重型車液力自動變速器控制系統設計及試驗

馬文星，張 雁，雷雨龍

（1.吉林大學 機械科學與工程學院，長春130022；2.吉林大學 汽車工程學院，長春130022）

目前國內生產的重型汽車多采用手動變速，這主要是由于國內對于自動變速技術核心部分的研究尚不夠成熟，不具備自主知識產權。當前我國已裝備有自動變速器的重型汽車，其自動變速器主要依賴進口或與國外合資生產，所涉及到的核心技術主要掌握在歐美和日本等國家。雖然在重型車自動變速技術的理論研究方面，國內對換擋規律［1－2］、換擋過程控 制［3－4］以 及 電 控 系 統［5－7］的 研 究 取 得 了一定的成果，但在實際應用方面與國外仍存在較大差距［8－13］。為實現重型車的自動變速，本文設計了某重型車變速箱的電控系統，并在臺架上進行了試驗，實現了功能驗證。

1 電控系統軟硬件設計

1.1 電控系統概述

電控系統將接收到的各種傳感器信號和CAN總線發送的信息送到變速箱控制單元（Transmission control unit，TCU）中，TCU 將輸入的信號與事先存儲在電控單元中的程序進行比較，然后向相應的電磁閥發出指令，接通或切斷流向換擋閥等的壓力油，使相應的離合器和制動器得到控制，從而精確地控制換擋時機和閉鎖離合器等工作。電控系統的結構組成如圖1所示。

圖1 電控系統結構組成Fig.1 Structure of electronic control system

1.2 硬件設計

設計的電控系統硬件主要由輸入裝置、輸出裝置和變速器控制單元3部分組成。輸入裝置主要包括各種傳感器和開關，其中傳感器為變速箱控制單元提供連續可變的電信號，而開關提供簡單的開關信號。在此次開發的自動變速器電控系統中主要包含用于測量各離合器和制動器壓力的壓力傳感器和用于測量變速器和緩速器油溫的油溫傳感器。輸出裝置主要是電磁閥。根據變速器控制單元發出的指令，電磁閥開啟或閉合，從而接通或切斷相應的油道。

變速箱控制單元作為電控系統的核心，在其內部固化了各種控制程序，以實現對變速箱的換擋控制、閉鎖離合器控制、液力緩速器充排油控制和換擋品質控制等。本電控系統中的TCU 采用MC9S12XDT256作為主運算單元，其外圍需要提供開關量、頻率量和模擬量輸入的電路以及穩壓電源電路，并且還需要用于提供外部通信（CAN 線）、PWM 電磁閥和比例電磁閥驅動的電路，所開發的變速箱控制單元的結構示意圖如圖2所示。

圖2 TCU結構示意圖Fig.2 Structure diagram of TCU

1.3 軟件設計

軟件運行載體為變速箱控制單元。軟件采用分層、分模塊方式開發。從層次結構以及開發環境上劃分，軟件分為BDL層（Basic drivers layer，基本驅動層）和ACL層（Advanced control layer，高級控制層），兩層通過API（Applications interface，應用接口）實現連通并協調工作。其中，BDL層軟件采用嵌入式C語言開發，負責TCU 的初始化、設備驅動等工作，對外界保持統一的接口，供上層調用；ACL層使用MATLAB Simulink／Stateflow 開發，利用RTW（Real－time workshop）工具自動生成代碼，連 同BDL 層 在Freescale（飛 思 卡 爾）Code－Warrior平臺上進行編譯，負責上層控制策略，完成擋位決策、換擋控制、容錯處理等功能。軟件架構如圖3 所示。其中，Input模塊對獲取的整車信息進行濾波、標度轉換和故障識別，Output模塊輸出信號用于執行機構、繼電器的控制以及CAN 信息的傳遞。Shift control模塊是程序的控制中心，主要由初始化模塊、自檢模塊、關電模塊、故障處理模塊、換擋策略模塊、換擋過程控制模塊以及換擋過程失敗處理模塊組成。

圖3 TCU 軟件架構Fig.3 Software architecture of TCU

AT 換擋分為TCU 換擋請求、降低發動機轉矩、根據換擋邏輯控制離合器接合和關閉、恢復發動機轉矩4個階段。降低發動機轉矩可減小離合器接合時的滑磨功和沖擊度，以降低換擋沖擊。

2 自動換擋策略

換擋策略主要為協同部分工況識別的兩參數換擋規律，即基于車速、油門開度并考慮各個工況所確定的換擋規律，主要包括升擋規律、降擋規律、負載識別、換擋延遲等模塊。升擋規律主要依據車速及油門開度，當達到某一油門開度所對應的車速時即發出升擋指令，通常小油門開度以舒適、穩定、少污染為主，故小油門對應經濟性換擋；大油門開度時以車輛獲得最佳的動力性為主，故大油門對應動力性換擋，升擋不能跳擋。降擋規律主要依據車速，并介入油門開度、剎車，設置包括緩減速、急減速、加速降擋在內的不同工況的降擋點，當車速降到降擋點以下時發出降擋指令，其中急減速時不進行換擋，可跳擋。負載識別模塊主要通過識別道路坡度和車輛載荷，從而修正換擋規律，使擋位符合車輛工況。換擋延時模塊主要為在通過換擋規律計算發出換擋指令時根據各工況延遲一定時間再進行換擋，以防止各工況短時間的來回切換造成的頻繁換擋。

考慮到重型車行駛條件復雜，載荷波動頻繁，所開發的液力機械變速器采用等延遲型兩參數換擋規律，換擋參數選擇最常用的車速和油門開度，換擋規律的確定基于以下整車動力學參數：總質量為25 000kg，車輪滾動半徑為0.573 m，傳動系效率為0.85，滾動阻力系數為0.000 222＋0.0151ua，空氣阻力系數為0.9，迎風面積為10.5 m2，主減速比為6，倒擋傳動比為5.08，1 擋～6擋傳動比分別為3.947、2.659、2.012、1.355、1、0.6736。

