重型AT換擋品質仿真研究

朱海天，李紅勛，孟祥德，趙子涵

(1.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津300161;2.軍事交通學院 國家應急交通運輸裝備工程技術研究中心，天津300161)

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● 車輛工程Vehicle Engineering

重型AT換擋品質仿真研究

朱海天1，李紅勛2，孟祥德2，趙子涵1

(1.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津300161;2.軍事交通學院 國家應急交通運輸裝備工程技術研究中心，天津300161)

利用AMESim軟件和Matlab/Simulink軟件建立某重型AT油壓控制系統和整車的聯合模型，分析單位階躍和單位斜坡這兩種典型PWM控制信號占空比下車輛的動力學參數和離合器充放油規律。選取二擋升三擋過程，分析離合器充放油規律。引入換擋質量參數作為換擋品質的評價指標，對油壓參數進行優化設計。仿真結果表明，采用優化后油壓規律控制的換擋過程，車輛沖擊度較優化前減小28.11%，離合器的滑磨功率數值較為合理，車輛的換擋品質得到有效改善。

重型AT；換擋品質；優化控制

重型液力自動變速器(automatic hydraulic transmission，AT)的換擋過程是由液壓控制系統控制一個離合器接合，另一個離合器分離實現的，換擋品質標志著換擋過程總體特性的好壞[1-2]。換擋沖擊的產生主要是由于離合器傳遞轉矩不穩定，而離合器所傳遞的轉矩又與其接合密切程度相關，因此，有效地控制換擋時離合器油壓的變化規律，可得到良好的換擋品質[3]。

目前，國外對重型AT換擋品質控制方面研究較多，技術相對成熟。Kohei對電液控制閥進行了改造，從而控制離合器的接合壓力[4]。N Narumi對閉鎖離合器采用打滑控制，解決了燃油經濟性和行駛平順性間的矛盾[5]。B Z GAO等應用ISS理論，采取反步法設計了離合器到離合器的換擋控制器，提升了換擋品質的控制性能[6]。

本文在建立某重型AT油壓控制系統和整車聯合模型的基礎上[7]，分析了單位階躍和單位斜坡這兩種典型PWM控制信號占空比下車輛的動力學參數和離合器充油規律。以二擋升三擋過程為例，分析了離合器充放油交替規律。通過引入換擋質量參數g(ψ，γ)對油壓變化規律進行優化。仿真結果表明，采用優化后的油壓變化規律能夠顯著提升重型AT的換擋質量。

1　AT換擋過程仿真

1.1仿真模型建立

以某重型AT作為研究對象，在分析其控制閥體以及內部結構的基礎上，利用AMESim軟件建立其主油壓調節閥模型、主控制油壓調節閥模型、常閉和常開換擋電磁閥以及雙邊節流滑閥的仿真模型，根據其油壓控制系統原理建立離合器油壓控制模型。

在分析某重型AT結構的基礎上，根據某重型車輛動力傳動系統的相關參數，利用Matlab/Simulink軟件，建立包括發動機、液力變矩器、變速箱以及車輛負載在內的整車模型。最后根據建立的離合器油壓控制系統模型和整車模型，組建基于離合器油壓控制的車輛換擋聯合仿真模型(如圖1所示)。

1.2仿真參數設置

在搭建的車輛換擋聯合仿真平臺上進行AT的換擋過程仿真。其中，除ECU占空比控制信號外，其余參數嚴格按照搭載重型AT的某重型越野車輛實際傳動參數進行設置[8]。

分別使用單位階躍占空比信號和單位斜坡占空比信號模擬ECU發出的換擋控制信號(如圖2和圖3所示)。模擬車輛在100%油門下從一擋起步直至最高擋位，然后在制動力作用下減速，設定換擋規律為每隔5 s進行一次換擋。其中，C1～C6分別為某重型AT的6個離合器。

