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基于湿式离合器的扭矩辅助型AMT控制技术研究

程禹  
【摘要】:目前,国内外重型商用车机械式自动变速器(AMT)技术已经得到了长足发展,然而,由于AMT结构上的原因,其换挡过程仍然需要切断动力,从而使整车燃油经济性和动力性受到很大影响。另一方面,由于装有AMT车辆的发动机与AMT变速箱之间的主离合器为干式离合器,其起步过程的离合器接合平稳性控制效果还不尽人意,从而影响了重型车起步舒适性和平顺性。重型商用车AMT这些问题严重制约了AMT在整车市场上的推广应用。 为克服重型商用车AMT的不足,本文结合企业合作项目,对基于湿式离合器的扭矩辅助型AMT控制技术进行了以下研究: (1)在分析国外扭矩辅助型AMT研究现状基础上,通过湿式离合器扭矩辅助型AMT结构方案对比分析及方案设计,提出并设计开发出了基于重型商用车主离合器为湿式离合器的湿式离合器扭矩辅助型AMT结构,该结构特点是,通过采用湿式离合器作为主离合器和扭矩辅助离合器,不但保持了扭矩辅助型AMT换挡过程中动力不中断的性能,而且能提高车辆的起步平稳性。 (2)本文对湿式离合器扭矩辅助型AMT的工作特性及控制需求进行了详细论述与分析,并在进行了以XC2785单片机为基础的湿式离合器扭矩辅助型AMT电子控制系统的总体方案设计基础上,结合所掌握的汽车自动变速电控理论与技术,设计开发出了能满足重型商用车主离合器为湿式离合器的湿式离合器扭矩辅助型AMT控制要求的电子控制系统软硬件。其湿式离合器扭矩辅助型AMT的微控制器模块,则综合考量了系统对运算速度、实时性、接口功能、数量等方面,以及自动变速器对换挡时机的选择、扭矩辅助离合器与发动机控制的协调配合及对电控系统的实时性的要求。其电子控制单元的控制软件则综合考量了系统对换挡控制、换挡品质控制、起步控制及起步平稳性控制、自调整和自诊断等功能要求,设计开发了包含这些功能的软件。考虑到各功能任务间的复杂调度和通信及车辆行驶工况复杂多变,湿式离合器扭矩辅助型AMT的控制器按照嵌入式控制器方式设计,能并行采集处理多种行车数据参数,且多种任务并行处理,软件设计则采用了基于模块化的设计思想,调度方式则根据系统控制的需求为不同模块设置不同的优先级。 (3)基于所建立的湿式离合器接合过程的数学模型及仿真模型,对作为湿式离合器扭矩辅助型AMT关键部件总成的湿式离合器接合过程进行了仿真分析,得到了湿式离合器的结合过程中挤压、压紧及粗糙接触三个阶段摩擦片间油膜厚度随时间变化特性及不同阶段的转矩变化特性,研究结果表明,在湿式离合器接合开始的挤压阶段,其所传递转矩增大很快,当进入压紧阶段时,离合器接合过程传递转矩由两部分转矩叠加而成,而在粗糙接触阶段,其离合器接合过程传递转矩逐步趋于恒定。 (4)在分析湿式离合器接合特性对车辆起步影响基础上,对主离合器为湿式离合器的湿式离合器扭矩辅助型AMT的起步过程湿式离合器结合压力控制策略、起步过程湿式离合器压力参数自调整PID控制策略及起步过程中驾驶员起步意图的模糊控制策略进行了较深入研究。研究表明,与基于查表法的变参数PID控制策略及基于模糊理论的模糊PID控制策略比较,本文的起步过程湿式离合器压力参数自调整PID控制策略可实现对目标压力实时随动控制,即通过对控制阀的占空比来控制离合器压力,并与离合器压力目标值进行比较,同时,基于模糊控制器,依据比较得到的差值及其变化率调整PID的控制参数Kp、Ki、Kd,进而实现PID控制参数的自调整。