自动变速器静态换挡充油特性分析及优化控制

王书翰，杨 帅，王家琪，陈志峰

（1.北京航空航天大学 交通科学与工程学院，北京 100191；2.国家乘用车自动变速器工程技术研究中心，山东，潍坊261205；3.北京航空航天大学 新能源汽车高效动力传动与系统控制北京市重点实验室，北京 100191）

自动变速器静态换挡充油特性分析及优化控制

王书翰1,2,3，杨 帅1，王家琪1，陈志峰1

（1.北京航空航天大学 交通科学与工程学院，北京 100191；2.国家乘用车自动变速器工程技术研究中心，山东，潍坊261205；3.北京航空航天大学 新能源汽车高效动力传动与系统控制北京市重点实验室，北京 100191）

为了解决自动变速器静态换挡中充油阶段结束时刻离合器油压波动问题，分析了静态换挡的关键充油特性并提出了充油阶段的优化控制策略。构建了包括手动阀、液控换向阀和离合器的机电液多物理耦合的仿真模型并进行仿真分析。结果表明，优化控制策略可以明显缩小充油阶段结束时刻离合器的油压波动，证明了提出的控制策略的可行性、正确性与有效性。

静态换挡；充油阶段；手动阀；液控换向阀；离合器；优化控制

自动变速器的换挡品质是自动变速器控制的核心内容，为了提高自动变速器的换挡品质，国内外学者在液压、机械和电控三方面进行了大量研究。XU Bing等[1]研究了大流量电磁阀阀口打开的延迟时间特性。TAGHIZADEH等[2]和高翔等[3]建立了脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）式大流量电磁阀的非线性动态模型。叶仪等[4]、冀宏等[5]和陈晋市等[6]分析矩形节流槽的流量特性，建立了5种节流阀口过流面积的数学模型。XIE Zhe[7]、LEE等[8]和AMIRANTE等[9]研究了液流力对阀芯运动的影响。高翔等[10]、张青龙[11]和冯能莲等[12]使用ITI-SimulationX软件平台建立了自动变速器动力学仿真模型，并对换挡品质进行分析。CHENG Yunjiang等[13]建立了整个换挡过程的离合器状态集，使用虚拟状态控制器实现换挡的离合器压力控制。SONG Xingyong等[14]根据动态规划理论，建立了离合器充油阶段中的状态方程，求解最优目标转矩，但实际控制策略无法应用于整车。GUO Wei等[15]详细分析了矩形充油和三角充油的优缺点，并使用模糊控制算法完成充油阶段油压自学习。

静态换挡具有其自身的特殊性，考虑静态换挡最大特点是换挡手柄运动产生换挡。换挡手柄的运动速度不同导致手动阀的运动特性差异，随之产生离合器运动特性和充油特性差异，降低了换挡品质。自动变速器的静态换挡品质也是评价变速器好坏的重要指标。因此，本研究以一款新型8挡自动变速器为仿真对象，根据仿真结果提出了静态换挡过程中充油阶段的离合器压力控制策略。

1 静态换挡充油阶段的关键特性分析

自动变速器使用位置传感器检测自动变速器手柄P、R、N、D、S等挡位位置。当传感器检测数值落在预设各个挡位对应位置的有效数值区间内时，识别自动变速器为该挡位；当挡位发生改变后执行静态换挡并对相应的离合器压力进行控制。

在静态换挡过程中主油路液压油经过手动阀和液控换向阀油路，最终进入离合器活塞。由于流入离合器活塞的流量受到自身以及手动阀阀芯和换向阀阀芯运动特性的共同影响，所以需要对手动阀、液控换向阀和离合器进行特性分析。同时忽略油道内部空气阻力、沿程压力损失、液体密度变化、阀芯密封泄漏以及液压油油温变化等因素。

1.1 手动阀特性分析

由图1可知，该自动变速器的手动阀有多条油道，一条主油路入口油道，R挡出口油道和D挡出口油道，分别通至R挡和D挡的换向阀入口油道。在不同的挡位下手动阀对应不同的阀芯位移，完成不同油道的连通和断开。

