萬(wàn)國(guó)強(qiáng)，李克強(qiáng)，羅禹貢

(清華大學(xué)，汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

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2015175

AT升擋過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制的試驗(yàn)研究*

萬(wàn)國(guó)強(qiáng)，李克強(qiáng)，羅禹貢

(清華大學(xué)，汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制是提高變速器換擋品質(zhì)的重要技術(shù)手段。本文針對(duì)由DEUTZ BF4M1013單體泵柴油機(jī)和Allison S2000液力自動(dòng)變速器組成的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，制定了換擋過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制策略，并與斷油控制進(jìn)行了臺(tái)架對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明：?jiǎn)误w泵柴油機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)能滿足換擋過(guò)程協(xié)調(diào)控制的要求；發(fā)動(dòng)機(jī)斷油控制雖然顯著地減小了換擋過(guò)程的滑摩功和正向沖擊度，但是在換擋結(jié)束時(shí)產(chǎn)生了更嚴(yán)重的反向沖擊度；而基于轉(zhuǎn)矩的發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制不僅有效地減小了換擋過(guò)程的正向沖擊度和反向沖擊度，而且有效地減少了滑摩功，提高了換擋品質(zhì)。

柴油機(jī)；自動(dòng)變速器；換擋過(guò)程；協(xié)調(diào)控制

前言

車(chē)輛的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性一直是人們追求的目標(biāo)。液力自動(dòng)變速器(automatic transmission, AT)換擋品質(zhì)是影響車(chē)輛舒適性的重要方面。提高換擋品質(zhì)，不僅需要自動(dòng)變速器的精確控制，而且要求發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行有效的協(xié)調(diào)控制[1-4]。

本文中針對(duì)由DEUTZ BF4M1013單體泵柴油機(jī)和Allison S2000液力自動(dòng)變速器組成的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，制定了換擋過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制策略，并進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)研究。

1 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

所研究的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)由DEUTZ BF4M 1013渦輪增壓?jiǎn)误w泵柴油機(jī)和Allison S2000離合器-離合器換擋式液力自動(dòng)變速器組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。各個(gè)擋位的傳動(dòng)比和離合器工作狀態(tài)如表1所示，其中，×表示離合器接合。

表1 自動(dòng)變速器各擋位傳動(dòng)比和離合器工作狀態(tài)

2 基于轉(zhuǎn)矩的發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制策略

斷油控制和基于轉(zhuǎn)矩的協(xié)調(diào)控制是換擋過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)主要采取的兩種協(xié)調(diào)控制方式。由于斷油控制實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，本文不再贅述。

基于轉(zhuǎn)矩的換擋過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制是指：在換擋過(guò)程中，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的合理控制，使自動(dòng)變速器的輸出軸轉(zhuǎn)矩接近理想值，從而減小輸出軸轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，提高換擋品質(zhì)。

基于轉(zhuǎn)矩的發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制的關(guān)鍵在于發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)輸出轉(zhuǎn)矩的確定。理想的輸出軸轉(zhuǎn)矩如圖2中的ABC曲線所示[5]。從圖2中可以看出，理想的輸出軸轉(zhuǎn)矩一般隨換擋時(shí)間逐漸減小，其初值等于換擋前輸出軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩。其中，AB段為轉(zhuǎn)矩相，BC段為慣性相。A點(diǎn)轉(zhuǎn)矩值為換擋前輸出軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩；C點(diǎn)轉(zhuǎn)矩值由發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速特性和變速器高擋傳動(dòng)比確定。換擋過(guò)程輸出軸轉(zhuǎn)矩變化的速率根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)定的換擋時(shí)間確定。

根據(jù)圖1和表1可知：Allison S2000自動(dòng)變速器1擋時(shí)，C1和C5離合器接合；2擋C1和C4離合器接合。1-2升擋過(guò)程，C5離合器分離，C4離合器接合。由于各個(gè)行星排組件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，故忽略了各個(gè)行星排組件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)換擋過(guò)程的影響。根據(jù)轉(zhuǎn)矩相和慣性相的特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。

(1) 在轉(zhuǎn)矩相，變速器的傳動(dòng)比仍然保持不變，因此輸出軸轉(zhuǎn)矩To、渦輪軸轉(zhuǎn)矩Tt和C4離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩TC4之間滿足：

To=i1(Tt-TC4)

(1)

式中i1為自動(dòng)變速器1擋傳動(dòng)比。

(2) 在慣性相，由于C5離合器已經(jīng)分離，C5離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩此時(shí)為0，所以渦輪軸轉(zhuǎn)矩、輸出軸轉(zhuǎn)矩之間滿足：

