汽车电控理论_变速器_换挡策略

现代汽车控制理论研究——研究生汽车电子技术教程2019年8月17日星期六8时51分25秒哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院第1页第三章智能电控自动变速器换档策略研究一.简介１．国内外的研究现状在国外，自动变速器的研究始于汽车。1985年，日本五十铃公司率先研制成功NAVI-5型全自动机械式变速器，并装于飞鸟(ASKA)轿车，投放市场获得成功。此后，美国的福特(FORD)公司、法国雷诺(RENAULT)公司、意大利的菲亚特(FIAT)公司都相继开发了这种变速器，全自动AMT已进入产品化和实用化阶段。由于自动换挡和起步时都受到环境、驾驶员驾驶水平和车况等因素的影响，日本的五十铃(ISUZU)、尼桑(NISSAN)等开始采用模糊推理的智能化方法进行此方面的研究，包括模糊换挡策略和离合器接合速度的模糊控制。三菱公司新的自动变速车“FuzzyShift4AT”在自动变速系统中加入了“模糊控制”的概念。在工程机械领域，日本川崎重工公司开发的轮式装载机KLD97ZIII匹配15ZIII自动换挡变速器。意大利萨姆(SAME)公司Rubin系列拖拉机采用了全自动换挡变速箱，美国卡特彼勒(CATERPILLAR)公司的Challenger35/45/55橡胶履带拖拉机从第10挡至第16挡可以实现自动换挡。在国内，吉林大学、北京理工大学、重庆医疗机械工业公司等多家单位均在自动变速器的研究方面取得了科研成果。其中，吉林大学率先将智能控制理论应用到工程机械中，对工程机械模糊神经网络档位控制进行了试验研究，研制出推土机的模糊换挡系统并进行了室内试验；对轮式装载机的模糊换挡策略也进行了研究。1998年8月吉林大学自主研制桑塔纳2000AMT样车通过了国家鉴定，目前正进一步加强系统可靠性等方面的研究。神龙公司也向市场投放了装备进口AL4智能型自动变速器的富康988“领导者”以及富康1.6L轿车，它们采用了模糊控制理论和动力传动系统综合控制技术，实现了智能化控制，电子控制单元有10种换挡规律，按需分别调用几种换挡规律或同时或交替工作，共同控制变速器的状态。现代汽车控制理论研究——研究生汽车电子技术教程2019年8月17日星期六8时51分25秒哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院第2页２．自动换挡规律研究展望随着自动变速器换挡规律在使用中出现的问题和智能控制理论的迅速发展以及人们对车辆性能要求的提高，各种最新的监测、控制技术将不断引入车辆领域，以改善自动变速器的性能，使档位决策、换挡控制与车辆、环境和驾驶员意图相适应。在已有智能控制理论与车辆工程相结合的基础上，运用最新的智能控制理论修正传统的二参数、三参数换挡规律，使车辆换挡更加经济、可靠；将模糊控制、神经网络、专家系统及混沌理论等新学科单独或者结合使用，以扩大处理信息的范围和能力，进行综合控制，形成综合智能控制换挡规律。所有这些都将大大提高自动换挡的稳定性和智能化水平，将成为未来研究的热点．二．自动变速器的基本组成与工作原理１．基本组成电子控制自动变速器一般由液力变矩器、行星轮变速器、电子控制系统3部分组成。液力变矩器通常由与发动机飞轮连接的泵轮、与变速器输入轴连接的涡轮及与单向离合器连接的导轮组成，其主要作用是通过油液的运动传递动力并在一定范围内实现降速增扭、无级变速。行星轮变速器是由一系列的行星齿轮系、液压离合器与制动器组成的有级式的变速器，该变速器易于通过控制系统实现自动换档，并且与液力变矩器配合可在更大范围内实现无级变速。电子控制系统由反应汽车工况的传感器、自动变速器控制电脑、变速电磁阀及换档离合器等执行机构组成，其主要功用是由自动变速器控制电脑根据传感器反应的车况信息进行自动运算和判断，发出科学的换档指令到换档执行机构以实现自动换档变速。２．工作原理如图3.1所示，电子控制式自动变速器是通过传感器装置将汽车的运行工况转化为电信号，并通现代汽车控制理论研究——研究生汽车电子技术教程2019年8月17日星期六8时51分25秒哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院第3页过自动变速器电脑对电信号处理，然后输出控制指令给相应的电磁阀，来实现变速器的换档操作。