交流伺服控制變速器設計及換擋控制策略仿真

張利敏,張 強

(商丘工學院機械工程學院,河南 商丘 476000)

0 引言

目前,汽車電子技術發展迅猛,汽車的智能化、自動化、安全性、舒適性備受消費者關注。由于傳統手動變速器要求駕駛員很好的匹配離合器、油門、擋位三者間的關系,對駕駛員操作技術要求比較高。針對該技術的不足,各汽車廠商投入巨大精力去研發自動變速器,開發了液力式自動變速器[1](Automatic Transmission,簡稱AT)、雙離合自動變速[2](Double clutch automatic transmission,簡稱DCT)、無級變速器[3](Continuously Variable Transmission,簡稱CVT)及電控機械式自動變速器[4](Automated mechanical transmission,簡稱AMT)等多種類型的自動變速器。AT擋位數少、維修成本高、內部結構復雜、液壓油存在遲滯性;DCT通過控制奇數擋位和偶數擋位的兩根動力輸出軸,有效提高了換擋響應速度。CVT金屬鋼帶容易磨損、需定期更換,造成維修的不便。AMT內部結構相對簡單、制造成本低、傳動效率高,很大程度上降低了駕駛員的操作難度,但較長時間的動力中斷和較大的換擋沖擊等問題給研發人員帶來了極大的挑戰[5]。

近年來,直驅技術的AMT具備快速的動態響應、換擋能耗低的優勢,廣泛引起了學者的關注。直驅AMT簡化了系統結構,取消了動力傳動的中間環節,降低了低運行噪聲和能量損耗,提高了響應速度和傳動效率[6,7]。李波[8]提出了一種電磁直線執行器直接驅動的AMT換擋機構。將電磁執行器與變速器同步器相連,采用一種無選擋過程的直接換擋方式,進一步減小執行機構的運動慣量;同時進行退、進擋操作。趙文強[9]對三軸混合動力汽車的兩擋AMT換擋過程控制進行了研究?；谌S牽引力耦合式混動汽車為實驗平臺,對兩擋AMT進行了研究,并設計了三軸混合動力汽車兩擋AMT控制策略,該控制策略適用于不同的工作模式,且有效保障了換擋的平順性。經過對比分析各種自動變速器,設計了一種交流伺服控制變速器(AC Servo Control Transmission,簡稱AC-SCT),簡化了系統結構,提高了換擋系統傳動效率、響應速度,降低了能量損耗和運行噪聲,基于Matlab/Simulink平臺建立發動機、換擋控制策略、自動變速器及車輛模型為主的控制系統輸入、輸出模塊,構建了基于整車模型的AC-SCT仿真系統。研究的AC-SCT及換擋裝置為電控機械式自動變速器變速系統提供了新的技術和思路,對于新型自動變速器的設計具有顯著的理論意義和實際應用價值。

1 AC-SCT方案設計

設計了一種車用AC-SCT系統,機械結構主要由傳動機構、換擋機構組成。換擋執行機構將傳統的電動撥叉與同步器的換擋方式改變為電機直驅絲桿螺母的換擋機構進行換擋,由換擋電機、換擋絲桿和選擋螺母組成。AC-SCT系統布置方案如圖1所示。動力由發動機輸入變速器,通過變速器輸入軸的主動齒輪傳遞到與主動齒輪常嚙合的從動齒輪上,使從動齒輪在輸出軸上轉動且輸出軸不傳遞動力。當接收到換擋指令時,根據換擋行程計算,交流伺服電機運轉帶著絲桿轉動,從而選擋螺母產生軸向位移,移動到待換擋的從動齒輪芯部,與從動齒輪的凹槽嚙合,動力經選擋螺母傳遞到輸出軸,此時輸出軸以該擋位速度傳遞動力。

