AT升挡过程发动机协调控制的试验研究*

万国强，李克强，罗禹贡

(清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084)



2015175

AT升挡过程发动机协调控制的试验研究*

万国强，李克强，罗禹贡

(清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084)

发动机协调控制是提高变速器换挡品质的重要技术手段。本文针对由DEUTZ BF4M1013单体泵柴油机和Allison S2000液力自动变速器组成的动力传动系统，制定了换挡过程发动机协调控制策略，并与断油控制进行了台架对比试验。结果表明：单体泵柴油机的转矩响应能满足换挡过程协调控制的要求；发动机断油控制虽然显著地减小了换挡过程的滑摩功和正向冲击度，但是在换挡结束时产生了更严重的反向冲击度；而基于转矩的发动机协调控制不仅有效地减小了换挡过程的正向冲击度和反向冲击度，而且有效地减少了滑摩功，提高了换挡品质。

柴油机；自动变速器；换挡过程；协调控制

前言

车辆的动力性、经济性和舒适性一直是人们追求的目标。液力自动变速器(automatic transmission, AT)换挡品质是影响车辆舒适性的重要方面。提高换挡品质，不仅需要自动变速器的精确控制，而且要求发动机进行有效的协调控制[1-4]。

本文中针对由DEUTZ BF4M1013单体泵柴油机和Allison S2000液力自动变速器组成的动力传动系统，制定了换挡过程发动机协调控制策略，并进行了台架试验研究。

1 动力传动系统简介

所研究的动力传动系统由DEUTZ BF4M 1013涡轮增压单体泵柴油机和Allison S2000离合器-离合器换挡式液力自动变速器组成，其结构简图如图1所示。各个挡位的传动比和离合器工作状态如表1所示，其中，×表示离合器接合。

表1 自动变速器各挡位传动比和离合器工作状态

2 基于转矩的发动机协调控制策略

断油控制和基于转矩的协调控制是换挡过程发动机主要采取的两种协调控制方式。由于断油控制实现比较简单，本文不再赘述。

基于转矩的换挡过程发动机协调控制是指：在换挡过程中，通过发动机输出转矩的合理控制，使自动变速器的输出轴转矩接近理想值，从而减小输出轴转矩波动，提高换挡品质。

基于转矩的发动机协调控制的关键在于发动机目标输出转矩的确定。理想的输出轴转矩如图2中的ABC曲线所示[5]。从图2中可以看出，理想的输出轴转矩一般随换挡时间逐渐减小，其初值等于换挡前输出轴负载转矩。其中，AB段为转矩相，BC段为惯性相。A点转矩值为换挡前输出轴负载转矩；C点转矩值由发动机调速特性和变速器高挡传动比确定。换挡过程输出轴转矩变化的速率根据试验标定的换挡时间确定。

根据图1和表1可知：Allison S2000自动变速器1挡时，C1和C5离合器接合；2挡C1和C4离合器接合。1-2升挡过程，C5离合器分离，C4离合器接合。由于各个行星排组件的转动惯量较小，故忽略了各个行星排组件转动惯量对换挡过程的影响。根据转矩相和惯性相的特点，对其进行动力学分析。

(1) 在转矩相，变速器的传动比仍然保持不变，因此输出轴转矩To、涡轮轴转矩Tt和C4离合器传递的转矩TC4之间满足：

To=i1(Tt-TC4)

(1)

式中i1为自动变速器1挡传动比。

(2) 在惯性相，由于C5离合器已经分离，C5离合器传递的转矩此时为0，所以涡轮轴转矩、输出轴转矩之间满足：

To=i2Tt

(2)

式中i2为自动变速器2挡传动比。

结合图3理想升挡过程输出轴转矩，根据式(1)和式(2)就可以确定换挡过程涡轮轴的目标转矩。在得到了涡轮轴目标转矩之后，就可以根据液力变矩器模型确定换挡过程发动机的目标输出转矩Te[6]为

(3)

式中：k为变矩比；It为涡轮轴及其相连轴系等效惯量；ωt为涡轮轴角速度；Ie为飞轮及其相连轴系等效惯量；ωe为发动机曲轴角速度。

换挡过程中，动力传动系统控制器(powertrain control module, PCM)不仅对自动变速器的高、低挡离合器进行控制，而且对发动机的输出转矩进行协调控制。换挡过程发动机协调控制流程见图3。

PCM首先通过传动比判断换挡过程处于转矩相还是惯性相，然后根据理想输出轴转矩，通过式(1)或式(2)计算涡轮目标转矩。在确定了涡轮目标转矩之后，PCM根据液力变矩器模型，通过式(3)确定发动机目标输出转矩。最后，PCM根据基于转矩的发动机控制策略，确定发动机目标指示转矩，再通过查相关的发动机控制MAP，确定喷油脉宽和喷油提前角[7]。

3 试验平台与方法

3.1 试验平台

本文中进行换挡过程试验研究的试验平台如图4所示。试验平台主要包括DEUTZ BF4M 1013单体泵柴油机、Allison S2000液力自动变速器、万向节联轴器、转矩仪、测功机、惯量箱、动力传动系统控制器、监控系统、标定系统、数据采集系统和辅助系统等。其中，测功机为洛阳南峰CW440型电涡流测功机；惯量箱为ZL-GL20惯量加载系统，可以加载惯量范围为3～20kg·m2；转矩仪为华欣机电HX-906型转矩信号耦合器，量程2 000N·m，精度0.5%。

