汽車自動變速器換擋控制自動校準(zhǔn)算法研究

趙玉梅，龍海洋

（1.唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063299（2.華北理工大學(xué)機械工程學(xué)院，河北 唐山 063210）

1 引言

自動變速器是應(yīng)用最廣泛的動力傳動系統(tǒng)之一。隨著自動變速器級數(shù)的增加，變速器結(jié)構(gòu)和控制的設(shè)計變得越來越復(fù)雜，換擋質(zhì)量成為自動變速器驅(qū)動性能的一個關(guān)鍵特征［1］。

換擋過程是一個復(fù)雜的過程，涉及到許多的驅(qū)動系統(tǒng)和參數(shù)，在汽車的開發(fā)階段校準(zhǔn)這些系統(tǒng)和參數(shù)對于換擋質(zhì)量的提升具有重要意義。

車輛換擋過程的校準(zhǔn)一般是在專家啟發(fā)式方法的基礎(chǔ)上，通過迭代實驗進行［2］，是一個比較耗時的過程，包括許多手動步驟，并且還有存在人為因素誤差。國內(nèi)外研究學(xué)者對換擋特性開展了大量的研究，文獻［3］研究了離合器系統(tǒng)扭矩對壓力和壓力對電流的特性，并且針對不同工況提出了自適應(yīng)控制策略來調(diào)整控制參數(shù)。文獻［4］針對車輛液力自動變速器，通過動態(tài)規(guī)劃方法提出了自動變速器換擋的設(shè)計方法，該方法引入懲罰函數(shù)，提高了自動變速器的換擋質(zhì)量。文獻［5］針提出了一種機械式自動變速器的結(jié)構(gòu)裝置，在所建動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上研究了換擋過程中零部件的動力學(xué)特性，并從經(jīng)濟性方面優(yōu)化了換擋策略。文獻［6］通過建立自動變速器接合套和接合齒圈在接觸過程中的耦合動力學(xué)模型，研究了換擋過程中產(chǎn)生的沖擊特性。文獻［7］針對自動變速器在工作過程中受到內(nèi)外部干擾的因素，提出了數(shù)據(jù)驅(qū)動的自適應(yīng)控制方法，通過仿真驗證了該方法在換擋過程中具有較好的去噪優(yōu)勢。文獻［8］針對以某9速自動變速器為例，通過克萊伊涅斯公式研究了其換擋過程中的傳動效率，并在AMESim仿真軟件中仿真了各擋位傳動效率，結(jié)果表明所提方法的合理性。文獻［9］以純電車自動變速器為研究對象，建立了換擋過程的動力學(xué)模型，并提出了改善換擋品質(zhì)的優(yōu)化策略。文獻［10］針對干式雙離合自動變速器的換擋特性，在發(fā)動機扭矩的基礎(chǔ)上提出了協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略，該策略通過了實車驗證，驗證了該策略在提升換擋品質(zhì)的優(yōu)越性。上述研究為車輛換擋質(zhì)量提升的研究提供了重要參考價值。

在本研究中前人研究的基礎(chǔ)上，針對自動變速器開發(fā)過程中的校準(zhǔn)效率，提出了一種基于模型的自動變速器離合器液壓自動校準(zhǔn)方法，實現(xiàn)離合器換擋參數(shù)的自動調(diào)整。該校準(zhǔn)方法包括自動變速器仿真模型、車輛仿真分析算法和基于優(yōu)化過程的自動校準(zhǔn)算法，并在優(yōu)化過程中進行迭代仿真和分析。以通電換擋為研究對象，仿真結(jié)果表明無論是通電升擋，還是通電降擋，該方法均能夠有效地執(zhí)行離合器液壓曲線的基本映射，通過所提出的校準(zhǔn)方法能夠縮短實際車輛試驗前的校準(zhǔn)時間，提高自動變速器開發(fā)過程的效率，可以替代現(xiàn)有的校準(zhǔn)方法。

