CN103671898B - 一种液力自动变速器的换挡控制方法 - Google Patents

一种液力自动变速器的换挡控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种液力自动变速器的换挡控制方法，包括一次换挡过程中，仅有一个离合器打开，另外一个离合器结合，转矩交换过程在两个动作离合器之间进行，控制方法通过结合离合器控制步骤和分离离合器控制步骤控制油压，在换档过程中通过对K1和K2控制压力的调节，保证离合器结合柔和；同时控制发动机转矩变化，实现了简单、高效和平顺的液力自动变速器换挡控制。在全油门开度下，低挡区间的升挡和跳降挡等极限工况条件下的测试表明，控制方法能够满足正转矩升挡、正转矩降挡，负转矩升挡，负转矩降挡对换档品质的要求。

Description

一种液力自动变速器的换挡控制方法
技术领域
本发明涉及一种液力自动变速器的换挡控制方法，属于自动变速器换挡控制领域。
背景技术
随着汽车工业的发展，自动变速汽车越来越受到消费者的青睐。相比手动变速汽车需频繁换挡操作、易使驾驶员疲劳、影响行驶安全而言，液力自动变速汽车操纵轻便、具有良好的自适应性，大大提高了发动机和传动系的使用寿命。 液力自动变速器通过换挡离合器的打开和结合，改变传动比，完成换挡控制过程。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术存在以下不足：但是，由于车辆行驶工况复杂多变、自动变速器本身机械机构繁杂、液压执行元器件过多和换挡离合器油压控制问题，在挡位切换过程中，很容易造成换挡冲击、抖动或顿挫。同时，多个换挡元件的打开与结合，也造成过多的带排损失，影响整车燃油积极性。
发明内容
本发明要解决的问题是针对以上问题，提供一种液力自动变速器的换挡控制方法，克服了现有技术挡位切换过程中，易造成换挡冲击、抖动或顿挫的缺陷，采用本发明的控制方法后，解决了挡位切换过程中换挡冲击的问题，实现了简单、高效和平顺的液力自动变速器换挡控制。
为解决以上问题，本发明采用的技术方案如下：一种液力自动变速器的换挡控制方法，其特征在于：所述控制方法包括：一次换挡过程中，仅有一个离合器打开，另外一个离合器结合，转矩交换过程在两个动作离合器之间进行。
一种优化方案，所述控制方法通过结合离合器控制步骤和分离离合器控制步骤控制油压。
另一种优化方案，所述结合离合器控制步骤包括：
在步骤S101，判断离合器状态是否为DTN，是则保持0.5bar油压，否则进入步骤S102；
在步骤S102，判断离合器状态是否为Fill，是则通过对结合的离合器进行快速充油，否则进入步骤S103；
在步骤S103，判断离合器状态是否为Torque Phase，是则计算结合的离合器在采样时间n 的转矩T oc (n)，否则进入步骤S104；
在步骤S104，判断离合器状态是否为Speed Phase，是则通过实时计算变速器系统的实际滑差与目标滑差差值，调节P项和I项转矩，控制离合器结合，否则进入步骤S105；
在步骤S105，判断离合器状态是否为Lock up，是则结合离合器压力建立至系统压力，否则返回至离合器初始状态，控制压力为零，离合器完全脱开。
再一种优化方案，所述分离离合器控制步骤包括：
在步骤S201，判断离合器状态是否为Lock up，是则分离离合器压力建立至系统压力，否则进入步骤S202；
在步骤S202，判断离合器状态是否为ETG，是则分离离合器保持主从动盘40rpm速度的滑动摩擦状态，使离合器能够快速分离，并通过相对滑转，衰减传动系统可能的冲击，否则进入步骤S203；
在步骤S203，判断离合器状态是否为DTK，是则基于结合离合器转矩调节分离的离合器的需求转矩，否则进入步骤S204；
在步骤S204，判断离合器状态是否为DTN，分离离合器泄压至零并预充油，否则返回至离合器初始状态，控制压力为零，离合器完全脱开。
