CN103994205A - 变速器换挡控制方法 - Google Patents

Abstract

一种方法，其用于控制在换挡过程中施加到汽缸内的可移位活塞的压力以及驱动自动变速器的控制元件的活塞位移，包括：确定是否活塞位移超过了隔离弹簧的自由长度，该隔离弹簧位于活塞和控制元件的摩擦板之间；使用以下参数来计算压力：活塞的横截面积A，在活塞和气缸中的参考位置之间延伸的复位弹簧的弹性系数K，活塞位移x，复位弹簧的预载F₀，隔离弹簧的自由长度x_free，和隔离弹簧的弹性系数K_is；以及将计算出的压力施加于活塞。

Description

变速器换挡控制方法

技术领域

本发明总体上涉及控制变速器控制元件的驱动，通过液压伺服器的活塞根据换挡过程中的活塞位置驱动该变速器控制元件。

背景技术

对输入轴扭矩或输出轴扭矩的了解被认为在提高对车辆的自动变速器的换挡控制的质量是有益的。输入轴扭矩或输出轴扭矩的测量允许利用对于未知干扰更强健的反馈控制。然而，基于误差的闭环（CL）控制的惯用方法在换挡的扭矩传递阶段的快速瞬间状变（fast transient）期间具有有限的可靠性，其是由于离合驱动器的相当大的非线性、延时和迟滞。

一种使用对输入和输出轴扭矩的测量或估算的参考来确定换挡期间的离合器扭矩的方法，其前提是存在多种用于改进换挡控制的时机。尽管前序离合器（off-going clutch）扭矩信号和后继离合器（on-comingclutch）扭矩信号提供了对于改变同步扭矩传递控制的整个范式必不可少的有价值的反馈，该反馈在离合器驱动的开始阶段仍然是无法使用的。

该离合器仅在离合器驱动器的某些非线性动态瞬变发生之后具有扭矩承载能力，不幸的是，在该瞬变响应期间没有反馈信息。为能够以可靠的方式在那些初始阶段中命令离合驱动器，对驱动器内部状态的认识就将是必不可少的了。

发明内容

一种方法，其用于控制在换挡过程中施加到汽缸中的可移位活塞的压力以及驱动自动变速器的控制元件的活塞位移，该方法包括：测定活塞位移是否超过了位于活塞和控制元件的摩擦板之间的隔离弹簧（isolationspring）的自由长度；使用以下参数计算压力，活塞的横截面积A，在活塞和气缸中的参考位置之间延伸的复位弹簧的弹性系数K，活塞位移x，复位弹簧预载F₀，隔离弹簧的自由长度x_free，以及隔离弹簧的弹性系数K_is;以及将计算的压力应用于活塞。

该方法提供了基于已存在的指令和反馈信号的离合器状态的内部估算，该反馈信号包括离合器扭矩估算。与目前的高保真模拟模型不同，在车上实时执行该方法是简单的。为了充分预测在非标称状况下离合器体中的瞬变，该方法捕捉控制离合器活塞的运动的主要的物理现象。

在区域3中的离合器扭矩信号的可用性允许离合器模型参数的在线调整，以确保在随后的转换中对区域1和区域2的瞬变的更好表示。然而，使用和调整“升压持续时间（boost duration）”的需求被消除并且“冲程压力（stroke pressure）”的调整可以在换挡中而非在换挡后出现。

根据以下详细说明、权利要求以及附图，优选实施例的适用范围将会变得显而易见。应当理解，尽管说明和具体示例指出了本发明的优选实施例，但其仅以举例的方式给出。对所描述的实施例和示例的各种变化和修改对本领域的技术人员来说将变得显而易见。

