CN113048230A - 一种基于换挡滑块磨损预测的amt换挡过程控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于换挡滑块磨损预测的AMT换挡过程控制方法，包括：可以准确预测换挡滑块磨损深度，并结合换挡滑块设计寿命确定换挡控制条件，通过换挡电压控制换挡滑块的运动实现换挡作业。采用有限元仿真试验与响应面分析方法得到了换挡滑块的磨损深度预测模型，提高了磨损深度预测的准确性；通过滑块失效磨损深度和设计换挡次数计算单次磨损深度允许值，将其代入预测模型推导出许用换挡力，以对应的许用换挡电压作为限制条件；将磨损深度偏差与同步时间输入模糊控制策略得到换挡电压，保证每次换挡磨损深度小于单次磨损深度允许值，提升了换挡滑块的可靠性；同时，模型对于不同换挡滑块材料和变速箱工况条件均可进行设定，具有较高的适用性。

Description

一种基于换挡滑块磨损预测的AMT换挡过程控制方法

技术领域

本发明涉及AMT换挡过程控制技术领域，特别涉及一种基于换挡滑块磨损预测的AMT换挡过程控制方法。

背景技术

目前针对AMT换挡过程控制策略主要是通过转速与换挡时间来控制的换挡滑块的运动。通过测量接合套与接合齿圈的转速，计算出接合套与接合齿圈的转速差。通过换挡时间与测量转速或转速差，判断换挡过程所处阶段，以此控制换挡电机的输出电压，实现对换挡滑块的位移或速度控制。但在控制过程中没有对换挡滑块的磨损进行考虑。换挡滑块在换挡过程中与接合套发生摩擦，产生的磨损会使滑块完成换挡所需的行程增加。磨损深度累计到一定程度后，换挡滑块无法推动接合套达到预定换挡位置，导致变速箱无法完成换挡作业而失效。

目前对于换挡滑块的磨损预测主要采用台架或实车试验进行大量重复试验获得累计磨损试验数据，分析换挡滑块磨损深度的影响因素及其影响规律。两种试验方式均存在试验成本高、耗时长、误差大的缺点。

综上所述，需要一种通过预测换挡滑块磨损深度控制AMT换挡过程的方法，该方法具备准确预测换挡滑块的磨损深度的能力，并根据换挡过程不同阶段的要求控制作用在换挡滑块上的换挡力或换挡滑块的位移，以实现对于AMT换挡过程的控制。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提出一种基于换挡滑块磨损预测的AMT换挡过程控制方法，能够准确预测换挡滑块的磨损深度，并在换挡过程的不同阶段根据磨损深度控制换挡力或换挡滑块位移，解决了现有技术中存在的缺陷，同时为换挡滑块磨损的仿真预测与影响规律研究提供理论与技术支持。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于换挡滑块磨损预测的AMT换挡过程控制方法，包括以下步骤：

步骤1，根据实际情况运用三维建模软件Solidworks建立换挡滑块与接合套的接触模型。

步骤2，将接触模型导入到有限元仿真软件Marc Mentat中，通过理论分析计算确定换挡力、转速、导热系数、换热系数等热-力耦合边界条件，在仿真软件中进行参数设定后，建立热-力耦合摩擦磨损仿真模型。

步骤3，通过仿真软件Marc Mentat计算出换挡滑块在单次换挡过程中的磨损深度与温度分布，将得到的温度参数代回热边界条件分析计算中进行修正。

步骤4，换挡滑块磨损影响因素包括接合套转速、摩擦系数和换挡力，依据BOX设计方法进行响应面分析试验方案的设计，利用修正后的热-力耦合磨损仿真模型取代传统的台架或实车试验，进行磨损深度仿真试验，得到各个影响因素多个水平组合下的换挡滑块的单次磨损深度。运用Design Expert数据处理软件对试验结果进行回归分析，在方差分析基础上采用Stepwise模型消除不显著项，得到换挡滑块单次磨损深度的预测模型。