另一方面的研究表明,本文关于湿式离合器起步的模糊控制策略增强了驾驶员起步意图及车辆状态等的不确定因素影响的鲁棒性和自适应性,即通过反映发动机状态的驾驶员操纵的油门踏板位置和其变化速率进行驾驶员起步意图的模糊识别,并在建立驾驶员起步意图和车辆状态模糊控制规则基础上,根据发动机转速、最低结合转速、离合器油温等参数进行修正,进而实现湿式离合器起步模糊控制。 (5)在分析车辆自动变速器换挡特性基础上,对主离合器为湿式离合器的湿式离合器扭矩辅助型AMT换挡过程不同阶段的控制策略、基于湿式扭矩辅助离合器常啮合齿轮不同传动比的换挡控制策略及基于整车传动系统动力学分析的湿式离合器扭矩辅助型AMT换挡控制策略等进行了较深入研究。研究表明,湿式离合器扭矩辅助型AMT换挡过程控制策略的制定,必须考虑摘挡与挂档两个阶段的湿式扭矩辅助离合器在AMT换挡过程中的扭矩辅助作用,以及摘档与换挡过程中发动机、变速器、同步器、扭矩辅助离合器等的扭矩变化,进而通过换挡过程中对湿式扭矩辅助离合器结合与分离控制,得以实现扭矩辅助型AMT动力不中断换挡,即根据以油门开度及车速为参数的换挡规律控制系统实施摘挡控制,同时控制湿式扭矩辅助离合器进入结合状态,在该过程中,发动机扭矩同时通过变速箱齿轮和湿式扭矩辅助离合器传递扭矩。在此过程中,变速箱齿轮传递扭矩逐渐减小,湿式扭矩辅助离合器传递扭矩逐渐增大,摘挡完成时,变速箱处于空挡状态,发动机扭矩完全由实施辅助离合器传递给输出轴。挂档过程中,控制系统实施挂档控制,湿式扭矩辅助离合器进入分离状态,同时通过调节发动机输出转速和同步器两端的同步转速,控制变速箱目标档位齿轮结合,在此过程中,变速箱齿轮传递扭矩逐渐增大,湿式扭矩辅助离合器因分离传递扭矩逐渐减小,换挡完成时,发动机扭矩完全由变速箱齿轮传递。在摘挡和挂档过程中,发动机与辅助离合器的协调控制策略是根据扭矩辅助机构常啮合齿轮采用的传动比决定。另一方面,基于湿式离合器扭矩辅助型AMT的整车传动系统的动力学分析及湿式离合器扭矩辅助型AMT的不同自由度下的动力学特性的换挡控制策略的研究表明,为使摘挡能在不产生传动系中扭振的情况下进行,即为了提高摘挡平稳性,应在摘挡过程中控制湿式辅助离合器处于完全结合状态,及湿式辅助离合器传递最大扭矩状态,以便在主离合器处于接合状态时,能在不产生显著振动的条件下换到下一档位。为使空挡动力不中断,应控制与调节发动机转速,同时控制辅助离合器的结合压力,使辅助离合器将转矩平稳传至变速器第二轴,实现空挡的动力不中断。从空转到换到下一档的控制策略则是基于辅助离合器和发动机之间的协调控制,即加速或减慢主轴转速来获得理想的降档或升档同步过程,使主轴转速适应下一档位的接合。 (6)基于所开发的电控系统,进行了湿式离合器压力控制的台架试验,分析了不同控制策略对湿式离合器结合特性及湿式离合器传递转矩特性的影响。试验结果表明,湿式离合器接合过程的挤压阶段、压紧阶段和粗糙接触阶段的输入输出转速及传递转矩的峰值大小与持续时间等的差异受控于给定不同的控制信号占空比所得到的湿式离合器控制油压,而所需控制油压的大小与数值则依据车辆不同行驶工况(如起步、换挡、加速、减速及制动等工况)及相应的控制策略加以确定。 本文应用汽车自动变速理论与电控技术,进行基于重型商用车主离合器为湿式离合器的湿式离合器扭矩辅助型AMT控制技术的研究,对促进商用车AMT及湿式离合器扭矩辅助型AMT的技术发展具有理论与实际意义,并对商用车湿式离合器扭矩辅助型AMT的产品开发具有一定的参考价值。


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