換擋過程兩換擋執行元件充放油交替方法研究

李春芾，陳慧巖

（1.內蒙古大學交通學院，內蒙古呼和浩特010070；2.北京理工大學機械與車輛學院，北京100081）

換擋過程兩換擋執行元件充放油交替方法研究

李春芾1，陳慧巖2

（1.內蒙古大學交通學院，內蒙古呼和浩特010070；2.北京理工大學機械與車輛學院，北京100081）

液力機械自動變速器（AT）換擋過程中兩個換擋執行元件充放油交替過程時序不當會造成動力中斷或重疊過多（俗稱“掛雙擋），并引起功率損失、換擋沖擊及加劇換擋執行元件磨損。以艾里森大功率自動變速器（HD4070PR自動變速器）為研究對象，利用拉格朗日方程建立換擋過程的動力學方程，依據所建立的方程分析升降擋過程中兩換擋執行元件充放油交替方法，并通過自行開發的電控系統進行了實車試驗驗證。研究結果表明：對于升擋過程通過合理的動力搭接既可以實現無動力中斷換擋，又可以減小換擋沖擊；對于降擋過程不可避免出現動力中斷，只能盡可能地降低動力損失。

控制科學與技術；液力機械自動變速器；換擋執行元件；交替定時方法

0　引言

液力機械自動變速器換擋過程控制關系到換擋品質以及離合器或制動器的使用壽命，關鍵在于，一是離合器油壓的緩沖控制，二是兩換擋執行元件充放油的交替方法（動力搭接原則）。兩換擋執行元件充放油的交替過程實質就是兩換擋執行元件動力搭接的過程。如果搭接不當，則會出現動力中斷或換擋沖擊［1］。關于離合器油壓緩沖控制技術已有大量的研究，但對換擋過程兩換擋執行元件充放油交替方法的研究還比較少見，特別對降擋過程的分析尤其少見。本文利用拉格朗日方程建立換擋過程的動力學方程，通過所建立的方程來分析升擋和降擋過程理想的交替方法，即由轉矩相向慣性相過渡的理想搭接原則，并通過實車試驗進行驗證。

1　換擋過程動力學方程

圖1為HD4070PR自動變速器2擋升3擋的動力學模型，圖中C代表離合器，B代表制動器。2擋工作的元件有C1、B3，3擋工作的換擋元件有C1、B2，那么2擋和3擋之間升降擋時，實際上就是B2和B3之間的交替工作。下面依據所建立的模型推導換擋過程動力學方程。

圖1中，Me、Mt、Mo分別為發動機轉矩、渦輪轉矩、變速器輸出軸輸出的轉矩，Je、Jt、Jo、JV分別為發動機-泵輪構件轉動慣量、渦輪-輸入軸-離合器（C1、C2）主動部分轉動慣量、輸出軸轉動慣量、整個車輛與輸出軸相聯的慣量換算到輸出軸上的轉動慣量，ωe、ωt、ωo分別為發動機角速度、渦輪軸角速度、輸出軸角速度。

圖1　HD4070PR自動變速器2擋升3擋動力學模型Fig.1 Dynamic model of 2nd gear to 3rd gear up-shift for HD4070PR transmission

以渦輪-變速器為隔離體建立方程。

通常的換擋過程分析是將其分為原擋、原擋轉矩相、慣性相、新擋等4個階段［2-6］，并分別通過建立各階段不同條件下各元件的運動微分方程來描述換擋過程。在仿真研究與換擋過程的控制中，該方法不能方便、準確地描述車輛的動態換擋過程［7-8］。本文利用拉格朗日方程，以HD4070PR變速器2擋、3擋之間換擋過程的動力學模型為例，建立反映行星齒輪變速器換擋過程的力學輸入與輸出之間的動態響應關系的動力學方程。

由單行星排的運動方程可以推導出2擋升3擋過程中有

式中：φB2、φB3分別為P2行星排和P3行星排齒圈的轉角；φX2、φX3分別為P2行星排和P3行星排行星齒輪的轉角；φt、φo分別為渦輪軸轉角和輸出軸轉角；k2、k3分別為P2行星排和P3行星排的結構參數。