本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有以下优点：在换档过程中通过对K1和K2控制压力的调节，保证离合器结合柔和；同时控制发动机转矩变化，实现了简单、高效和平顺的液力自动变速器换挡控制。在全油门开度下，低挡区间的升挡和跳降挡等极限工况条件下的测试表明，控制方法能够满足4种（即正转矩升挡、正转矩降挡，负转矩升挡，负转矩降挡）不同换挡类型对换档品质的要求。
换挡过程先进行转矩相，再进行惯性相控制，根据目标档位对相应的离合器进行控制，K2离合器充油完成，达到接触点（离合器开始传递转矩的临界点）之后，进入转矩相阶段。控制系统对K1离合器放油和K2离合器充油进行协同控制，避免转矩交换过程中出现动力中断或者换档干涉。
为了杜绝离合器反拖发动机的现象，K1离合器完全分离之后，才能进入惯性相阶段。通过滑差控制使K2离合器主、从动端结合柔和，减小换档冲击。由于升档之后传动比将减小，为了保证当前发动机转速与目标档位的预计发动机转速同步，需要通过继续增加K2离合器控制压力，增大发动机负荷使发动机转速降低。随着K2离合器传递摩擦转矩的增大，减小发动机转矩可以有效地减少离合器滑摩，缩短换档时间，保持输出轴转矩稳定，提高换档品质。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图说明
附图1是本发明实施例中符合简单换挡逻辑的挡位切换方式；
附图2是本发明实施例中搭载液力自动变速器车辆简化的动力学模型；
附图3是本发明实施例中换挡过程控制方法的框图；
附图4是本发明实施例中换挡过程中结合离合器控制步骤的流程图；
附图5是本发明实施例中换挡过程中分离离合器控制步骤的流程图；
图中，
1-发动机，2-液力变矩器，3-变速箱，4-车体。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例中，一种液力自动变速器的换挡控制方法，8挡液力自动变速器通过4个湿式离合器及1个制动器实现了8个前进档及1个倒档功能。例如，在1挡时，B1、C1、C4离合器结合，以此类推，液力自动变速器的换挡逻辑关系如下表所示：
通过归纳总结分析上表的换挡逻辑，如图1所示，所有的顺序换档及绝大多数的间隔换档都满足“简单换档逻辑”，即每次换档时，仅需要一个换档元件打开，一个换档元件结合就可以完成换档过程，由于在换档过程中其他3个换档元件的状态保持不变，处于完全打开或者完全结合状态，在短时间的换档过程中其传递的转矩保持不变。因此，自动变速器输入转矩的交换及重新分配仅发生在分离的离合器和结合的离合器之间。
如图2所示，该模型由发动机1、液力变矩器2、变速箱3和车体4组成。忽略相关零部件及支撑的变形和系统的阻尼，假设车辆行驶阻力为常数。以低挡升高挡为例，K1为即将分离离合器，K2为即将结合离合器。简化模型可以分解为多个自由体，其力矩平衡方程分析如下。
在转矩相阶段，K1离合器逐渐放油，但在滑摩之前，仍然传递惯性转矩。K2离合器完成充油后，开始传递摩擦转矩。
（1）
（2）
（3）
其中，T t 为涡轮转矩，T K1 为K1传递的惯性转矩，T o 为变速器输出端的负载转矩；为涡轮转速，为变速器输出轴转速，为发动机转速；J t 为涡轮-离合器主动端部分的自由体转动惯量，J o 为离合器从动端-输出轴部分的自由体转动惯量；i 1i 为低档时变速器输入轴到离合器主动端的传动比，i 1o 为低档时离合器从动端到变速器输出轴的传动比，两者乘积为低档传动比i 1 。摩擦转矩由离合器片的摩擦系数、有效摩擦面积A f 、摩擦副数Z、内外圆半径R o 和R i 以及控制压力P 计算得到。摩擦转矩的方向由离合器主、从动端的转速差决定。
（4）
随着K1离合器油压继续降低，两个离合器均处于滑摩阶段，传递摩擦转矩。
（5）
（6）