2 動力系統(tǒng)仿真模型

本研究的車輛動力傳動系統(tǒng)模型由發(fā)動機、液力變矩器、8 速自動變速器和傳動部件組成，如圖1 所示。部分參數(shù)，如表1 所示。

表1 車輛模型參數(shù)Tab.1 Vehicle Model Parameters

圖1 車輛配置Fig.1 Vehicle Configuration

本研究只考慮軸向轉(zhuǎn)動自由度，忽略動力系統(tǒng)中的軸剛度。對于發(fā)動機，發(fā)動機扭矩表示為發(fā)動機轉(zhuǎn)速和油門踏板信號（TPS）的函數(shù)［11］，如下所示：

式中：g—扭矩映射；ωe—發(fā)動機轉(zhuǎn)速，可表示為：

式中：Ieng—發(fā)動機的慣量；Itci—液力變矩器葉輪的慣量；Tp—液力變矩器的轉(zhuǎn)矩。

液力變矩器的動力學(xué)可以表示為：

式中：ωp—液力變矩器泵的轉(zhuǎn)速；Cf—根據(jù)速度差率e得出的容量系數(shù)；tr—轉(zhuǎn)矩比；Tt—變矩器渦輪的輸出轉(zhuǎn)矩。

本研究的自動變速器結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示。變速箱由行星齒輪組（PG）組成，包括行星齒輪組（PG1）、雙小齒輪組（PG2）和Ravigneaux式行星齒輪組（PG3，PG4）。行星齒輪組的動力學(xué)模型［12］可表示為：

圖2 自動變速器原理圖Fig.2 Schematic Diagram of the AT

式中：下標(biāo)Cri—齒輪架；Ri—環(huán)形齒輪；Si—第i個行星齒輪中的太陽齒輪；Ci—第i個離合器；I—各分量的等效慣量；ω—轉(zhuǎn)速；T—作用于各分量的轉(zhuǎn)矩；Ri—第i個行星齒輪組的傳動比；Tout—輸出轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)擋位階躍確定的離合器工作狀態(tài)，如表2所示。通過操作離合器（CL）和制動器（B）來實現(xiàn)擋位的轉(zhuǎn)換。

表2 各擋位的離合器/制動器工作狀態(tài)Tab.2 Clutch/Brake Working Status of Each Gear

車輛動力學(xué)方程可以表示為：

式中：M—車輛質(zhì)量；V—車輛速度；Ft—牽引力；Fair、Froll、Fgrad—根據(jù)空氣阻力、滾動阻力和路面坡度計算的行駛阻力，F(xiàn)t可以表示為：

式中：if—最終主傳動比；Rtire—輪胎半徑。

對于離合器模型，當(dāng)施加的壓力等于或超過壓力閾值時，根據(jù)相對速度施加動摩擦和靜摩擦，動摩擦扭矩表示為：

式中：kK—離合器盤的動摩擦系數(shù)；N—摩擦面數(shù)；reff—有效轉(zhuǎn)矩半徑；Pfric—離合器摩擦容量；A—嚙合面積，靜摩擦扭矩為：

式中：ks—離合器盤的靜摩擦系數(shù)。

離合器中的耗散功率表示為：

式中：ω—滑移速度。

本研究中的車輛模型引入了控制邏輯以模擬動力傳動系統(tǒng)的換擋，構(gòu)建了簡化的TCU。在該TCU邏輯中，通過渦輪轉(zhuǎn)速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車輛轉(zhuǎn)速、TPS和制動踏板信號等信號來確定自動變速箱的每個離合器和制動器的液壓指令，并減小發(fā)動機扭矩。TCU邏輯模型輸出發(fā)動機扭矩減小的信號、齒輪傳動比信號和換擋信號。一般TCU 使用換擋圖來確定擋位，并生成離合器和制動器的液壓指令。首先，根據(jù)當(dāng)前車速、TPS和擋位，通過換擋圖確定下一個目標(biāo)擋位，此時需要檢查離合器、制動器液壓剖面的運行狀態(tài)和發(fā)動機的運行狀態(tài)，綜合確定是否換擋。