图1 手动阀平面图

手动阀的阀口过流面积Ah与阀芯位移xh的关系式为：

手动阀的动态流量特性[8]可利用的孔口流量公式为：

式中：Cd为流量系数，反映了阀口局部阻力特性； 为液压油密度， kg/m3；phin为手动阀入口油道油压，其等于主油路压强pmain，kPa；phout为手动阀出口油道油压，kPa。

1.2 电液换向阀特性分析

电液换向阀由电磁阀和液控换向阀组成，电磁阀作为先导阀，切换控制油路[16]；液控换向阀作为主阀，其入口油道与手动阀出口油道连通。当电磁阀通电时，电磁阀出口油道液压油推动换向阀芯运动，将换向阀出口油道与离合器活塞入口油道连通；当换挡电磁阀断电时，换向阀出口油道与离合器活塞入口油道断开并与油缸连通，换向阀如图2所示。

图2 换向阀平面图

换向阀阀芯的位移公式为：

式中：i为电磁阀控制电流，mA；ps(i)为电磁阀控制电流与换向阀控制油压变化的函数式；Dv为换向阀阻尼系数；kv为换向阀弹簧系数；xv0为换向阀阀芯初始位移， mm。其中，xv、初始值均为0。

换向阀阀口过流面积Av与阀芯位移xv关系式为：

式中：xv0为换挡初始时刻换向阀芯的位置。换向阀的动态流量特性可利用的孔口流量公式为：

当电磁阀通电后，根据前文所述可知：

1.3 离合器特性分析

离合器内的钢片和摩擦片的压紧过程是由离合器活塞运动完成的。活塞运动受4个力的作用，活塞腔内液压油的压力、复位弹簧力、密封圈的密封阻力和活塞旋转液压油产生的离心力。当离合器工作时，活塞首先在高压油的作用下，将离合器相关油道和离合器活塞内部腔内充油。离合器建立油压后，活塞首先克服密封圈的阻力和复位弹簧力向右移动s1距离；随着活塞继续向右运动，钢片和摩擦片的间隙逐渐消除，当活塞移动的距离等于s1+ z·s2时，钢片和摩擦片的间隙完全消除，离合器开始工作。其中，z为钢片和摩擦片组数，s2为每组钢片和摩擦片之间的距离，mm。

活塞运动的位移公式为：

式中：mc为活塞质量，g；pc为活塞内油压，kPa；pr为液压油旋转产生的离心力，N；Ac为活塞有效作用面积，mm2；Dc为活塞阻尼系数；xc0为回位弹簧初始位移，mm。其中，xc、初始值均为0。

离合器活塞内油压公式为：

式中： 为弹性模量，kPa；patm为空气压强，kPa；Vc为离合器活塞容积，dm3。

式中：Vc0为离合器活塞及相关油道的初始容积，dm3。在换挡过程中电磁阀通电，离合器入口油道与换向阀出口油道相通，即：

对式（1）～（8）进行迭代计算，即可求出整个液压系统各点的压强和每一时刻的流量，从而求出离合器压力 的变化曲线。

由式（1）可知，手动阀的动态流量特性受到了换挡初始时刻手动阀阀芯的位置xh0的影响。根据式（1）～（8）可知，手动阀的动态流量特性又影响了离合器压力特性。手动阀阀芯通过挡位齿盘和一根推拉索与挡位手柄相连[17]，当换挡手柄移动时，手动阀阀芯随之移动。本研究以一款8挡自动变速器为仿真对象，该自动变速器的手动阀阀口最大开度为3 mm，结合位置传感器的精度，可以确定理想状态下换挡开始时刻手动阀阀口开度的初始位置是2.85 mm。然而，自动变速器控制单元（Transmission Control Unit，TCU）以5 ms为一个步长采集换挡手柄的位置数据，挡位手柄的移动速度不同必然导致手动阀阀口开度初始检测数值表现出一定的散差特性。图3是换挡手柄在随机力作用下的换挡初始时刻手动阀阀口开度大小的试验采集数据。

