机械自动变速箱(Automated Mechanical Transmission,AMT)存在换挡动力中断问题,要根本解决这一问题,需要在传统AMT的基础上增加扭矩辅助机构,作为另一条动力路径传递扭矩。在换挡时,通过协调控制发动机、变速箱及扭矩辅助机构,能够在换档时输出动力,实现动力不中断换档。

根据是否增加额外动力源,扭矩辅助型AMT分为2种:无源动力补偿型和有源动力补偿型^[1]。有源动力补偿装置通常以电机作为动力源,对原变速箱的结构改动小,控制简单,输出扭矩更精确^[2],但是成本较高,本文采用无源动力补偿方案。

根据换挡时刻发动机的状态不同,扭矩辅助型AMT换挡过程分为4种:有动力升挡、有动力降挡、无动力升挡和无动力降挡^{[3, 4]}。其中无动力换挡过程中,辅助离合器不工作,换挡控制与传统的AMT相同。许多专家学者^{[5, 6, 7, 8]}对此都做过详尽论述。本文则着重对有动力换挡过程中的升挡控制进行研究。

在传统AMT上,增加了一套由辅助离合器和自动控制装置组成的扭矩辅助机构,使其在换档时避免了动力中断。本文建立扭矩辅助型AMT的动力学模型,制定了扭矩辅助型AMT有动力升挡控制策略。基于2挡升3挡工况进行仿真研究,并通过整车试验验证该控制策略的有效性。

图 1为扭矩辅助型AMT结构方案。它以AMT为基础,在中间轴和输出轴之间增加扭矩辅助机构,换挡过程中传递扭矩。该系统有2个离合器:一个是起步离合器,位于发动机和变速箱之间,确保汽车平稳起步;另一个是辅助离合器,在换挡时传递扭矩。

1—起步离合器;2—输入轴;3—4、5挡同步器; 4—输出轴4挡齿轮;5—输出轴3挡齿轮;6—2、3挡同步器; 7—输出轴2挡齿轮;8—输出轴1挡齿轮;9—1挡倒挡同步器; 10—输出轴倒挡齿轮;11—输出轴辅助离合器齿轮; 12—输出轴;13—辅助离合器;14—倒挡轴; 15—中间轴倒挡齿轮;16—中间轴1挡齿轮; 17—中间轴2挡齿轮;18—中间轴3挡齿轮; 19—中间轴4挡齿轮;20—中间轴5挡齿轮;21—中间轴。 图 1 扭矩辅助型AMT结构方案 Fig. 1 Torque-assist AMT structure scheme

图选项

汽车起步时,起步离合器接合。起步结束后,起步离合器保持常接合状态。开始换挡时,辅助离合器的压力不断增加,传递的扭矩不断增大，当前挡位齿轮传递的扭矩不断减小。当扭矩减为零时,分离当前挡位的同步器,调整发动机转速,接合目标挡位同步器。当目标挡位齿轮完全接合时,降低辅助离合器压力直至为零,整个换挡过程结束。

图 2为扭矩传递示意图,以1挡升2挡为例说明换挡原理。开始换挡时,增大辅助离合器13的压力,使其开始传递扭矩。此时,一部分扭矩由中间轴21,通过辅助离合器13传递给输出轴12。随着辅助离合器扭矩不断增大,输出轴1挡齿轮8传递扭矩不断减小。当输出轴1挡齿轮8传递扭矩变为零时,推动1挡例挡同步器9,分离输出轴1挡齿轮8,此时辅助离合器13单独传递扭矩。扭矩传递路径如图 2黑色虚线所示。调整发动机的转速,当转速下降到2挡对应值时,推动2挡同步器6,输出轴2挡齿轮7接合。然后减小辅助离合器压力,辅助离合器扭矩不断变小,输出轴2挡齿轮7传递的扭矩不断增大,当辅助离合器扭矩为零时,换挡结束。此时的扭矩传递路径如图 2红色虚线所示。

图 2 扭矩传递示意图 Fig. 2 Schematic of torque transmission

图选项

发动机的扭矩T_e可表达为节气门开度α和转速n_e的函数,即T_e=f(α,n_e)。通过对发动机稳态试验数据进行插值,可以得到发动机的稳态扭矩^[9]。

但是发动机在实际工作时,通常都处于动态工况,此时气缸内部混合物浓度不断变化,使得输出扭矩偏离稳态扭矩,此时无法通过发动机稳态试验数据拟合得到实际输出扭矩。因此,需要在稳态扭矩T_e的基础上建立动态模型。发动机的动态输出扭矩T_ed可以表示为^[10]