圖1 AC-SCT系統布置方案圖

1.1 AC-SCT結構型式選擇

根據變速器設計原則與大量的市場調查具有代表性的變速器型譜,AC-SCT依據國產某款汽車的動力系統參數設計而來,最大扭矩145 N·m,擋位為5擋。包括變速箱主體部分的五個前進擋和一個倒擋構成,其中,傳動機構采用五對常嚙合圓柱斜齒輪傳動,主動齒輪通過鍵與輸入軸固定連接,從動齒輪空套在輸出軸上,通過限位塊對其進行軸向的限位。換擋機構為交流伺服電機+絲桿螺母裝置,絲桿螺母的主要部分置于變速器輸出軸內,輸出軸為徑向分布著三對軸向導向槽,換擋螺母鍵在導向槽內做直線運動,實現換擋動作。

1.2 AC-SCT工作過程

AC-SCT工作過程示意圖如圖2所示,如圖2(a),汽車未啟動時或處于空擋時,選擋螺母14處在殼體與一擋從動齒輪13之間,輸入軸6在發動機或電動機的拖動下轉動,而輸出軸7不轉。當手動掛擋時,交流伺服電機15工作,帶動絲桿8轉動,選擋螺母14向右移動至一擋從動齒輪13的內部,完成掛擋。此時發動機或電動機的動力經過輸入軸6、一擋主動齒輪1、一擋從動齒輪13、輸出軸7,降速增扭之后從輸出軸7輸出。

1～5-一到五擋主動齒輪;6-輸入軸;7-輸出軸;8-換擋絲桿;9～13-一到五擋從動齒輪;14-選擋螺母;15-換擋電機圖2 AC-SCT工作過程示意圖

當發動機加速時,伺服直驅換擋的自動變速器接收換擋指令,以一擋升二擋為例,驅動交流伺服電機15轉動,帶動絲桿8轉動和螺母14向右移動,螺母由一擋從動齒輪13心部脫出之后,完成摘擋動作后,迅速滑入二擋從動齒輪12心部,實現換擋的目的。發動機或電動機的動力經過輸入軸6、二擋主動齒輪2、二擋從動齒輪12、輸出軸7,降速增扭之后從輸出軸7輸出,實現增速換擋過程;發動機再加速,便可順次換入三擋、四擋和五擋。

當發動機減速時,中央處理器根據收集到的發動機轉速、轉矩信號和車輪的轉速、轉矩信號,向交流伺服電機15的驅動控制器發出控制信號,交流伺服電機15反向轉動,帶動絲桿8反向轉動和螺母14向左移動,螺母由五擋從動齒輪9心部脫出之后,迅速滑入四擋從動齒輪10的心部,發動機或電動機的動力經過輸入軸6、四擋主動齒輪4、四擋從動齒輪10、輸出軸7之后,從輸出軸7輸出,實現降速換擋過程;發動機再減速,便可順次換入三擋、二擋和一擋,最后進入空擋位。

1.3 AC-SCT系統

AC-SCT系統是一個人—車—環境共同組成的閉環系統,其中,駕駛員、車輛使用狀態及使用環境會對該系統品質產生影響。AC-SCT系統基于車輛使用和行駛狀態、道路環境和駕駛員意圖等信息和自動操縱專家的經驗完成換擋過程的自動控制決策。

2 傳動系統仿真模型

汽車傳動系統的功率流如圖3所示,主要由非線性常微分方程模型的發動機、自動變速器、車輛模型三部分構成。為了驗證AC-SCT換擋控制策略的有效性,基于整車模型的AC-SCT仿真需要對不同的子模塊進行建立(控制輸入模塊、發動機模型、換擋控制邏輯、AC-SCT模型、車輛動力學模型)。在建模的過程中直接將圖3中的模塊實現為模塊化的Simulink子系統。另一方面,在變速箱控制單元(TCU)中所做的邏輯和決策并不適用于表述良好的方程。TCU更適合于狀態流表示,因此,使用Stateflow進行換擋控制策略的建模。

