液力变速器离合器的控制

本文作者：戴振坤 徐向阳 刘艳芳 王书翰 单位：北京航空航天大学交通科学与工程学院

前言

适应性强、稳定性好的离合器控制算法是实现和发挥液力自动变速器固有优点的必要方法［1］。所谓离合器控制换挡是指一个离合器接合，另一个离合器分离的挡位切换过程［2－3］，这个过程一般可分为3个阶段［4］:准备期、转矩相和惯性相。在本文中对应地称之为充油阶段、转矩交换阶段和速度同步阶段。液力自动变速器的换挡过程是分离离合器与接合离合器协调工作的过程，如果接合离合器接合过快，则会导致多一个离合器传递转矩而引起自动变速器过约束冲击;而分离离合器分离过快，则会导致自动变速器动力传递中断。因此，离合器控制换挡要同时对接合离合器和分离离合器进行转矩控制。目前针对换挡过程中的离合器控制有多种不同的控制方法。本文中采用离合器滑差控制的方法，以实现接合离合器和分离离合器之间的协调控制。鉴于不同换挡类型之间存在相似性，本文中以有动力升挡的情况为例，对离合器的滑差控制策略进行分析;同时为突出重点，假设车辆运行在较高挡位时进行换挡，此时液力变矩器保持闭锁状态。

1离合器位置等效迁移

液力自动变速器的换挡元件通常包括多个离合器和制动器，分布在自动变速器结构的不同部位。布置位置的不同导致每个离合器的滑差值和可传递的最大转矩(以下简称转矩容量)对于整个系统的影响程度不同，但在换挡过程中必须完成的就是离合器之间的转矩交换。根据滑差和转矩等价的原则，可将离合器等效迁移至输入轴的位置，从而液力自动变速器的离合器控制就转换为双离合器控制的问题，如图1所示。图1中IE、Iv分别为发动机和整车负载的等效转动惯量，CL、CH分别为换挡过程中在低挡位和高挡位接合的离合器，iL、iH分别为换挡过程中低挡位和高挡位的传动比，λcL、λcH分别为CL、CH由原位置等效至输入轴位置的滑差转换系数。以滑差和转矩等价为基础的离合器位置等效迁移的转换系数λ可根据行星排转速平面图法［5］进行计算。图2为一款8挡液力自动变速器(8AT)的行星排机构简图，1挡时离合器C1、B1、C43个离合器接合。图3为8AT自动变速器在1挡时的行星排转速图，纵轴表示各个转动件的转速，每个行星排机构或普通齿轮副机构都处于单独的平面内。离合器的啮合或刚性连接使不同的机构平面之间通过共享纵轴的方式相交。R1、P1和S1分别代表行星排SP1的齿圈、行星架和太阳轮;R3、P3和S3分别代表行星排SP3的齿圈、行星架和太阳轮;G5、G8、G6和G10分别代表齿轮5、8、6和10;i01、i03、iG5_8、iG6_10分别为行星排SP1、行星排SP3、齿轮副G5/G8、齿轮副G6/G10的传动比，n's为离合器C4的滑差，ns为输入轴位置等效离合器的滑差。根据相似三角形原理，任意一个离合器的滑差值ns均可乘以相应的比例系数λ等效为输入轴位置等效离合器的滑差。式中:λ为离合器的滑差等效系数，nP为离合器主动端转速，nN为离合器被动端转速，nE为发动机转速，no为输出轴转速，ig为当前挡位的传动比。从图3可计算出，1挡离合器C4的滑差转换到等效离合器滑差时的滑差转换系数λC4。同样的方法可以获得所有离合器在所有挡位下的滑差转换系数。

2离合器的闭环滑差控制

鉴于成本和降低故障率的考虑，液力自动变速器一般只布置一个主供油油压传感器，而取消每个离合器的油压传感器。因此对于离合器的控制须通过速度传感器计算出离合器的滑差状况，进而判断离合器的运行状态，并将离合器的滑差设定为控制目标。在液力自动变速器离合器滑差控制中采用等效离合器滑差，以实现离合器的统一管理和控制，完成稳定的离合器间的转矩交换。离合器的滑差通过带前馈的闭环PID方法对离合器的转矩容量进行控制:如果离合器的转矩容量大于发动机转矩，则发动机转矩可被传递至输出轴，离合器无滑差;如果离合器转矩容量小于发动机转矩，只有等于离合器转矩容量的那部分发动机转矩可以传递至输出轴，离合器的钢片和摩擦片之间将会产生速度差，即离合器出现滑差。因此增大离合器转矩容量将降低离合器滑差，减小离合器转矩容量将增大离合器滑差。图4为离合器的闭环滑差控制原理图，其控制方法为带前馈的闭环PID方法，该方法具有闭环控制稳定和前馈控制快速的优势［6］。当主控制器判断出离合器的目标滑差nst后，将nst与实际反馈的离合器滑差ns进行比较并通过带前馈的PID控制器，将滑差偏差值转换为离合器的命令转矩Tcc。根据式(5)湿式多片离合器传递转矩计算公式即可计算出离合器的命令油压Pc，相应的离合器在命令油压Pc的作用下获得转矩容量Tc，进而获得离合器控制后的滑差ns。