式中:γ为非稳态工况下的发动机转矩下降系数,本文取0.03;ω_e为发动机曲轴角速度;ε₀为发动机曲轴角加速度。

离合器包括起步离合器和辅助离合器,二者均为湿式离合器。湿式离合器有3种工作模式:完全分离、滑摩和完全接合。完全分离时,湿式离合器的主从动摩擦片之间会产生很小的带排扭矩,本文认为湿式离合器在完全分离的状态下不传递扭矩^[11]。完全接合时,湿式离合器传递的扭矩是静摩擦扭矩。湿式离合器在完全分离和完全接合之间存在一个中间过渡过程,即滑摩过程,滑摩状态下湿式离合器传递动摩擦扭矩^[12]。

湿式离合器的滑摩过程非常复杂,油液特性和摩擦副特性都影响其扭矩传递。湿式离合器传递的扭矩T_c由2个部分组成:粗糙扭矩和黏性扭矩,即^{[13, 14]}

式中:T_r为粗糙扭矩;T_v为黏性扭矩。粗糙扭矩T_r是由摩擦面之间的凸起接触而产生的机械摩擦扭矩,其计算公式为^[15]

式中:Z为摩擦副的数量;N_p为有效摩擦面积占总面积的百分比;r_o为摩擦片的外径;r_i为摩擦片的内径;μ_c为摩擦系数;P_e为接触压力;ω_rel为主从动摩擦片转差。黏性扭矩T_v是由摩擦面之间的黏性剪切力通过边界油膜传递的扭矩,其计算公式为^[16]

式中:η_c为液压油黏度;φ_f和φ_fs分别为Patir和Cheng平均流量模型中的流量因数;h为油膜厚度。

扭矩辅助型AMT的变速齿轮箱是普通的平行轴齿轮箱,组成部分包含多对齿轮副和同步器。其中齿轮传动模型^[17]为

式中:ω_B为输入端转速;ω_F为输出端转速;i_a为变速器速比;T_B和T_F为输入端转矩和输出端转矩;η为齿轮机械效率。

变速器在工作时,通过对同步器施加作用力完成摘挡和挂挡过程。在同步过程中,同步器传递的扭矩为^[18]

式中:μ_s为同步器同步面摩擦系数;F_s为同步器上的同步换挡;R_si和R_so分别为同步器摩擦面的工作内径和外径;α_s为摩擦面的锥角。

同步时间为

式中:I_si和I_so分别为同步器输入端和输出端转动惯量;ω_si和ω_so分别为同步器输入端和输出端角速度;T_si和T_so分别为同步器输入端和输出端作用转矩。

本文使用“Magic Formula”轮胎模型。图 3为车轮-轮胎受力图,在水平良好路面上滚动的轮胎受到了纵向力和垂直力,V_x为轮胎轮心在前进方向的线速度,ω为轮胎围绕轮心转动的角速度,F_z为轮胎在垂直方向受到的负荷,F_x为轮胎地面接触点纵向力，存在如下力学平衡式^[19]:

图 3 车轮-轮胎受力图 Fig. 3 Wheel-tire force diagram

图选项

式中:T_drive为车轮驱动转矩;r_w为车轮半径;I_w为车轮转动惯量;ω为车轮角加速度;k为车轮滑移率,可由k=V_sx/丨V_x丨得到，其中V_sx为滑移速度，可由式(10)得到;另外4个系数B、C、D和E依据外倾角和垂直作用力决定。

在纵向x方向,轮胎由于受到外力作用,会产生一定程度的滑移,滑移速度为

在有动力升挡过程中,发动机输出正扭矩,由发动机驱动车辆。其特征为目标挡位增加,油门踏板开度增大,车辆速度增大越过升挡线。升档过程如图 4所示,以1挡升2挡为例,整个升挡过程分为3个阶段:摘挡阶段(从t₀到t₁)、发动机调速阶段(从t₁到t₂)和挂挡阶段(从t₂到t₃)。

图 4 升挡过程示意图 Fig. 4 Schematic of upshift process

图选项

扭矩辅助型AMT升挡时,起步离合器接合,变速器的输入轴与发动机曲轴刚性连接,且转动惯量较大。由于同步器的扭矩限制,主从动端转速必须精确匹配,再执行升挡;并且换挡过程中滑摩功和冲击度相互影响。因此,制定有动力升挡控制策略,协调控制辅助离合器、发动机和变速器,确保升挡过程迅速、平稳^[20]。

摘挡力为零时是变速器的最佳摘挡时机。此时变速器内部的接合齿轮处于零扭矩自由状态,既不传递动力,也不传递阻力。在实际换挡过程中,齿轮传递扭矩较小时,也能顺利摘挡。考虑到传感器精度,设定变速器的最佳摘挡时机为接合齿轮传递扭矩小于10 N·m。传统AMT在换挡时,通过分离离合器切断动力,实现顺利摘挡。对于扭矩辅助型AMT,通过精确控制辅助离合器,使得接合齿轮的扭矩逐渐过渡到辅助离合器,实现顺利摘挡,同时避免传动系统动力中断^[21]。