附图说明

通过参考附图以及以下说明，本发明将更容易理解，其中：

图1-4为示出了在不同区域中的离合器位移的示意图；

图5为适用于区域2和3的算法的逻辑框图；以及

图6为适用于区域1-4的算法的逻辑框图。

具体实施方式

图1提供了用于自动变速器的常规液压驱动离合器20的说明。位于液压缸14中的离合器活塞12被供给到液压缸的液压压力推向右部。随着活塞12右运动来压缩离合器20的摩擦板，活塞12首先压缩两个弹簧16、18。当离合器被命令打开时，该外部复位弹簧18被预载并推动活塞12远离离合器20的摩擦板。该内部的隔离或缓冲弹簧16是可选择的，且其在此瞬变的初始阶段向接触摩擦板的活塞12提供阻力。

按照离合器活塞位置的设置，活塞12的驱动被分为四个区域。在图1所示的区域1中，该离合器活塞12处在距离合器20的摩擦板的最大距离X_max处。当隔离弹簧16未被压缩时，传动液对管路增压并克服复位弹簧18的预加载。

在图2所示的区域2中，传动液填充离合器缸14并向右移动离合器活塞12，同时压缩复位弹簧18。

如图3所示的区域3中，传动液持续填充离合器缸14。随着离合器活塞12持续向右运动，该隔离弹簧16压缩抵靠离合器20的摩擦板。该换挡的扭矩传送阶段开始，并且随着摩擦板开始相互接合，离合器获得一些扭矩传输能力。

如图4所示的区域4中，当离合器板相互接触时，该离合器活塞12停止移动并接触离合器20最左边的摩擦板。由于摩擦板持续接合，离合器扭矩容量增加。该离合器压力和扭矩容量在此处可以线性关联。在区域4中，该换挡的扭矩传递阶段终止并且换挡的惯性传递阶段出现。

虽然涉及的离合器控制元件是变速器，但该控制元件也可以为制动器。离合器与变速器的旋转部件交替地连接与脱离，然而制动器则使变速器的旋转部件与例如变速器壳体这样的非旋转组件交替地连接与脱离。

在同步换挡期间，前序离合器控制和后继离合器控制没有车载感测，该车载感测提供关于齿轮箱速度测量开始变化之前的这些离合器反应的反馈。对于同步加电升档（power-on upshift），例如，在离合器的最初驱动期间和整个换挡的扭矩传递阶段没有反馈。仅在速比改变在区域4中的某个时间开始后，实时控制器能够基于反馈信息发布其指令。

如上所述，随着扭矩测量或估算的引入，该问题可以被减轻，这是由于，一旦后继离合器开始获得扭矩容量，即在区域3的开始处，则离合器扭矩反馈可用。尽管如此，由于轴转动（shaft twist）可以被动力传动系统引起的或外部的干扰极大地影响，在离合器驱动与扭矩信号之间的线性关系在瞬间可能并不一致。

在区域1中管路增压和复位弹簧压缩仍无任何反馈。从力的平衡中明显可以得出，如果应用于活塞12的液压压力不足以克服复位弹簧18的弹力，该离合器20可以无限制地保持在第一或第二区域。然而，如果施加太多压力，该活塞12会前进得过于迅速而不能与离合器板接合并且对驱动管路的严重干扰会出现。因此，关键的是了解引起区域3的开始的压力，通常被称为“冲程”压力。尽管对于无部分之间或环境的变化的理想状况来说冲程压力是恒定的，实际上冲程压力是变化的。冲程压力是变速器控制器要尽量适应的重要参数之一。不幸地，速度（或甚至是压力，如果其可供使用）反馈信号未提供机会来及时调整冲程压力以避免糟糕的换挡。

在控制策略上的另一因素可以随着所谓的“升压阶段”来引入。通过命令在电磁驱动器上的更高压力直到离合器压力接近“冲程”压力，升压通常被用于在初始阶段（区域1和2）加速反应。由于冲程压力和在活塞12上被测量的实质压力都不是已知的，该升压阶段持续时间是一个在换挡之间调整的校准参数。此外，错误升压持续时间会导致糟糕的换挡，且在其发生时没有机会来修正。