由（1）式可知，行星排齒圈轉速、行星齒輪轉速可以分別用變速器輸入軸和輸出軸轉速表示。則有

1）系統動能

式中：Jt為與輸入軸相聯的轉動慣量；Jo為輸出軸轉動慣量（包括與之相聯的行星排元件的轉動慣量）；Jq2為P2行星排齒圈及P1行星排行星架轉動慣量；Jq3為P3行星排齒圈和P2行星排行星架轉動慣量；∑JX2為P2行星排行星齒輪總轉動慣量；∑JX3為P3行星排行星齒輪總轉動慣量。

2）計算廣義力

式中：∑δW為系統總虛功；Qφt為輸入廣義力；Qφo為輸出廣義力；MB2為制動器B2制動力矩；MB3為制動器B3制動力矩。

3）動力學方程

式中：

（4）式反映了換擋過程中變速器各運動件的動態響應關系，適用于換擋過程的分析。

2　兩換擋執行元件充放油交替方法分析

HD4070PR自動變速器為3自由度變速器，在換擋過程其中一個換擋執行元件處于結合狀態不變，只需分離一個執行元件和接合一個執行元件。若換擋過程兩個換擋執行元件交替工作時序不當會造成動力中斷或接合重疊過多，會引起功率損失或換擋沖擊及加劇換擋執行元件磨損。為了獲得較理想的充放油交替過程，有必要對升擋過程和降擋過程中行星排各元件的運動關系和轉矩關系進行分析，以確定換擋執行元件充放油的理想交替方法，為換擋過程控制提供依據。

2.1升擋過程兩換擋執行元件充放油交替方法分析

在2擋升3擋過程中，B3制動器放油，B2制動器充油。為了方便分析，將變速器2擋升3擋的傳動簡圖進行進一步簡化，如圖2所示。

2擋升3擋開始后，B3制動器放油，B2制動器開始充油，由圖2可知P2行星排齒圈逆時針旋轉（從左向右看），因此P2行星排齒圈受到B2制動器的制動力矩MB2為順時針。同樣可分析出P3行星排齒圈所受B3的制動力矩MB3在換擋開始時也為順時針。這就說明在換擋初期由兩個制動器共同提供摩擦力驅動車輛。還可以分析出MB3會隨著MB2的增加而自然減小（特別注意MB3仍為靜摩擦力，其大小由外力而非油壓決定），直到MB3減小到0（B3的最大靜摩擦可能不為0），此時B2仍為滑摩狀態，這一階段沒有傳動比的變化，只有轉矩的重新分配，被稱為轉矩相。隨著MB2增加及MB3減小，P3行星排齒圈開始作順時針旋轉，開始出現傳動比的變化，慣性力的作用增加，開始進入慣性相，直到換擋完成。以上分析的是一個正常的工作過程，但如果兩個制動器充放油不當，可能出現動力中斷，或出現兩制動器重疊工作過多。例如，B3制動器放油過快，而B2制動器充油又過慢，會使P3行星排的齒圈逆時針旋轉而造成輸出軸轉矩下降，這就要求B3制動器的油壓降至一個安全的值（足以驅動車輛行駛而不打滑），同時B2制動器充油（但仍然保持打滑狀態），直到MB3降為0（注意此時油壓可能不為0），理論上此時B3應完成放油，自然過渡到慣性相，然后對B2制動器進一步進行閉環緩沖充油控制，最終完成2擋升3擋。由（4）式可知

在轉矩相，隨MB2的增加，轉矩在兩行星排之間自動分配。而輸入的轉矩Mt由于傳動比沒有變化，可以認為變化很小，由（5）式可知

式中：C為常數。則

（7）式反映了轉矩相期間MB3隨MB2變化的關系（也就是說此時MB3的值由MB2決定），因此，在兩制動器交替工作時，B3制動器的油壓保證不使其打滑即可，只要注意B2制動器油壓的適當控制，沖擊度就會很小。理想情況下，在MB3減小為0時，應及時完成放油。如果B3制動器放油過快，會造成動力損失過多，如果B3制動器放油過慢（在轉矩相結束時仍有油壓），MB3將變為阻力矩，會造成功率損失增加或引起換擋沖擊。在實際控制時因無法監測MB3的大小，因此可以通過渦輪轉速的變化來判斷B3制動器完全放油的時機，當檢測到渦輪轉速的下降，應及時控制完成放油。