当控制系统发出升挡指令后,增大辅助离合器的压力,辅助离合器的扭矩不断变大,1挡齿轮传递扭矩不断减小。当1挡齿轮传递扭矩接近零时,分离1挡齿轮。此时变速器的输出扭矩为T_out=i_aT_a+i₁T₁,其中:T_a为辅助离合器扭矩;i₁为1档速比。可得1挡齿轮传递扭矩T₁=(T_out-i_aT_a)/i₁。

本文在变速器输出轴上安装了扭矩传感器,可以精确测量变速器输出扭矩T_out。而辅助离合器传递的扭矩T_a可以根据辅助离合器的压力等参数计算得到。结合经验值,设定1挡齿轮分离时的临界条件为丨T₁丨=丨(T_out-i_aT_a)丨/i₁≤10。在分离1挡齿轮后,进入发动机调速阶段。

变速器摘挡后,发动机通过辅助离合器将扭矩传递到车轮。当升挡时,基于当前车速和目标传动比,降低发动机转速,从而实现顺利换挡。由Genise的专利^[22]可知,当输出轴转速乘以目标挡位传动比与输入轴转速之差小于20 r/min时为最佳换挡转速。在实际控制中,由于换挡执行机构存在时间滞后,需要提前确定换挡转速值。因此,设定转速之差小于90 r/min为最佳换挡转速。

辅助离合器在传递扭矩的过程中,由于摩擦作用会产生热量。并且换挡过程,冲击度和滑摩功相互影响。为了实现最佳换挡性能,根据刘玺^[23]的研究成果,在发动机调速阶段采用二次型最优控制理论进行最优控制,冲击度和滑摩功作为性能指标函数。

由发动机曲轴状态方程J_p^*_e=T_e-T_a,可得

式中:J_p^*为发动机曲轴转动惯量。

由变速箱输出轴状态方程J_vv=i_aT_a-T_l,可得

式中:T_l为负载转矩;J_v为变速箱输出轴转动惯量;ω_v为输出轴角速度。

取状态变量为

取控制变量为

发动机调速阶段的状态方程为

式中:A为状态矩阵；B为控制矩阵;Γ为干扰矩阵。

系统的约束条件为

式中:ω_emin为发动机最低转速;ω_emax为发动机最高转速。

系统的初始条件为

式中:ω_e0为调速阶段开始时发动机的转速;ω_v0为调速阶段开始时输出轴转速;T_e0为调速阶段开始时发动机扭矩。

发动机调速阶段结束时,发动机转速与输出轴转速满足挂挡条件,即输出轴转速乘以目标挡位传动比与输入轴转速之差小于90 r/min，即9.42 rad/s。

根据发动机调速阶段的动力学方程,可得冲击度j和滑摩功L为

选取发动机调速阶段的最优控制性能指标函数为

式中：Q为正定加权矩阵。

变速器的输出扭矩为i_aT_a,其冲击度为

根据状态空间方程,使用变分法求得辅助离合器目标扭矩变化率的最优轨迹为

式中:P(t)、M(t)、h(t)和x(t)为待定系数,可以通过逆推法计算这4个系数,根据辅助离合器目标扭矩的变化率和控制周期,即可求得某周期的辅助离合器目标扭矩变化量,通过迭代运算得出辅助离合器目标扭矩。根据辅助离合器目标扭矩和系统的状态方程,即可求得发动机扭矩和辅助离合器主从动盘转速差等其他状态参数。

当发动机转速降低至2挡对应的目标值后,接合2挡齿轮。然后以适当的速度降低辅助离合器的压力,其传递的扭矩随之减小,2挡齿轮传递的扭矩不断增大,变速器的输出扭矩不断增大。辅助离合器压力下降的速度要适当,既不能过快,也不能太慢。增速过快会引起变速器输出扭矩的迅速下降,导致较大冲击;增速过小会延长换挡时间,加剧辅助离合器的磨损。

为了验证扭矩辅助型AMT有动力升挡控制策略的有效性,根据整车动力性模型建立仿真模型,进行基于2挡升3挡工况的仿真研究,表 1为整车参数,设定路面附着系数为0.8,风速为2 m/s,汽车空载,油门踏板开度为0.2。图 5为2挡升3挡仿真结果。

