重型載貨車機械式自動變速器的動態仿真與應用*

李 駿，盧新田，向 羽，高炳釗，陳 虹

(1.第一汽車股份有限公司技術中心，長春 130011； 2.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025；3.東風本田汽車有限公司，武漢 430056； 4.吉林大學通信工程學院控制科學與工程系，長春 130025)

?

2015141

重型載貨車機械式自動變速器的動態仿真與應用*

李 駿，盧新田，向 羽，高炳釗，陳 虹

(1.第一汽車股份有限公司技術中心，長春 130011； 2.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025；3.東風本田汽車有限公司，武漢 430056； 4.吉林大學通信工程學院控制科學與工程系，長春 130025)

對于某款搭載12擋AMT的重型載貨汽車，在AMESim環境下搭建了包括發動機、離合器及其執行機構、變速器及其執行機構和車體與輪胎等部件的傳動系動態仿真模型，進行仿真并通過了臺架試驗和實車試驗的驗證。然后以搭建的傳動系模型為平臺，通過AMESim-Simulink聯合仿真，設計了車輛起步控制器并進行其參數標定。實車起步試驗結果表明，所設計的PID起步控制器能夠滿足實車起步的要求。

重型載貨汽車；機械式自動變速器；動態仿真；起步控制

前言

重型載貨汽車質量大、工作工況復雜，變速器總速比范圍寬、擋位數多[1]，因此，組合式變速器越來越多地應用在重型載貨汽車上。為了提高重型載貨汽車的操縱穩定性、動力性和經濟性，電控機械式自動變速器(AMT)得到了廣泛應用[2]。AMT具有傳動效率高、成本低、易于制造等優點。

本文中針對某款12擋AMT重型載貨汽車，應用AMESim軟件搭建了整車模型并進行了仿真研究，然后通過實車實驗驗證了該模型的有效性。最后，以整車仿真模型為被控對象，通過AMESim-Simulink聯合仿真，采用發動機恒轉速控制思想，并由PID控制算法通過控制離合器的壓緊力來控制起步過程。通過參數的調節并與實驗起步過程的對比，驗證了起步控制策略的有效性，說明基于動態仿真模型可以指導AMT起步過程的參數標定，提高整車廠自動變速器正向開發以及適應市場變化的能力。

1 仿真模型的搭建

帶12擋AMT變速器的重型載貨汽車的主要部件是：發動機、離合器及其氣動執行機構、變速器及其各部件執行機構、差速器、驅動軸及車體部分。

1.1 發動機

重型載貨汽車的動力源是柴油機，柴油機特性通過map表給出。發動機的最終輸出力矩是在map表插值的基礎上，考慮延遲時間和摩擦損失后的修正值。

1.2 離合器及其氣動執行機構

離合器采用電控氣動操縱方式，由4個PWM電磁閥控制進氣與排氣，并通過4個開關閥協調控制推動活塞運動，進而實現離合器的接合與分離。氣動控制電磁閥包括2個大閥和2個小閥，且均為先導閥加機械閥的形式，氣動執行機構如圖1所示。

1.3 變速器及其各部件執行機構

12擋AMT是組合式變速器，采用主、副雙箱式。主箱有6個擋位，采用無同步器電動換擋方式。副箱有2個擋位，采用同步器氣動換擋方式，且擋位搭配采用分段式配擋[3]。主箱選擋和換擋雙電機分別帶動一個滾珠絲杠來推動選換擋撥頭運動，這便將撥頭的運動分解為空間正交方向的2個運動。選、換擋執行機構如圖2所示，副箱及其同步器、氣動執行機構見圖3。