3 自動變速器標(biāo)定方法

換擋控制的優(yōu)化過程可分為三個模塊，第一個模塊是車輛模型，該模型可根據(jù)駕駛場景定義駕駛員的TPS和BPS輸入值，并進行換擋控制的仿真。第二個模塊是分析模塊，用于量化和評估給定控制輸入的換擋結(jié)果，以及離合器壓力曲線。第三模塊是根據(jù)第二個模塊的分析結(jié)果，對整個過程進行迭代，優(yōu)化離合器液壓壓力曲線。

3.1 自動變速器換擋的特性分析

在分析換擋過程時，需要綜合判斷換擋時間、轉(zhuǎn)矩變化斜率、離合器溫升等各種因素［13］。在本研究中，通過分析換擋持續(xù)時間來確定換擋過程是否正確。在離合器溫升的情況下，將式（16）的離合器滑移能量數(shù)值轉(zhuǎn)換為等效離合器盤溫度，如下所示：

式中：mc—離合器盤的熱質(zhì)量；T0—油溫；k1、k2—傳熱系數(shù)，忽略傳輸?shù)阶兯倨鞯臒崃鳌?/p>

根據(jù)仿真結(jié)果，可以利用齒輪階躍信號確定是否發(fā)生換擋。當(dāng)發(fā)生換擋時，通過檢測信號變化來測量轉(zhuǎn)矩階段時間和慣性階段時間。

在升擋的情況下，首先出現(xiàn)扭矩階段，然后是慣性階段。當(dāng)扭矩施加到接通離合器時，斷開離合器的扭矩減小，從而減小總輸出扭矩，這個過程稱為扭矩階段。

當(dāng)斷開離合器轉(zhuǎn)矩變?yōu)?時，變速器輸入的轉(zhuǎn)速出現(xiàn)變化，稱為慣性階段。

扭矩的起點階段的起點由接通離合器的滑移能量增加的點來定義，在此點上扭矩傳輸開始發(fā)生，慣性階段的起點為齒輪傳動比開始下降的點，即扭矩階段的終點。

當(dāng)接通離合器的滑移能量停止上升時，換擋完成。根據(jù)扭矩階段時間、慣性階段時間和接通離合器產(chǎn)生的耗散能量值對換擋過程進行評估，升擋結(jié)果分析，如圖3所示。

圖3 通升擋分析結(jié)果Fig.3 Shift Result Analysis of Power-on Upshift

相反，在降擋的情況下，先出現(xiàn)慣性階段，然后是扭矩階段。當(dāng)離合器的扭矩減小時，就會出現(xiàn)慣性階段，這就提高變速器的輸入速度，并增加接通離合器的扭矩，隨后進入轉(zhuǎn)矩階段，轉(zhuǎn)矩從斷開離合器轉(zhuǎn)移到接通離合器。

可以通過測量離合器和制動器的滑移能量來分析換擋過程，當(dāng)斷開離合器的滑移能量被釋放時，慣性階段開始，與升擋相反，因此慣性階段的起點被定義為斷開離合器滑移能量的上升點，扭矩階段的起點定義為接通離合器滑移能量損失停止上升的點，當(dāng)接通離合器滑移能量停止上升時，認為換擋完成。

在降擋情況下，根據(jù)慣性階段時間、扭矩階段時間、總換擋時間、離合器打滑產(chǎn)生的打滑能力以及接通離合器打滑能量轉(zhuǎn)換的等效溫度值來對換擋過程進行評估，降擋結(jié)果分析，如圖4所示。

