汽车自动变速器换挡控制自动校准算法研究

赵玉梅，龙海洋

（1.唐山工业职业技术学院，河北 唐山 063299（2.华北理工大学机械工程学院，河北 唐山 063210）

1 引言

自动变速器是应用最广泛的动力传动系统之一。随着自动变速器级数的增加，变速器结构和控制的设计变得越来越复杂，换挡质量成为自动变速器驱动性能的一个关键特征［1］。

换挡过程是一个复杂的过程，涉及到许多的驱动系统和参数，在汽车的开发阶段校准这些系统和参数对于换挡质量的提升具有重要意义。

车辆换挡过程的校准一般是在专家启发式方法的基础上，通过迭代实验进行［2］，是一个比较耗时的过程，包括许多手动步骤，并且还有存在人为因素误差。国内外研究学者对换挡特性开展了大量的研究，文献［3］研究了离合器系统扭矩对压力和压力对电流的特性，并且针对不同工况提出了自适应控制策略来调整控制参数。文献［4］针对车辆液力自动变速器，通过动态规划方法提出了自动变速器换挡的设计方法，该方法引入惩罚函数，提高了自动变速器的换挡质量。文献［5］针提出了一种机械式自动变速器的结构装置，在所建动力学模型的基础上研究了换挡过程中零部件的动力学特性，并从经济性方面优化了换挡策略。文献［6］通过建立自动变速器接合套和接合齿圈在接触过程中的耦合动力学模型，研究了换挡过程中产生的冲击特性。文献［7］针对自动变速器在工作过程中受到内外部干扰的因素，提出了数据驱动的自适应控制方法，通过仿真验证了该方法在换挡过程中具有较好的去噪优势。文献［8］针对以某9速自动变速器为例，通过克莱伊涅斯公式研究了其换挡过程中的传动效率，并在AMESim仿真软件中仿真了各挡位传动效率，结果表明所提方法的合理性。文献［9］以纯电车自动变速器为研究对象，建立了换挡过程的动力学模型，并提出了改善换挡品质的优化策略。文献［10］针对干式双离合自动变速器的换挡特性，在发动机扭矩的基础上提出了协调优化控制策略，该策略通过了实车验证，验证了该策略在提升换挡品质的优越性。上述研究为车辆换挡质量提升的研究提供了重要参考价值。

在本研究中前人研究的基础上，针对自动变速器开发过程中的校准效率，提出了一种基于模型的自动变速器离合器液压自动校准方法，实现离合器换挡参数的自动调整。该校准方法包括自动变速器仿真模型、车辆仿真分析算法和基于优化过程的自动校准算法，并在优化过程中进行迭代仿真和分析。以通电换挡为研究对象，仿真结果表明无论是通电升挡，还是通电降挡，该方法均能够有效地执行离合器液压曲线的基本映射，通过所提出的校准方法能够缩短实际车辆试验前的校准时间，提高自动变速器开发过程的效率，可以替代现有的校准方法。

2 动力系统仿真模型

本研究的车辆动力传动系统模型由发动机、液力变矩器、8 速自动变速器和传动部件组成，如图1 所示。部分参数，如表1 所示。

表1 车辆模型参数Tab.1 Vehicle Model Parameters

图1 车辆配置Fig.1 Vehicle Configuration

本研究只考虑轴向转动自由度，忽略动力系统中的轴刚度。对于发动机，发动机扭矩表示为发动机转速和油门踏板信号（TPS）的函数［11］，如下所示：

式中：g—扭矩映射；ωe—发动机转速，可表示为：

式中：Ieng—发动机的惯量；Itci—液力变矩器叶轮的惯量；Tp—液力变矩器的转矩。

液力变矩器的动力学可以表示为：

式中：ωp—液力变矩器泵的转速；Cf—根据速度差率e得出的容量系数；tr—转矩比；Tt—变矩器涡轮的输出转矩。

本研究的自动变速器结构示意图，如图2所示。变速箱由行星齿轮组（PG）组成，包括行星齿轮组（PG1）、双小齿轮组（PG2）和Ravigneaux式行星齿轮组（PG3，PG4）。行星齿轮组的动力学模型［12］可表示为：

图2 自动变速器原理图Fig.2 Schematic Diagram of the AT

式中：下标Cri—齿轮架；Ri—环形齿轮；Si—第i个行星齿轮中的太阳齿轮；Ci—第i个离合器；I—各分量的等效惯量；ω—转速；T—作用于各分量的转矩；Ri—第i个行星齿轮组的传动比；Tout—输出转矩。