該AMT是在現有12擋手動變速器基礎上改進的，為了進一步縮短換擋時間，在主箱右中間軸前端安裝了氣動制動器，其氣動執行機構如圖4所示。

1.4 差速器、驅動軸及車體部分

驅動半軸的扭轉特性用帶阻尼的扭轉彈簧來模擬。輪胎模型中考慮了輪胎縱向滑移率-驅動力特性。行駛負載包括坡度阻力、地面對輪胎滾動阻力矩和空氣阻力3個部分，其中滾動阻力矩視為常值，坡度阻力是重力與坡度的函數，空氣阻力受車速和空氣阻力系數等影響。

以上所有子模塊搭建完成后，將其整合構成整車模型，如圖5所示。模型中含有大量需要配置的參數，包括阻尼系數、流量系數等難以直接得到的參數。這些參數首先由經驗給出，再通過臺架實驗進行標定和修正。

2 仿真模型的校驗

為了節約開發成本，首先通過臺架試驗進行模型校驗。模型參數的調整也是在這個時期完成，確定了所有模型參數之后，才進行實車試驗結果校驗。

采用開環控制校驗方式，即模型中柴油機、離合器、中間軸制動器、副箱同步器的氣動執行機構占空比和主箱選、換擋電機占空比等模型的輸入均采用臺架試驗的實際數據，通過對離合器執行機構活塞位移、中間軸制動器制動效能、主箱選換擋動作和副箱換擋動作的校驗，來驗證仿真模型的有效性。

2.1 離合器氣動執行機構的校驗

離合器氣動執行機構由2個進氣閥和2個排氣閥協調控制活塞運動實現，氣動執行器上裝有位移傳感器，能夠直接測得氣動執行器活塞的位移，然后按照一定比例就能得到離合器小端位移，進而通過膜片彈簧彈性特性得到離合器大端夾緊力。因此，離合器氣動執行機構的校驗主要是活塞位移的校驗。仿真結果與實驗結果對比如圖6所示。

1.5-1.9s為離合器斷開過程，進氣閥1，3同時開到最大使離合器以較快速度斷開。實驗和仿真中執行器響應滯后時間均為0.05s，離合器徹底斷開到最大位移處實驗用時約0.39s，仿真用時0.41s，仿真誤差約為5.1%。2.72s時，離合器開始接合，通過排氣閥控制占空比和實驗位移可以看出，離合器接合方式大體滿足“快—慢—快”的方式。接合全過程，離合器仿真時間與實驗時間一致，均為7.95s。由于載貨汽車質量大，且直接以2擋起步，因此，離合器接合時間較長，以減小沖擊度和噪聲。總體來看，離合器執行機構仿真模型滿足實驗要求。

2.2 中間軸制動器制動效能的校驗

該12擋AMT主箱無同步器，為了降低換擋時的齒輪沖擊，必須在待嚙合的接合套花鍵齒與對應齒輪接合齒圈轉速差小于一定值之后才能進行換擋。改進的變速器在主箱右中間軸上安裝制動器，這樣可以縮短待嚙合的兩對齒輪轉速同步的時間。因此，中間軸制動器氣動執行機構的校驗主要是換擋前輸入軸和輸出軸轉速差的校驗。仿真結果與實驗結果對比如圖7所示。

13.51-13.62s是2擋換3擋過程中接合套花鍵齒與對應齒輪接合齒圈轉速變化過程。12.9-13.4s是回空擋過程，為掛3擋做準備。掛入3擋之前，中間軸制動器氣動閥開啟，制動力使輸入軸轉速降低，車輛較大的等效慣量使輸出軸轉速基本不變；在13.63s即將掛入3擋時，3擋兩端齒輪轉速差實驗值約為150r/min，仿真值轉速差約為120r/min，滿足實驗要求，制動器制動效能較好。

2.3 主、副箱的校驗

該12擋變速器主箱6個擋、副箱2個擋，換擋過程中副箱沒有空擋，主箱有空擋，1-6擋時副箱在低擋位，7-12擋時副箱在高擋位。變速器的校驗主要是主箱選換擋撥頭位移校驗和副箱換擋撥頭位移校驗。這里為免贅述，只列了幾個典型校驗工況，如圖8～圖11所示。