圖4 通電降擋的結(jié)果分析Fig.4 Shift Result Analysis of Power-on Downshift

3.2 液壓曲線換擋命令的優(yōu)化

為了獲得高質(zhì)量的換擋過程，需要針對每一種駕駛情況配置液壓特性曲線［14］。

本研究根據(jù)車速、加速踏板信號（APS）和換擋類型對各離合器的液壓曲線進行定義，采用基于最近鄰方法將車速和APS離散為10個部分，APS為（0～100）%，速度為（0～250）km/h。因此，離合器和制動器的液壓分布是針對每種情況分別定義的。

此外，該液壓曲線針對56種類型的每種換擋情況進行定義，由斷開離合器的液壓曲線Poff-going和接通離合器液壓曲線Pon-going組成。液壓曲線根據(jù)時間和液壓壓力的變化以簡化形式給出：

式中：V—車速；N—換擋類型；ton—接通離合器壓力曲線的時間點；pon—接通離合器壓力曲線的壓力點；toff—斷開離合器壓力曲線的時間點；poff—斷開離合壓力曲線的壓力點。

在模擬和優(yōu)化過程中調(diào)用每個換擋情況的相應(yīng)液壓曲線，并將優(yōu)化結(jié)果進行保存。

3.2.1 通電升擋

在通電升擋情況下，離合器通常在換擋時產(chǎn)生大量滑移動能，因此，應(yīng)在考慮離合器熱容的基礎(chǔ)上對液壓曲線進行優(yōu)化。在離合器打滑時，接通離合器液壓壓力的增加會減少換擋時間，并增加離合器產(chǎn)生的打滑能量。相反，降低液壓會增加換擋時間，減少離合器滑移能量的產(chǎn)生。

因此在通電升擋的過程中，可以通過在發(fā)生滑動時僅調(diào)整前進離合器的液壓水平來校準(zhǔn)換擋，因此由離合器打滑產(chǎn)生滑移能量的等效溫度增量與目標(biāo)溫升值相同。對于等效溫度增量，通過結(jié)果分析的值獲取。本研究通過簡單地優(yōu)化調(diào)整接通離合器的參數(shù)來優(yōu)化換擋過程，在不改變斷開離合器液壓曲線的情況下，根據(jù)離合器的熱容量確定壓力水平，等效溫升接近目標(biāo)溫升值。為了提高優(yōu)化方法的效率，對液壓曲線形狀進行了簡化，如圖5所示。

圖5 通電升擋液壓曲線的簡化Fig.5 Simplification of Hydraulic Curve for Power-on Upshift Cases

在通電升擋的優(yōu)化過程中，首先定義目標(biāo)等效溫升值、慣性階段和扭矩階段的換擋時間約束，以及離合器壓力曲線的初始值。為提升仿真效率，本研究首先定義了的最大值和最小值，以滿足慣性階段時間和扭矩階段的時間約束，通過二分法對迭代過程進行優(yōu)化。在各換擋的目標(biāo)等效溫度激勵、慣性和階段時間的約束條件下，根據(jù)離合器壓力曲線的初始化映射，計算出最小壓力值和最大壓力值，并得到目標(biāo)等效溫升的函數(shù)值以及最大壓力值和最小壓力值之間的中值。通過替換最小或最大壓力值得到新的壓力值，從而在區(qū)間內(nèi)過零的交叉值。該迭代一直進行到離合器的滑移能量與目標(biāo)等效溫升相匹配。最后根據(jù)仿真、分析和優(yōu)化結(jié)構(gòu)，確定壓力的邊界值。

3.2.2 通電降擋

圖6 通電降擋液壓曲線的簡化Fig.6 Simplification of Hydraulic Curve for Power-on Downshift Cases

