自动变速器的研究现状

1.2自动变速器的研究现状自第一台全液压自动变速器的研制成功距今已有近60年历史。按照实现自动变速的原理的不同，当今自动变速器可以分为三类：由液力变矩器和行星齿轮变箱组成的液力机械式自动变速器，即AT(AutomaticTransmission)；在原有机械变速器基本结构上，通过由自动操纵机构取代原来由驾驶员人工完成的离合器分离与接合、换挡手柄摘挡与挂挡以及变更发动机的油门开度同步调节等操作的机械式自动变速器，即AMT(AutomaticMechanicalTransmission)；可以实现连续变速的无级变速器，即CVT(ContinuousVariableTransmission)。液力机械式自动变速器较机械式自动变速器具有自动变矩、换挡平稳等无法比拟的优点，同时机械式自动变速器自身存在一系列问题，比如换挡控制、离合器接合控制和坡上起步控制等。目前，机械式自动变速器在部分较低档的轿车和部分卡车上运用。无级变速器所能传递的扭矩容量不大，目前以装备于小排量汽车为主，以及CVT的性能和可靠性尚未经过充分的考验和证实，技术还不够成熟等缺陷。AT有将近60年的研制历史，其技术相对比较成熟，目前AT生产已形成系列化和专业化，是目前汽车装备自动变速器的主流。本文研究的是液力机械式自动变速器（论文中均简称自动变速器,AT）。液力机械式自动变速器主要由液力变器、行星齿轮变速箱和换挡控制系统三部分组成。(1)液力变矩器液力变矩器是由液力偶合器发展而来的传动装置，主要有泵轮、涡轮和导轮组成，依靠流体运动的动能来实现动力的传递，它代替了传统汽车传动系中的离合器，实现了发动机与齿轮变速器之间的“柔性”连接。现代自动变速器通常所用的综合式液力变矩器兼有液力偶合器、液力变矩器和机械离合器的工作特点，三种工作状态的转换分别由单向离合器和锁止离合器完成。这种综合式液力变矩器充分利用液力偶器、液力变矩器和机械离合器三者各自的优点，使变矩器的性能得到改善。液力变矩器的主要缺点是传动效率低，增加油耗和废气排放。随着人类节能与环保意识的加强，自动变速器效率与燃油经济性受到了普遍关注。采用闭锁离合器闭锁控制对燃油经济性的提高具有重大意义。但是当闭锁离合器闭锁后，变矩器“柔性”连接转变为直接的机械传动，因此，无法隔绝来自振源发动机的振动和噪声。为了解决了燃油经济性和行驶平顺性的矛盾，闭锁离合器滑差控制技术得到应用，可以有效地提高了液力变矩器的性能。滑差控制的方式也由最初的PID反馈控制发展到目前的模糊控制、学习控制和鲁棒控制等。其中，Hibino[12]提出了运用H∞控制理论运用于液力变矩器滑差控制，可以有效提高变矩器效率。从20世纪80年代后期开始，进入90年代，世界各大汽车公司AT几乎都采用了闭锁离合器滑差控制。新的闭锁离合器控制系统主要在缩短闭锁接合时间、确保低速时闭锁的油压和噪声控制这三方面作了改进。近年来，液力变矩器在以下方面进行了改进和提高：第一,匹配的优化；改进发动机与变矩器的匹配，使变矩器在高效区工作。第二,变矩器特性曲线的改进；尽量提高变矩器最高效率和高效率区域。第三,设计方法的提高；采用三维叶栅理论，合理确定循环圆的形状，对泵轮、涡轮的叶片角度和导轮叶片形状进行最优化设计，使得结构紧凑，效率高。(2)行星齿轮变速箱液力变矩器的变矩系数尚无法满足汽车行驶需要，自动变速器通常都采用齿轮式变速箱作为其主要的变速装置。行星齿轮变速箱较定轴式齿轮变速箱具有结构紧凑、载荷容量大、传动效率高、齿间负荷小、结构刚度好、输入轴输出轴同轴线以及便于实现动力与自动换挡等优点。故行星齿轮传动是目前自动变速器普遍采用的结构形常见的复合式行星齿轮结构有辛普森(Simpson)、拉维纳(Ravingeaux)和CR-CR等多种形式。