To=i2Tt

(2)

式中i2為自動(dòng)變速器2擋傳動(dòng)比。

結(jié)合圖3理想升擋過(guò)程輸出軸轉(zhuǎn)矩，根據(jù)式(1)和式(2)就可以確定換擋過(guò)程渦輪軸的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩。在得到了渦輪軸目標(biāo)轉(zhuǎn)矩之后，就可以根據(jù)液力變矩器模型確定換擋過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)輸出轉(zhuǎn)矩Te[6]為

(3)

式中：k為變矩比；It為渦輪軸及其相連軸系等效慣量；ωt為渦輪軸角速度；Ie為飛輪及其相連軸系等效慣量；ωe為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸角速度。

換擋過(guò)程中，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)控制器(powertrain control module, PCM)不僅對(duì)自動(dòng)變速器的高、低擋離合器進(jìn)行控制，而且對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。換擋過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制流程見(jiàn)圖3。

PCM首先通過(guò)傳動(dòng)比判斷換擋過(guò)程處于轉(zhuǎn)矩相還是慣性相，然后根據(jù)理想輸出軸轉(zhuǎn)矩，通過(guò)式(1)或式(2)計(jì)算渦輪目標(biāo)轉(zhuǎn)矩。在確定了渦輪目標(biāo)轉(zhuǎn)矩之后，PCM根據(jù)液力變矩器模型，通過(guò)式(3)確定發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)輸出轉(zhuǎn)矩。最后，PCM根據(jù)基于轉(zhuǎn)矩的發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略，確定發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)指示轉(zhuǎn)矩，再通過(guò)查相關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)控制MAP，確定噴油脈寬和噴油提前角[7]。

3 試驗(yàn)平臺(tái)與方法

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)

本文中進(jìn)行換擋過(guò)程試驗(yàn)研究的試驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示。試驗(yàn)平臺(tái)主要包括DEUTZ BF4M 1013單體泵柴油機(jī)、Allison S2000液力自動(dòng)變速器、萬(wàn)向節(jié)聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)矩儀、測(cè)功機(jī)、慣量箱、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)控制器、監(jiān)控系統(tǒng)、標(biāo)定系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等。其中，測(cè)功機(jī)為洛陽(yáng)南峰CW440型電渦流測(cè)功機(jī)；慣量箱為ZL-GL20慣量加載系統(tǒng)，可以加載慣量范圍為3～20kg·m2；轉(zhuǎn)矩儀為華欣機(jī)電HX-906型轉(zhuǎn)矩信號(hào)耦合器，量程2 000N·m，精度0.5%。

3.2 試驗(yàn)方法

由變速器輸出軸的轉(zhuǎn)矩平衡條件得

(4)

式中：Tl為變速器輸出軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩；Iv為等效至變速器輸出軸的整車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ωo為輸出軸角速度。

Iv=(Iw+mr2)/if2

(5)

式中：Iw為所有車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；m為整車(chē)質(zhì)量；r為車(chē)輪半徑；if為主傳動(dòng)比。

由車(chē)輛動(dòng)力學(xué)[8]得

(6)

式中：g為重力加速度；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；θ為坡度角；Cd為空氣阻力系數(shù)；A為正面迎風(fēng)面積；v為車(chē)輛行駛速度。

換擋過(guò)程車(chē)速變化較小，如果忽略換擋過(guò)程坡道的變化，則可以認(rèn)為換擋過(guò)程中變速器輸出軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩基本不變。因此，利用動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)架進(jìn)行換擋過(guò)程試驗(yàn)研究，可以根據(jù)式(5)確定試驗(yàn)臺(tái)架慣量加載系統(tǒng)所需要加載的慣量，根據(jù)式(6)確定測(cè)功機(jī)所需要加載的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

3.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

(1) 沖擊度j：沖擊度定義為車(chē)輛縱向加速度的變化率，即

(7)

式中a為車(chē)輛行駛縱向加速度。

由式(7)可以看出，沖擊度是由于輸出軸的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)引起的，與輸出軸轉(zhuǎn)矩的變化率成正比。通過(guò)測(cè)量輸出軸轉(zhuǎn)矩，根據(jù)式(7)計(jì)算換擋過(guò)程的沖擊度。

(2) 滑摩功Wc

(8)

式中：ts和tf為換擋開(kāi)始和換擋結(jié)束時(shí)間；Tc為離合器傳遞的摩擦轉(zhuǎn)矩；ω1和ω2為摩擦元件主、從動(dòng)片的角速度。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證升擋過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制的可行性與有效性，在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了1-2升擋過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)不進(jìn)行協(xié)調(diào)控制、斷油控制、基于轉(zhuǎn)矩的協(xié)調(diào)控制的對(duì)比試驗(yàn)研究。