在低速擋時，如果在接通離合器液壓壓力增大之前，施加在斷開離合器上的轉(zhuǎn)矩水平較低，則發(fā)動機負載降低，導(dǎo)致發(fā)動機轉(zhuǎn)速急劇上升，稱為助跑現(xiàn)象，可以通過確定斷開離合器的液壓水平來避免此現(xiàn)象。首先，通過比較發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化斜率與參考斜率來檢測助跑現(xiàn)象，并通過更新反饋增益來確定斷開離合器的液壓水平，以防止助跑現(xiàn)象發(fā)生。通過比較實際發(fā)動機轉(zhuǎn)速的平均斜率和發(fā)動機轉(zhuǎn)速在換擋開始和結(jié)束時的線性斜率，來評估發(fā)動機轉(zhuǎn)速的斜率。在反饋增益的情況下，可以得到：

式中：slωe，target—發(fā)動機轉(zhuǎn)速的目標(biāo)斜率；slωe，ref—發(fā)動機轉(zhuǎn)速的當(dāng)前參考斜率。

最后，斷開離合器的殘余液壓壓力可以通過阻塞現(xiàn)象來確定。當(dāng)接通離合器液壓壓力增大時，離合器內(nèi)會發(fā)生聯(lián)鎖現(xiàn)象，造成沖擊。因此必須通過斷開離合器的殘余液壓來防止輸出扭矩的突然增加。

在本研究中，通過測量慣性階段和轉(zhuǎn)矩階段輸出轉(zhuǎn)矩，計算其相對于參考扭矩的均方根誤差（RMSE），參考扭矩是通過將換擋前后的輸出扭矩點線近似為線性函數(shù)獲得的。將的最小值和最大值定義為，通用采用與升擋相同的迭代方法，使用黃金分割搜索法獲得RMSE誤差最小的值。

4 模擬與結(jié)果分析

4.1 通電升擋的仿真實例

通電升擋的仿真實例，如圖7～圖10所示。持續(xù)踩下油門踏板以加速車輛所獲得的信號，如圖7所示。隨著車速增加，相應(yīng)的擋位由1擋依次改為2擋、3擋、4擋，如圖8所示。

圖7 通電升擋的仿真輸入信號Fig.7 Simulation Input Signal of Power-up Upshift

圖8 通電升擋仿真結(jié)果Fig.8 Simulation Result for Power-on Upshift

在優(yōu)化過程中，根據(jù)模擬情況的變化來設(shè)定目標(biāo)溫度，并將其應(yīng)用到優(yōu)化過程中。仿真結(jié)果，如圖9、圖10所示。

圖9 離合器液壓曲線仿真的優(yōu)化結(jié)果Fig.9 Optimization Results of Clutch Hydraulic Curve Simulation

圖10 迭代優(yōu)化過程溫度誤差的仿真結(jié)果Fig.10 Simulation Result of Temperature Error for Iterative Optimization Process

圖9描述了離合器壓力曲線的初始值和優(yōu)化過程得到的離合器壓力曲線，在此對B2、C3、C4的離合器壓力分布進行調(diào)整，使模擬的每個離合器滑移能量與目標(biāo)離合器溫升相匹配。

經(jīng)過迭代優(yōu)化過程后的換擋特性仿真結(jié)果，如表3所示。

表3 升擋特性的仿真優(yōu)化結(jié)果Tab.3 Simulation and Optimization Results of Upshift Characteristics

從圖10的結(jié)果可以看出，經(jīng)過多次迭代過程，模擬結(jié)果顯示的目標(biāo)溫升與仿真結(jié)果得到的溫升之間的誤差趨于收斂。因此，該優(yōu)化過程可用于尋找基本映射的閾值。

從離合器熱容的觀點來看，可將這些值在校準(zhǔn)過程中作為基準(zhǔn)映射值，以提高效率。

4.2 通電降擋的仿真實例

降擋的仿真實例，如圖11～圖16所示。為產(chǎn)生由4擋換到2擋的情況，車輛首先加速到第4擋，然后通過增加APS進行降擋，即駕駛模型中將APS保持在15%左右，使車輛從1擋依次切換到4擋，然后瞬間將APS增加到70%以產(chǎn)生強制性降擋的過程，如圖11所示。