其中，T f1 和T f2 分别为K1、K2离合器的摩擦转矩；i 2i 为高档时变速器输入轴到离合器主动端的传动比，i 2o 为高档时离合器从动端到变速器输出轴的传动比，两者乘积为高档传动比i 2 。
在惯性相阶段，K1离合器打开，K2离合器进入滑摩同步阶段，传递摩擦转矩。
（7）
（8）
自动变速器换档品质通常由换档时间t 、滑摩功W 和冲击度大小j 进行评价。
（9）
其中a 为车辆纵向加速度，v 为车速，r r 为车轮动半径。将式（4）（5）（8）（9）分别代入上式，假设换档过程中负载转矩T o 的变化率为零。通过计算可知，在换档的各个阶段，冲击度仅与发动机转矩变化率和离合器控制压力P K1 、P K2 的变化率呈正比，即
（10）
因此，本发明中，在换档过程中通过对K1和K2控制压力的调节，保证离合器结合柔和；同时控制发动机转矩变化，实现自动变速器换档品质优化。
如图3所示，换挡过程先进行转矩相，再进行惯性相控制。电控系统根据目标档位对相应的离合器进行控制。K2离合器充油完成，达到接触点（离合器开始传递转矩的临界点）之后，进入转矩相阶段。控制系统对K1离合器放油和K2离合器充油进行协同控制，避免转矩交换过程中出现动力中断或者换档干涉。
为了杜绝离合器反拖发动机的现象，K1离合器完全分离之后，才能进入惯性相阶段。通过滑差控制使K2离合器主、从动端结合柔和，减小换档冲击。由于升档之后传动比将减小，为了保证当前发动机转速与目标档位的预计发动机转速同步，需要通过继续增加K2离合器控制压力，增大发动机负荷使发动机转速降低。随着K2离合器传递摩擦转矩的增大，减小发动机转矩可以有效地减少离合器滑摩，缩短换档时间，保持输出轴转矩稳定，提高换档品质。
如图4所示，结合离合器控制步骤开始于步骤S101，判断离合器状态是否为DTN（Disengage to Neutral,即脱开至空挡状态），是则保持0.5bar预充油压力状态，否则进入步骤S102；
在步骤S102，判断离合器状态是否为Fill（即充油状态），是则快速充油阶段通过对结合的离合器进行充油，消除空行程，使离合器达到接触点，为转矩交换进行准备，否则进入步骤S103；
在步骤S103，判断离合器状态是否为Torque Phase（即转矩相状态），是则结合的离合器在采样时间n 的转矩T oc (n)通过如下公式进行计算：
（11）
否则进入步骤S104，其中P oc (n)为该离合器的实际压力，P b (n)为离合器平衡补偿压力， Poc 为压力vs转矩特性曲线的转换系数，为由离合器滑差状态决定的相对系数，P k 为离合器接触点压力。因此，其转矩变化率 T oc (n)可以由当前采样时间的转矩减去上一采样时间的转矩值得到。
（12）
在步骤S104，判断离合器状态是否为Speed Phase（即惯性相状态），是则基于PI增益调度的典型非线性、时变控制系统对离合器控制压力进行负反馈闭环调节；同时根据不同工况对控制参数灵活调整，具有一定的自适应性。
该阶段控制方法采用PI滑差负反馈闭环控制，其控制系统定义如下：
（13）
P 为比例相控制系数，I 为积分相控制系数，u(t)为比例积分相转矩，系统误差e(t)由以下公式计算：
（14）
其中目标滑差 tslip 由目标涡轮转速 tt 、输出轴转速 o 和目标档位的传动比i tgear 计算得到。实际滑差 cslip 由实际涡轮转速 ct 、输出轴转速 o 和当前档位的传动比i cgear 计算得到。
（15）
（16）
控制系统通过滑差差值实时调整结合的离合器的需求转矩，进而控制该离合器控制压力，使闭环控制系统的实际滑差跟随目标滑差变化，保证离合器结合平顺，消除换档冲击。
正转矩降档和负转矩升档的惯性相阶段先于转矩相阶段，此时结合离合器处于快速充油阶段，尚未传递转矩。因此，控制系统计算分离离合器主、从动端的目标滑差和实际滑差，基于小滑差差值实时调节该离合器的控制压力，控制分离离合器逐渐放油并完成发动机升速，否则进入步骤S105。