一种适合生产的磁弹性轴扭矩传感器（magneto-elastic shafttorque sensor）已经被开发并在公开号为2012/0297895的美国专利申请中进行了描述，其已转让予本专利申请的受让人，其全部公开内容通过引用并入于此。该扭矩传感器直接地测量在变速器输入或输出轴上的扭矩的能力使在车辆控制上的许多功能成为可能。其动态响应在零点几毫秒之内并且其准确性远超过目前任何可用的车载扭矩估算装置。基于这些扭矩测量或估算的离合器扭矩计算在公开号为2010/0318269的美国专利申请中被描述，其全部公开内容通过引用被并入于此。该离合器扭矩测定可以在区域3一开始就提供关于离合器驱动的反馈信号。

该离合器模型确定活塞12的运动，其作为在汽缸14中的压力和弹簧16、18的弹力之间的力平衡的结果。该瞬变横跨图1中的区域2和3。在区域1中的该初始增压可以利用系统识别模型以及区域4中的快速动态成功地捕获，该快速动态具有额外反馈信息。

在区域3中的离合器扭矩信号的可用性允许离合器模型参数的在线调整，以确保在随后换挡中区域1和2的瞬变的更好表示。然而，使用和调整“增压持续时间”的需求被消除并且“冲程压力”的调整可以发生在换挡过程中而不是换挡后。

物理模型的说明：

区域2和3限定了离合器驱动的部分，其中该活塞12在x_max和x₀的界限间运动。如图1所示，该活塞位移的原点x₀位于汽缸14的右侧，控制元件20的每一个摩擦板与控制元件的另一摩擦板接触。该最大活塞位移x_max在图1中示出。使用牛顿动力学来建模离合器活塞的运动，我们得到

如果(x≤x_free)

x_contact＝1

否则

x_contact＝1

结果

$\stackrel{\·\·}{x}=\frac{1}{m}(\mathrm{PA}+\mathrm{Kx}-F_0-x_{\mathrm{contact}}(x_{\mathrm{free}}-x)K_{\mathrm{is}}-c\stackrel{\·}{x})---\left(1\right)$

其中为离合器活塞加速度，m是离合器活塞12的质量，P为汽缸14中的压力，A为离合器用活塞12的横截面积，K为复位弹簧18的弹性系数，x为离合器活塞位置，F₀为复位弹簧18的预载，x_contact为0或1——取决于离合器活塞12是位于区域2还是区域3中，x_free为隔离弹簧16的高度或自由长度，K_is为隔离弹簧16的弹性系数，c为阻尼系数，以及为离合器活塞速度。

然而，我们假定该传动液通过离合器体的流动为准静态的。因此，和是小的，并且方程式(1)变为

$P=\frac{1}{A}(F_0-\mathrm{Kx}+x_{\mathrm{contact}}(x_{\mathrm{free}}-x)K_{\mathrm{is}})---\left(2\right)$

注意当x=x_max时

$P=\frac{1}{A}(F_0-\mathrm{Kx})---\left(3\right)$

以及当x=x₀时

$P=\frac{1}{A}(F_0+x_{\mathrm{free}}{K}_{\mathrm{is}})---\left(4\right)$

方程式（3）和（4）各自地变为用于区域2和3的模型输出压力的下限和上限，其可被用于帮助调节初始模型参数。

为了将控制输入u关联到模型输出压力P，我们选择离合器活塞位置x作为状态。对该离合器活塞位置使用调节阀22和离合器20之间的压力下降的流动方程来建模。该调节阀22位于可变力螺线管26和离合器10之间的液压管路24上，该可变力螺线管26提供指令压力。假设没有调节阀的饱和度，我们得到

ΔP＝u-P    (5)

$Q=K_1\mathrm{\ΔP}+K_2\sqrt{\mathrm{\ΔP}}---\left(6\right)$

$x=x_{\max }-\frac{1}{A}\∫Q_{\mathrm{dt}}---\left(7\right)$

其中ΔP是指令压力与输出压力的差值，Q为流速，K1为层流系数，以及K2为湍流系数。

由于其他模型参数都是几何的，所以该流动系数更适合用于调节模型。随着k1和k2的变化，所期望的输出反应被调整。例如，在大部分为层流或者低ΔP的情况下，该流动系数可被选择为相对较慢的。此外，k1和k2之间的差值应当被考虑以便调整模型1在区域2或区域3中的持续时间。