图1-1所示依次是辛普森、拉维纳和CR-CR行星齿轮机构结构。图1-1行星齿轮机构Fig.1-1planetarygearssets自动变速器机械传动部分由齿轮传动部分和换挡接合部分组成，行星齿轮变速箱设计的主要任务是确定行星齿轮传动方案和进行接合元件的布置。同济大学在自动变速器传动方案、接合元件和自由轮（单向离合器）的设计布置及在自动变速器中的应用做了深入研究。对于行星齿轮机构动力学建模与分析，目前常用的方法有：杠杆分析法(TheLeveranalogy)、键合图法(BondGraph)以及传统的数学建模法。杠杆分析法是将一个行星排等效为一根杠杆和三个支点。对于单行星行星排，中间支点为行星架(PC)，两端支点分别为太阳轮(S)和齿圈(R)，如图1-2(a)所示。对于双行星行星排，中间支点为R，两端支点为PC与S，如图1-2(b)所示。支点S、R距支点PC的长度（力臂）分别与齿圈齿数KZR和太阳轮齿数KZS成正比（K为比例常数）。图1-3是CR-CR行星齿轮机构的等效杠杆。CR-CR行星齿轮机构将前齿圈(RI)与后行星架(CR)相连，构成前圈后架组件；将前行星架(CI)与后齿圈(RR)相连，构成前上架后圈组件。在进行等效杠杆分析时，相应也将CI与RR、RI与CR相连。根据行星齿轮机构杠杆分析法，可以对行星齿轮机构进行转速分析、力矩分析。此外，根据行星齿轮结构中构件的物理量与等效杠杆上点的物理量之间的对应关系，可以将杠杆分析法推广为行星式变速器动力学分析的通用方法。利用等效杠杆的运动分析，力分析和动力学分析，建立行星齿轮变速器相应分析的方程，可以使行星齿轮机构的分析变得简明。键合图分析法，被广泛地应用于建立机械、液压、电气等系统的数学模型，特别是机、电、液联合作用的综合系统。键合图根据能量守恒定律，利用四个广义变量，九个键图元件，根据功率流在传递过程中发生的耗散、贮存、转换及串联、并联结点型式，统一处理不同能量范畴的各种子系统之间相互作用关系的。图1-4是CR-CR行星齿轮机构的键合图。传统的数学建模法根据牛顿第二定律，对行星齿轮机构各构件（太阳轮、行星架、齿圈）建立动力学方程，结合行星齿轮机构各构件之间在结构与运动上存在的约束关系，可以建立整个行星齿轮机构的动力学方程。文献[20]运用数学建模法对拉维纳式行星齿轮变速器建立了动力学方程，并进行换挡过程动力学分析。文献[21]中，建立了变速箱挡位分析和转速、扭矩分析的通用数学模型，给出了任意变速箱分析模型的统一描述，提出了变速箱计算机辅助分析的方法，利用已建立的变速箱分析数学模型，编制相应的计算机辅助分析程序，可对具有任何接合元件（离合器、制动器、啮合套、自由轮等）的各种多自由度变速器（定轴式、行星式或定轴行星混合式）进行运动分析、力分析、效率分析和挡位分析。为了提高动力性、燃油经济型和乘坐舒适性，减少噪音和排放，对自动变速器的挡位数和传动比变化范围要求越来越高[22]。目前，各大汽车公司以及自动变速器生产厂家都在积极开发6挡，甚至7挡自动变速器。其中，ZF公司引用了Lepelletier提出的行星齿轮结构布置，开发了6HP26型6挡自动变速器，其行星齿轮结构是在拉维纳结构的基础上串连一个单行星排[23]。(3)换挡控制系统自动变速器的控制系统分为早期全液压控制和现代电控液压执行两种，主要由包括感受变速器各种工作状态的传感元件、安装有各种控制阀体和电磁阀的液压控制阀板、由变速器手柄操纵的控制开关和电子控制单元等组成。全液压控制系统包括由许多液压控制阀组成的阀体总成以及液压管路。它以液力方式感受汽车工作状态，通过机械的手段，将车速和节气门开度这两个参数转变为液压控制信号，即通过调速阀根据车速调节出车速油压作用于换挡阀的一侧，通过节气门阀调制出与节气门开度大小相关的节气门油压，作用于换挡阀的另一侧。