液力自動變速器升檔過程發動機協調控制

李波 張健 侯連軍 穆勇勇

摘要：發動機轉矩協調控制是提高液力變速器換擋品質的重要技術手段。以某型號柴油機和西安雙特智能傳動有限公司的FC180液力自動變速器組成的動力傳動系統，制定了換擋過程發動機協調控制策略，并在實車上進行了對比試驗。結果表明：通過在慣性相初期階段減小發動機轉矩以抵消部件轉動慣量釋放的轉矩，在慣性相后期通過標定發動機使其轉矩增加，以抵消升擋后由于速比減小導致輸出轉矩減小而引起的沖擊，提高換擋品質。

關鍵詞：柴油機；自動變速器；協調控制；換擋過程

不斷提高車輛的動力性、經濟性、舒適性和操縱性是人們一直追求的目標。液力自動變速器換擋品質是影響車輛舒適性的重要方面，而提高換擋品質，不僅需要自動變速器的精確控制，而且需要發動機的有效協調控制。

在換擋過程中，液力機械式自動變速器是通過控制行星齒輪傳動系中相應離合器或制動器的結合、分離來實現的。通過控制換擋執行元件的油路油壓，延長滑摩時長可以有效降低離合器結合過程中產生的轉矩波動。但較長的滑摩時長減小了離合器的壽命。萬國強等[1]在AT升擋過程中發動機協調控制的試驗研究中提出，減小升擋過程發動機噴油量可以有效地抑制輸出軸轉矩的增加，但是卻增加了換擋結束時產生的反向沖擊。

本文以減小液力機械式自動變速器換擋沖擊為優化目標，為抑制變速器輸出轉矩波動，提高換擋過程舒適性，提出一種換擋過程中的發動機轉矩調節策略。在慣性相初期通過降低發動機轉矩輸出，減小轉動慣量引起的轉矩上升，在慣性相后期通過發動機轉矩調節使其轉矩上升以減小由于速比減小而引起的輸出轉矩降低。

自動變速器建模及理論分析

1.離合器的動力學分析模型

車輛的動力傳動系統是一個連續、多自由度的復雜系統，為了方便分析，將其轉化為機械變速系統動力學分析模型并且對其進行如下假設：

1）忽略發動機扭振、擺振等振動影響。

2）忽略齒輪嚙合等其他運動副的間隙和阻尼。

3）忽略動力傳動系統中軸承和軸承座的摩擦阻力。

4）忽略以上因素對整個換擋過程動力分析不會產生太大影響。

基于以上假設，可將車輛動力傳動系統簡化為圖1所示模型。

圖1中，Jin為變速器輸入軸轉動慣量，Jout為變速器輸出軸轉動慣量，CL為低擋位離合器，CH為高擋位離合器，iL為低擋位傳動比，iH為高擋位傳動比，Tin為變速器輸入端轉矩，Tout為變速器輸出端轉矩[2]。

自動變速器換擋離合器從分離到接合過程中，在滑動摩擦力的作用下，離合器主動端和被動端的轉速差不斷的減小而最終達到零。在此過程中，如果忽略油膜變化對離合器摩擦特性的影響，離合器的摩擦轉矩和轉矩容量可以通過下式進行描述

當離合器的主被動端存在滑摩時，離合器的轉矩容量和滑摩轉矩相等，并與離合器的壓緊油壓成正比關系。而當離合器壓緊以后，主被動端的滑差為0，此時離合器的轉矩容量和滑摩轉矩不再相等，其滑摩轉矩保持不變而轉矩容量則隨著油壓的增加而增大。

因此可以根據變速器輸入軸和輸出軸分別得到關于離合器CH和離合器CL的轉矩平衡公式，換擋過程中離合器一定滿足的基本轉矩配合關系。在自動變速器換擋過程中，不同的離合器處于不同的工作狀態，因而兩個平衡公式的具體形式也略有不同。

