（车辆工程专业论文）液力自动变速器换挡过程研究及仿真.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着车辆技术的发展，人们对车辆操纵方便性和舒适性提出了越来越高的要 求，自动变速器作为车辆传动系统中的主要部件，其换档过程中的品质优劣对于 车辆传动系的使用性、可靠寿命和整车行驶性能有很大的影响。自动变速器是用 液压操纵的摩擦结合元件的接合和分离来实现换档的，换档过程实际上是离合器 分离和接合状态交替转换的过程。由于速比的变化，传动系运动状态、传力状态 均发生突变；离合器分离、接合交替过渡不及时；以及摩擦元件传递的摩擦接合 力矩变化，都会引起摩擦元件的滑磨功增大、车辆产生较大冲击影响驾乘舒适性。 本文首先分析了自动变速器换档动作对车辆平顺性、传动系统动载荷、结合 元件使用寿命的影响，此外还分析影响换档品质的各种因素：离合器摩擦转矩、 换档机构动作定时、惯性能量、油压控制、间隙变化和a t f 粘度。并根据影响 换档品质的各种因素，提出了从动力源( 发动机) 、换挡执行机构、换挡时序( 油 压变化规律和搭接时序和闭锁离合器) 改善换档品质的三种途径。 将自动变速器中的行星传动机构简化为等效杠杆，利用等效杠杆的受力平衡 图和转速关系图可直观判断离合器的接合或分离、换挡执行元件的工作状态及动 力传递路线，可以大大简化行星齿轮系统的复杂度，从而得出行星轮系的动力学 方程。本文对用模拟杠杆法对行星式变速器进行了较为详细分析。得出了行星轮 系各构件的转速比、力矩比和动力学方程。依据所建立的简化模型，对自动变速 器的换档过程进行了深入的研究，对各构件运动、动力传递、换档过程的搭接控 制、油压变化规律进行详细分析，获得许多对提高换档品质有益的控制结论。 根据对换挡过程的动力学分析，建立了大众某款自动变速器动力传动系统的 仿真模型，分别对其2 h 一3 h 之间的升挡和降档过程进行了分析。仿真结果证明 了模型的正确性，并且验证了对换档结合元件合理的油压变化规律控制可以显著 的提高换档品质。 关键词：自动变速器，换档品质，油压变化规律 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l et e c h n o l o g y , t h ec o n v e n i e n c ea n dc o m f o r ta r e h i g h l yd e s i r e db yp e o p l e a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o ni st h em a i np a r to ft h ev e h i c l e d r i v i n gs y s t e m ，s oi th a sm u c h i n f l u e n c eo nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l e a u t o m a t i c t r a n s m i s s i o ns h i f tu pa n dd o w nt h r o u g ht h ej o i n ta n dw i t hd r a w i n go ft h eu n i t e c o m p o n e n t s ，s ot h es h i f tp r o c e s si sa c t u a l l yt h ep r o c e s sj o i n t i n ga n dw i t h d r a w i n go f t h et m i t ec o m p o n e n t s b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n ts p e e dr a t i o s ，t h es t a t eo ft h ed r i v i n g s y s t e mh a sas u d d e nc h a n g e ，b u tt h ej o i n tc o m p o n e n t sc a l l ta c ti nt i m e ；a n da t s o m e t i m et h ef r i c t i o nm o m e n to ft h ec o m p o n e n t sc h a n g e ；a l lt h e s ew i l lc a u s ea i m p a c