示例算法（模型）说明：

区域1。对于第一区域，如果离合器活塞12被保持在其最大位置并且压力被允许增强到指令的阶跃输入（step input），该输出压力可以为第二阶反应（second order response）。然而，一旦液压压力克服复位弹簧的预载，该离合器活塞运动。结果，该第二阶反应被中断并且用于此区域的实际反应看起来像不稳定的第一阶反应。由于真正的区域1反应的动力学模型将很难针对区域2的初始状况来调整和校准，我们假设区域1模型恒定（constant），并限定为

$P\≡\mathrm{cons}\tan t=\frac{1}{A}(F_0-K*x_{\max })---\left(9\right)$

区域1的持续时间被认为是取决于传动液的温度。

区域2。使用来自Eq(1)的条件，x_contact=0,以及，方程式（2）变为

$P=\frac{1}{A}(F_0-\mathrm{Kx})---\left(10\right)$

区域3。再一次，使用来自方程式（1）的条件，x_contact=1，以及方程式（2）变为

$P=\frac{1}{A}(F_0+K_{\mathrm{is}}{x}_{\mathrm{free}}-(K+K_{\mathrm{is}})x)---\left(11\right)$

其中x通过方程式（7）被限定。

区域4。一旦离合器活塞不再移动，该液压驱动系统的动态就不再存在。对指令的压力反应几乎是瞬间的，并且可以以描述时间常数T_p和延时T_d的特性的一阶传递函数来表示。

$\frac{P}{u}\left(s\right)=\frac{1}{1+T_{p}s}\exp -T_{d}s---\left(8\right)$

其中x由方程式(7)来限定。

图5中所示的控制算法30在步骤32执行测试，以确定算法x（t）的目前执行过程中的活塞位移x（t）是否等于或小于x_free。在算法的第一次执行中，x(t)被预置为x_max。

如果测试32的结果为假，控制到达步骤34，其中x_contact被设为0。否则，在步骤36，x_contact被设为1。

在步骤38，汽缸14中驱动活塞12的压力的大小使用方程式（2）来计算。

在步骤40，方程式（5）被用来计算ΔP。P_com(t)由闭环控制器基于x（t）来确定。

在步骤42，进入汽缸14中的液压液的流速使用方程式（6）来计算。

在步骤44，通过增加使用方程式（7）计算出的活塞位移大小，将活塞位移递增至目前活塞位移。

算法执行所的数量在步骤中递增，并且控制返回到步骤32。

图6所示的控制算法50在步骤52执行测试，来确定是否（t）少于活塞12自区域1运动到区域2所需的时间。通过液压液（ATF）温度索引的查阅表指示t12的大小。

如果测试52的结果为真，在步骤54用于区域1的P_clutch(t)被计算并且活塞位移被确认为等于x_max。

接着控制前进至步骤56，其中t被递增并且控制返回到步骤52。

如果测试52的结果为假，在步骤58，执行测试来确定活塞位移x（t）是否等于或小于x_free。

如果测试58的结果为假，在步骤60，x_contact被设置等于0，并且在步骤62，用于区域2的P_clutch(t)使用方程式（2）来计算。

接着控制前进至步骤64，其中方程式（5）被用于计算ΔP。P _com(t)通过闭环控制器基于x(t)来闭环地确定。

在步骤66，进入汽缸14中的液压液流速使用方程式（6）进行计算。

在步骤68，通过增加使用方程式（7）计算出的活塞位移大小，将活塞位移x(t)递增至目前活塞位移。

接着控制前进至步骤56，其中t被递增并控制返回到步骤52。

如果测试52的结果为假并且测试步骤58的结果为真，在步骤70，x_contact被设置等于1。

在步骤72，执行测试来确定x(t)是否等于x_free。如果测试72的结果为真，在步骤74，活塞12自区域2移动进入区域3的时间估算被记录并保存在电子存储器中。

在步骤76，执行测试来确定x(t)是否大于0。

如果测试76的结果为真，在步骤78P_clutch被计算并控制返回到步骤64，其中方程式（5）被用来计算ΔP。P_com(t)通过PID控制器（比例积分微分控制器）基于x(t)来闭环地确定。

