AT升擋過程發動機協調控制的試驗研究*

萬國強，李克強，羅禹貢

(清華大學，汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084)

?

2015175

AT升擋過程發動機協調控制的試驗研究*

萬國強，李克強，羅禹貢

(清華大學，汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084)

發動機協調控制是提高變速器換擋品質的重要技術手段。本文針對由DEUTZ BF4M1013單體泵柴油機和Allison S2000液力自動變速器組成的動力傳動系統，制定了換擋過程發動機協調控制策略，并與斷油控制進行了臺架對比試驗。結果表明：單體泵柴油機的轉矩響應能滿足換擋過程協調控制的要求；發動機斷油控制雖然顯著地減小了換擋過程的滑摩功和正向沖擊度，但是在換擋結束時產生了更嚴重的反向沖擊度；而基于轉矩的發動機協調控制不僅有效地減小了換擋過程的正向沖擊度和反向沖擊度，而且有效地減少了滑摩功，提高了換擋品質。

柴油機；自動變速器；換擋過程；協調控制

前言

車輛的動力性、經濟性和舒適性一直是人們追求的目標。液力自動變速器(automatic transmission, AT)換擋品質是影響車輛舒適性的重要方面。提高換擋品質，不僅需要自動變速器的精確控制，而且要求發動機進行有效的協調控制[1-4]。

本文中針對由DEUTZ BF4M1013單體泵柴油機和Allison S2000液力自動變速器組成的動力傳動系統，制定了換擋過程發動機協調控制策略，并進行了臺架試驗研究。

1 動力傳動系統簡介

所研究的動力傳動系統由DEUTZ BF4M 1013渦輪增壓單體泵柴油機和Allison S2000離合器-離合器換擋式液力自動變速器組成，其結構簡圖如圖1所示。各個擋位的傳動比和離合器工作狀態如表1所示，其中，×表示離合器接合。

表1 自動變速器各擋位傳動比和離合器工作狀態

2 基于轉矩的發動機協調控制策略

斷油控制和基于轉矩的協調控制是換擋過程發動機主要采取的兩種協調控制方式。由于斷油控制實現比較簡單，本文不再贅述。

基于轉矩的換擋過程發動機協調控制是指：在換擋過程中，通過發動機輸出轉矩的合理控制，使自動變速器的輸出軸轉矩接近理想值，從而減小輸出軸轉矩波動，提高換擋品質。

基于轉矩的發動機協調控制的關鍵在于發動機目標輸出轉矩的確定。理想的輸出軸轉矩如圖2中的ABC曲線所示[5]。從圖2中可以看出，理想的輸出軸轉矩一般隨換擋時間逐漸減小，其初值等于換擋前輸出軸負載轉矩。其中，AB段為轉矩相，BC段為慣性相。A點轉矩值為換擋前輸出軸負載轉矩；C點轉矩值由發動機調速特性和變速器高擋傳動比確定。換擋過程輸出軸轉矩變化的速率根據試驗標定的換擋時間確定。

根據圖1和表1可知：Allison S2000自動變速器1擋時，C1和C5離合器接合；2擋C1和C4離合器接合。1-2升擋過程，C5離合器分離，C4離合器接合。由于各個行星排組件的轉動慣量較小，故忽略了各個行星排組件轉動慣量對換擋過程的影響。根據轉矩相和慣性相的特點，對其進行動力學分析。

(1) 在轉矩相，變速器的傳動比仍然保持不變，因此輸出軸轉矩To、渦輪軸轉矩Tt和C4離合器傳遞的轉矩TC4之間滿足：

To=i1(Tt-TC4)

(1)

式中i1為自動變速器1擋傳動比。

(2) 在慣性相，由于C5離合器已經分離，C5離合器傳遞的轉矩此時為0，所以渦輪軸轉矩、輸出軸轉矩之間滿足：

To=i2Tt

(2)

式中i2為自動變速器2擋傳動比。

結合圖3理想升擋過程輸出軸轉矩，根據式(1)和式(2)就可以確定換擋過程渦輪軸的目標轉矩。在得到了渦輪軸目標轉矩之后，就可以根據液力變矩器模型確定換擋過程發動機的目標輸出轉矩Te[6]為

(3)