to f t h ev e h i c l ea n dt h ei n c r e a s eo f t h ec o m p o n e n t st e m p e r a t u r e i nt h i sp a p e rt h ei n f l u e n c eo fa u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ss h i f tp r o c e s st ov e h i c l e d r i v i n gs m o o t h n e s s ，d r i v es y s t e ml o a d a n dt h el i f eo ft h eu n i t ec o m p o n e n t si s a n a l y z e d t h ee v a l u a t i o nm e t h o da n di n d e xo fs h i f tq u a l i t ya r ei n t r o d u c e df r o m s u b j e c t i v ea n do b j e c t i v ep o i n t s a l s ot h em e t h o d st oi m p r o v et h es h i f tq u a l i t ya r e b r o u g h tf o r w a r db a s e do nt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r s t os i m p l i f yt h ep l a n e t a r ym e c h a n i s mo fa u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nt oe q u i v a l e n t l e v e r , t h ee n g a g e m e n ta n dd i s e n g a g e - m e n to ft h ec l u t c h ，t h eo p e r a t i o n a lc o n d i t i o no f s h i f t i n gc o m p o n e n ta n dt h et r a n s m i s s i o np a t ho f p o w e r a r ej u d g e ds t r a i g h t l ya p p l y i n g t ot h ef o r c ed i a g r a ma n dr e v o l u t i o nr e l a t i o nc h a r ti tw i l ls i m p l i f yt h es t r u c t u r eo ft h e p l a n e tg e a rt oa p p l yt h el e v e ra n a l o g yt op l a n e tg e a rs y s t e m ，a n dt h ed y n a m i c s e q u a t i o n sa r ee a s yt og e t t h ed y n a m i c sm o d e lo ft h ea u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ss h i f t p r o c e s si sb u i l tu pt h r o u g hs i m p l i f y i n gt h ee n g i n e t o r q u ec o n v e r t e rm o d e l s ot h e d y n a m i c se q u a t i o n st i t l eo b t a i n e df r o mt h em e c h a n i c sm o d e l t h es h i f tp r o c e s sa n dt h e o i lp r e s s u r er e g u l a t i o n sa r es t u d i e da n dm a n yc o n c l u s i o n sa r eg o tt oi m p r o v et h es h i f t q u a l i t y t h es i m u l a t i o nm o d e li