論曲線變化,不可避免地會出現(xiàn)上述兩種不穩(wěn)定情況,因此須通過離合器CL的閉環(huán)滑差控制來實現(xiàn)柔性的轉(zhuǎn)矩交換過程。在轉(zhuǎn)矩交換過程中,液力自動變速器仍然以低擋位傳動比工作,此時的滑差控制根據(jù)離合器CL的等效滑差計算,且目標(biāo)滑差被設(shè)定為20r/min,即微小滑差狀態(tài)。3.3發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制速度同步階段是整個液力自動變速器換擋操作中最關(guān)鍵的階段。在此階段發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速沿著參考速度變化曲線由當(dāng)前擋位的轉(zhuǎn)速值轉(zhuǎn)換到目標(biāo)擋位的轉(zhuǎn)速值,如圖6所示。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速對參考速度變化曲線的跟隨通過其滑差率τ的控制實現(xiàn)。τ=dns/dt(10)此階段的離合器滑差是通過閉環(huán)滑差控制器和發(fā)動機(jī)輔助轉(zhuǎn)矩控制共同實現(xiàn)的。為了輔助離合器的滑差控制同時降低車輛換擋沖擊,發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)(EMS)通過CAN總線接收到來自自動變速器電子控制單元的降矩請求及降矩值。發(fā)動機(jī)的降矩目標(biāo)值TE為TE=TCH-IEτ(11)4尾架的pid控制特點將離合器滑差控制算法移植到試驗車的控制器上,并進(jìn)行了試驗測試。通過CANape標(biāo)定軟件采集測試結(jié)果,如圖7所示。由圖可見:(1)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在換擋過程中過渡平穩(wěn),發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與輸出軸轉(zhuǎn)速的傳動比穩(wěn)定,離合器目標(biāo)滑差控制準(zhǔn)確,通過閉環(huán)滑差控制,離合器的轉(zhuǎn)矩容量與期望的轉(zhuǎn)矩容量曲線基本吻合,體現(xiàn)了前饋PID控制方法的優(yōu)勢;(2)在充油階段,離合器CH表現(xiàn)出微小的過度充油,與控制目標(biāo)相符;由于離合器CL的微小滑差控制使其從閉鎖轉(zhuǎn)矩精確地降低到分離臨界轉(zhuǎn)矩,并由此產(chǎn)生的柔性補(bǔ)償效果避免了過約束的情況;在轉(zhuǎn)矩交換階段,通過對離合器CL的滑差控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩從離合器CL平滑地轉(zhuǎn)交到離合器CH,但兩個離合器的轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)出50～150ms的響應(yīng)延遲;在速度同步階段,發(fā)動機(jī)的速度同步過程快速、平穩(wěn),此階段EMS響應(yīng)了降矩請求,對實現(xiàn)平滑的速度同步過程和降低車輛換擋沖擊起到了輔助作用;(3)在整個有動力升擋過程中,液力自動變速器輸出軸轉(zhuǎn)速平穩(wěn),沒有出現(xiàn)明顯波動;由結(jié)果曲線還可看出,汽車在換擋過程的沖擊度控制在20m/s3以下,駕駛員主觀評價優(yōu)良,未感覺到換擋沖擊。5控制及控制條件在液力自動變速器的換擋過程中,采用帶前饋