步骤5，通过控制器控制换挡电机带动换挡滑块完成位移X_i。其中，对X_i根据每次换挡后的磨损深度进行修正；

步骤6，在仿真模型中，分别将接合套转速以时间-转速参考曲线函数和恒定值作为输入，得到对应的磨损深度预测模型分别为单次换挡过程整体的参考预测模型和分段的实时预测模型；

步骤7，通过换挡滑块的失效磨损深度和设计换挡次数，计算出换挡滑块单次磨损深度的允许值，将该值与接合套目标转速ω_end以及换挡滑块与接合套之间的摩擦系数代入磨损深度参考预测模型求解出对应的许用换挡力，得到换挡电机最大许用电压u_max。

步骤8，将同步过程按采样频率分为N段。通过参考预测模型的磨损深度变化规律得到第j个时间间隔内的许用磨损深度[ΔR_j]，j为[1，N]的整数。测量接合套初速转速ω₀。在第j个时间间隔的末端，测量接合套实时转速ω_j，并与目标转速ω_end进行比较，若两者相等，同步阶段结束。将实时转速均值(ω_j-1+ω_j)/2以及上一次控制器输出电压u_j-1所对应的换挡力F_j-1代入实时预测模型中得到实际磨损深度ΔR_j。分别将[ΔR_j]和ΔR_j进行累加，得到参考磨损深度[ΔLR_j]和累计磨损深度ΔLR_j；

步骤9，将磨损深度偏差e_j和对应的同步时间t_j作为模糊控制的输入量进行模糊化处理，分别将其按大小各分为5个等级，通过模糊推理得到对应的换挡电压u_j。控制电压u_j应不大于换挡电机最大许用电压u_max，控制换挡电机带动换挡滑块实现同步阶段的位移。

步骤10，通过控制器控制换挡电机带动换挡滑块运动至最大位移Xmax_i。其中，对Xmax_i根据每次换挡后的磨损深度进行修正。

进一步地，步骤5中的修正公式如下:

X_i＝X_i-1+SR_i-1 (式1)

其中，换挡次数i＝1，2...n，X₀为初始预位移，为避免较快的机构运动速度造成冲击，应小于同步点对应的位移，留出一定的裕量。SR_i为第i次换挡后累计的总磨损深度，其计算公式如下：

SR_i＝SR_i-1+R_i (式2)

其中，SR₀为0；R_i为第i次换挡产生的磨损深度，其计算公式见式(5)。

进一步地，步骤8中，得到参考磨损深度[ΔLR_j]和累计磨损深度ΔLR_j的计算公式如下：

[ΔLR_j]＝[ΔLR_j-1]+[ΔR_j] (式3)

ΔLR_j＝ΔLR_j-1+ΔR_j (式4)

其中，[ΔLR₀]为0，ΔLR₀为0。第i次换挡产生的磨损深度R_i的计算公式如下：

R_i＝(ΔLR_N)_i (式5)。

进一步地，步骤9中磨损深度偏差e_j和对应的同步时间t_j的计算公式如下：

e_j＝[ΔLR_j-1]-ΔLR_j-1 (式6)

t_j＝j/f (式7)

其中，j为[1，N]的整数，且e₁为上一次换挡过程结束时的磨损深度偏差；f为采样频率。

进一步地，步骤10中，修正的公式如下:

Xmax_i＝Xmax_i-1+SR_i (式8)

其中，Xmax₀为初始最大位移。

进一步地，为消除机构之间的残余应力，防止换挡结束后换挡滑块与接合套之间的摩擦导致换挡滑块严重磨损，在换挡滑块位移达到Xmax_i后，再退回0.05mm行程，以保证机构之间的合理间隙。

进一步地，Solidworks替换为UG。

进一步地，Marc Mentat替换为Abaqus。

进一步地，Design Expert替换为SPSS。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

通过换挡滑块热-力耦合磨损仿真试验与响应面试验分析方法，得到了换挡滑块的磨损深度预测模型，预测模型误差小于5％，该方法大幅降低了磨损预测的成本与时间，同时为换挡滑块的仿真预测与影响规律研究提供理论与技术支持。