发动机发动机电脑节气门位置传感器车速传感器冷却水温传感器变速器油温传感器发动机转速传感器档次开关制动灯开关模式选择开关自动变速阀体电磁阀自动变速器电脑行星齿轮变速器液力变矩器图3.1电子控制式自动变速器的工作原理现代汽车控制理论研究——研究生汽车电子技术教程2019年8月17日星期六8时51分25秒哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院第4页（１）功率流传递路线汽车发动机发出的功率流通过液力变矩器的一次放大（可达到2-4倍）后，传给行星轮变速器进行有级变速，然后通过输出轴传到驱动桥；其中液力变矩器可在一定范围内实现无级变速，根据汽车的行驶阻力及车速自动调整负荷。（２）传感器监测的主要信息1）节气门位置传感器反应节气门的开度大小的比例，该信息与发动机转速汽车行驶速度等参数配合提供电脑换档的决策依据；2）车速传感器反应汽车的行驶速度；3）发动机转速传感器反应发动机实际运转速度；4）冷却水温传感器反应发动机热平衡状况信息，水温较低时不适宜加档，应在低负荷下继续预热；5）变速器油温传感器反应变速器润滑油热平衡状况，其是控制散热器的散热强度的依据；6）档位开关反应驾驶人员的意图并间接反应出道路情况，自动变速器仍然需要将变速手柄置于某一确定的位置（至少分为前进、倒退、空位等）；7）模式选择开关决定汽车行驶的基本模式：是以经济车速行驶还是以高动力性行驶；8）制动灯开关，反应汽车是否处于制动状态，决定发动机工况及各传动部件的工况；现代汽车控制理论研究——研究生汽车电子技术教程2019年8月17日星期六8时51分25秒哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院第5页（３）自动变速系统的控制内容1）档位控制：当变速手柄在前进档时，自动变速器电脑根据汽车行驶情况选择最佳的时刻换到最合适的档位，以使汽车充分发挥动力性和经济性；2）变速液压系统的油压控制：自动变速器电脑根据汽车的工况需要调整液压系统的压力，以达到既减少能耗，又满足传递功率流的需要，同时保证换档平稳无冲击；3）发动机控制：自动换档过程中，自动变速器电脑通知发动机电脑适当减小喷油量，保证换档平稳；特殊路况下需发动机制动汽车运行时，自动变速器电脑发出信号使发动机与变速器强制连接（通过强制离合器），以实现发动机的制动效果。高档低档50%100%车速加速时的升档规律加速时的降档规律节气门开度图3.2自动换档图现代汽车控制理论研究——研究生汽车电子技术教程2019年8月17日星期六8时51分25秒哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院第6页（４）自动变速的控制原理1）自动换档的决策模型：如图3.2所示，汽车换档的主要决定因素是节气门开度和汽车行驶速度，当汽车在某一节气门开度下，车速上升达到升档规律线时，则自动变速器电脑发出升档指令使自动变速器实现升档操作；反之，车速下降达到降档规律线时，则自动变速器电脑发出降档指令使自动变速器实现降档操作，该模型也称为自动换档图。2）自动换档的控制过程：如图3.3所示，自动变速电脑根据汽车档位开关及换档模式开关的信息决定选择相应的自动换档图，然后按节气门位置传感器及车速传感器检测到的信息进行判断得出结果，最后向换档电磁阀发出换档指令。现代汽车控制理论研究——研究生汽车电子技术教程2019年8月17日星期六8时51分25秒哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院第7页档位开关和换档模式选择开关选择自动换档图车速判断车速传感器节气门位置传感器换档电池阀节气门位置传感器图3.3自动换档控制过程现代汽车控制理论研究——研究生汽车电子技术教程2019年8月17日星期六8时51分25秒哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院第8页三.当前档位决策方法及其局限性1．传统换档规律（１）单参数换档规律汽车用单参数换档规律一般选择相对稳定的车速作为控制参数。