為了保證車輛的最佳動力性，升擋點取同一油門開度下相鄰兩擋加速度曲線的交點，整車的加速度表達式為：

式中：δ 為重型車旋轉質量換算系數；Ft為牽引力；Ff為滾動阻力；Fw為空氣阻力。

按式（2）求解不同油門開度下相鄰兩擋加速度曲線的交點，即可獲得液力工況下的換擋規律，如圖4所示。

式中：an，α（v）為油門開度為α時n 擋的加速度隨車速的變化關系；an＋1，α（v）為油門開度為α時n＋1擋的加速度隨車速的變化關系。

圖4 液力工況下的換擋規律Fig.4 Shift schedule under hydrodynamic condition

閉鎖工況換擋規律的確定過程與液力工況的確定過程一致，由于1擋始終工作在液力工況下，因此1擋的換擋點不變化，在確定閉鎖工況的換擋規律時，不再計算1 擋的換擋點和換擋曲線。為了保證車輛的最佳動力性，若同一油門開度下相鄰兩擋的加速特性曲線有交點，則應選取該交點對應的速度作為該油門開度下的升擋點；若同一油門開度下相鄰兩擋的加速特性曲線沒有交點，則應選取該擋位所在油門開度下的最大車速點作為升擋點。圖5為按上述原則確定的閉鎖工況下的換擋規律。

圖5 閉鎖工況下的換擋規律Fig.5 Shift schedule under lockout condition

3 試驗驗證

液力自動變速器的液壓系統原理圖如圖6所示，采用主調壓閥控制系統的操縱壓力，并通過溢流將多余的工作液提供給潤滑點、液力變矩器和液力減速器；4 個失電常閉式開關電磁閥M1～M4控制擋位閥與換擋結合元件8～13的連接狀態，從而實現變速器的6個前進擋、1個倒退擋和1個空擋，各個擋位接合的控制元件如表1所示。

圖6 液壓系統原理圖Fig.6 Principle diagram of the hydraulic system

此液力機械自動變速器采用電液操縱完成變速器動力換擋、閉鎖離合器結合與分離、液力變矩器供油、液力減速器控制及潤滑功能，要求系統操縱油壓為1.2～1.68 MPa，潤滑油壓為0.21 MPa，換擋離合器結合時間為0.8～1.8s，換擋過程要平穩。

表1 換擋控制邏輯Table 1 Shift control logic

在自動變速試驗臺上進行了電控系統功能試驗，試驗目的有兩個，一是調試TCU 底層，驗證TCU 能否正常工作，二是調試控制程序，驗證控制程序能否實現換擋功能［14－16］。實驗儀器及設備包括用于編譯程序、下發控制指令、監控數據的筆記本電腦，用于將程序下載至TCU 中并通過BDM 口調試程序的P＆E USB Multilink 下載器，以及用于建立計算機與TCU 二者之間的通信連接的Vector CANcaseXL等。試驗軟件工具包括用于圖形化算法設計和建模的Simulink／Stateflow，用于編輯、編譯、連接程序的Freescale CodeWarrior IDE，以及用于下發控制指令、監控運行變量的Vector CANape。實驗系統的連接如圖7所示，圖中實線連接部分為電氣連接，虛線連接部分為通信連接。程序通過電腦和下載器下載到TCU 中，由電腦控制程序的執行；通過TCU中的控制程序實現對電磁閥的占空比控制，同時電腦通過CANcaseXL 監控程序的運行，下發控制指令，采集數據。圖8為自動變速試驗臺，圖9為試驗臺電控部分。

圖7 實驗系統連接示意圖Fig.7 Connection diagram of experimental system

圖8 自動變速試驗臺Fig.8 Test bench of automatic transmission

圖9 試驗臺電控部分Fig.9 Electrical control part of test bench

對AT 變速箱進行了N－1－2－3－4擋和4－3－2－1－N 擋的循環換擋試驗，論文中選取部分試驗結果，如圖10所示。圖中粗實線代表離合器9的壓力變化，細實線代表離合器11的壓力變化，虛線代表離合器12的壓力變化。圖10（a）為1擋升2擋離合器壓力變化曲線，其中離合器9和12有壓力；圖10（b）為3擋升4擋離合器壓力變化曲線，其中離合器9和11有壓力；圖10（c）為3擋降2擋離合器壓力變化曲線，其中離合器9和12有壓力；圖10（d）為1擋降空擋離合器壓力變化曲線，此時無壓力。

試驗結果表明：CANape能接收到CAN 總線的信息，TCU 的總線功能正常；TCU 控制傳感器的電壓為5V，表明TCU 可以正常驅動傳感器；電磁閥通斷正常，表明TCU 可以正常控制電磁閥；TCU 可以控制主油路的工作油壓，同時因為平穩結合閥的作用使得在換擋過程中油壓上升有緩沖過程，故換擋過程平穩、無動力中斷。

圖10 離合器壓力變化曲線Fig.10 Pressure curves of clutches

4 結束語

根據重型車的特點，制定了詳細的TCU 硬件電路實現方案，實現對變速箱的綜合控制。在換擋過程中，變速箱控制單元降低發動機轉矩，同時對換擋時的主油路工作油壓進行控制，以保證換擋平穩、無沖擊，提高乘坐舒適性。采用分層、分模塊方式開發TCU 軟件；制定了重型車自動換擋的換擋策略，并在臺架上進行了試驗，實現了功能驗證。結果表明，所開發的重型車電控單元軟硬件能夠實現聯合控制。

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