4.1 輸出軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩150N·m的1-2升擋過(guò)程

輸出軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩為150N·m的1-2升擋過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)不進(jìn)行協(xié)調(diào)控制、斷油控制、基于轉(zhuǎn)矩的協(xié)調(diào)控制的試驗(yàn)結(jié)果如表2和圖5～圖7所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比(150N·m)

由表2可見(jiàn)：輸出軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩為150N·m的1-2升擋過(guò)程，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)斷油控制，輸出軸轉(zhuǎn)矩峰值減小了26.1%，滑摩功減小了27.5%，最大正向沖擊度減小了25.9%，但是在換擋結(jié)束時(shí)，最大反向沖擊度增加了15.1%；發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)基于轉(zhuǎn)矩的協(xié)調(diào)控制，輸出軸轉(zhuǎn)矩峰值減小了30.4%，滑摩功減小了20.6%，最大正向沖擊度減小了49.4%，最大反向沖擊度減小了43.4%。

4.2 輸出軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩300N·m的1-2升擋過(guò)程

輸出軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩為300N·m的1-2升擋過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)不進(jìn)行協(xié)調(diào)控制、斷油控制、基于轉(zhuǎn)矩的協(xié)調(diào)控制的試驗(yàn)結(jié)果如表3和圖8～圖10所示。

表3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比(300N·m)

由表3可見(jiàn)：輸出軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩為300N·m的1-2升擋過(guò)程，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)斷油控制，輸出軸轉(zhuǎn)矩峰值減小了41.9%，滑摩功減小了46.6%，最大正向沖擊度減小了18.5%，但是在換擋結(jié)束時(shí)，最大反向沖擊度增加了39.2%；發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)基于轉(zhuǎn)矩的協(xié)調(diào)控制，輸出軸轉(zhuǎn)矩峰值減小了40.3%，滑摩功減小了42.5%，最大正向沖擊度減小了52.3%，最大反向沖擊度減小了21.6%。

綜上所述，在升擋過(guò)程中，如果能及時(shí)減少發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油量(例如通過(guò)斷油控制或者基于轉(zhuǎn)矩的協(xié)調(diào)控制)，就可以有效地抑制輸出軸轉(zhuǎn)矩的增加，并顯著地減小換擋過(guò)程的正向沖擊度和滑摩功。

5 結(jié)論

本文中針對(duì)由DEUTZ BF4M1013單體泵柴油機(jī)和Allison S2000液力自動(dòng)變速器組成的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)行了升擋過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1) 單體泵柴油機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)能夠滿足換擋過(guò)程協(xié)調(diào)控制的要求；

(2) 如果能夠通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制(例如斷油控制或者基于轉(zhuǎn)矩的協(xié)調(diào)控制)，減小升擋過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油量，就可以有效地抑制輸出軸轉(zhuǎn)矩的增加，并顯著地減小升擋過(guò)程的正向沖擊度和滑摩功；

(3) 雖然發(fā)動(dòng)機(jī)斷油控制可以有效地減小升擋過(guò)程的滑摩功和正向沖擊度，但卻增大了換擋結(jié)束時(shí)產(chǎn)生的反向沖擊；

(4) 基于轉(zhuǎn)矩的發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制不僅有效地減小了升擋過(guò)程的沖擊度和滑摩功，且能減小反向沖擊，有效地提高了換擋品質(zhì)。

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An Experimental Study on Engine Coordinated Control in theUpshift Process of Automatic Transmission

Wan Guoqiang, Li Keqiang & Luo Yugong

TsinghuaUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSafetyandEnergy,Beijing100084

Engine coordinated control is an important technical means to improve the shift quality of transmission. In this paper, an engine coordinated control strategy in shifting process is proposed for the powertrain system composed of DEUTZ BF4M1013 unit pump diesel engine and Allison S2000 automatic transmission, and a comparative test against fuel-cutoff control is conducted. The results show that the torque response of diesel engine with unit pump can meet the requirements of coordinated control of shifting process. Though fuel cut-off control can significantly reduce the sliding friction work and positive shift jerk in shifting process, but it causes larger negative shift jerk at the end of shifting process, while the torque based engine coordinated control can not only reduce sliding friction work, but also effectively lower both positive and negative shift jerks.

diesel engine; automatic transmission; shifting process; coordinated control

*國(guó)家自然科學(xué)基金(51475043)資助。

原稿收到日期為2014年2月17日，修改稿收到日期為2014年4月18日。