圖1　聯合仿真模型

圖2　單位階躍控制信號

圖3　單位斜坡控制信號

1.3仿真結果分析

運行仿真后，分別得到兩種輸入信號下的車輛沖擊度、滑磨功率、主油壓變化曲線和各離合器油壓變化曲線，如圖4～圖7所示。

圖4　車輛沖擊度

圖5　車輛滑磨功率

圖6　主油壓變化

圖7　各離合器油壓變化

由圖4和圖5可以看出，當輸入單位階躍信號時，換擋時間較短，車輛在換擋時刻沖擊度有較大變化，而離合器滑磨功率較小；當輸入單位斜坡信號時，換擋時間增加，車輛沖擊度減小，但離合器滑磨功率增大，該結果也驗證了車輛的沖擊度和滑磨功之間的固有矛盾。從圖6和圖7來看，無論是換擋過程中突變的階躍油壓還是較為平緩的斜坡油壓都在一定程度上影響了車輛的換擋品質。因此，很有必要分析離合器油壓對換擋品質的影響規律，優化油壓變化規律，從而獲得較好的換擋品質。

2　離合器充放油規律

在換擋時，如果兩個離合器交替工作時序配合不好，就會出現動力中斷或重疊量過多等問題。以車輛二擋升三擋的過程為例，在該過程中，C5離合器放油，C4離合器充油，該過程控制的關鍵之處有兩點：一是兩個離合器油壓的緩沖控制，二是兩個離合器充放油的規律[8]。

該過程初期是由兩個離合器共同提供摩擦力驅動車輛。隨著C4離合器摩擦力矩增加及C5離合器摩擦力矩減小，行星排齒圈開始順時針旋轉，出現傳動比的變化，慣性力的作用增加，逐漸進入慣性相，直到換擋過程完成。但是如果C5離合器放油過快，而C4離合器充油又過慢，會使C5離合器逆時針旋轉而造成輸出軸轉矩下降。如果C5離合器放油過慢，C5離合器的摩擦力矩將變為阻力矩，導致功率損失。

3　AT換擋過程優化

3.1換擋質量參數

理想的換擋過程要求換擋過程的沖擊度較小和滑磨功較少，因此目前通常用沖擊度和滑磨功率這兩個指標來定義換擋質量參數。綜合衡量沖擊度和滑磨功率兩個評價指標，定義換擋質量參數g(ψ，γ)作為評價換擋品質的綜合指標。

式中：ε1為沖擊度指標權重系數，且ε1≥0；ε2為滑磨功權重系數，ε2≤1；j為沖擊度，g/s；Wc為摩擦元件的滑磨功，J。本文采用ε1=ε2=0．5的權重系數定義換擋質量參數。通過對參數化的油壓進行多次仿真，對比分析各次仿真結果產生的換擋質量參數，從中選取比較理想的油壓變化規律。

3.2油壓參數設計

離合器油壓調節是基于脈寬調制高速電磁閥進行離合器充油放油控制，通過改變ECU輸出PWM控制信號的占空比，實現高速開關電磁閥開啟與關閉，進而調節離合器充放油。

下面以車輛二擋升三擋的換擋過程作為研究對象，以實車試驗測得的換擋電磁閥PWM控制信號占空比為基本曲線，在其上選取10個關鍵點，將曲線進行分段處理[10](如圖8所示)。

圖8　充放油PWM控制信號占空比分段變化曲線

設定在t時刻接收到換擋控制信號并開始進行換擋，并設置換擋時間與實車試驗的換擋時間相同。取b、d、e、h、m五個點的縱坐標為變化參數，設為θ1～θ5。為方便計算，給定參數θ1=0．4、0.6和1，θ2=0．2和0.4，θ3=0．4和0.6，θ4=0．4和0.6，θ5=0．2。設置參數后運行仿真，仿真結果如圖9所示。

