自动变速箱起步控制策略研究

戴冬华，陈加超

自动变速箱起步控制策略研究

戴冬华，陈加超

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

论文针对装配自动变速箱的车辆起步控制问题，通过对起步过程的受力状态分析，确认起步过程车辆驱动力、阻力以及离合器扭矩之间的力学关系。基于此，从发动机转速控制、离合器扭矩控制和发动机扭矩控制三个方面设计起步控制策略，通过分阶段定斜率控制离合器扭矩来保证起步过程平顺性，以主动干预控制发动机扭矩来保证发动机转速达到目标。最后通过MATLAB完成控制模型搭建，生成代码后应用到整车上，通过不同油门的起步工况测试，验证该策略。试验结果表明，该起步控制策略，能够实现平顺、舒适起步，满足车辆起步要求。

起步；力学关系；发动机转速；离合器扭矩；发动机扭矩

引言

很多驾驶员希望一松开制动踏板，车辆就能快速反应，稳定起步，但是在很多场合，如堵车和车库停车，又希望能平稳地慢速移动车辆，因为起步时车速的任何剧烈变化都会让驾驶员恐慌，甚至和其他车辆或者物体造成碰撞。所以，起步的平顺性直接关系到驾驶舒适性和行车安全性[1]。

起步主要分为两种情况，一种是不踩加速踏板松开制动踏板自动起步，称为“蠕动”；另一种是松开制动踏板踩加速踏板自动起步，称为“起步”。

本文主要是针对第二种松开制动踏板踩加速踏板的自动起步情况，结合起步过程车辆动力系统受力情况分析，设计一种平顺、舒适的起步控制策略。

1 起步过程受力分析

1.1 起步过程驱动力分析

发动机是传统汽车的主要动力源，通过循环做功的方式将热能转化为机械能，又经过离合器、变速箱、传动轴、主减速器、差速器等传递到半轴来驱动车辆。所以车辆起步的驱动力F为[2]：

式中，为轮胎滚动半径，为车轮的驱动转矩。

=Tii0η（2）

式中T为发动机输出扭矩，i为变速箱传动比，i为主减速器传动比，η为传动效率。

故车辆起步的驱动力F为：

所以，对于某一固定车型来讲，起步过程的驱动力主要取决于发动机输出扭矩。

1.2 起步过程阻力分析

车辆起步过程中主要受到滚动阻力、空气阻力、加速阻力和坡道阻力，本文主要分析平直路面起步的情况，所以不考虑坡道阻力。

1.2.1滚动阻力

车辆在平直路面起步时，必须克服来自轮胎与支撑面间的滚动阻力F[3]。

F=·（4）

式中为汽车重力，为滚动阻力系数。

而对于轿车在良好路面行驶时，可表示为：

式中f为方程系数。

由于起步过程属于低速控制过程，且1和2远小于0，故起步过程约等于0，所以起步过程滚动阻力可表示为：

F=·0（6）

故车辆起步过程的滚动阻力，主要取决于车辆的重力和滚动阻力方程系数。

表1 轿车f值的方程系数fi

路面状况沥青路水泥路 f00.011 520.012 96 f10.001 830.002 06 f20.001 590.001 79

1.2.2空气阻力

车辆从静止到移动后还需要克服来自周围介质的空气阻力F。

式中C为空气阻力系数，为汽车行驶速度，迎风面积。

根据公式（7），空气阻力与车辆行驶速度的平方成正比，由于车辆起步过程，车速低且时间短，所以起步过程不考虑空气阻力的影响。

1.2.3加速阻力

汽车加速行驶还需克服平移质量和旋转质量惯性所产生的加速阻力F。

式中为旋转质量换算系数，为汽车重力，为重力加速度，为汽车行驶速度。

故车辆起步过程的加速阻力，主要取决于车辆的重力和起步过程车辆的加速度。

综上所述，汽车起步过程总阻力为[3]：

=F+F（9）

即：

起步过程总阻力主要取决于车辆重力、滚动阻力方程系数和车辆起步过程加速度。

1.3 离合器传扭分析

车辆起步是离合器主动盘和从动盘从滑摩状态到压紧状态变化的过程，起步控制全过程离合器处于滑摩状态，根据离合器的实际尺寸和摩擦特性，滑摩状态下离合器能传递的转矩T和施加在离合器的压力F的关系为[4]：