圖11 通電降擋的仿真輸入信號Fig.11 Simulation Input Signal of Power-up Downshift

齒輪階躍和齒輪比隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速和變矩器渦輪轉(zhuǎn)速的變化，如圖12所示。從圖13（a）中可以看出，由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速迅速增加而出現(xiàn)了助跑現(xiàn)象，由此可見，發(fā)動機轉(zhuǎn)速斜率（參考斜率）大于換擋前后速度之間的直線斜率，優(yōu)化結(jié)果，如圖13（b）所示。通過調(diào)節(jié)斷開離合器的液壓水平，消除了助跑現(xiàn)象，發(fā)動機轉(zhuǎn)速從換擋開始到換擋結(jié)束持續(xù)增加。

圖12 通電降擋的仿真結(jié)果Fig.12 Simulation Result for Power-on Downshift

圖13 離合器助跑現(xiàn)象與優(yōu)化Fig.13 Clutch Run-up Phenomenon and Optimization

接通離合器接合的調(diào)整時間，如圖14所示。

圖14 離合器接合的調(diào)整Fig.14 Adjustment of Clutch Engagement

在圖14（a）中，離合器的滑移速度由負變?yōu)檎?，然后在接通離合器接合時收斂為0。對于接通離合器來說，理想的接合點是當(dāng)離合器滑移速度的符號發(fā)生改變時，用紅點表示。圖14（b）顯示的是在圖14（a）的基礎(chǔ)上，接通離合器接合點變化時的滑移速度。與圖14（a）不同的是，它顯示了收斂到接近于零的滑移速度，變化比較小。

圖15（a）顯示了輸出扭矩的變化情況，可以看出由于斷開離合器的剩余液壓壓力，輸出扭矩迅速增大，調(diào)整后的剩余液壓輸出轉(zhuǎn)矩曲線優(yōu)化結(jié)果，如圖15（b）所示。

圖15 輸出轉(zhuǎn)矩變化Fig.15 Output Torque Change

優(yōu)化結(jié)果表明，輸出轉(zhuǎn)矩隨著坡度的增加而增加，沒有出現(xiàn)急劇增加現(xiàn)象。離合器液壓的仿真結(jié)果，如圖16和表4所示。

表4 降擋特性的仿真優(yōu)化結(jié)果Tab.4 Simulation and Optimization Results of Downshift Characteristics

圖16 離合器液壓的仿真Fig.16 Simulation of Clutch Hydraulic Pressure

圖16（a）顯示了離合器壓力的初值與優(yōu)化過程得到的離合器壓力值。圖16（b）為放大后的離合器壓力曲線，B2和C3的離合器壓力是通過上述迭代過程進行調(diào)整的。描述了換擋時間（包括扭矩階段，慣性階段）與產(chǎn)生的滑移能量和等效離合器溫升值，如表4所示。這些優(yōu)化值可作為實車測試調(diào)優(yōu)過程的基準(zhǔn)映射參考值，可以顯著降低實車測試時間和成本。

5 結(jié)論

針對自動變速器開發(fā)過程中的校準(zhǔn)效率，提出了一種基于模型的自動變速器離合器液壓自動校準(zhǔn)方法。該校準(zhǔn)方法包括自動變速器仿真模型、車輛仿真分析算法和基于優(yōu)化過程的自動校準(zhǔn)算法，并在優(yōu)化過程中進行迭代仿真和分析。以通電換擋過程的控制進行仿真分析，結(jié)果表明該方法能夠有效地執(zhí)行離合器液壓曲線的基本映射，優(yōu)化值可作為實車測試調(diào)優(yōu)過程的基準(zhǔn)映射參考值，通過所提出的校準(zhǔn)方法能夠縮短實際車輛試驗前的校準(zhǔn)時間，可以顯著降低實車測試時間和成本。