圖9　二擋升三擋充放油優化結果

由圖9可以看出，第10次仿真結果的換擋質量參數最小，此時各油壓參數取值為θ1=0.6、θ2=0.2、θ3=0.4、θ4=0.6和θ5=0.2。

3.3仿真數據與試驗數據對比

采用優化后的油壓變化規律進行換擋過程仿真，將其與實車試驗數據進行對比，結果如圖10～圖12所示。

圖10　車輛沖擊度

圖11　離合器滑磨功率

圖12　離合器充油油壓

由圖10～圖12可以看出，采用優化后油壓規律控制的換擋過程，車輛沖擊度較優化前減小了28.11%，C4和C5離合器滑磨功率數值較為合理，峰值均在20 kW左右。由此可見，優化后的油壓控制規律能夠有效改善車輛的換擋品質。

4　結　語

本文在建立某重型AT油壓控制系統和整車聯合模型的基礎上，在聯合仿真平臺上分析了單位階躍和單位斜坡這兩種典型PWM控制信號占空比下車輛的動力學參數和離合器充油規律，驗證了車輛的沖擊度和滑磨功之間的固有矛盾。

以二擋升三擋過程為例，分析了離合器充放油交替規律。定義了換擋質量參數作為換擋品質的評價指標，以實車試驗結果為基礎，控制PWM控制信號占空比關鍵點的變化，對油壓參數進行了優化設計。仿真結果表明：采用優化后油壓規律控制的換擋過程，車輛沖擊度較優化前減小了28.11%，離合器的滑磨功率數值較為合理，車輛的換擋品質得到了有效改善。

[1]李春芾，陳慧巖，孫文濤，等．重型車輛液力機械自動變速器綜述[J]．汽車工程，2009，31(9)：876-880．

[2]吳光強，孫賢安．汽車自動變速器發展綜述[J]．同濟大學學報(自然科學版)，2010，38(10)：1478-1483．

[3]洪濤．工程機械自動變速器理論與控制系統研究[D]．上海：同濟大學，2007．

[4]KOHEI K，YASUNORI O．A transmission control system for construction machinery[J]．SAE Technical Paper 901557,1990:11．

[5]Narumi N，Suzuki H，Sakakiyama R．Trends of powertrain control[C]．Tokyo:International Congress on Transportation Eiectronics,1990:313-323．

[6]GAO B Z，CHEN H，SANADA K，et al．Design of clutch-slip controller for automatic transmission using backstepping[J]．IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2011，16(3)：498-508．

[7]高龍．大功率AT換擋離合器油壓對換擋品質影響的仿真分析[D]．天津：軍事交通學院，2014．

[8]唐新星，趙丁選，黃海東，等．工程車輛自動變速控制系統的仿真與試驗[J]．農業機械學報，2007，38(4)：26-29．

[9]李春芾．重型車輛AT電液換擋控制技術研究[D]．北京:北京理工大學，2012．

[10]孫文濤，陳慧巖．電控自動變速器換擋過程控制策略[J]．農業機械學報， 2008，39(10)：23-26．

(編輯：史海英)

Simulation Study of Heavy-Duty AT Shift Quality

ZHU Haitian1， LI Hongxun2，MENG Xiangde2，ZHAO Zihan1

(1.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China；2.National Emergency Transportation Equipment Engineering Technology Research Center,Military Transportation University， Tianjin 300161, China)

On the base of AMESim and Matlab/Simulink, a combined simulation model of automatic hydraulic transmission oil pressure control system and vehicle is established, the dynamic parameters of the vehicle and the variation rules of oil pressure under two typical PWM control signals are analyzed. Taking shifting process of the second gear upshift to third gear as an example, the rules of clutch filling and discharging are analyzed. The design of the oil pressure parameters is optimized by using shift quality parameters to evaluate shift quality. The simulation results show that during the optimized shift process, the degree of shock is reduced by 28.11%, the friction power is reasonable, and heavy-duty AT shift quality is improved.

heavy-duty AT; shift quality; optimal control

2015-08-23；

2015-10-27．

國家高技術發展計劃(863計劃)項目(2012AA112101)．

朱海天(1991—)，男，碩士研究生.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.06.008

U463.22

A

1674-2192(2016)06- 0032- 05