sb u i l tu p a g 4 ss h i f tu pp r o c e s sa n ds h i f td o w np r o c e s s a r es t u d i e db a s e do nt h i sm o d e l t h er e s u l to fw h i c h s h o w st h ec h a n g ei na m p l i t u d eo f t h eo u t p u ts h a f ta n g u l a ra c c e l e r a t i o na n dt h a to ft h ed e g r e eo fj e r ka r en o t i c e a b l y r e d u c e dw h e na p p l y i n gt h en e wo i lp r e s s u r ep a t t e r nt oc o n t r o lt h ep r o c e s si nt h ea g 4 a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n t h e r e f o r e ，t h es m o o t hs h i f t i n gc o n t r o li sa c h i e v e db y r e d u c i n gt h es h o c ks u b je c t e dd u r i n gg e a r - s h i f t ，a n dt h u st h eg e a r - s h i f tp r o c e s si s g r e a t l yi m p r o v e d i i 武汉理工大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ；s h i f tq u a l i t y ；o i lp r e s s u r e i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 自动变速器换挡品质研究的意义 在经济高速发展，科学技术和人们生活水平不断提高的推动下，人们对车辆 的乘坐舒适性要求也越来越高。而自动变速传动系统性能直接影响着车辆动力 性、经济性及可驾驶性的好坏。本文通过对自动变速传动系统换档品质控制研究， 以提高换档的平顺性，最大程度上减小换档冲击，从而改善车辆的乘坐舒适性。 一般来说，传统的液力自动变速器组成部分主要有：液力变矩器、行星齿轮 系和液压操纵单元等三个部分。现代车辆自动变速器控制技术水平研究的最终目 标是为车辆提供良好的换档品质。而液力自动变速器的三个组成部分对于换挡过 渡过程平顺与否都有着至关重要的影响。为了获得较好的换挡品质，在变速器传 动结构和控制系统设计过程中必须对影响换档品质的各种因素做出深入的研究 分析，采取适当的控制方法，综合地处理诸多要素之间的综合影响，才能获得良 好的设计结果。 1 1 1 换档品质控制的目的 换挡操作时，通过液压操纵系统控制结合元件结合或分离；如果搭接时序处 理不好会产生冲击，因此，如何尽可能的减小换挡冲击来使换档过程更加平顺， 进而提高驾驶员和乘客的乘坐舒适性是研究换挡品质控制的最重要的目的之一。 驾驶的舒适性是指驾驶者对车辆行驶过程中的满意程度。 其次，从车辆换挡过程的机械运动原理来讲，换挡冲击是由换挡过程中传动 系统的各个零部件冲击造成的，它不仅影响换挡品质，而且使传动系零部件的使 用寿命减少。因此，对变速器的换档质量进行控制对改善车辆的换档过程，提高 零部件的可靠性和工作寿命有着十分重要的意义。 最后，离合器摩擦元件的结合和分离是自动变速器挡位的变换实现过程，如 果结合或分离这个过程所需的过渡时间过长，就使摩擦元件长时间的摩擦状态， 以致产生过大的热负荷，使摩擦元件的性能下降。因此，提升换挡品质对减少离 合器摩擦片的磨损和热负荷，提高离合器( 摩擦元件) 工作可靠性和耐用性同样 有着十分重要的意义。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 2 换档品质控制的内容 换挡品质控制的研究，主要是针对油压交化规律的研究，控制换档重叠过程 的发生和持续。换档过程是两个离合器脱离和结合状态的交叉替换，因此减少状 态转换的时间是本文研究的重点和难点。通过对离合器结合、分离过程的动力学 及运动学分析，我们不难得到以下结论：如果搭接过早，两个结合元件会对整个 传动系统产生干涉，导致冲击载荷和传动系动载；相反，如果搭接过晚，则中断 动力传输。