T=nμFrsgn (m−c) （11）

式中为摩擦面数目，为摩擦系数，r为等效摩擦半径，m为发动机转速，c为输入轴转速。

所以，对于某一固定车型来讲，起步过程离合器传递的扭矩大小与施加在离合器上的压力成正比。

1.4 起步过程力的关系分析

车辆起步时，发动机提供驱动力，经过离合器传递到变速箱，再传递到车轮，克服车轮侧的阻力，从而驱动车辆起步行驶。当车辆静止时，主要克服车辆的滚动阻力或静摩擦力，当车辆开始移动后，主要克服滚动阻力和加速阻力。

图1 汽车动力系统示意图

2 控制策略设计

依据上述对于起步过程的受力分析，起步控制过程主要分为三个部分设计，发动机转速控制、离合器扭矩控制和发动机扭矩控制。

2.1 发动机转速控制

车辆起步时发动机转速远高于输入轴转速，起步过程输入轴转速不断增大且逐步靠近发动机转速，最终达到同步。

从文章1.1起步驱动力分析中可知，起步过程的驱动力主要取决于发动机输出扭矩，但发动机转速又会影响发动机输出扭矩，如图2所示是某款发动机的外特性曲线，从曲线中可以看出，发动机转速在1 500 r/min以下，随着发动机转速的增大，输出扭矩不断增大，达到1 500 r/min左右时，扭矩发挥到最大。所以为保证起步过程中的加速性能，发动机转速不能过低。

图2 某款发动机外特性曲线

另外，起步过程离合器处于滑摩状态，该状态下发动机输出功率P为：

P=T·N（12）

式中T为发动机输出扭矩，N为发动机转速。

输入轴得到的功率input为：

inputinput·input（13）

式中input为输入轴扭矩，input为输入轴转速。

由于T和input相等，而N和input不相等，部分能量损失就消耗在摩擦片上，这部分损失能量P为：

P=T·(N−input) （14）

而此损失能量就会引起离合器摩擦片发热和磨损，发动机转速越大，损失能量越大，所以发动机转速同样不宜过大。

故为了确保起步动力性，同时兼顾起步过程滑摩能量损失，设定起步过程发动机转速控制如下图3中目标转速所示。

图3 起步过程转速控制示意图

起步开始时，快速提升发动机转速，充分发挥发动机动力性能，然后按照一定斜率与输入轴转速同步增长，减小起步过程的滑摩差，从而减少能力损失，保护离合器。

2.2 离合器扭矩控制

离合器的主要作用是传递发动机扭矩至车轮侧，使得车辆能够克服阻力并完成起步，故离合器扭矩的大小及变化，直接影响到车辆的起步状态。

根据文章1.2中的式（10）可得，车辆起步过程阻力变化可分为两个阶段，第一阶段为车辆静止（车速为0）时，车辆阻力主要为滚动阻力，其大小为车重与滚动阻力方程系数的乘积，对于某一固定车型，在不考虑载重的情况下，其阻力值为定值。

第二阶段为车辆加速（车速不为0）时，车辆阻力主要为滚动阻力和加速阻力，其大小与车重、滚动阻力方程系数和车辆起步过程加速度均相关，同样对于某一固定车型，在不考虑载重的情况下，车重、滚动阻力方程系数为定值，所以车辆加速过程阻力相当于车辆加速度的一阶线性方程，加速度越大其阻力越大。

图4 起步离合器扭矩控制示意图

故离合器扭矩控制同样分为两个阶段，如图4所示，第一阶段离合器扭矩以定斜率缓慢增长，直至能够克服车辆静止状态下的滚动阻力并开始移动，使得车辆平稳起步。第二阶段离合器扭矩以更大斜率增大至驾驶员期望扭矩，克服车辆起步加速过程中的加速阻力，使车辆获得稳定的加速度。

2.3 发动机扭矩控制

起步过程发动机转速和离合器扭矩控制方式确定后，发动机扭矩是实现上述精确控制的动力源。因为发动机扭矩一部分经过离合器传递到车轮驱动车辆，另一部分就是提升发动机转速。