图3 手动阀阀口的初始开度

由图3可知，手动阀阀口的初始开度最小值和最大值分别为2.85 mm和2.93 mm，初始开度大小主要集中在2.87 mm到2.91 mm之间。换挡初始时刻手动阀阀芯的位置变化必然造成离合器压力pc随之变化，降低了自动变速器的换挡品质。所以，必须要考虑手动阀初始最小开度及最大开度时对换挡品质的影响，保证上述两种情况下的换挡品质。

2 建模和仿真分析

为了详细分析手动阀阀芯运动速度对换挡品质造成的影响，使用Simulation X软件建立了液压系统模型，主要包括油泵、主油路压力控制阀、主油路流量控制阀、液控换向阀、电磁阀以及离合器的液压模型。选择定量泵作为液压系统仿真的动力源，温度为常数值40 ℃，液压油相对密度设为0.86，通过对主油路压力控制阀的控制将主油路压力控制在1 MPa左右。

为了详细分析手动阀运动速度造成充油的不一致性，以本研究所用的自动变速器第三离合器（C3）作为仿真离合器，并在仿真中将输入轴转速和输入轴转矩设为固定值。传统控制策略将充油阶段分为两个子阶段：第一阶段的时间t11为固定常数，电磁阀控制电流i11根据自动变速器输入轴转速n和输入轴转矩T的拟合曲线计算；第二阶段的电磁阀控制电流i12为固定常数，根据相应各个离合器的Kisspoint（KP）点计算求解。时间t12根据自动变速器输入轴转速和输入轴转矩的拟合曲线计算为：

根据式（9）和式（10）计算该工况下各个阶段的充油时间和电磁阀控制电流。由图4中红色曲线可知，第一阶段充油时间t11为170 ms，电磁阀控制电流i11为396 mA；第二阶段充油时间t12为190 ms，电磁阀控制电流i12为298 mA，将换挡开始时刻手动阀阀口开度设为2.93 mm，仿真结果如图5所示。

图4 电磁阀控制电流

图5 离合器压力（手动阀阀口开度2.93mm）

由图5可知，在1.36 s时的离合器压力为0.153 MPa。当换挡开始时刻手动阀阀口的开口设为2.85 mm时，仿真结果如图6所示，在1.36 s时的离合器压力为0.144 8 MPa。

图6 离合器压力（手动阀阀口开度2.85 mm）

3 控制策略

当静态换挡采用传统控制策略时，根据图5和图6的仿真结果可以看出换挡时刻手动阀阀口开度变化造成离合器压力从0.153 MPa降至0.144 8 MPa，充油结束时刻离合器有5.4%的油压波动。实际中该工况下换挡开始时刻手动阀的阀芯位移是在最大阀口开度和最小阀口开度范围内变化的，由图2可知，在换挡开始时刻手动阀阀口开度达到最小时的次数很少。

在开始阶段减少离合器的命令油压也就是离合器的命令电流可以使离合器的响应变慢，通过延长离合器的响应时间可以减少手动控制阀阀口开度变化带来的影响。另一方面，电磁阀的控制电流减小会导致活塞响应速度变慢，为了保证离合器仍能在充油阶段结束时刻恰好到达其理想位置，需要增加补偿充油时间。因此，本研究提出将充油阶段分为三个子阶段。第一阶段的时间t21为固定常数，电磁阀控制电流i21根据自动变速器输入轴转速和输入轴转矩的拟合曲线计算；第二阶段的时间t22为固定常数，电磁阀控制电流i22值与i11值相同；第三阶段的时间t23为t12和补偿时间之和，补偿时间根据自动变速器输入轴转速和输入轴转矩的拟合曲线计算，电磁阀控制电流i23值与i12值相同。

4 控制策略仿真分析

根据式（9）～（12）计算同种工况下充油阶段的时间和电磁阀控制电流。如图4中绿色曲线所示：第一阶段充油时间为80 ms，电磁阀控制电流为364 mA；第二阶段充油时间为90 ms，电磁阀控制电流为396 mA；第三阶段充油时间为210 ms，电磁阀控制电流为298 mA。将换挡开始时刻手动阀阀口开度设为2.93 mm，仿真结果如图7所示。

图7 离合器压力（手动阀阀口开度2.93mm）

在1.36 s时的离合器压力为0.152 MPa。当换挡开始时刻手动阀阀口的开口设为2.85 mm时，仿真结果如图8所示，在1.38 s时的离合器压力为0.148 2 MPa。