本文研究的核心内容是，通过合理的控制待分离的摩擦元件油压下降 和待结合的摩擦元件油压上升规律，使自动变速尽可能快的结合于分离，实现平 顺圆滑的换档过程。 换挡品质影响因素除了自动变速器本身的结构及特性外，还有发动机等其它 方面的因素。通过对发动机方面节气门的开启、关闭时间进行控制、点火、切断 燃油供给来改变发动机的转矩，同样可以获得良好的换挡品质；因此，获得良好 的换档品质，需要对变速器结合元件的油压控制、发动机和闭锁离合器进行综合 控制。 1 1 3 换档品质控制的方法 1 开环控制 开环控制可分为：全液压控制和电子控制两种。 换挡过程中，影响换挡品质的主要因素有整车车速、发动机转速转矩、载荷 等，电子控制等，因此在换挡过程中综合考虑这些因素的影响，将控制换挡质量 换档搭接时序的最佳时刻、期望的油压变化规律等储存到自动变速器的控制器 中，并在换档中，由计算机根据行驶工况的不同和行驶参数的变化选择合适不同 的匹配。但这种控制，存在着系统不稳定的缺点。其控制流程图如图1 - 1 所示。 2 闭环控制 闭环控制能够在换档过程中实时根据车辆反馈的运行参数对控制油压不断 的进行调整，使车辆始终处于最佳的运行状态。控制效果较为理想，是未来换档 品质控制的发展方向。其控制流程图如图1 2 所示。 2 武汉理工大学硕士学位论文 换挡前车辆 自动变速器 换挡执 行机构 行驶参数 e c u jl 发动机 图1 - 2 闭环控制 1 2 自动变速器换挡品质研究现状 近年来，随着电子控制技术的飞速发展，自动变速器换档品质控制研究力度 在逐渐加大。世界上各大主机厂和零配件公司、高等院校在对于换挡过程中的动 态特性、评价指标和闭锁离合器的研究取得了很大的进步。 现如今，人们对换档品质控制的研制主要是建立在众多先进的控制理论基础 上，比如，自适应控制、模糊控制、神经网络控制等理论的应用及机械液压电子 通讯等技术的高速发展对提升自动变速的换挡品质上产生了重要的影响。具体来 说，自动变速器换档品质控制有以下几个特点 3 3 1 ： 1 考虑结合元件在换档过程中的油压变化对换档质量的影响，根据车辆行 驶过程中碰到的不同工况和行驶参数的变化，采用电子开环控制方式，可以精确 地实现换档搭接的定时控制，以及在搭接元件上实现期望的油压变化规律，从而 获得良好换档品质。 2 综合考虑将各种换档工况的换档品质控制软件日趋复杂。 3 将液压油温度的变化引入对换档品质的研究中来。现代轿车中一般采用在 阀体的液压控制回路中设置专门的油温传感器的措施来测量并反馈自动变速器 油温。 4 结合元件油压的调节方面：采用电液比例调压阀和高速电磁阀对其进行 调节。 5 针对闭锁离合器采用打滑控制，提高传动效率。选用合适的控制方法使闭 锁离合器能够迅速地跟踪目标打滑率，对闭锁油压上升速度实施精确控制，减小 闭锁接合瞬间的冲击度。 1 3 发展趋势及展望 随着机械加工技术、液压技术的进一步发展，传感器技术的不断提高和通讯 技术的飞速进步，朝着车辆电子一体化、控制系统智能化、开发工具通讯化、开 武汉理工大学硕士学位论文 发手段多样化不断发展，而且在常规控制方法更加精密完善的同时将推出新的控 制理论和控制方法等是自动变速器换挡品质控制研究的必然趋势。从目前来看， 主要有以下4 个发展趋势： 1 开环控制向闭环控制方式发展。开环控制是单向的，不收敛的，不能对车 辆行驶过程中的参数进行反馈，因此也不能做出相应的反应。闭环控制能够在换 档过程中根据车辆反馈的运行参数不断的进行调整，使车辆始终处于最佳运行状 态。常见的闭环控制方法有变速器输出轴转速微分法和转矩估计法。 2 向着智能化的方向发展。未来的智能化自动变速器控制系统，能够自适应 的修正固有的换挡规律，依据车况和路况的变化准确实现驾驶员的操作意图。 3 综合控制方向的发展。对发动机、变速器和离合器进行综合控制以获得更 好的换挡质量控制效果。 1 4 本论文的主要研究内容 ( 1 ) 介绍换档品质及影响因素。 换挡品质是衡量自动变速器质量的重要指标。理论上，要求自动变速器换挡 时要尽可能的实现平稳过渡，不可出现大的冲击，但在实际操作中，不可避免的 会产生换档冲击、动力中断等现象。自动变速器换档性能的优劣对驾车人员舒适 性和整车性能有很大影响。本文首先简单介绍了换挡品质控制的目的意义、内容 和方法；并系统总结了自动变速器换档品质的评价标准、影响要素和控制方式、 改善途径。 ( 2 ) 自动变速器换档过程分析。 为了探索最佳的搭接时序问题和充分分析换档过程中结合元件的油压变化 特点，需要详细的研究换挡过程中摩擦元件在结合和分离两种状态下的运动和动 力学特性。