在轉矩相結束時，如果B3制動器仍保持很高的結合壓力，而B2制動器結合又過快，將會出現嚴重的“掛雙擋”情況，會產生很大的沖擊甚至損壞變速器，要避免出現此種情況。

由（4）式可以得出

在轉矩相可以認為Mt為定值，由（8）式可知，在轉矩相輸出軸轉矩Mo是隨MB2的增加而下降的（o變化較小，近似認為是常數），假設在轉矩相結束時B3制動器完全分離，即MB3=0，并注意在轉矩相開始時MB2=0，則由（4）式可得到，在轉矩相結束時輸出軸轉矩下降量為

如果在轉矩相結束后B3制動器處于滑摩狀態而產生了阻力矩，輸出軸轉矩還會進一步下降。在慣性相開始時如果沒有完成放油，則MB3＜0，隨著B3的快速放油，由（4）式可知輸出軸轉矩Mo會有一個快速的上升，當MB3=0時有

由（10）式可知，在慣性相輸出軸轉矩會隨MB2的增加而增加。由（4）式可得出在慣性相有

以上升擋過程的分析可表示為圖3，圖中nt表示渦輪轉速，pB2和pB3分別表示B2和B3制動器的油壓。

圖3　升擋過程中各參數變化圖Fig.3 The variation of parameters during upshift

2.2降擋過程兩換擋執行元件充放油交替方法分析

換擋過程按變速器輸入轉矩大小可分為動力換擋和非動力換擋兩種。動力換擋就是發動機處于正常的驅動車輛的工況，變速器有較大的轉矩輸入。非動力換擋一般指在松開加速踏板，車速快速下降，這時發動機幾乎沒有動力輸出，變速器輸入轉矩很小。由（4）式得

由圖2分析可知，3擋時B3制動器從動部分順時針旋轉，在降擋開始時若B3制動器充油，則MB3為負值（逆時針），而完成降擋后MB3變為正值（順時針），也就是說MB3有由負變正的過程。再由（12）式可知，當MB2減小和MB3絕對值由0增加時，不論如何控制，輸出軸轉矩Mo都會降得很低（只有部分慣性力矩），即總會發生動力中斷，因此無法實現通過B2制動器與B3制動器的動力搭接來防止動力中斷。只能先將B2制動器快速放油解除動力傳遞，緊接著再通過B3制動器的充油緩沖來恢復動力完成降擋。通過合理的控制可使動力降擋過程的動力中斷時間達到盡可能小。圖4為動力驅動工況降擋過程中各參數變化圖。

圖4　動力驅動工況降擋過程中各參數變化圖Fig.4 The variation of parameters during downshift under the power driving condition

圖5　升擋過程兩換擋執行元件充放油交替不當試驗曲線Fig.5 Test curves for improper timing method of two shifting actuators filling and draining hydraulic oil during shifting

3　試驗研究

針對以上分析的升降擋過程的兩換擋執行元件充放油的交替方法，進行了實車試驗驗證，圖5為升擋過程兩換擋執行元件充放油交替不當試驗曲線。圖中no表示輸出軸轉速，i3代表3擋傳動比，S2表示控制B2制動器的電磁閥，S3表示控制B3制動器的電磁閥。圖5（a）為一組充放油交替（重疊）時間過多的試驗曲線，試驗中有意使放油元件（制動器B3）保持較高的壓力且放油速度較慢，充油元件（制動器B2）壓力等斜率增長，隨著壓力的增長，制動器B2傳遞的轉矩不斷增加，此時轉矩在B2和B3之間進行分配。由前面的理論分析可知，B3傳遞的轉矩會隨著B2傳遞的轉矩的增加而自然減小，其大小由外力而非油壓決定，這一點從圖5（a）中可以看出，在轉矩相階段，隨著B2制動器壓力的增長渦輪轉速幾乎不變且沖擊度一直保持較小，這說明B3制動器傳遞的轉矩隨著B2制動器壓力的變化而變化，證明了理論分析的正確性。當檢測到渦輪轉速下降即進入慣性相之后，由于此時B3制動器油壓較高來不及降低到0，由前面的理論分析可知其摩擦轉矩會變成了較大的阻力矩，使輸出軸轉矩下降較多，隨著B3制動器的快速放油輸出軸會產生較大的轉矩波動，從而會產生較大的換擋沖擊。圖5（b）為一組充放油交替時間不足的試驗曲線，由圖可知由于B3制動器放油過快出現了動力中斷，同時會造成后面的控制難度加大，易產生換擋沖擊。因此理想的放油規律是在保證不打滑的前提條件下油壓應快速降低，在慣性相開始時變為0.而理想的充油規律是首先通過快充油迅速消除離合器間隙，在相對較短的時間內完成轉矩相的控制，要注意油壓增長不能過快，否則易產生換擋沖擊，通過閉環油壓緩沖控制完成換擋過程控制。要注意換擋元件完成接合瞬間容易產生沖擊，這是因為由動摩擦轉成靜摩擦的過程中，如果油壓過高會產生較大的轉矩變化，因此在完成接合前應適當將油壓調低。