3.2 试验方法

由变速器输出轴的转矩平衡条件得

(4)

式中：Tl为变速器输出轴负载转矩；Iv为等效至变速器输出轴的整车转动惯量；ωo为输出轴角速度。

Iv=(Iw+mr2)/if2

(5)

式中：Iw为所有车轮的转动惯量；m为整车质量；r为车轮半径；if为主传动比。

由车辆动力学[8]得

(6)

式中：g为重力加速度；f为滚动阻力系数；θ为坡度角；Cd为空气阻力系数；A为正面迎风面积；v为车辆行驶速度。

换挡过程车速变化较小，如果忽略换挡过程坡道的变化，则可以认为换挡过程中变速器输出轴负载转矩基本不变。因此，利用动力传动系统台架进行换挡过程试验研究，可以根据式(5)确定试验台架惯量加载系统所需要加载的惯量，根据式(6)确定测功机所需要加载的负载转矩。

3.3 评价指标

(1) 冲击度j：冲击度定义为车辆纵向加速度的变化率，即

(7)

式中a为车辆行驶纵向加速度。

由式(7)可以看出，冲击度是由于输出轴的转矩波动引起的，与输出轴转矩的变化率成正比。通过测量输出轴转矩，根据式(7)计算换挡过程的冲击度。

(2) 滑摩功Wc

(8)

式中：ts和tf为换挡开始和换挡结束时间；Tc为离合器传递的摩擦转矩；ω1和ω2为摩擦元件主、从动片的角速度。

4 试验结果与分析

为了验证升挡过程发动机协调控制的可行性与有效性，在动力传动系统试验平台上进行了1-2升挡过程发动机不进行协调控制、断油控制、基于转矩的协调控制的对比试验研究。

4.1 输出轴负载转矩150N·m的1-2升挡过程

输出轴负载转矩为150N·m的1-2升挡过程发动机不进行协调控制、断油控制、基于转矩的协调控制的试验结果如表2和图5～图7所示。

表2 试验结果对比(150N·m)

由表2可见：输出轴负载转矩为150N·m的1-2升挡过程，发动机通过断油控制，输出轴转矩峰值减小了26.1%，滑摩功减小了27.5%，最大正向冲击度减小了25.9%，但是在换挡结束时，最大反向冲击度增加了15.1%；发动机通过基于转矩的协调控制，输出轴转矩峰值减小了30.4%，滑摩功减小了20.6%，最大正向冲击度减小了49.4%，最大反向冲击度减小了43.4%。

4.2 输出轴负载转矩300N·m的1-2升挡过程

输出轴负载转矩为300N·m的1-2升挡过程发动机不进行协调控制、断油控制、基于转矩的协调控制的试验结果如表3和图8～图10所示。

表3 试验结果对比(300N·m)

由表3可见：输出轴负载转矩为300N·m的1-2升挡过程，发动机通过断油控制，输出轴转矩峰值减小了41.9%，滑摩功减小了46.6%，最大正向冲击度减小了18.5%，但是在换挡结束时，最大反向冲击度增加了39.2%；发动机通过基于转矩的协调控制，输出轴转矩峰值减小了40.3%，滑摩功减小了42.5%，最大正向冲击度减小了52.3%，最大反向冲击度减小了21.6%。

综上所述，在升挡过程中，如果能及时减少发动机的喷油量(例如通过断油控制或者基于转矩的协调控制)，就可以有效地抑制输出轴转矩的增加，并显著地减小换挡过程的正向冲击度和滑摩功。

5 结论

本文中针对由DEUTZ BF4M1013单体泵柴油机和Allison S2000液力自动变速器组成的动力传动系统，进行了升挡过程发动机协调控制试验研究。试验结果表明：

(1) 单体泵柴油机的转矩响应能够满足换挡过程协调控制的要求；

(2) 如果能够通过发动机协调控制(例如断油控制或者基于转矩的协调控制)，减小升挡过程发动机的喷油量，就可以有效地抑制输出轴转矩的增加，并显著地减小升挡过程的正向冲击度和滑摩功；

(3) 虽然发动机断油控制可以有效地减小升挡过程的滑摩功和正向冲击度，但却增大了换挡结束时产生的反向冲击；

(4) 基于转矩的发动机协调控制不仅有效地减小了升挡过程的冲击度和滑摩功，且能减小反向冲击，有效地提高了换挡品质。

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An Experimental Study on Engine Coordinated Control in theUpshift Process of Automatic Transmission

Wan Guoqiang, Li Keqiang & Luo Yugong

TsinghuaUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSafetyandEnergy,Beijing100084

Engine coordinated control is an important technical means to improve the shift quality of transmission. In this paper, an engine coordinated control strategy in shifting process is proposed for the powertrain system composed of DEUTZ BF4M1013 unit pump diesel engine and Allison S2000 automatic transmission, and a comparative test against fuel-cutoff control is conducted. The results show that the torque response of diesel engine with unit pump can meet the requirements of coordinated control of shifting process. Though fuel cut-off control can significantly reduce the sliding friction work and positive shift jerk in shifting process, but it causes larger negative shift jerk at the end of shifting process, while the torque based engine coordinated control can not only reduce sliding friction work, but also effectively lower both positive and negative shift jerks.

diesel engine; automatic transmission; shifting process; coordinated control

*国家自然科学基金(51475043)资助。

原稿收到日期为2014年2月17日，修改稿收到日期为2014年4月18日。