3动力升挡时的离合器控制策略

3.1充油阶段的离合器控制策略在充油阶段，目标充油压力既是液力自动变速器离合器获得良好充油状态的必要条件，同时也是为下一步接合离合器与分离离合器之间的转矩交换提供正确的初始油压必要条件。理想情况下目标充油压力应设置为离合器开始接触时的接触点油压。在离合器的接触点，离合器的摩擦片和钢片发生轻微接触，此时离合器的转矩容量稍大于0N•m。为区别于离合器的完全分离状态此时的离合器转矩容量记为0+N•m。因此在离合器的充油阶段须达到式(6)和式(7)两个离合器的转矩目标:①降低离合器CL的转矩容量，使其从完全锁止状态的转矩容量降低到即将分离的临界状态;②增加离合器CH的油压，使其转矩容量从0N•m增加到0+N•m。然而对于控制器来说无法直接判断①的临界转矩也无法直接区别0N•m和0+N•m。这时就须通过滑差转速的计算来间接控制。即通过开环控制略微提高CH的充油压力，同时将CL控制到微小的滑差状态(等效滑差ns＜20r/min)，以柔性补偿CH的过度充油。CL保持微小滑差状态时，可以判断其传递的摩擦转矩约等于发动机转矩。

3.2转矩交换阶段的离合器控制策略液力自动变速器换挡操作的一个基本任务是将转矩从离合器CL平稳地移交给离合器CH，而不产生发动机转速和输出轴转速的波动。图5为闭环滑差控制下的离合器转矩交换过程。在转矩交换阶段离合器控制的难点在于:如果离合器CL的转矩容量增加过快，则会使液力自动变速器过约束而产生冲击;如果离合器CL的转矩容量增加过慢，则会导致发动机负载降低而引起发动机速度瞬间提升。由于系统油压的不稳定和响应的延迟，很难保证离合器油压曲线遵循理论曲线变化，不可避免地会出现上述两种不稳定情况，因此须通过离合器CL的闭环滑差控制来实现柔性的转矩交换过程。在转矩交换过程中，液力自动变速器仍然以低挡位传动比工作，此时的滑差控制根据离合器CL的等效滑差计算，且目标滑差被设定为20r/min，即微小滑差状态。

3.3转速同步阶段的离合器控制策略速度同步阶段是整个液力自动变速器换挡操作中最关键的阶段。在此阶段发动机转速沿着参考速度变化曲线由当前挡位的转速值转换到目标挡位的转速值，如图6所示。发动机转速对参考速度变化曲线的跟随通过其滑差率τ的控制实现。此阶段的离合器滑差是通过闭环滑差控制器和发动机辅助转矩控制共同实现的。为了辅助离合器的滑差控制同时降低车辆换挡冲击，发动机管理系统(EMS)通过CAN总线接收到来自自动变速器电子控制单元的降矩请求及降矩值。发动机的降矩目标值。

4试验结果分析

将离合器滑差控制算法移植到试验车的控制器上，并进行了试验测试。通过CANape标定软件采集测试结果，如图7所示。由图可见:(1)发动机转速在换挡过程中过渡平稳，发动机转速与输出轴转速的传动比稳定，离合器目标滑差控制准确，通过闭环滑差控制，离合器的转矩容量与期望的转矩容量曲线基本吻合，体现了前馈PID控制方法的优势;(2)在充油阶段，离合器CH表现出微小的过度充油，与控制目标相符;由于离合器CL的微小滑差控制使其从闭锁转矩精确地降低到分离临界转矩，并由此产生的柔性补偿效果避免了过约束的情况;在转矩交换阶段，通过对离合器CL的滑差控制发动机转矩从离合器CL平滑地转交到离合器CH，但两个离合器的转矩表现出50～150ms的响应延迟;在速度同步阶段，发动机的速度同步过程快速、平稳，此阶段EMS响应了降矩请求，对实现平滑的速度同步过程和降低车辆换挡冲击起到了辅助作用;(3)在整个有动力升挡过程中，液力自动变速器输出轴转速平稳，没有出现明显波动;由结果曲线还可看出，汽车在换挡过程的冲击度控制在20m/s3以下，驾驶员主观评价优良，未感觉到换挡冲击。

5结论

在液力自动变速器的换挡过程中，采用带前馈的PID控制方法对有动力升挡情况下的离合器进行了以离合器滑差为控制目标的控制策略，并提出了离合器的位置等效方法。整车试验结果表明，在整个有动力升挡过程中，液力自动变速器输出轴转速平稳，没有出现明显波动。由结果曲线可以看出，换挡过程的冲击度控制在20m/s3以下，证明了本文提出的离合器滑差控制的有效性，也说明可以取消离合器油压传感器，借助自动变速器的速度传感器对离合器进行闭环滑差控制，以降低硬件成本。参感器对离合器进行闭环滑差控制，以降低硬件成本。