無論哪種換擋類型，離合器工作狀態一定處于充油階段、轉矩交換階段、轉速同步階段、完全分離階段和完全壓緊階段中的某一工作狀態[3]。

2.換擋過程理論分析

（1）充油階段的離合器動力學分析 在升擋的充油階段，離合器CL處于壓緊狀態并且承擔著傳動系統的轉矩而離合器CH處于完全分離狀態，不承載任何轉矩。

（2）轉矩交換階段的離合器動力學分析 在升擋的轉矩交換階段，離合器CL仍然處于接合狀態并且承擔的轉矩逐漸轉交到CH，此時離合器CH處于滑摩狀態。轉矩交換階段的理想模型是CH滑摩、CL保持接合狀態、傳動系統仍然以iL工作。

（3）轉速同步階段的離合器動力學分析 在升擋的轉速同步階段，離合器CL完全分離處于帶排狀態，CH處于滑摩狀態并且承擔所有轉矩，傳動比從低擋位iL的向高擋位iH過渡，輸入端轉速由低擋位轉速同步至高擋位轉速。

（3）完全壓緊階段 在升擋的完全壓緊階段，離合器CL完全分離，CH處于完全壓緊狀態，傳動系統以iH工作。

換擋過程控制策略分析

文中策略只針對轉速相進行調控，因此只分析轉速相階段轉矩變化。在轉速相階段轉矩變化CH離合器傳遞轉矩TCH如下

忽略路面波動等情況，輸出軸的沖擊度與輸入端轉矩的變化率和輸入軸加速度有關。如圖2所示，?1來自于升擋過程中發動機轉速下降而引起的變速器部件的轉速慣量的釋放，瞬時值與輸入軸的加速度成正比；?2來自于不同擋位之間的速比變化引起的，與擋位及車輛工況有關。

基于發動機轉矩協調控制策略

升擋過程中基于發動機轉矩的協調控制是指：在升擋過程中，通過對發動機輸出轉矩的合理控制，以使自動變速器的輸出轉矩接近理想值，從而減小輸出軸轉矩波動，提升換擋質量。

因此，關鍵在于發動機目標輸出轉矩的確定，理想的輸出軸轉矩如圖2A-C所示。從圖2可以看出，理想的輸出軸轉矩一般隨換擋時間逐漸減小，其初值等于換擋前輸出軸負載轉矩。AB階段為轉矩相，BC階段為慣性相。A點轉矩值為換擋前輸出軸負載轉矩；C點轉矩值由發動機轉矩調節和變速器高擋位傳動比確定[3]。

在動力升擋過程中，標定發動機降扭請求并且通過CAN總線通信發給發動機控制模塊，要求發動機減小轉矩輸出以抵消?1引起的轉動慣量釋放。在慣性相后期，關閉發動機降扭請求，此時發動機轉矩會緩慢上升此時增加的轉矩以抵消?2降低的轉矩（見圖3），可以通過發動機標定使其轉矩上升滿足要求[4]。

試驗及結果分析

為驗證本文提出的發動機降扭控制策略的正確性，在安裝有AT的大型客車上，通過車輛安裝加速度儀測試發動機無降轉矩和降轉矩的換擋對比試驗。

本文僅以在相同的節氣門開度下2擋升3擋為例，在慣性相階段未進行發動機降扭控制時，車輛加速度有0.05g的變化（見圖4），在進行發動機降扭控制時，車輛加速度有0.02g的變化（見圖5）。因此可以證明，在慣性相階段對其發動機進行降扭控制有利于換擋質量的改善。

結語

為了抑制慣性相階段轉動慣量引起的轉矩波動，提高換擋品質，提出了一種換擋過程中的發動機轉矩調節策略。該策略通過在慣性相初期階段減小發動機轉矩以抵消部件轉動慣量釋放的轉矩，在慣性相后期通過標定發動機使其轉矩增加以抵消升擋后由于速比減小導致輸出轉矩減小而引起的沖擊。通過在實際車輛測試，在換擋過程中該控制策略能很好地改善換擋過程中輸出軸轉矩波動，提高換擋平順性。

參考文獻：

[1] 萬國強.AT升擋過程發動機協調控制的試驗研究[J].汽車工程，2013，37（9）：1018-1021.

[2] 高金武.換擋過程中發動機轉矩控制的研究[J].汽車工程，2012，34（8）：670-674.

[3] 徐向陽.自動變速器電控系統及其應用軟件開發技術[M].北京：機械工業出版社，2018.

[4] 楊一凡.動力換擋系統和換擋策略標定[J].傳動技術，2013，27（1）：18-24.