AMT 换挡过程的离合器控制

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一、前言
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目前，世界上汽车用自动变速器基本上有三种，即液力机械式自动变速器（Automatic Transmission，简称AT）、电控机械式自动变速器（Automated Mechanical Transmission，简称AMT）和无级机械式自动变速器（Continuously Variable Transmission，简称CVT）。电控机械式自动变速器由于效率高、成本低、易于制造等优点得到了越来越广泛的应用，其核心和难点在于换挡过程中对离合器的控制。控制目标是，不但要提高换挡过程中离合器接合的平稳性，减少离合器滑摩，延长离合器使用寿命,而且要保证发动机稳定运转，减小发动机转速的波动。如果离合器接合过猛,将大大增加传动系统的动载荷，造成换挡冲击，引起发动机转速较大的波动。反之,为了改善换挡品质而过分降低离合器的接合速度, 滑摩功将大大增加, 从而降低了其使用寿命在换挡过程中既要求换挡平稳、冲击小，同时又要求滑摩功小，这两个指标是矛盾的，解决措施之一就是在容许的冲击度约束下尽量减小滑摩功。这样，离合器控制就是以冲击度为约束的使滑摩功最小的最优控制问题。

6 B, [3 X. [* |+ S( F1 |二、换挡过程分析
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换挡过程包括以下几个过程：离合器分离、摘挡、选挡、换挡、离合器接合。车辆的换挡品质通常用冲击度和离合器的滑摩功这两个指标来评价。

1．冲击度

, f* V7 {) s) w6 ~1 |车辆的冲击度以加速度的变化率来表示，即：
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! X+ ^" E" A9 }; M, E3 y在实际换挡过程中，车辆冲击度j为：

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* H9 k- q9 v2 p式中，i0为主减速比；ig为挡位减速比；η为传动系效率；M0为汽车总质量；δ为旋转质量换算系数；r 为驱动轮滚动半径；Tc为离合器实际传递扭矩。

$ l1 p# c4 E1 m# \3 ~& H7 N式（2）表明,离合器输出扭矩变动越大,则换挡冲击越大,故j较好地反映了换挡过程的动力学本质。
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' m: d; A" V3 b$ r因此，以冲击度为约束条件：
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式中，jmax为乘坐满意的冲击度最大值。
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根据乘员的主观感觉，各国对冲击度采用的标准各有不同。德国推荐值为10m/s3；前苏联推荐值为3.2g/s，即31.36m/s3。
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由式（4）可知，在离合器传递扭矩相同情况下，挡位越高，传动比越小，离合器的分离和接合速度可以越快。图1所示为升挡时离合器传递扭矩随时间变化曲线，显然，GI段将产生冲击。为了提高汽车动力性，CD,DE,EF,FG 段应尽量缩短。jmax是决定扭矩FH 段斜率的主要因素。在FH阶段，离合器从滑转至基本接合，其摩擦转矩从零逐渐增大，而离合器接合的快慢，直接影响离合器传递扭矩的变化率，即影响冲击度的大小，因此FH是要重点研究的阶段。
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在HI 阶段，换挡过程实际已结束，离合器完全接合，是扭矩增长阶段，离合器容量可以提供的摩擦转矩大于实际离合器传递扭矩。

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图1 升挡时离合器传递扭矩变化

2．滑摩功
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离合器的滑摩功是离合器摩擦片间滑动摩擦力做功的大小。假设换挡过程中，滚动阻力、坡度阻力、空气阻力及车速不变，则有下式成立。
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式中，ig1,为换挡前传动比；ig2为换挡后传动比；ωe1,为换挡前发动机转速；ωe2为换挡后发动机转速。

& N, q: z1 x+ R# _) E. }7 h7 }换挡过程中离合器的滑摩功为：
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式中，ωc为离合器从动盘转速；tB为离合器刚开始滑转时刻；tC为离合器完全分离时刻；tF为离合器刚开始接合时刻；tH为离合器完全接合时刻。
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( t/ j4 Z$ X2 |, V3 q  L# s三、离合器接合控制策略