本文首先详细分析了杠杆模拟法并在此方法的基础上建立了发动机和 变矩器的数学模型以及a t 的换档等效力学模型，推导出换档过程的一般运动方 程。同时详细分析了换挡过程的组成、换挡前后各参数的变化，给出了升挡和降 挡时转矩相和惯性相结合元件传力情况、转速特性。 ( 3 ) 换档品质油压变化规律及优化。 换挡品质的评价标准冲击度和滑磨功是一对矛盾的指标，且两者都与结合元 件的油压相关。因此处理好油压变化的规律、协调这对矛盾是改善换档品质的重 要途径，对于结合控制，就是在容许的冲击度条件下尽量减小滑摩功。适合换档 过程的结合元件油压变化规律可以增大结合元件的使用寿命、减少换档冲击。本 文从平衡冲击度和滑磨功这对物理量入手分析油压变化规律，对其现有的结合元 件换档油压变化规律进行了改进和优化，提出一种新的结合元件油压控制规律， 4 武汉理工大学硕士学位论文 以期能很好的提升换挡品质。 “) 自动变速器换档过程仿真及结果分析。 根据杠杆模拟法及第三章对换挡过程的研究搭建液力自动变速器的仿真模 型，按照设定参数和改进前后的油压变化规律，模拟一汽大众捷达车型配备的液 力自动变速器升、降挡的换档过程。通过对仿真结果的分析，验证了改进的油压 变化规律可以很好的平衡滑磨功和冲击度这对矛盾的指标，很好的改进了自动变 速器的换档品质。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章换档品质及影响因素 换档品质就是指换档过程的平顺性，即希望换档过程平稳而无冲击地进行。 为了适应路况和让发动机工作在最佳工况，需要经常进行换挡操作。由于车辆传 动系是多转动惯量系统，换档过程需要一定的时间，因而对于有级变速器，换档时 都会有不同程度的冲击。换挡操作时，如果离合器接合动作过猛，接合速度过快， 这将大大增加传动系统的动载荷。为了避免换档冲击而降低离合器的接合速度， 滑摩过程将会延长，这样会降低其使用寿命。因此提高换挡品质可以减小换挡冲 击，使换挡过程平顺，增加驾乘的舒适性，并能减少离合器摩擦元件的摩擦热， 从而提高传动系零部件的可靠性和使用寿命，这对于改善传动系和自动变速器的 综合性能具有重要的意义。 2 1 换档品质及其评价 换档品质标志着换档过程总体特性的优劣，是衡量自动变速器质量的重要性 能指标：对人而言，换档品质主要是指驾驶员对换档过程发生时的主观感受( 舒 适性) ；对车而言，换档品质关系到传动系零部件的可靠性和使用寿命，以及换 档过程中产生的动载荷对整个传动系统的影响。可以看出，为了让换档过程迅速 结束，需要尽可能的缩短换挡过渡时间以减少摩擦材料的磨损和过量热负荷，但 是另一方面又要求换档能平平稳稳的过渡，不应有过高的瞬时加速度和减速度而 造成的冲击。因此在变速器开发阶段就需要在这两个方面进行折中以满足车辆换 档品质的综合要求。 2 1 1 换档平顺性 概括来说，对换挡平顺性的具体要求是：换挡过程中，车速变化尽可能的平 顺，不出现较大的速度波动，以减少乘坐者的不适感。评定换档平顺性的方法分 为主观评定和客观评定两种方法。 1 客观评定 换档冲击度是车辆纵向加速度对时间的二阶导数，它的大小即是换挡平顺性 的客观评价指标。 换档操作时所产生的冲击主要是在车辆行进的纵向，冲击度公式为： 6 武汉理工大学硕士学位论文 因为立d t 寺墼d t f d a d 2 1 ， ，2 瓦2 万 = 巧+ 1 w 百d c o r o 所d 冲击度为：- ，= 象= 麦- 韭掣= 赤警 式中缈而，毛变速器输出轴角速度与转矩； 岛与变速器输出轴相联的惯量； 屯变速器到车轮的传动比： ，车轮半径； 乃车轮上的牵引转矩。 从上式可以看出，离合器传递转矩变动越大，则换挡冲击越大，故j 较好地 反映了换挡过程的动力学本质。因此，以冲击度为约束条件： l j l k 变速器的输出载荷与车辆纵向加速度成线性关系，与冲击度无关。 2 主观评定【1 1 主观评定方法是按照严格的统一规定条件( 包括路面状况、车速大小、油门 开度及其操纵方法等) 进行。主观评定必须和车辆行驶过程中驾乘人员生理上和 心理上的感受保持一致，根据经验可知，驾驶员和实验人员满意的换档平顺性评 价指标为： 低频，即厂3 h z 时： j 2 5 2 6 9 s = 2 4 5 2 5 5 m s 2 当f 3 h z 时：用公式 j = 1 1 0 1 ( 厂一3 ) 】修正 不满意的平顺性指标为： ， 3 2 3 8 9 s = 3 1 9 3 7 3 m s 2 2 1 2 传动系统动载荷 从汽车理论可知汽车行驶时的驱动力_ 阻力平衡方程： r , o = 弓+ 疋+ 巧+ 乃 7 武汉理工大学硕士学位论文 乃滚动阻力转矩 设道阻力转矩 巧空气阻力转矩 乃加速阻力转矩 在水平道路行驶时，换档前后车速相差不大，疋= o ， 死= 巧+ 瓦+ + 乃= 彳+ b 等 式中a 、b 为常数，对于某一特定车辆，两常数大小不同。 