在步骤S105，判断离合器状态是否为Lock up（即完全锁止状态），是则结合离合器压力建立至系统压力，即最大压力；否则返回至离合器初始状态，控制压力为零，离合器完全脱开。
如图5所示，开始于在步骤S201，判断离合器状态是否为Lock up（即完全锁止状态），是则分离离合器压力建立至系统最大压力，否则进入步骤S202。
在步骤S202，判断离合器状态是否为ETG（Engage to Gear,即挡位结合状态），是则分离离合器保持主从动盘40rpm速度的滑动摩擦状态，否则进入步骤S203。
在步骤S203，判断离合器状态是否为DTK（Disengage to Kisspoint，即脱开至接靠点状态），是则控制系统计算结合的离合器的转矩，并基于转矩估计方法实时调节分离的离合器的需求转矩，保证两个离合器按相似的转矩变化率进行转矩交换；
参考结合的离合器压力变化区间（接触点压力、锁止压力）以及转矩相时间，对该离合器的转矩变化率进行限制。分离的离合器在采样时间n 的控制压力T og (n)通过下列公式进行估计：
（17）
其中，T e (n)为发动机转矩，K 为液力变矩器变矩比，为可标定的经验系数，T max 为该离合器最大允许转矩容量，否则进入步骤204。
在步骤S204，判断离合器状态是否为DTN（Disengage to Neutral,即脱开至空挡状态），分离离合器泄压至零并预充油，否则返回至离合器初始状态，控制压力为零，离合器完全脱开。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种液力自动变速器的换挡控制方法，其特征在于：8挡液力自动变速器通过4个湿式离合器及1个制动器实现了8个前进档及1个倒档功能；
每次换档时，仅需要一个换档元件打开，一个换档元件结合就可以完成换档过程，由于在换档过程中其他3个换档元件的状态保持不变，处于完全打开或者完全结合状态，在短时间的换档过程中其传递的转矩保持不变；
在转矩相阶段，K1离合器逐渐放油，但在滑摩之前，仍然传递惯性转矩，K2离合器完成充油后，开始传递摩擦转矩，K1为即将分离离合器，K2为即将结合离合器；
（1）
（2）
（3）
Tt为涡轮转矩，TK1为K1传递的惯性转矩，To为变速器输出端的负载转矩， 为涡轮转速，为变速器输出轴转速，为发动机转速；Jt为涡轮-离合器主动端部分的自由体转动惯量，Jo为离合器从动端-输出轴部分的自由体转动惯量；i1i为低档时变速器输入轴到离合器主动端的传动比，i1o为低档时离合器从动端到变速器输出轴的传动比，两者乘积为低档传动比i1；摩擦转矩由离合器片的摩擦系数、有效摩擦面积Af、摩擦副数Z、内外圆半径Ro和Ri以及控制压力P计算得到，摩擦转矩的方向由离合器主、从动端的转速差决定；
（4）
随着K1离合器油压继续降低，两个离合器均处于滑摩阶段，传递摩擦转矩；
（5）
（6）
其中，Tf1和Tf2分别为K1、K2离合器的摩擦转矩；i2i为高档时变速器输入轴到离合器主动端的传动比，i2o为高档时离合器从动端到变速器输出轴的传动比，两者乘积为高档传动比i2；
在惯性相阶段，K1离合器打开，K2离合器进入滑摩同步阶段，传递摩擦转矩；
（7）
（8）
自动变速器换档品质通常由换档时间t、滑摩功W和冲击度大小j进行评价；
（9）
其中a为车辆纵向加速度，v为车速，rr为车轮动半径，将式（4）（5）（8）（9）分别代入上式，假设换档过程中负载转矩To的变化率为零，通过计算可知，在换档的各个阶段，冲击度仅与发动机转矩变化率和离合器控制压力PK1、PK2的变化率呈正比，即
（10）
在换档过程中通过对K1和K2控制压力的调节，保证离合器结合柔和；同时控制发动机转矩变化，实现自动变速器换档品质优化；
换挡过程先进行转矩相，再进行惯性相控制，电控系统根据目标档位对相应的离合器进行控制，K2离合器充油完成，达到离合器开始传递转矩的临界点之后，进入转矩相阶段，控制系统对K1离合器放油和K2离合器充油进行协同控制，避免转矩交换过程中出现动力中断或者换档干涉；