圖3 汽車傳動系統功率流圖

2.1 控制輸入模塊建立

圖形用戶界面(Graphical User Interface,簡稱GUI)是一種使用圖形化方式展現計算機操作可視化圖形用戶接口[10]。使用Matlab來設計模型控制輸入的GUI界面,可以使用鼠標對節氣門開度、制動踏板以及轉向的控制進行調節。

2.2 發動機模型建立

發動機本身是一個非常復雜的機電一體化機構,發動機模型的建立可以將其簡化為發動機轉速、發動機輸出轉矩及節氣門開度三者間的關系:

(1)

式中:Ne為發動機轉速(rpm);Iei為發動機轉動慣量;Te為發動機扭矩。

建立發動機模型時,采用查表模塊建立發動機轉速、車速及發動機轉矩間的關系,具體的發動機轉速、車速及發動機轉矩map圖如圖4所示。使用二維查表的方式能夠得到任意時刻發動機轉速、發動機扭矩及節氣門開度三者間的映射關系。

圖4 發動機map圖

基于發動機的運動方程和二維查表法,使用simulink搭建的發動機模型如圖5所示。

圖5 發動機模型框圖

2.3 AC-SCT換擋控制策略設計

TCU根據節氣門開度、車速、制動力矩等傳感器采集的信號去確定駕駛員的駕駛意圖,通過計算,最終綜合給出變速器的升擋或者降擋,該過程即為換擋控制邏輯[51-52]。TCU是整個換擋過程的核心部件,優良的換擋控制邏輯,整個換擋過程平順、無頓挫,換擋時機合適,汽車動力足,油耗低?；诖?采用電機直接控制換擋裝置,進行不同擋位的平順切換。采用車速和油門開度兩個參數制定換擋規律。換擋規律曲線綜合考慮了低速情況下的最佳動力性換擋策略和高速情況下的最佳經濟性換擋策略,其中升擋、降擋點的速度計算方法主要有動態驅動力曲線、油門法及車速法[11]。設計的5檔AC-SCT換檔規律曲線如圖6所示,升擋曲線采用實線標記,降擋曲線采用虛線標記。模型內部利用Simulink查表模塊得到每個采樣時刻的換擋點,分為升擋點和降擋點。

圖6 換擋規律

換擋控制邏輯模塊采用有限狀態機(finite state machine,簡稱FSM)圖形化的設計開發工具,sateflow建立的換擋狀態轉移圖如圖7所示,主要有擋位狀態(gear_state)和選擋狀態(selection_state)兩個并列的狀態圖。gear_state狀態中定義了5個擋位,定義了升擋和降擋2個狀態轉移事件。selection_state定義了升擋、降擋以及擋位保持3個狀態。gear_state處于激活狀態下,默認開始狀態是一擋位置,基于selection_state轉移條件的判斷,依次判斷滿足升擋、降擋以及擋位的狀態。

圖7 換擋狀態轉移stateflow圖

在換擋邏輯模塊中,升擋和降擋調用了閾值計算數,如圖8所示。升擋和降擋點通過節氣門開度和擋位與對應的車速進行二維查表實施相應的換擋操作,插值點之間采用了線性插值方法,具體的函數曲線采用了圖8所示的數據。

圖8 升擋降擋閾值控制

2.4 AC-SCT模型建立

AC-SCT在動力傳輸過程中起到一個過渡作用,主要承接發動機輸出動力,將動力傳輸給變速器的機械齒輪機構中,通過機械齒輪組不同傳動比,最終將發動機扭矩轉化成多組序列。齒輪傳動模型和換擋執行模型共同構成了AC-SCT機械結構。

(a)齒輪傳動模型

該傳動模型是通過靜態齒輪傳動比實現的,假設換擋時間很小。模型被描述為:

(2)

式中:Tin為AC-SCT輸入扭矩;Tout為AC-SCT輸出扭矩;Nin為AC-SCT輸入轉速;Nout為AC-SCT輸出轉速;Rtr為AC-SCT各擋位速比。