在步骤66，进入汽缸14中的液压液的流速用方程式（6）来计算。

在步骤68，通过增加使用方程式（7）计算出的活塞位移大小，将活塞位移x（t）递增至目前活塞位移。

接着控制前进至步骤56，其中t被再次递增并控制返回到步骤52。

如果测试52的结果为假，测试步骤58的结果为真，并且步骤76的结果为假，在步骤80，执行测试以确定x(t)是否等于0。

如果测试80的结果为真，在步骤82，活塞12首先自区域3移动到区域4的时间估算被记录并保存在电子存储器中。

在步骤84，使用步骤84的方程式为区域4计算P_clutch(t)，其为方程式（8）的离散化时域版，其中t_delay为控制器发出P_com和响应于P_com在步骤84中完成P_clutch(t)的计算之间所经过的的周期长度。

接着控制前往步骤56，其中t被再次递增并控制返回到步骤52。

总之，该压力输出模型符合一种状态：离合器活塞位置，x。该模型也带有两个用于液压驱动的主要的调节参数，k1和k2。另外在区域4中建模的系统中也存在延时。

依照专利法的规定，已经对优选实施例进行了说明。但是应当指出的是，除了具体示出和描述的以外，也可以实施替代实施例。

Claims (9)

1.一种方法，其用于控制在换挡过程中施加到气缸中的可移位活塞的压力以及驱动自动变速器的控制元件的活塞位移，其特征在于，包括以下步骤：

（a）确定活塞位移是否超过隔离弹簧的自由长度，该隔离弹簧位于活塞和控制元件的摩擦板之间；

（b）使用以下参数计算所述压力：活塞的横截面积A，在活塞和汽缸中的参考位置之间延伸的复位弹簧的弹性系数K；活塞位移x；复位弹簧的预载F₀；隔离弹簧的自由长度x_free；以及隔离弹簧的弹性系数K_is；

（c）施加所述计算出的压力到活塞。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（a）进一步包括：将活塞位移与隔离弹簧的自由长度进行比较。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（b）进一步包括：

如果隔离弹簧的自由长度等于或大于活塞位移，设置x_contact等于0；

如果隔离弹簧的自由长度未能等于或大于活塞位移，设置x_contact等于1；以及，

由以下方程式来计算所述压力：

P=1/A(F₀–K x+x_contact(x_free–x)K_is)。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：

（d）确定所述计算出的压力和指令压力之间的差值；

（e）使用层流系数k1、湍流系数k2和所述差值计算汽缸内的流体的流速Q；

（f）使用汽缸中的流体流速、活塞的横截面积以及在执行步骤（a）和（f）之间的周期的长度来修正活塞位移。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤（d）进一步包括确定要施加到活塞上的指令压力。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤（e）进一步包括使用以下方程式计算气缸内的流体的流速：

Q：Q=K₁ΔP+K₂(ΔP)^1/2，

其中ΔP是所述计算出的压力和指令压力之间的差值。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤（f）进一步包括使用下列方程式修正活塞位移：x(t+1)=x(t)+1/A*Q*Δt，

其中x（t+1）为修正的活塞位移，x（t）为前一时刻的活塞位移，A为活塞的横截面积，Q为汽缸中流体的流量，且Δt为所述周期的长度。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（b）进一步包括，如果活塞位移大于x_free，以下列方程式来计算所述压力：

P=1/A(F₀–K x)。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（b）进一步包括，如果活塞位移在x_free和0之间，以下列方程式来计算所述压力：

P=1/A(F₀–K x+(x_free–x)K_is)。