换挡阀根据这些压力控制需要进入相应的执行器活塞的油压，实现自动换挡。图1-5是全液压控制自动变速器自动换挡系统。由于液压处理信息功能差，很多影响换挡的因素无法考虑进去，控制精度低成为全液压控制系统的主要缺点。进入80年代后，已被淘汰，目前AT基本上都是电子控制。自动变速器的电子控制系统包括微机、各种传感器、电磁阀及控制电路等。电控液压执行自动变速器则以车速传感器和节气门位置传感器产生车速和节气门开度电信号，经过ECU分析处理，控制相应换挡电磁阀，调节液压换挡阀两端的换挡信号油压，由液压换挡阀的动作决定执行器活塞的液压，实现自动换挡。图1-6是电液控制自动变速器自动换挡系统。电子控制可以通过传感器检测各种影响换挡的参数，又能通过微处理器运用各种控制理论作复杂的分析，可以获得理想的换挡控制和良好的车辆性能，解决了换挡中可能出现的问题。无论是全液压控制自动变速器还是电液控制自动变速器，其中液压控制系统对实现自动换挡起着重要作用。液压控制系统在实现自动换挡中的主要功能表现为在汽车不同的工况下产生、保持或改变系统压力，提供自动变速器所需的符合当前工况的油压。由于自动变速器内部液压回路的复杂性，很难对其建立能精确描述动态响应的模型。从第一台全液压自动变速器诞生，到现在这将近60年的时间里，自动变速器液压控制技术得到了很快的发展。尤其是80年代后，将电子控制技术应用于自动变速器液压控制系统中，显著提高了自动变速器液压控制系统的性能。目前国外车用自动变速器液压控制系统的发展情况[24,25]：第一，电子控制取代液压换挡信号阀，全液压式AT已推出市场；第二，液压式调压方式改为电液比例控制调压；第三，为了解决平顺性与燃油经济性之间的矛盾，液力变矩器采用脉冲可调制电磁阀(PWMsolenoidvalve)实现闭锁离合器滑差控制；第四，换挡品质控制由蓄能器背压控制向由电液比例调压阀直接控制发展；第五，将现代先进的控制理论(如神经网络、模糊控制)运用到换挡规律或换挡品质控制中。目前，大部分自动变速器实现自动换挡技术都采用带有自由轮的结构方式。自由轮能自动接合或分离，因此只要分离或接合一个摩擦接合元件就能实现换挡，换挡控制比较简单。随着自动变速器挡位数的增加，带有自由轮的自动变速器的重量与尺寸也因此变大，将提高燃油消耗和产品生产成本。而不采用自由轮的clutch-to-clutch自动变速器解决了这个问题，并且clutch-to-clutch自动变速器较带自由轮的自动变速器结构简单。但是，clutch-to-clutch自动变速器需要同时控制两个接合元件的油压变化才能实现换挡，换挡控制较为复杂[26]。随着换挡控制技术的发展，目前clutch-to-clutch自动变速器换挡控制问题已得到解决，并装配于轿车上。未来自动变速器控制系统将朝着智能化、集成控制的方向发展。在国外，对自动变速器的智能控制技术的研究已经成为自动变速器研究的一个热点，也是自动变速器一个重要的技术发展方向。从20世纪80年代后期到90年代初期，世界各大汽车公司纷纷开发了自动变速器智能控制系统。自动变速器智能控制主要围绕着汽车信息检测技术、信息处理技术和信息转换技术这三方面发展。提出从导航系统获取车辆前方道路弯度的信息，换挡控制系统将综合道路弯度信息、坡度信息、车速、节气门开度和驾驶员操作意愿来选取最佳挡位，可以有效地较少不必要的换挡，提高燃油经济性。OliverNelles[28]将基于模糊逻辑的自适应理论应用于自动变速器换挡控制系统，可以有效提高燃油经济型和操纵性能。自动变速器集成控制主要体现在整车电子控制系统一体化，将发动机控制和AT控制、巡航控制、牵引力控制、四轮驱动控制、ABS等联合起来一起进行综合控制，是汽车控制技术发展的一个方向。