式中：k為變矩比；It為渦輪軸及其相連軸系等效慣量；ωt為渦輪軸角速度；Ie為飛輪及其相連軸系等效慣量；ωe為發動機曲軸角速度。

換擋過程中，動力傳動系統控制器(powertrain control module, PCM)不僅對自動變速器的高、低擋離合器進行控制，而且對發動機的輸出轉矩進行協調控制。換擋過程發動機協調控制流程見圖3。

PCM首先通過傳動比判斷換擋過程處于轉矩相還是慣性相，然后根據理想輸出軸轉矩，通過式(1)或式(2)計算渦輪目標轉矩。在確定了渦輪目標轉矩之后，PCM根據液力變矩器模型，通過式(3)確定發動機目標輸出轉矩。最后，PCM根據基于轉矩的發動機控制策略，確定發動機目標指示轉矩，再通過查相關的發動機控制MAP，確定噴油脈寬和噴油提前角[7]。

3 試驗平臺與方法

3.1 試驗平臺

本文中進行換擋過程試驗研究的試驗平臺如圖4所示。試驗平臺主要包括DEUTZ BF4M 1013單體泵柴油機、Allison S2000液力自動變速器、萬向節聯軸器、轉矩儀、測功機、慣量箱、動力傳動系統控制器、監控系統、標定系統、數據采集系統和輔助系統等。其中，測功機為洛陽南峰CW440型電渦流測功機；慣量箱為ZL-GL20慣量加載系統，可以加載慣量范圍為3～20kg·m2；轉矩儀為華欣機電HX-906型轉矩信號耦合器，量程2 000N·m，精度0.5%。

3.2 試驗方法

由變速器輸出軸的轉矩平衡條件得

(4)

式中：Tl為變速器輸出軸負載轉矩；Iv為等效至變速器輸出軸的整車轉動慣量；ωo為輸出軸角速度。

Iv=(Iw+mr2)/if2

(5)

式中：Iw為所有車輪的轉動慣量；m為整車質量；r為車輪半徑；if為主傳動比。

由車輛動力學[8]得

(6)

式中：g為重力加速度；f為滾動阻力系數；θ為坡度角；Cd為空氣阻力系數；A為正面迎風面積；v為車輛行駛速度。

換擋過程車速變化較小，如果忽略換擋過程坡道的變化，則可以認為換擋過程中變速器輸出軸負載轉矩基本不變。因此，利用動力傳動系統臺架進行換擋過程試驗研究，可以根據式(5)確定試驗臺架慣量加載系統所需要加載的慣量，根據式(6)確定測功機所需要加載的負載轉矩。

3.3 評價指標

(1) 沖擊度j：沖擊度定義為車輛縱向加速度的變化率，即

(7)

式中a為車輛行駛縱向加速度。

由式(7)可以看出，沖擊度是由于輸出軸的轉矩波動引起的，與輸出軸轉矩的變化率成正比。通過測量輸出軸轉矩，根據式(7)計算換擋過程的沖擊度。

(2) 滑摩功Wc

(8)

式中：ts和tf為換擋開始和換擋結束時間；Tc為離合器傳遞的摩擦轉矩；ω1和ω2為摩擦元件主、從動片的角速度。

4 試驗結果與分析

為了驗證升擋過程發動機協調控制的可行性與有效性，在動力傳動系統試驗平臺上進行了1-2升擋過程發動機不進行協調控制、斷油控制、基于轉矩的協調控制的對比試驗研究。

4.1 輸出軸負載轉矩150N·m的1-2升擋過程

輸出軸負載轉矩為150N·m的1-2升擋過程發動機不進行協調控制、斷油控制、基于轉矩的協調控制的試驗結果如表2和圖5～圖7所示。

表2 試驗結果對比(150N·m)

由表2可見：輸出軸負載轉矩為150N·m的1-2升擋過程，發動機通過斷油控制，輸出軸轉矩峰值減小了26.1%，滑摩功減小了27.5%，最大正向沖擊度減小了25.9%，但是在換擋結束時，最大反向沖擊度增加了15.1%；發動機通過基于轉矩的協調控制，輸出軸轉矩峰值減小了30.4%，滑摩功減小了20.6%，最大正向沖擊度減小了49.4%，最大反向沖擊度減小了43.4%。

4.2 輸出軸負載轉矩300N·m的1-2升擋過程

輸出軸負載轉矩為300N·m的1-2升擋過程發動機不進行協調控制、斷油控制、基于轉矩的協調控制的試驗結果如表3和圖8～圖10所示。

表3 試驗結果對比(300N·m)