由圖8可以看出:5擋升6擋過程中無選擋動作，也沒有副箱動作。5擋回空擋實驗用時0.2s，仿真用時0.24s，仿真誤差約為20%；空擋掛入6擋實驗和仿真用時均為0.19s。

由圖9可以看出：4擋升5擋時也沒有副箱動作，主箱除了有換擋動作外，還必須有選擋動作的配合。首先換擋桿要將4擋撥回空擋，然后選擋桿沿選擋槽移動到5擋換擋桿位置，最后掛入5擋。4擋回空擋過程中，仿真響應有一定延遲，實驗用時0.22s，仿真用時0.26s，仿真誤差約為18%；選擋動作實驗用時0.10s，仿真用時0.11s，仿真誤差約為10%；空擋掛5擋實驗用時0.24s，仿真用時0.21s，仿真誤差約為12.5%。

圖10和圖11表示6擋掛7擋過程中主箱和副箱動作。6擋升7擋分為如下幾步：主箱6擋回空擋、副箱換入高擋、主箱選擋和主箱掛上1擋(即7擋)。圖7顯示主箱選、換擋動作在整個階段仿真值與實驗值符合程度較好。圖8顯示副箱換擋位移動作，仿真動作較快，但并不影響主箱選換擋動作的執行，所以模型可用。

2.4 實車校驗

通過臺架試驗確定了所有模型參數并進行了各模塊的校驗之后，進行了模型的整車試驗校驗。

12擋AMT重型載貨汽車仿真車速與實驗車速對比如圖12所示。由圖12可以看出，擋位從2擋升到7擋時，仿真結果與實驗結果基本一致。

通過以上幾個部分仿真結果與實驗結果的校驗對比可以看出：主箱選擋、換擋和副箱換擋動作之間并沒有在時間上出現干涉。模型整體配合較好，離合器分離接合時間和選換擋時間等主要指標的精度達到80%以上，且仿真車速與實驗車速基本一致，從而驗證了仿真模型的有效性。

3 動態仿真模型的應用

起步性能是AMT系統性能的重要組成部分，離合器起步過程的控制目標是在保證離合器平穩接合的前提下，盡量減小離合器的滑摩功。若離合器接合速度過快，將導致起步過程產生較大的沖擊和噪聲；若離合器接合速度過慢，雖然可以降低沖擊度，但過長的滑摩時間將導致滑摩功增大，降低離合器的使用壽命[4]。因此，起步的平穩性和離合器滑摩程度是兩個矛盾的控制量。如何權衡兩者之間的關系，成為控制離合器起步過程的一大技術難點。

基于搭建的動態仿真模型，進行了起步控制策略的離線標定。起步控制采用發動機恒轉速控制原則[5-6]：以駕駛員控制的節氣門開度為依據，發動機輸出轉矩最大時對應的轉速為目標轉速，保證起步過程中，發動機在該對應轉速下恒定運行，但為了同時兼顧減少離合器滑摩損失，應盡量降低離合器主、從動盤的速差，權衡之下將發動機目標轉速限制在一定范圍之內。本文中柴油機限制最大轉速為1 200r/min，目標轉速與節氣門開度的關系如圖13所示。

起步控制通過PID控制方法來實現，通過微調控制離合器，使發動機轉速保持期望值。當發動機實際轉速大于期望轉速時，PID控制增大離合器的接合量，使發動機的負載增加，從而降低發動機的實際轉速；反之，PID控制減小離合器的接合量，增加發動機的實際轉速。PID控制框圖如圖14所示。

車輛行駛工況復雜，這里選擇2擋爬行起步作為代表性工況來驗證算法的可行性。選擇2擋爬行起步是因為貨車駕駛員經常采用2擋起步，AMT需要具有2擋起步的功能；此外，爬行起步對控制精度要求高，更能檢驗控制算法的性能和魯棒性。