为了杜绝离合器反拖发动机的现象，K1离合器完全分离之后，才能进入惯性相阶段，通过滑差控制使K2离合器主、从动端结合柔和，减小换档冲击，由于升档之后传动比将减小，为了保证当前发动机转速与目标档位的预计发动机转速同步，需要通过继续增加K2离合器控制压力，增大发动机负荷使发动机转速降低，随着K2离合器传递摩擦转矩的增大，减小发动机转矩可以有效地减少离合器滑摩，缩短换档时间，保持输出轴转矩稳定，提高换档品质；
所述控制方法通过结合离合器控制步骤和分离离合器控制步骤控制油压：
所述结合离合器控制步骤包括：
步骤S101，判断离合器状态是否为脱开至空挡状态，是则保持0.5bar预充油压力状态，否则进入步骤S102；
在步骤S102，判断离合器状态是否为充油状态，是则快速充油阶段通过对结合的离合器进行充油，消除空行程，使离合器达到接触点，为转矩交换进行准备，否则进入步骤S103；
在步骤S103，判断离合器状态是否为转矩相状态，是则结合的离合器在采样时间n的转矩Toc(n)通过如下公式进行计算：
（11）
否则进入步骤S104，其中Poc(n)为该离合器的实际压力，Pb(n)为离合器平衡补偿压力，为压力vs转矩特性曲线的转换系数，为由离合器滑差状态决定的相对系数，Pk为离合器接触点压力；
因此，其转矩变化率可以由当前采样时间的转矩减去上一采样时间的转矩值得到：
（12）
在步骤S104，判断离合器状态是否为惯性相状态，是则基于PI增益调度的典型非线性、时变控制系统对离合器控制压力进行负反馈闭环调节；同时根据不同工况对控制参数灵活调整，具有一定的自适应性；
离合器惯性相状态下控制方法采用PI滑差负反馈闭环控制，其控制系统定义如下：
（13）
P为比例相控制系数，I为积分相控制系数，u(t)为比例积分相转矩，系统误差e(t)由以下公式计算：
（14）
其中目标滑差ωtslip由目标涡轮转速ωtt、输出轴转速ωo和目标档位的传动比itgear计算得到，实际滑差ωcslip由实际涡轮转速ωct、输出轴转速ωo和当前档位的传动比icgear计算得到；
（15）
（16）
控制系统通过滑差差值实时调整结合的离合器的需求转矩，进而控制该离合器控制压力，使闭环控制系统的实际滑差跟随目标滑差变化，保证离合器结合平顺，消除换档冲击；
正转矩降档和负转矩升档的惯性相阶段先于转矩相阶段，此时结合离合器处于快速充油阶段，尚未传递转矩；
因此，控制系统计算分离离合器主、从动端的目标滑差和实际滑差，基于小滑差差值实时调节该离合器的控制压力，控制分离离合器逐渐放油并完成发动机升速，否则进入步骤S105；
在步骤S105，判断离合器状态是否为完全锁止状态，是则结合离合器压力建立至系统压力，即最大压力；否则返回至离合器初始状态，控制压力为零，离合器完全脱开；
所述分离离合器控制步骤包括：
步骤S201，判断离合器状态是否为完全锁止状态，是则分离离合器压力建立至系统最大压力，否则进入步骤S202；
在步骤S202，判断离合器状态是否为挡位结合状态，是则分离离合器保持主从动盘40rpm速度的滑动摩擦状态，否则进入步骤S203；
在步骤S203，判断离合器状态是否为脱开至接靠点状态，是则控制系统计算结合的离合器的转矩，并基于转矩估计方法实时调节分离的离合器的需求转矩，保证两个离合器按相似的转矩变化率进行转矩交换；
参考结合的离合器压力变化区间以及转矩相时间，对该离合器的转矩变化率进行限制，分离的离合器在采样时间n的控制压力Tog(n)通过下列公式进行估计：
（17）
其中，Te(n)为发动机转矩，K为液力变矩器变矩比，为可标定的经验系数，Tmax为该离合器最大允许转矩容量，否则进入步骤204；
在步骤S204，判断离合器状态是否为脱开至空挡状态，分离离合器泄压至零并预充油，否则返回至离合器初始状态，控制压力为零，离合器完全脱开。
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