由表3可見：輸出軸負載轉矩為300N·m的1-2升擋過程，發動機通過斷油控制，輸出軸轉矩峰值減小了41.9%，滑摩功減小了46.6%，最大正向沖擊度減小了18.5%，但是在換擋結束時，最大反向沖擊度增加了39.2%；發動機通過基于轉矩的協調控制，輸出軸轉矩峰值減小了40.3%，滑摩功減小了42.5%，最大正向沖擊度減小了52.3%，最大反向沖擊度減小了21.6%。

綜上所述，在升擋過程中，如果能及時減少發動機的噴油量(例如通過斷油控制或者基于轉矩的協調控制)，就可以有效地抑制輸出軸轉矩的增加，并顯著地減小換擋過程的正向沖擊度和滑摩功。

5 結論

本文中針對由DEUTZ BF4M1013單體泵柴油機和Allison S2000液力自動變速器組成的動力傳動系統，進行了升擋過程發動機協調控制試驗研究。試驗結果表明：

(1) 單體泵柴油機的轉矩響應能夠滿足換擋過程協調控制的要求；

(2) 如果能夠通過發動機協調控制(例如斷油控制或者基于轉矩的協調控制)，減小升擋過程發動機的噴油量，就可以有效地抑制輸出軸轉矩的增加，并顯著地減小升擋過程的正向沖擊度和滑摩功；

(3) 雖然發動機斷油控制可以有效地減小升擋過程的滑摩功和正向沖擊度，但卻增大了換擋結束時產生的反向沖擊；

(4) 基于轉矩的發動機協調控制不僅有效地減小了升擋過程的沖擊度和滑摩功，且能減小反向沖擊，有效地提高了換擋品質。

[1] D’ Anna Tom, Govindswamy Kiran, Wolter Frank, et al. Aspects of Shift Quality with Emphasis on Powertrain Integration and Vehicle Sensitivity[C]. SAE Paper 2005-01-2303.

[2] Gibson Alex, Kolmanovsky Ilya. Modeling and Analysis of Engine Torque Modulation for Shift Quality Improvement[C]. SAE Paper 2006-01-1073.

[3] 黃英,趙長祿,張付軍,等.車輛動力傳動一體化控制對換擋過程影響的實驗研究[J].汽車工程,2004,26(6):710-713.

[4] 郭偉,王書翰,徐向陽,等.液力自動變速器協同控制的研究[J].汽車工程,2013,35(2):168-172.

[5] Minowa Toshimichi, Ochi Tatsuya, Kuroiwa Hiroshi, et al. Smooth Gear Shift Control Technology for Clutch-to-Clutch Shifting[C]. SAE Paper 1999-01-1054.

[6] 馬洪文,馬彪,孫憲林.動力傳動系統變矩器輸入轉矩測定方法研究[J].中國機械工程,2003,14(16):1428-1430.

[7] 于世濤,周興利,楊曉峰,等.基于扭矩控制的電控單體泵柴油機仿真模型的研究[J].內燃機工程,2006,27(2):29-32.

[8] 余志生.汽車理論[M].北京:機械工業出版社,2006:7-18.

An Experimental Study on Engine Coordinated Control in theUpshift Process of Automatic Transmission

Wan Guoqiang, Li Keqiang & Luo Yugong

TsinghuaUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSafetyandEnergy,Beijing100084

Engine coordinated control is an important technical means to improve the shift quality of transmission. In this paper, an engine coordinated control strategy in shifting process is proposed for the powertrain system composed of DEUTZ BF4M1013 unit pump diesel engine and Allison S2000 automatic transmission, and a comparative test against fuel-cutoff control is conducted. The results show that the torque response of diesel engine with unit pump can meet the requirements of coordinated control of shifting process. Though fuel cut-off control can significantly reduce the sliding friction work and positive shift jerk in shifting process, but it causes larger negative shift jerk at the end of shifting process, while the torque based engine coordinated control can not only reduce sliding friction work, but also effectively lower both positive and negative shift jerks.

diesel engine; automatic transmission; shifting process; coordinated control

*國家自然科學基金(51475043)資助。

原稿收到日期為2014年2月17日，修改稿收到日期為2014年4月18日。