通過AMESim-Simulink聯合仿真，標定好PID參數在節氣門開度為20%時，離合器接合過程仿真結果如圖15所示。由圖15可以看出，起步過程仿真用時8s左右。離合器逐漸接合直至同步閉鎖，在這個過程中，發動機轉速維持在800～900r/min之間，變化范圍較小，基本實現了恒轉速控制目標。這樣可以有效地改善發動機的工作條件，并減小離合器接合過程中的滑摩功，延長離合器的使用壽命。從仿真結果可見，標定后的起步控制器可以滿足車輛起步要求。

將以上標定好的PID控制器用于重型載貨汽車實車上，起步過程實驗結果如圖16所示。

由圖16可以看出，PID控制器用于實車的起步過程，實驗車以2擋起步。在發動機目標節氣門開度為20%左右時，起步過程實車實驗用時7.97s左右，與仿真起步過程用時基本相同。發動機轉速也能維持在轉速期望值附近。由實驗離合器位移可以看出，PID起步控制器能夠很好地控制離合器的接合量和接合速度。可見，基于動態仿真模型標定的控制器可以很好地實現實車起步。

4 結論

利用AMESim軟件，建立了某款重型載貨汽車傳動系的仿真模型，包括柴油機、離合器及其氣動執行機構、變速器主箱及其電動滾珠絲杠執行機構、副箱及其氣動執行機構、中間軸制動器及其氣動執行機構。通過與實驗結果的對比可以看出：離合器分離接合時間、選換擋時間等主要指標的精度可達到80%以上。驗證了模型有效性后，以搭建的傳動系動態仿真模型為平臺，通過AMESim-Simulink聯合仿真，對車輛起步控制器進行了仿真測試和參數標定。實車試驗結果表明：基于動態仿真模型標定的PID起步控制器能夠很好地適用于實車起步，基于模型的開發流程對提高自動變速器正向開發能力有重要意義。

[1] 曉青.2002年我國重型汽車市場形勢分析[J].重型汽車,2001(6):25-26.

[2] 劉振軍,秦大同,胡建軍.重型車輛自動變速技術及發展趨勢[J].重慶大學學報,2003(10):3-4.

[3] 陳家瑞.汽車構造[M].北京:機械工業出版社,2005.

[4] 葛安林.車輛自動變速理論與設計[M].北京:機械工業出版社,1993.

[5] Sun Tao, Hu Haiyan. Nonlinear Dynamics of a Planetary Gear System with Multiple Clearances[J]. Mechanism and Machine Theory, 2003,38(12):1371-1390.

[6] 孫冬野,陳然,秦大同,等.AMT汽車起步過程節氣門目標控制量的確定[J].汽車工程,2009,31(11):1020-1024.

Dynamic Simulation and its Application of the AMT for Heavy Trucks

Li Jun1, Lu Xintian1, Xiang Yu2,3, Gao Bingzhao2& Chen Hong2,4

1.R&DCenter,FAWGroupCorporation,Changchun130011; 2.JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl,Changchun130025; 3.DongfengHondaAutomobileCo.,Ltd.,Wuhan430056; 4.DepartmentofControlScienceandEngineering,JilinUniversity,Changchun130025

A dynamic simulation model for the powertrain system of a heavy truck equipped with a 12-speed AMT is set up with AMESim, which covers the sub-models of engine, clutch and its actuator, transmission and its actuator, body and tires. A simulation is conducted and verified by both bench and real vehicle tests. Then an AMESim-Simulink co-simulation is performed on the model established, and a vehicle start-up controller is designed with its parameters calibrated. The results of real vehicle starting test show that the PID start-up controller can meet the requirements of vehicle starting process.

heavy truck; automated manual transmission; dynamic simulation; starting control

*國家自然科學基金(61034001，61374046)和吉林省科技廳(20150204056GX，20130522183JH)資助。

原稿收到日期為2013年10月21日，修改稿收到日期為2014年3月5日。