根据挡位阶跃确定的离合器工作状态，如表2所示。通过操作离合器（CL）和制动器（B）来实现挡位的转换。

表2 各挡位的离合器/制动器工作状态Tab.2 Clutch/Brake Working Status of Each Gear

车辆动力学方程可以表示为：

式中：M—车辆质量；V—车辆速度；Ft—牵引力；Fair、Froll、Fgrad—根据空气阻力、滚动阻力和路面坡度计算的行驶阻力，Ft可以表示为：

式中：if—最终主传动比；Rtire—轮胎半径。

对于离合器模型，当施加的压力等于或超过压力阈值时，根据相对速度施加动摩擦和静摩擦，动摩擦扭矩表示为：

式中：kK—离合器盘的动摩擦系数；N—摩擦面数；reff—有效转矩半径；Pfric—离合器摩擦容量；A—啮合面积，静摩擦扭矩为：

式中：ks—离合器盘的静摩擦系数。

离合器中的耗散功率表示为：

式中：ω—滑移速度。

本研究中的车辆模型引入了控制逻辑以模拟动力传动系统的换挡，构建了简化的TCU。在该TCU逻辑中，通过涡轮转速、发动机转速、车辆转速、TPS和制动踏板信号等信号来确定自动变速箱的每个离合器和制动器的液压指令，并减小发动机扭矩。TCU逻辑模型输出发动机扭矩减小的信号、齿轮传动比信号和换挡信号。一般TCU 使用换挡图来确定挡位，并生成离合器和制动器的液压指令。首先，根据当前车速、TPS和挡位，通过换挡图确定下一个目标挡位，此时需要检查离合器、制动器液压剖面的运行状态和发动机的运行状态，综合确定是否换挡。

3 自动变速器标定方法

换挡控制的优化过程可分为三个模块，第一个模块是车辆模型，该模型可根据驾驶场景定义驾驶员的TPS和BPS输入值，并进行换挡控制的仿真。第二个模块是分析模块，用于量化和评估给定控制输入的换挡结果，以及离合器压力曲线。第三模块是根据第二个模块的分析结果，对整个过程进行迭代，优化离合器液压压力曲线。

3.1 自动变速器换挡的特性分析

在分析换挡过程时，需要综合判断换挡时间、转矩变化斜率、离合器温升等各种因素［13］。在本研究中，通过分析换挡持续时间来确定换挡过程是否正确。在离合器温升的情况下，将式（16）的离合器滑移能量数值转换为等效离合器盘温度，如下所示：

式中：mc—离合器盘的热质量；T0—油温；k1、k2—传热系数，忽略传输到变速器的热流。

根据仿真结果，可以利用齿轮阶跃信号确定是否发生换挡。当发生换挡时，通过检测信号变化来测量转矩阶段时间和惯性阶段时间。

在升挡的情况下，首先出现扭矩阶段，然后是惯性阶段。当扭矩施加到接通离合器时，断开离合器的扭矩减小，从而减小总输出扭矩，这个过程称为扭矩阶段。

当断开离合器转矩变为0时，变速器输入的转速出现变化，称为惯性阶段。

扭矩的起点阶段的起点由接通离合器的滑移能量增加的点来定义，在此点上扭矩传输开始发生，惯性阶段的起点为齿轮传动比开始下降的点，即扭矩阶段的终点。

当接通离合器的滑移能量停止上升时，换挡完成。根据扭矩阶段时间、惯性阶段时间和接通离合器产生的耗散能量值对换挡过程进行评估，升挡结果分析，如图3所示。

图3 通升挡分析结果Fig.3 Shift Result Analysis of Power-on Upshift

相反，在降挡的情况下，先出现惯性阶段，然后是扭矩阶段。当离合器的扭矩减小时，就会出现惯性阶段，这就提高变速器的输入速度，并增加接通离合器的扭矩，随后进入转矩阶段，转矩从断开离合器转移到接通离合器。

可以通过测量离合器和制动器的滑移能量来分析换挡过程，当断开离合器的滑移能量被释放时，惯性阶段开始，与升挡相反，因此惯性阶段的起点被定义为断开离合器滑移能量的上升点，扭矩阶段的起点定义为接通离合器滑移能量损失停止上升的点，当接通离合器滑移能量停止上升时，认为换挡完成。

在降挡情况下，根据惯性阶段时间、扭矩阶段时间、总换挡时间、离合器打滑产生的打滑能力以及接通离合器打滑能量转换的等效温度值来对换挡过程进行评估，降挡结果分析，如图4所示。