(b)換擋執行元件模型

主流的換擋執行元件有單向離合器、摩擦結合元件兩類[12]。離合器、制動器共同構成了摩擦結合元件,該元件依賴于摩擦力傳動,其傳遞力矩和結合度是可控的;一個方向脫開,另一個方向傳動,構成了單向離合器相對轉動。

AC-SCT換擋執行動力源由電機來提供。在建模時,對換擋執行元件進行了簡化,R擋換擋和D擋換檔類似,故在此不再贅述。只考慮D 擋換擋執行元件接合情況,直接用一維數表得到各擋位的傳動比,不同擋位的傳動比見表1。

表1 不同擋位的傳動比

基于上述動力傳遞過程建立的AMT傳動模型(圖9),主要由變矩模塊和機械傳動模型構成。

圖9 AC-SCT simulink框圖

2.5 車輛動力學模型建立

所建立的不同子模塊最終在相互作用下傳遞給車輛,發動機提供的驅動動力源經過傳動系傳遞給驅動車輪,驅動車輛運動。建立的車輛動力學模型主要涉及最終驅動、慣性和動態變化的負載,其關系被描述為:

(3)

式中:IV為車輛慣性;NW為輪速(rpm);Rfd為最終驅動速比;Tload為負載轉矩。

車輛的負載轉矩主要由路面負載轉矩和制動轉矩兩部分構成。道路荷載為摩擦損失和氣動損失之和:

Tload=sgn(V)·(Rload0+Rload2·V2+Tbrake)

(4)

式中:Rload0為摩擦阻力系數;Rload2為空氣動力阻力系數;Tload為負載轉矩;Tbrake為制動轉矩;V為車輛線速度。

基于式(3)、式(4)動力學方程,使用Simulink搭建的車輛動力學模型如圖10所示。

圖10 車輛動力學模型

3 AC-SCT仿真

將所建立的控制輸入模塊、發動機模型、換擋控制邏輯模塊、AC-SCT模型及車輛動力學模型結合在一起共同構成了整車動力系統模型的頂層圖,如圖11所示。搭建好基于整車模型的AC-SCT仿真框圖,經過運行報錯,不斷修改錯誤之后,按下模型窗口中工具欄上的run按鈕,該模型運行的曲線可以顯示在輸出結果展示區域中。

圖11 AC-SCT的整車simulink框圖

4 仿真結果分析

為了驗證所搭建的AC-SCT模型的有效性,設置運行仿真道路為平坦的直線道路,轉向角度始終為0度,設置仿真時間為200 s,仿真結果如圖12所示。

圖12 仿真結果

圖12(a)是仿真輸入的節氣門開度變化時序圖,圖12(b)是仿真輸入的制動力矩變化時序圖,圖12(c)是AC-SCT模型的仿真轉矩變化時序圖,圖12(d)是AC-SCT模型的仿真擋位變化時序圖,圖12(e)是整車車速的仿真變化時序圖。從圖12 中可以看出,首先是定油門起步階段,節氣門開度快速升到50%并保持一段時間,這時擋位隨著車速的逐漸升高而逐步升至最高擋;其次是制動階段,節氣門開度迅速變為0%,并且施加16 N·m的制動力矩,當車速升到最高車速時,車倆開始緩慢制動,最終車速降至17 km/h 左右,擋位隨車速減小降至二擋,最后會變為一擋,車速為0 km/h,表明設計的交流伺服控制變速器能嚴格按照換擋規律換擋。

5 結語

設計了一種交流伺服控制變速器并基于Matlab/Simulink平臺建立了相對應的模塊,基于所建立的子模塊構建成整車模型的交流伺服控制變速器仿真系統。結果表明:在輸入條件保持一致的狀態下,隨著節氣門開度的提高或者減小,車速提高或者降低;擋位是按照車速與油門開度的變化依據換擋邏輯進行自動換擋;表明設計的交流伺服控制變速器能嚴格按照換擋規律換擋。為新型自動變速器的設計提供了思路和技術,并具有實際應用價值。