针对换挡滑块因磨损导致的失效问题，基于过程多目标协同控制策略，通过建立磨损深度预测模型对难以测量的实时磨损深度进行反馈，结合预测磨损深度设计模糊算法与比较算法，控制换挡过程中的换挡力和换挡滑块位移，保证AMT的实际使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例换挡滑块磨损深度预测模型流程图；

图2为本发明实施例的同步前阶段控制策略图；

图3为本发明实施例的同步阶段控制流程图；

图4为本发明实施例的同步后阶段控制策略图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。

一种基于换挡滑块磨损预测的AMT换挡过程控制方法，包括：换挡滑块磨损深度预测和AMT换挡多目标协同控制。

建立不同工况下换挡滑块磨损深度的预测模型，基于换挡滑块的失效磨损深度和设计寿命计算许用磨损量，通过预测模型计算出许用换挡力，得到对应的许用换挡电压作为控制限制条件，避免换挡滑块在设计寿命内因过度磨损而失效。

本发明的磨损深度预测过程如图1所示。依据实际情况运用三维建模软件Solidworks建立换挡滑块与接合套的接触模型，将模型导入有限元仿真软件Marc Mentat建立热-力耦合磨损仿真模型，采用传热学、摩擦学相关理论确定热-力耦合有限元分析的边界条件，通过仿真试验得到换挡滑块在单次换挡过程中的磨损深度与温度分布，并且将换挡滑块的温度值代回热边界条件，并对其进行修正。换挡滑块磨损深度的影响因素包括接合套转速、摩擦系数和换挡力，设计响应面分析试验方案，利用修正后的热-力耦合磨损仿真模型取代传统的台架或实车进行磨损试验，得到各个影响因素多个水平组合下的换挡滑块单次磨损深度。运用Design Expert数据处理软件对试验结果进行回归分析，得到换挡滑块的单次磨损深度预测模型。采用实车试验测试值对磨损深度预测值进行检验，试验模拟换挡滑块从3挡到4挡的换挡过程。接合套转速为2200r/min，摩擦系数为0.15，换挡力为816N，换挡次数为45025次，试验后换挡滑块的单侧磨损深度为0.03mm。经计算，换挡滑块的平均单次换挡磨损深度为6.663×10^-7mm。将试验参数代入单次磨损深度预测模型，得到预测磨损深度为6.618×10^-7mm，预测误差为0.675％。在不同参数的试验比较中，本模型的预测误差小于5％。

本发明的换挡多目标协同控制分为三个部分：(1)同步前的控制目标为：控制换挡滑块位移以消除各部件之间的间隙。(2)同步阶段的控制目标为：控制换挡力以保证接合套与接合齿圈实现转速同步。(3)同步后的控制目标为：控制换挡滑块位移以完成接合套与接合齿圈的插入啮合。

同步前的主要控制目标为换挡滑块的位移，控制策略如图2所示。通过控制器控制换挡电机带动换挡滑块完成位移X_i。其中，对X_i根据每次换挡后的磨损深度进行修正，修正公式如下:

X_i＝X_i-1+SR_i-1 (式1)

其中，换挡次数i＝1，2...n，X₀为初始预位移，为避免较快的机构运动速度造成冲击，初始位移应小于同步点对应的位移，以留出一定的裕量。SR_i为第i次换挡后累计的总磨损深度，其计算公式如下：

SR_i＝SR_i-1+R_i (式2)

其中，SR₀为0；R_i为第i次换挡产生的磨损深度，其计算公式见式(5)