图4 通电降挡的结果分析Fig.4 Shift Result Analysis of Power-on Downshift

3.2 液压曲线换挡命令的优化

为了获得高质量的换挡过程，需要针对每一种驾驶情况配置液压特性曲线［14］。

本研究根据车速、加速踏板信号（APS）和换挡类型对各离合器的液压曲线进行定义，采用基于最近邻方法将车速和APS离散为10个部分，APS为（0～100）%，速度为（0～250）km/h。因此，离合器和制动器的液压分布是针对每种情况分别定义的。

此外，该液压曲线针对56种类型的每种换挡情况进行定义，由断开离合器的液压曲线Poff-going和接通离合器液压曲线Pon-going组成。液压曲线根据时间和液压压力的变化以简化形式给出：

式中：V—车速；N—换挡类型；ton—接通离合器压力曲线的时间点；pon—接通离合器压力曲线的压力点；toff—断开离合器压力曲线的时间点；poff—断开离合压力曲线的压力点。

在模拟和优化过程中调用每个换挡情况的相应液压曲线，并将优化结果进行保存。

3.2.1 通电升挡

在通电升挡情况下，离合器通常在换挡时产生大量滑移动能，因此，应在考虑离合器热容的基础上对液压曲线进行优化。在离合器打滑时，接通离合器液压压力的增加会减少换挡时间，并增加离合器产生的打滑能量。相反，降低液压会增加换挡时间，减少离合器滑移能量的产生。

因此在通电升挡的过程中，可以通过在发生滑动时仅调整前进离合器的液压水平来校准换挡，因此由离合器打滑产生滑移能量的等效温度增量与目标温升值相同。对于等效温度增量，通过结果分析的值获取。本研究通过简单地优化调整接通离合器的参数来优化换挡过程，在不改变断开离合器液压曲线的情况下，根据离合器的热容量确定压力水平，等效温升接近目标温升值。为了提高优化方法的效率，对液压曲线形状进行了简化，如图5所示。

图5 通电升挡液压曲线的简化Fig.5 Simplification of Hydraulic Curve for Power-on Upshift Cases

在通电升挡的优化过程中，首先定义目标等效温升值、惯性阶段和扭矩阶段的换挡时间约束，以及离合器压力曲线的初始值。为提升仿真效率，本研究首先定义了的最大值和最小值，以满足惯性阶段时间和扭矩阶段的时间约束，通过二分法对迭代过程进行优化。在各换挡的目标等效温度激励、惯性和阶段时间的约束条件下，根据离合器压力曲线的初始化映射，计算出最小压力值和最大压力值，并得到目标等效温升的函数值以及最大压力值和最小压力值之间的中值。通过替换最小或最大压力值得到新的压力值，从而在区间内过零的交叉值。该迭代一直进行到离合器的滑移能量与目标等效温升相匹配。最后根据仿真、分析和优化结构，确定压力的边界值。

3.2.2 通电降挡

图6 通电降挡液压曲线的简化Fig.6 Simplification of Hydraulic Curve for Power-on Downshift Cases

在低速挡时，如果在接通离合器液压压力增大之前，施加在断开离合器上的转矩水平较低，则发动机负载降低，导致发动机转速急剧上升，称为助跑现象，可以通过确定断开离合器的液压水平来避免此现象。首先，通过比较发动机转速变化斜率与参考斜率来检测助跑现象，并通过更新反馈增益来确定断开离合器的液压水平，以防止助跑现象发生。通过比较实际发动机转速的平均斜率和发动机转速在换挡开始和结束时的线性斜率，来评估发动机转速的斜率。在反馈增益的情况下，可以得到：

式中：slωe，target—发动机转速的目标斜率；slωe，ref—发动机转速的当前参考斜率。

最后，断开离合器的残余液压压力可以通过阻塞现象来确定。当接通离合器液压压力增大时，离合器内会发生联锁现象，造成冲击。因此必须通过断开离合器的残余液压来防止输出扭矩的突然增加。

在本研究中，通过测量惯性阶段和转矩阶段输出转矩，计算其相对于参考扭矩的均方根误差（RMSE），参考扭矩是通过将换挡前后的输出扭矩点线近似为线性函数获得的。将的最小值和最大值定义为，通用采用与升挡相同的迭代方法，使用黄金分割搜索法获得RMSE误差最小的值。