, n% ]. o2 R- v% {1 u$ Q1．离合器接合速度的确定

为了延长离合器的使用寿命，应尽量减小滑摩功W。理想情况为离合器主、从动盘转速差△ω=ωe-ωc=0，离合器无滑转地分离或接合，但实际上这是不可能的，因此只能将转速差限制在一定范围内。当离合器主、从动片转速差小时，较快接合离合器也不会造成大的冲击，所以△ω与接合速度的关系可由图2 给出。当△ω=0时，即使以最快速度接合离合器也不会产生冲击。

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图2主、从动片转速差与接合速度的关系

在离合器半接合状态，行程L与所传递力矩关系可以近似取为Tc=kc·L，则从式（2）可知，换挡过程离合器接合时冲击度为：
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式中，kc为离合器膜片弹簧刚度。
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3 y" j: I4 _# U同样，在保证许可冲击度的前提下（即j≤［j］）来控制离合器的接合速度dl/dt，即：

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2．离合器接合量的确定

/ Q) n! \- p, E, w离合器接合量应随油门开度的变化而变化。由于发动机转速相对于油门开度有较大的滞后，其输出功率相对于油门开度也有较大的滞后,因此不宜将油门开度作为接合量主要的确定量，将它作为一种辅助确定量是合适的。
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! z) p: V- P) d% F8 d  o6 @在换挡过程中，发动机转速的高低直接影响滑摩功的大小。为了减少离合器从动片产生的滑摩功，随着发动机转速的升高，离合器接合量也应相应加大，即希望通过接合离合器使发动机转速降下来，这样也有利于减小噪声。基于减少滑摩功的需要，将发动机转速作为接合量的主要确定量。离合器控制中总位置接合量△Lc为：

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式中，Lα为当前油门α确定的离合器位置接合量；Lne为发动机转速ne确定的离合器位置接合量。

发动机转速对离合器接合位置的调节关系如图3所示，发动机转速增大，亦表征油门的增大。

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图3 离合器接合位置与发动机转速的关系
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Lα与油门α的关系也是正比的关系，其变化关系见图4所示。
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图4 离合器接合行程与油门开度关系
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离合器的控制是通过高速开关电磁阀完成的，高速电磁阀的工作频率为200Hz，以液压缸的速度信号作为反馈量，来调节高速电磁阀的占空比和工作周期，实现离合器的控制。
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四、AMT换挡过程试验
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基于上述分析和理论研究，在换挡控制过程中，以冲击度为约束条件来控制离合器。在连续过程控制系统中，采用PID控制器对闭环控制系统实行无差调解与超前校正和数字滤波相结合的方法进行控制。利用星研RF2148P PROGRAMMER程序开发器，通过汇编和Basic 语言所编的控制程序，对发动机转速、车辆速度、离合器位置、油门、加速踏板及制动器进行采样和控制。试验是在某越野军车上进行的，试验结果见图5。
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( W, D' R; [. f% Y1 o7 b图5 2挡升3挡换挡过程

' R8 u4 z9 A. J  ?7 _* E# ^+ ?" Y从试验曲线可以看出，在换挡过程中,从离合器分离开始, 采用减小油门方法使选挡后离合器再次接合时, 发动机与中间轴的转速差非常小，产生的冲击也小。随着油门的不断增大和离合器接合速度的不断加快，产生的冲击度也随之增大，但由于在控制程序中加入了约束条件j≤[j], 因而冲击度较小。从图中还可以看出，在满足冲击度要求前提下，离合器从分离到接合的时间不到1s，并具有良好的换挡品质。

; n9 `+ m* V' C( q, X4 A( _: y, n3 s五、结束语

8 x' _# s; Y" A9 t/ l# T7 ia. 以冲击度为约束条件，以减少离合器滑摩功为原则，以发动机和离合器最佳匹配为优化目标，对换挡过程的离合器进行控制，提高了车辆的换档品质。
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b. 换挡过程中离合器的滑摩功小，提高了离合器的使用寿命。

* \, @' w1 g% s2 ^7 {c. 此算法具有计算量少、逻辑判断简单等优点, 对离合器磨损以及环境温度变化有较强的适应能力。