機械式自動變速器換擋協調控制策略

周 輝，耿亦楠，張彥會

（1.東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州545005；2.廣西科技大學，廣西 柳州545005）

隨著汽車制造技術的發展，機械式自動變速器的性能也逐年提高。而在機械式自動變速器的性能要求中，換擋品質是其中最重要的一個環節。由于機械式自動變速器在換擋過程動力發生中斷以及前后擋位發生速比差，會造成擋過程中的頓挫與沖擊，這對發動機傳動系統造成一定的損傷，也給用戶帶來了不舒服感。為了解決這兩方面的問題，需要調整離合器的接合及分離狀態和發動機的扭矩，從而實現換擋過程中變速箱、發動機與離合器的協調性。

在汽車行業發展的早期，汽車整車通訊技術發展還較為落后，對機械式自動變速的控制只能通過變速器控制單元TCU調整發動機的節氣門開度，從而實現發動機與變速器的協調控制。杜常清等[1]提出去除傳統自動變速器的液力變矩器，從而使其同時兼備換擋方便和較高的傳動效率；劉振軍等[2]提出對發動機進行改裝，在發動機上加裝一個電子節氣門來控制發動機的轉速。謝先平等[3]提出將換擋的各個階段繼續細分成幾個更小的階段，進而實現縮短發動機對變速器控制時間。

但是以上方法均存在一定的缺點，由于無法快速準確地得到發動機轉速、扭矩等重要數據，也無法實現對發動機、機械式自動變速器和汽車離合器的協調控制。本研究通過由CAN總線實現機械式自動變速器與發動機的協調控制，在換擋的過程中，變速器由CAN總線暫時對發動機進行控制，并將此階段的換擋過程由發動機的控制策略分為3個部分：降低扭矩、保持轉速及恢復扭矩，這樣可以實現發動機、離合器以及機械式自動變速器在換擋過程中的同步控制。

1 機械式自動變速器工作特性分析

1.1 汽車發動機速度特性

發動機的速度特性是指在發動機的節氣門開度固定時，發動機的功率、油耗以及發動機的扭矩等評價指標隨曲軸轉速變化而變化的關系，發動機特性曲線如圖1所示。它與機械式自動變速器的關聯最直接。發動機的速度特性越優，其與機械式自動變速器的協調度越高。

1.2 離合器的轉矩傳輸特性

離合器作為汽車變速器傳動系統中重要的組成部分，在車輛行駛過程中具有不可或缺的作用。汽車在行駛過程任何狀態下都需要有離合器的配合，汽車處于啟動階段需要由離合器配合連接發動機以實現汽車的起步。車輛從起步到提速過程需要由離合器配合實現汽車的順利換擋，以實現發動機與傳動系的順利對接；汽車的制動過程也會利用離合器來緩解剎車過程對汽車發動機產生的沖擊。

圖1 發動機特性曲線

在汽車的離合器調壓系統里，換擋電磁閥是最重要的核心元件[4]。為了實現對壓力的連續不斷調節，換擋電磁閥會通過接受并控制傳入的PWM信號，控制車輛離合器的結合與分離，最終達到對油壓的連續控制的目的。換擋電磁閥的結構如圖2所示。預設壓力是由調節螺釘所決定的，為了改變進油口打開的大小，會在工作的過程中給線圈通電，從而產生磁場，進而讓銜鐵由于磁力而靠近，球閥會向左移動，使得壓力油進入車輛的離合器油路。電流的大小同時決定了線圈磁場的強弱，也決定了能否對進油口的打開程度進行控制。

圖2 換擋電磁閥結構圖

為了對油壓實現精準控制，必須在變速器設計階段選用適當的可由磁場調節的閥門來實現，這是動力換擋變速器電液控制技術的核心。圖3為動力換擋變速器電液控制系統原理圖。從圖中可以看出，采用電液比例換向閥來作為換擋電磁閥連接動力源P1，為了能實現自動變速器的換擋過程中的較小的液壓沖擊以及動力輸出輸入的中斷，需要合理設置儲能器以及控制調速閥。

圖3 動力換擋變速器電液控制系統原理

1.3 車輛的動力學

為了對汽車自動變速控制進行分析，也需要對汽車進行動力學分析。由于在汽車行駛過程中有許多因素會對汽車動力學產生不同的影響，所以在解決這個問題時也需要從不同的角度去思考。在車輛行駛過程中，對汽車動力性影響的因素有動態輸出轉矩與變速器擋位，擋位、工況、作業速度及動態輸出轉矩之間存在密切相關性。

2 機械式自動變速器控制策略

2.1 換擋品質評價指標

傳統的換擋品質，定義為換擋過程中的平順性。換擋過程中的平順性即指汽車能夠在平穩無沖擊的情況下完成換擋過程[5]。近年來，隨著汽車產業的發展以及人們對換檔要求的提高，換擋平順性只是一項要求，還要求換擋過程的速度銜接、經濟性、噪聲以及對車輛燃油消耗與排放量等諸多方面，因此，換擋品質評價對自動變速系統有著十分重要的意義。

傳統的評價方法采用與平順性相關的指標：沖擊度。換擋時間和滑磨功進行評價。沖擊度（J）：沖擊度定義為車輛縱向加速度的變化率。通過沖擊度可以真實反映換檔沖擊對乘員感受程度的影響。例如在起步過程中，離合器結合速度越快，縱向加速度正向變化速率越快，正向沖擊度就越大，同時該值越大，乘員向后坐的感覺越明顯，那么評價等級會較低。當離合器結合后，縱向加速度負向變化斜率越快，負向沖擊度就越大，同時該值越大，乘員向前傾的感覺越明顯，那么評價等級會較低。