4 模拟与结果分析

4.1 通电升挡的仿真实例

通电升挡的仿真实例，如图7～图10所示。持续踩下油门踏板以加速车辆所获得的信号，如图7所示。随着车速增加，相应的挡位由1挡依次改为2挡、3挡、4挡，如图8所示。

图7 通电升挡的仿真输入信号Fig.7 Simulation Input Signal of Power-up Upshift

图8 通电升挡仿真结果Fig.8 Simulation Result for Power-on Upshift

在优化过程中，根据模拟情况的变化来设定目标温度，并将其应用到优化过程中。仿真结果，如图9、图10所示。

图9 离合器液压曲线仿真的优化结果Fig.9 Optimization Results of Clutch Hydraulic Curve Simulation

图10 迭代优化过程温度误差的仿真结果Fig.10 Simulation Result of Temperature Error for Iterative Optimization Process

图9描述了离合器压力曲线的初始值和优化过程得到的离合器压力曲线，在此对B2、C3、C4的离合器压力分布进行调整，使模拟的每个离合器滑移能量与目标离合器温升相匹配。

经过迭代优化过程后的换挡特性仿真结果，如表3所示。

表3 升挡特性的仿真优化结果Tab.3 Simulation and Optimization Results of Upshift Characteristics

从图10的结果可以看出，经过多次迭代过程，模拟结果显示的目标温升与仿真结果得到的温升之间的误差趋于收敛。因此，该优化过程可用于寻找基本映射的阈值。

从离合器热容的观点来看，可将这些值在校准过程中作为基准映射值，以提高效率。

4.2 通电降挡的仿真实例

降挡的仿真实例，如图11～图16所示。为产生由4挡换到2挡的情况，车辆首先加速到第4挡，然后通过增加APS进行降挡，即驾驶模型中将APS保持在15%左右，使车辆从1挡依次切换到4挡，然后瞬间将APS增加到70%以产生强制性降挡的过程，如图11所示。

图11 通电降挡的仿真输入信号Fig.11 Simulation Input Signal of Power-up Downshift

齿轮阶跃和齿轮比随发动机转速和变矩器涡轮转速的变化，如图12所示。从图13（a）中可以看出，由于发动机转速迅速增加而出现了助跑现象，由此可见，发动机转速斜率（参考斜率）大于换挡前后速度之间的直线斜率，优化结果，如图13（b）所示。通过调节断开离合器的液压水平，消除了助跑现象，发动机转速从换挡开始到换挡结束持续增加。

图12 通电降挡的仿真结果Fig.12 Simulation Result for Power-on Downshift

图13 离合器助跑现象与优化Fig.13 Clutch Run-up Phenomenon and Optimization

接通离合器接合的调整时间，如图14所示。

图14 离合器接合的调整Fig.14 Adjustment of Clutch Engagement

在图14（a）中，离合器的滑移速度由负变为正，然后在接通离合器接合时收敛为0。对于接通离合器来说，理想的接合点是当离合器滑移速度的符号发生改变时，用红点表示。图14（b）显示的是在图14（a）的基础上，接通离合器接合点变化时的滑移速度。与图14（a）不同的是，它显示了收敛到接近于零的滑移速度，变化比较小。

图15（a）显示了输出扭矩的变化情况，可以看出由于断开离合器的剩余液压压力，输出扭矩迅速增大，调整后的剩余液压输出转矩曲线优化结果，如图15（b）所示。

图15 输出转矩变化Fig.15 Output Torque Change

优化结果表明，输出转矩随着坡度的增加而增加，没有出现急剧增加现象。离合器液压的仿真结果，如图16和表4所示。

表4 降挡特性的仿真优化结果Tab.4 Simulation and Optimization Results of Downshift Characteristics

图16 离合器液压的仿真Fig.16 Simulation of Clutch Hydraulic Pressure

图16（a）显示了离合器压力的初值与优化过程得到的离合器压力值。图16（b）为放大后的离合器压力曲线，B2和C3的离合器压力是通过上述迭代过程进行调整的。描述了换挡时间（包括扭矩阶段，惯性阶段）与产生的滑移能量和等效离合器温升值，如表4所示。这些优化值可作为实车测试调优过程的基准映射参考值，可以显著降低实车测试时间和成本。

5 结论

针对自动变速器开发过程中的校准效率，提出了一种基于模型的自动变速器离合器液压自动校准方法。该校准方法包括自动变速器仿真模型、车辆仿真分析算法和基于优化过程的自动校准算法，并在优化过程中进行迭代仿真和分析。以通电换挡过程的控制进行仿真分析，结果表明该方法能够有效地执行离合器液压曲线的基本映射，优化值可作为实车测试调优过程的基准映射参考值，通过所提出的校准方法能够缩短实际车辆试验前的校准时间，可以显著降低实车测试时间和成本。