同步阶段的主要控制目标为作用在换挡滑块上的换挡力，控制过程基于模糊算法和比较算法，控制系统框图如图3所示。在仿真模型中，分别将接合套转速以时间-转速参考曲线函数和恒定值作为输入，得到对应的磨损深度预测模型分别为单次换挡过程整体的参考预测模型和分段的实时预测模型。通过换挡滑块的失效磨损深度和设计寿命(设计换挡次数)，计算出换挡滑块的单次磨损深度的允许值，将该值与接合套目标转速ω_end以及换挡滑块与接合套之间的摩擦系数代入磨损深度参考预测模型求解出对应的许用换挡力，得到对应的换挡电机最大许用电压u_max。将同步过程按采样频率分为N段。通过参考预测模型的磨损深度变化规律得到第j个时间间隔内的许用磨损深度[ΔR_j]，j为[1，N]的整数。测量接合套初速转速ω₀。在第j个时间间隔的末端，测量接合套实时转速ω_j，并与目标转速ω_end进行比较，若两者相等，同步阶段结束。将实时转速均值(ω_j-1+ω_j)/2以及上一次控制器输出电压u_j-1所对应的换挡力F_j-1代入实时预测模型中得到实际磨损深度ΔR_j。分别将[ΔR_j]和ΔR_j进行累加，得到参考磨损深度[ΔLR_j]和累计磨损深度ΔLR_j,计算公式如下：

[ΔLR_j]＝[ΔLR_j-1]+[ΔR_j] (式3)

ΔLR_j＝ΔLR_j-1+ΔR_j (式4)

其中，[ΔLR₀]为0，ΔLR₀为0。磨损深度偏差e_j＝[ΔLR_j-1]-ΔLR_j-1，j为[2，N]的整数，且e₁为上一次换挡过程结束时的磨损深度偏差。第i次换挡产生的磨损深度R_i的计算公式如下：

R_i＝(ΔLR_N)_i (式5)

同步后的主要控制目标为换挡滑块的运动，控制策略如图4所示。通过控制器控制换挡电机带动换挡滑块运动至最大位移Xmax_i。根据每次换挡后的磨损深度对Xmax_i进行修正，修正公式如下:

Xmax_i＝Xmax_i-1+SR_i (式6)

其中，Xmax₀为初始最大位移。为消除机构之间的残余应力，防止换挡结束后换挡滑块与接合套之间的摩擦导致换挡滑块严重磨损，在换挡滑块位移达到Xmax_i后，再退回0.05mm行程，保证机构之间的合理间隙。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于换挡滑块磨损预测的AMT换挡过程控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，根据实际情况运用三维建模软件Solidworks建立换挡滑块与接合套的接触模型；

步骤2，将接触模型导入到有限元仿真软件Marc Mentat中，通过理论分析计算确定换挡力、转速、导热系数、换热系数等热-力耦合边界条件，在仿真软件中进行参数设定后，建立热-力耦合摩擦磨损仿真模型；

步骤3，通过仿真软件Marc Mentat计算出换挡滑块在单次换挡过程中的磨损深度与温度分布，将得到的温度参数代回热边界条件分析计算中进行修正；

步骤4，换挡滑块磨损影响因素包括接合套转速、摩擦系数和换挡力，依据BOX设计方法进行响应面分析试验方案的设计，利用修正后的热-力耦合磨损仿真模型取代传统的台架或实车试验，进行磨损深度仿真试验，得到各个影响因素多个水平组合下的换挡滑块的单次磨损深度；运用Design Expert数据处理软件对试验结果进行回归分析，在方差分析基础上采用Stepwise模型消除不显著项，得到换挡滑块单次磨损深度的预测模型；

步骤5，通过控制器控制换挡电机带动换挡滑块完成位移X_i；其中，对X_i根据每次换挡后的磨损深度进行修正；

步骤6，在仿真模型中，分别将接合套转速以时间-转速参考曲线函数和恒定值作为输入，得到对应的磨损深度预测模型分别为单次换挡过程整体的参考预测模型和分段的实时预测模型；

步骤7，通过换挡滑块的失效磨损深度和设计换挡次数，计算出换挡滑块单次磨损深度的允许值，将该值与接合套目标转速ω_end以及换挡滑块与接合套之间的摩擦系数代入磨损深度参考预测模型求解出对应的许用换挡力，得到换挡电机最大许用电压u_max；