式中：rr為車輪滾動半徑；i0為驅動橋主傳動比；IW為變速器輸出軸相聯慣量；TW為車輪上的牽引轉矩；T0T為變速器輸出軸轉矩；ω0T為變速器輸出軸角速度。

離合器比滑磨功：離合器比滑磨功是滑磨功Lc與離合器摩擦面積Fc之比，比滑摩功越小，溫度越低，則離合器壽命越長。但是，低的比滑磨功會引起沖擊度（J）的升高，進而影響評價等級。

式中：Tc（t）為離合器結合時摩擦力矩增加規律；w1（t）為變速器第一軸角速度；ωe（t）為發動機的角速度。

2.2 換擋過程控制策略制定

自動變速器的換擋離合器的液壓特性由輸入的信號形式所決定，如圖4所示的是理想的汽車自動變速器換擋離合器的油壓特性曲線。以汽車L擋切換至D擋為例，當汽車處于t0時刻，這時候由駕駛員發出擋位切換信號，此時信號發出，離合器的電磁閥迅速開啟至所需大小，時間來到t1，此時的壓力到達Pcp，在此壓力下活塞開始運動，從而推動接觸摩擦片，此時壓力繼續增加，進而接合離合器開始傳遞轉矩，進入下一階段后分離離合器由接合處于滑磨階段，直到t2時刻后，分離離合器完全分離，接合離合器油壓繼續升高至Pcf，達到系統壓力Pms。

圖4 換擋離合器油壓特性曲線

通常在建立自動變速器控制系統時會將離合器的油缸活塞位移作為反饋信號建立整體的閉環控制系統，可以由理想的自動變速器離合器油液結合特性來搭建一個由換擋電磁閥所確定的分段函數輸入輸出信號函數圖像。如圖5所示。

圖5 換擋電磁閥輸入信號

在現代協調控制策略的控制下，機械自動變速器控制系統TCU會根據此時刻下輸入的汽車工況信號如汽車的行駛車速、發動機牽引力、輪胎的滑移率等等，按一定的控制策略實現汽車自動變速器的合適時刻的換擋[6]。

在對汽車的自動變速器控制時通常會建立模型，如圖6所示。其中包括四組動力換擋電磁閥以及離合器。這個模型可以準確反映出汽車在換擋過程中的各個部件的響應特性。同時在這個模型中不考慮整體系統的泄露和發熱，忽略液壓缸的死區特性和管道內壁的壓力。

圖6 變速器電液控制模型示意圖

CAN總線同時連接發動機與變速器，控制正常換擋以及發動機的轉矩和轉速，同時在換擋的過程中還需要同時追蹤變速器所需要的發動機目標轉矩。如圖7所示是變速器由一檔進入二檔的過程圖。當變速器處于A1→A2階段，此時發動機的轉速由于轉矩下降進而呈現出迅速下降的趨勢；進入A3→A4階段，變速器的換擋品質在實際轉速相同時會受到非常明顯的影響。離合器摩擦因子n，接合壓力Y，摩擦半徑T，關系式為Rcl=2ηcTcYcl。

圖7 發動機轉矩和轉速圖

利用本文設計的CAN總線協調控制法，可以使發動機的轉速以及輸入軸更加快速、接合的時間也會更加的趨于理想的換擋結果。證明本文的設計方法確實可以從降低換擋的沖擊度以及離合器的接合時間等方面來提高車輛的換擋品質。

3 實驗論證

根據本文所設計出的自動變速器協同控制換擋策略，設計出一款8速機械師自動變速器控制軟件，并且在裝有WD615.W發動機的車輛上進行道路測試。整車參數，見表1。

表1 整車參數

在實際道路上進行測試后，可以發現整車的換擋過程更加流暢，同時整車的舒適性得到了極大地提高，同時在換擋過程中，發動機的轉速變化更加平穩，換擋帶來的換擋沖擊更小，動力中斷的時間也更短。原因是，離合器分離過程中離合器分離和發動機降扭保持協調一致，發動機轉速平穩，車輛繼續保持一定的加速度，減小了動力損失；選換擋過程中通過轉速控制使待嚙合齒輪達到精確同步，換擋平順，沖擊減小，同時離合器主、從動轉速差也大大減小。

實驗證明本方案有助于縮短換擋時間，改善了汽車的操縱穩定性以及駕駛過程中的舒適性，為汽車機械式自動變速器控制提供了參考。

4 結語

本設計的發動機、離合器以及機械式自動變速器在換擋過程中的同步控制的優勢在于可以實現車輛的信息的集中處理，同時降低了車輛在CAN總線沖突的概率以及汽車總線的容錯能力，是汽車未來發展的方向之一。硬件特點是在CAN總線的幫助下，汽車的發動機、離合器、變速器協同控制實現了信息備份，從而保證了在任何一個部件發生故障的情況下，都可以實現駕駛員想要對車輛的控制效果，增加了整體的容錯能力。不足之處在于只從液壓沖擊對換擋品質進行了評價，由于離合器接合過程存在滑磨損失，產生的熱量會導致摩擦片溫度升高、表面磨損等問題，進一步的換擋品質研究可以采用離合器摩擦片滑磨功及溫度等影響因素進行評價。