圖6為升降擋過程兩換擋執行元件充放油交替合適的試驗曲線。圖6（a）為2擋升3擋曲線圖，從A到B段為B2制動器的快充油時間（克服離合器間隙），同時B3制動器快速放油到一個安全的壓力（不打滑）。從B到C段，B2制動器油壓緩慢增加直到檢測到渦輪轉速下降，同時B3制動器回油完全打開。從C到D段，對B2制動器油壓進行閉環控制直到升擋完成。圖6（b）為3擋降2擋曲線圖。B3制動器快充油期間B2制動器完成解除制動（電磁閥占空比分段降為0，以盡量減少動力中斷），之后對B3制動器進行閉環控制，直到降擋完成。試驗過程換擋平穩無沖擊，主觀評價良好，說明了理論分析的正確性。

圖6　升降擋過程兩換擋執行元件充放油交替合適的試驗曲線Fig.6 Test curves for proper timing method of two shifting actuators filling and draining hydraulic oil during shifting

4　結論

本文針對3自由度大功率液力機械自動變速器（HD4070PR自動變速器），利用拉格朗日方程建立了換擋過程的動力學方程，通過所建立的方程分析了升擋和降擋過程中兩個換擋執行元件充放油交替的理想方法，得到以下結論：

對于升擋過程，放油執行元件要保證在轉矩相不打滑，在轉矩相結束時要完全解除制動，充油執行元件在轉矩相注意油壓不能增長過快，否則會造成輸出轉矩下降過多過快造成換擋沖擊，在慣性相注意油壓緩沖，結束換擋時注意適當調低油壓以減少沖擊。

2）對于降擋過程不可避免動力中斷，只是盡可能地降低動力損失，降擋控制時充油執行元件快充油的同時放油元件放油，在充油執行元件快充油完成時放油元件要完全解除制動，也就是無法通過兩換擋執行元件的動力搭接來防止動力中斷。

以上結論的正確性已通過實車試驗驗證。

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Research on Timing Method of Two Shifting Actuators Filling and Draining Hydraulic Oil During Shifting

LI Chun-fu1，CHEN Hui-yan2
（1.Transportation college，Inner Mongolia University，Hohhot 010070，Inner Mongolia，China；2.School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

The shifting process of automatic transmission is an alternating process of two actuators filling and draining the hydraulic oil.The improper oil filling and draining of two shifting actuators may cause power interruption or too much overlap，power lose，impact of shifting and aggravated wear of shift actuator.Lagrange equation is used to establish the dynamic equation of the shifting process by taking Allison automatic transmission（HD4070PR）as the study subject.The timing method of two shifting actuators filling and draining hydraulic oil during shifting process is analyzed on the basis of the equation，and verified by real vehicle test.The research results show that，for the upshifting process，the power shifting can be realized，and the impact of shifting can be reduced through the rational power lap；and for the downshift process，since the emergence of power interruption is inevitable，only the loss of the power should be reduced as far as possible.

control science and technology；hydraulic mechanical automatic transmission；shifting actuator；timing method

U463.212+.2

A

1000-1093（2015）01-0012-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.01.002

2014-02-11

國家高技術研究發展計劃項目（2012AA111713）；內蒙古自治區高等學校科學研究項目（NJZY12007）

李春芾（1974—），男，副教授。E-mail：jtlcf@imu.edu.cn；陳慧巖（1961—），男，教授，博士生導師。E-mail：Chen_h_y@263.net