步骤8，将同步过程按采样频率分为N段；通过参考预测模型的磨损深度变化规律得到第j个时间间隔内的许用磨损深度[ΔR_j]，j为[1，N]的整数；测量接合套初速转速ω₀；在第j个时间间隔的末端，测量接合套实时转速ω_j，并与目标转速ω_end进行比较，若两者相等，同步阶段结束；将实时转速均值(ω_j-1+ω_j)/2以及上一次控制器输出电压u_j-1所对应的换挡力F_j-1代入实时预测模型中得到实际磨损深度ΔR_j；分别将[ΔR_j]和ΔR_j进行累加，得到参考磨损深度[ΔLR_j]和累计磨损深度ΔLR_j；

步骤9，将磨损深度偏差e_j和对应的同步时间t_j作为模糊控制的输入量进行模糊化处理，分别将其按大小各分为5个等级，通过模糊推理得到对应的换挡电压u_j；控制电压u_j应不大于换挡电机最大许用电压u_max，控制换挡电机带动换挡滑块实现同步阶段的位移；

步骤10，通过控制器控制换挡电机带动换挡滑块运动至最大位移Xmax_i；其中，对Xmax_i根据每次换挡后的磨损深度进行修正。

2.根据权利要求1所述的一种基于换挡滑块磨损预测的AMT换挡过程控制方法，其特征在于：步骤5中的修正公式如下:

X_i＝X_i-1+SR_i-1 (式1)

其中，换挡次数i＝1，2...n，X₀为初始预位移，为避免较快的机构运动速度造成冲击，应小于同步点对应的位移，留出一定的裕量；SR_i为第i次换挡后累计的总磨损深度，其计算公式如下：

SR_i＝SR_i-1+R_i (式2)

其中，SR₀为0；R_i为第i次换挡产生的磨损深度。

3.根据权利要求2所述的一种基于换挡滑块磨损预测的AMT换挡过程控制方法，其特征在于：步骤8中，得到参考磨损深度[ΔLR_j]和累计磨损深度ΔLR_j的计算公式如下：

[ΔLR_j]＝[ΔLR_j-1]+[ΔR_j] (式3)

ΔLR_j＝ΔLR_j-1+ΔR_j (式4)

其中，[ΔLR₀]为0，ΔLR₀为0；第i次换挡产生的磨损深度R_i的计算公式如下：

R_i＝(ΔLR_N)_i (式5)。

4.根据权利要求3所述的一种基于换挡滑块磨损预测的AMT换挡过程控制方法，其特征在于：步骤9中磨损深度偏差e_j和对应的同步时间t_j的计算公式如下：

e_j＝[ΔLR_j-1]-ΔLR_j-1 (式6)

t_j＝j/f (式7)

其中，j为[1，N]的整数，且e₁为上一次换挡过程结束时的磨损深度偏差；f为采样频率。

5.根据权利要求4所述的一种基于换挡滑块磨损预测的AMT换挡过程控制方法，其特征在于：步骤10中，修正的公式如下:

Xmax_i＝Xmax_i-1+SR_i (式8)

其中，Xmax₀为初始最大位移。

6.根据权利要求5所述的一种基于换挡滑块磨损预测的AMT换挡过程控制方法，其特征在于：为消除机构之间的残余应力，防止换挡结束后换挡滑块与接合套之间的摩擦导致换挡滑块严重磨损，在换挡滑块位移达到Xmax_i后，再退回0.05mm行程，以保证机构之间的合理间隙。

7.根据权利要求1所述的一种基于换挡滑块磨损预测的AMT换挡过程控制方法，其特征在于：Solidworks替换为UG。

8.根据权利要求1所述的一种基于换挡滑块磨损预测的AMT换挡过程控制方法，其特征在于：Marc Mentat替换为Abaqus。

9.根据权利要求1所述的一种基于换挡滑块磨损预测的AMT换挡过程控制方法，其特征在于：Design Expert替换为SPSS。

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