国外大功率拖拉机以发动机速n来限定。如图3.4所示,当车速达到时升入2挡；反之，当车速降至时换回到1挡。和之间是两档均可能出现的工作区,这种在控制参数相同的情况下，升挡和降挡的时刻不同，降挡时刻较升挡时刻晚的现象称为降挡重叠或降挡延迟。其作用是:1）换入新挡后,不会因油门的振动或车速引起的轻度变化,而重新换回原来挡位,保证换挡过程的稳定性。2）有利于减小换挡循环,防止控制系统元件的加速磨损,并防止乘坐舒适性的降低。1V2V2V12121V2V降档升档Vaa油门开度n发动机转速v车速图3.4单参数换档规律现代汽车控制理论研究——研究生汽车电子技术教程2019年8月17日星期六8时51分25秒哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院第9页单参数换挡规律结构简单,但无论油门开度如何变化,换挡点、换挡延迟大小都不变,不能实现驾驶员干预换挡。为了保证动力性，一般把升档点设计在发动机的最高转速，而不考虑车辆的功率需求状况。这将造成车辆在小油门开度行驶时，也需要达到最高转速才能换档，故换档过程中不仅噪声较大，机件的磨损也较大，因此这种换档规律是不合理的。此外，这种单参数的系统也难以兼顾车辆动力性和经济性的要求,故目前已很少采用。（２）二参数换挡规律二参数换挡规律克服了单参数换挡规律的缺点,其控制参数类型有车速与油门开度、液力变矩器泵轮转速与涡轮转速、车速与发动机转矩等,但当前采用最多的形式仍为车速与油门开度。如下图3.5所示，根据降挡延迟的不同可划分为以下几种：1）等延迟型其降挡延迟的大小不随油门开度变化，但可实现驾驶员的干预，在小油门时可提前换入高档，即减小发动机噪声，又可延迟换回低档，改善了燃油经济性。2）发散型其降挡延迟的大小随油门开度增大而增大，特点是：大油门升档时发动机转速高，接近最大功率点，动力性好，换档延迟大，减少了换档次数，提高了舒适性。但大油门升档时，发动机转速要降的很低，降低时大，功率利用差，故该型使用于功率大的轿车上。3）收敛型其降挡延迟随油门开度增大而减小，呈收敛状分布，特点是：在大油门换档延迟最小，小，所以升档时有较好的功率利用，动力性好。减小油门时，增大，避免了过多换档，且发动机可在较低转速下工作，燃料经济性好，噪声低，行驶平稳舒适，常用于货车上。4）组合型它由两段或多段不同类型的变化规律组合而成,优点是便于在不同油门下获得不同的车辆性能，小油门时舒适、稳定、污染少；中油门时经济性好；大油门时动力性好。实际车辆一般用组max0nmax0n现代汽车控制理论研究——研究生汽车电子技术教程2019年8月17日星期六8时51分25秒哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院第10页合型。a/%V,1hkm(a)等延迟型a/%V,1hkm(c)发散型a/%V,1hkm(b)收敛型a/%V,1hkm(d)组合型图3.4两参数换档规律现代汽车控制理论研究——研究生汽车电子技术教程2019年8月17日星期六8时51分25秒哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院第11页两参数换档规律的特点是：当油门开度较小、发动机负荷较小时，换档点的车速较低；而油门开度增大、发动机负荷较大时，换档点的车速也较大。这种换档规律提供了驾驶员干预换档的可能性，可提前实现升档和换档，以此来反映驾驶员的意图。在车辆稳定行驶的前提下，能够按照预先设定的动力型或经济型换档规律进行换档，能够满足对车辆最佳动力性或最佳经济性的要求。二参数换挡规律已被广泛应用于轿车、货车等车辆上。（３）动态三参数换挡规律根据优化计算时所选取得目标函数的不同分为最佳动力性动态三参数换挡规律和最佳燃油经济性动态三参数换挡规律两种基本类型:①最佳动力性换档规律。由汽车理论知，汽车的行驶方程式为或jwritFFFFFdtdVMV15.21AC)a(fcosM)a(sinMriiT2DDigigT0ge由汽车理论知，发动机扭矩，可用二次曲线拟合，则)n(fTeeriiTT0ge2nnnVAVBC（3.1）另外，滚动阻力系数为：因此，由汽车行驶方程（3.1）式得：f=f(V)现代汽车控制理论研究——研究生汽车电子技