图8 离合器压力(手动阀阀口开度2.85 mm）

由图7和图8可知，当静态换挡的电磁阀采用本文所述的控制策略时，换挡时刻手动阀阀口开度变化会造成离合器压力从0.152 MPa降至0.148 2 MPa，充油结束时刻离合器有2.5%的油压波动。缩小油压波动的原因是：当电磁阀控制电流减小，换向阀阀芯运动速度变慢，使换向阀的过流面积减小，换向阀的通流降低，通过降低换向阀的通流能力，从而减小了手动阀通流能力对离合器充油特性的影响。

另一方面，由图5和图7的对比可知，当手动阀阀口开度最大时，离合器压力从0.153 MPa降至0.152 MPa，其离合器压力波动从1.3%降至0.7%。在实际中换挡结束时刻离合器压力波动在—2%到2%时对换挡品质几乎没有影响，因此，本文提出的控制策略对此种情况改善压力波动的效果不明显。由图6和图8对比可知，当手动阀阀口开度最小时，离合器压力从0.144 8 MPa升至0.148 2 MPa，其离合器压力波动从—4.1%升至—1.8%。本文提出的控制策略对此种情况下改善压力波动有明显的效果。如果继续降低充油阶段中第一阶段的电磁阀控制电流，增加第三阶段的补偿时间，还可以缩小由于手动阀运动特性产生的离合器压力波动。但这样会使换挡时间进一步增加。调整式（11）～（12）的曲线拟合函数不仅可以合理确定该方案各个阶段的电磁阀控制电流和各个阶段的时间，还可以在换挡时间增加最少的情况下保证换挡结束时刻离合器压力值的波动在—2%～2%范围内。

5 结论

根据建立的手动阀、液控换向阀和离合器的运动学模型及流体力学模型，阐述了静态换挡中造成充油阶段结束时刻离合器压力值一致性较差的原因，进而提出静态换挡的离合器充油阶段优化控制策略。该策略可以在一定程度上解决离合器油压波动问题，使离合器油压控制更加精确，提高自动变速器静态换挡的换挡品质。

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作者介绍

Automatic Transmission Research of Gear Shift Technology for a New 8-step Speed Automatic Transmission

WANG Shuhan1,2,3，YANG Shuai1，WANG Jiaqi1，CHEN Zhifeng1
（1. School of Transportation Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China；2. National Engineering Research Center for Passenger Car Auto-Transmissions，Weifang 261205，Shandong，China；3. Beijing Key Laboratory for High- efficient Power Transmission and System Control of New Energy Resource Vehicle，Beihang University，Beijing 100191，China）

In order to solve the problem of clutch pressure fluctuation at the end of the oil-filled stage in the static gear shift process of automatic transmission, the key oil-filled properties of the static gear shift was analyzed in this paper, the optimizing control method for the oil-filled stage was also proposed. In addition, a mechanical-electrical-hydraulic coupling simulation model involving the manual valve, directional valve and clutch was established and simulated. The simulation results show that the optimizing control method proposed in the paper can significantly reduce the clutch oil pressure fluctuations at the end of the oil-filled stage. Finally, the feasibility and validity of the control method have been demonstrated by the simulation results.

static gear shift; oil-filled stage; manual valve; hydraulic directional valve; clutch; optimizing control

王书翰(1979-)，男，辽宁大连人。博士，副教授，主要从事车辆自动传动理论和控制技术研究。Tel：13911419136E-mail：wsh@buaa.edu.cn

U463.22+1

A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.01.06

2016-08-22 改稿日期：2016-09-26

国家自然科学基金（51405010）；山东省自然科学基金（BS2015ZZ07）

用格式：

王书翰，杨帅，王家琪，等. 自动变速器静态换挡充油特性分析及优化控制[J]. 汽车工程学报，2017，7(1)：037-043.

WANG Shuhan，YANG Shuai，WANG Jiaqi，et al. Automatic Transmission Research of Gear Shift Technology for a New 8-step Speed Automatic Transmission [J]. Chinese Journal of Automotive Engineering，2017，7(1)：037-043. (in Chinese)