相对于发动机，离合器就是其负载，随着起步过程滑摩差的减小和离合器扭矩的增大，发动机负载也越来越大，所以发动机扭矩控制应该对应于离合器扭矩控制，需要在克服离合器扭矩负载的基础上提升相应的发动机转速，使发动机转速在起步过程保持在目标转速。故发动机扭矩T为：

T=J·(N−N)+ T（15）

式中J为发动机转动惯量，N为发动机目标转速，N为发动机实际转速，T为离合器扭矩。

图5 起步发动机扭矩控制示意图

控制过程可以依据式（15）的计算结果，变速箱通过主动请求扭矩控制的方式，使得发动机按照请求输出扭矩，同时可以基于发动机目标转速与实际转速的差值，通过PID控制调节方式，较少发动机扭矩控制的误差，具体控制过程可参见图5。

3 模型搭建

策略设计完成后，通过Matlab搭建控制模型[5]，参见图6。核心执行模块主要分为输入模块、转速控制模块、离合器扭矩控制模块、发动机扭矩控制模块4个部分组成。

图6 起步控制模型搭建

4 测试验证

模型搭建完成后，完成仿真测试[6]，生成代码[7]，将集成好的控制软件刷写到变速箱控制单元（TCU）中，并在某款搭载自动变速箱的整车上对起步控制策略开展验证。

测试主要采用不同油门进行起步，确认起步过程发动机转速是否缓慢平滑上升，同时车辆是否稳定加速，过程无抖动和冲击。

图7 整车起步测试数据

从图7起步测试数据可以看出，起步过程发动机转速稳定平滑上升，车辆稳定加速，过程中车速无明显抖动和跳动，说明起步过程平顺，故该起步控制满足设计意图，能够实现车辆平顺、舒适的起步。

5 结束语

本文介绍了一种自动挡起步控制策略，区别于其他控制策略，本策略主要是先确定好发动机转速和离合器扭矩控制，再以发动机转速为控制目标，以离合器扭矩为负载，反算出发动机扭矩控制，最后采用变速箱主动干预的方式，实现发动机扭矩控制。

该起步控制策略不仅能够实现平顺、舒适的起步，还能减少起步过程的离合器滑差，从而达到保护离合器的目的。

[1] 刘贻樟.AMT控制技术[M].北京:机械工业出版社,2016.

[2] 林学东.汽车动力匹配技术[M].北京:中国水利水电出版社,2010.

[3] 彭莫,刁增祥.汽车动力系统计算匹配及评价[M].北京:北京理工大学出版社,2009.

[4] 徐石安,江发潮.汽车离合器—汽车设计丛书[M].北京:清华大学出版社,2005.

[5] 陈然,孙东野,刘永刚.双离合器式自动变速箱建模与控制系统仿真[J].重庆大学学报:自然科学版,2010,33(09):1-7.

[6] 张祥,杨志刚,张彦生.汽车AMT系统的Matlab/Simulink建模与仿真[J].系统仿真学报,2007,19(14):3339-3343.

[7] 谭浩强.C程序设计[M].第4版.北京:清华大学出版社,2010.

Research of Automatic Transmission Launch Control Strategy

DAI Donghua, CHEN Jiachao

( Technical Center of Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

This paper aimed at the launch control problem of vehicles equipped with automatic transmis- sion, the mechanical relationship between the launch process vehicle driving force, the resistance, and the clutch torque was confirmed by analysis of the launching process. Based on this, the launch control strategy was designed from three aspects: engine speed control, clutch torque control and engine torque control. The clutch torque was controlled by constant slope in stages to ensure the smoothness of the launching process, and the engine torque was controlled by torque intervention to ensure that the engine speed reached the target. Finally, the control model was built by MATLAB, and the code was generated and applied to the vehicle. The strategy was verified by the launching condition test of different throttle. The test results showed that the launch control strategy could achieve smooth and comfortable launching to meet the launch requirements of the vehicle.

Launch; Mechanical relation; Engine speed; Clutch torque; Engine torque

U462

A

1671-7988(2021)24-77-05

U462

A

1671-7988(2021)24-77-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.024.017

戴冬华（1989—），男，学士，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心。

安徽省重点研究与开发项目——新型商用车AMT产品开发（201904a05020023）。