图 5 2挡升3挡仿真结果 Fig. 5 Simulation results from the second gear to the third gear

图选项

汽车在10.6 s开始升3挡,进入2挡摘挡阶段。为了顺利摘挡,不断增加辅助离合器传递的压力,2挡齿轮传递的扭矩不断变小,在10.9 s分离2挡齿轮,换挡过程进入发动机调速阶段。通过协调控制发动机和辅助离合器,使得发动机转速不断下降,在11.55 s发动机转速到达3挡对应的目标值,接合3挡齿轮同步器,换挡过程进入摘挡阶段,辅助离合器传递的扭矩不断减小,3挡齿轮传递的扭矩不断增加,当辅助离合器完全分离后,换挡过程结束。

由图 5(a)可知,发动机转速在整个换挡过程中变化比较平稳。由图 5(b)和图 5(c)可知,随着辅助离合器压力的上升,2挡齿轮传递的扭矩不断减小,来自发动机的扭矩由2挡齿轮逐渐向辅助离合器过渡,在10.9 s时,2挡齿轮传递扭矩为0,分离2挡齿轮,换挡过程进入发动机调速阶段。为了降低发动机转速,增大了辅助离合器压力,同时减小了节气门开度,当发动机转速到达3挡对应的转速值时,接合3挡齿轮。辅助离合器压力逐渐下降,3挡齿轮传递的扭矩不断增大,然后进入3挡行驶状态。由图 5(d)可知,在整个换挡过程中,变速器都能输出扭矩,从而避免了动力中断。由图 5(h)可知,挂挡时刻的冲击度最大,因为起步离合器保持接合,变速器输入轴与发动机刚性连接,转动惯量较大,容易产生冲击。但换挡冲击度绝对值的最大值为5.78 m/s³,可以接受,换挡过程基本平顺。

为了验证本文制定的换挡控制策略的有效性,在水平沥青路面上进行整车换挡试验,风速为2 m/s,汽车空载,油门踏板开度为0.2,图 6为2挡升3挡的试验结果。为测量变速箱输出轴扭矩和转速,在输出轴安装了扭矩转速传感器,车速由输出轴转速乘以相应系数求得。辅助离合器的压力由压力传感器测量,发动机转速由内置于发动机壳体的转速传感器测量。汽车的纵向加速度由加速度传感器测量,冲击度无法直接测量,由加速度进行微分求解,踏板开度传感器由角位移传感器测量。

图 6 2挡升3挡实验结果 Fig. 6 Test results from the second gear to the third gear

图选项

在11.1 s,汽车开始由2挡升3挡,此时辅助离合器的压力逐渐上升,辅助离合器传递扭矩不断增大,2挡齿轮传递扭矩不断变小。在11.35 s,2挡齿轮传递扭矩接近零,分离2挡齿轮,进入发动机调速阶段。根据目标传动比控制发动机输出扭矩和辅助离合器扭矩,增大辅助离合器压力,减小发动机节气门开度,从而增大发动机与辅助离合器扭矩之差使得发动机转速不断减小,待发动机转速接近目标转速时适当地减小辅助离合器压力,增大节气门开度,从而一定程度上减小发动机与辅助离合器扭矩值差,使得发动机转速尽可能长时间的维持在目标转速附近,为挂3挡创造条件。到12.1 s时,接合3挡齿轮,然后逐渐降低辅助离合器压力,直至为零,升挡过程结束。

由图 6(b)可知,辅助离合器的实际压力能够较好地跟随目标压力,辅助离合器压力智能控制系统能有效控制压力。由图 6(c)可知,在摘挡和挂挡时刻产生了一定冲击,因为在这2个时间点,变速器的传动比发生改变,容易产生扭矩波动。从图 6(d)可以看出,在换挡过程中变速箱一直输出扭矩,由于辅助离合器传动比较小,因此输出扭矩低于换挡前后的扭矩,但是汽车一直处于加速状态,动力性相对于传统AMT得到较大改善。在整个换挡过程中,冲击度绝对值的最大值为6.85 m/s³,可以接受,换挡过程基本平顺,保证了较好的换挡品质。

本文介绍了扭矩辅助型AMT的结构和工作原理,搭建了扭矩辅助型AMT的动力学模型,制定了有动力升档过程的控制策略。基于2档升3档工况,进行了扭矩辅助型AMT的仿真研究和整车试验。仿真和试验结果表明:

1)发动机转速、辅助离合器压力、换挡冲击度及车速信号仿真结果与试验结果接近,本文搭建的扭矩辅助型AMT车辆模型正确。

2)换挡冲击度参数仿真结果最大值为5.78 m/s³,试验结果最大值为6.85 m/s³,在精度允许范围内,满足换挡品质要求。

3)换档过程中有动力输出,换挡冲击度较低。证明本文提出的有动力升档控制策略可有效提高AMT车辆换挡品质。