传动系统动载荷评价指标：最大纵向加速度嘭么或 m a x 2 1 3 结合元件使用寿命 使用滑磨功作为结合元件使用寿命的评价指标。滑磨功是离合器主从动摩擦 片之间滑动摩擦力做功的大小。换挡时间过长，将造成离合器主动部分和从动部 分长时间滑磨，过量的摩擦使离合器温度急剧升高，从而影响离合器工作可靠性 及使用寿命。 使用滑摩功作为摩擦元件热负荷客观评价指标【1 1 。其数学表达式为： 矿= i 丁( q 一0 2 渺 式中t l ，t 2 为离合器开始滑磨和停止滑磨的时刻；t 为摩擦力矩；q ，国z 为 主从动部分的转速差。 离合器锁止时所传递的摩擦转矩为： 丁= 以妒脚数糕) 式中p 一摩擦元件的动摩擦系数；r 。，r l 摩擦面的外半径和内半径；z 一 离合器接触面数；c 一法向总压力：只一离合器工作油压；a 一离合器衬面面 积。 将上式带入滑磨功计算公式得： 形= j ：讹z 氧器) ( 6 0 1 - - 0 ) 2 砂 由上式可以得出，要减小滑磨功需要缩短滑磨时间，这就需要尽快的将离合 武汉理工大学硕士学位论文 器接合在一起。 综上所述，离合器的控制原理是，在保证冲击度小于限值的情况下，应尽可 能的加快离合器的接合速度以减小滑磨功的大小。 2 2 影响换档品质的因素 2 2 1 离合器摩擦转矩对换挡品质的影响 离合器传递转矩是由其主被动摩擦片间的摩擦力矩来决定的。离合器所传 递的摩擦转矩为： 弘以如= 肥蹦氧籍) 从上式可以看出，除了离合器的一些结构参数外，影响摩擦力矩大小及变化 速度的主要因素，主要是动摩擦系数i l 及离合器工作油压这两个参数。 动摩擦系数u 是指滑磨状态下的摩擦系数，主要与离合器工作时主从动片滑 磨相对速度有关。相对转速为0 则转为静摩擦系数。 离合器油缸的充油是一个动态过程，由于油液摩擦、惯性以及液压系统的弹 性变形等因素的影响，工作油压会产生波动，如果液压波动很大时，由上述 公式可知，离合器所传递的摩擦转矩会发生剧烈波动。 因此，在离合器摩擦元件结合过程中，传递的力矩并不是平顺地增长，上述 因素会使输出转矩产生扰动。 2 2 2 油压控制对换档品质的影响 作用在待结合和待分离摩擦元件上的油压决定了换档发生时结合元件所传 递的转矩大小及换挡搭接时刻。适当的油压变化规律能够起到减小输出轴转矩的 波动、减小结合元件的磨损、缩短换挡过渡时间等作用。 针对油压变化规律的研究主要包括两个方面，一是液压系统主油压变化规 律。二是结合元件油压变化规律。根据对离合器结合、分离过程动力学及运动学 分析，可得到这样的结论：如果搭接过早，两个结合元件会对整个传动系统产生 动力干涉，从而造成冲击和传动系动载；而如果搭接时间过晚，则产生动力中断。 离合器液压缸油压的变化规律是本文研究的重点，将在下面的章节中详细研究。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3 换档时序的影响 换挡过程的实质就是两离合器工作状态交替转换的过程。在实际中的换档操 作中，离合器的结合和放松，即不可能是同时的，也都不是瞬时进行的。有时， 出现低速档离合器和高速档离合器作用的交替重叠，或者使转矩转递暂时中断。 两种情况都将产生换档冲击。前者会出现“双锁止 现象，引起传动系产生动载， 同时使摩擦元件因过量摩擦而导致严重磨损和过大的热负荷，影响离合器的可靠 性和使用寿命；后者会使发动机趋于“飞车 且造成力矩急剧变化，使冲击度增 大，引起颠簸，影响驾乘人员的舒适性【羽。 2 2 4 惯性能量对换挡品质的影响 以升档为例，变速器由低档换至高档的瞬间，由于车辆具有较大的惯性，车 速基本不变，但速比瞬时变小很多，从而导致发动机转速急剧下降，但是与发动 机刚性相连的部件速度变化不太大，这部分部件的惯性能量将转变成巨大的反作 用转矩，车辆将承受较大的换档正冲击，大大影响换挡平顺性。发动机惯性越大， 档位间的公比越大，则冲击越重。如果是降挡过程，车辆将承受负冲击。 2 2 5 间隙变化对换挡品质的影响【3 】 出的变化会对换档品质造成很大影响，故间隙也是影响换档品质的关键性 因素。间隙分为两种，一种是换档执行元件的自由行程，另一种是液压阀与阀体 之间的间隙。随着自动变速器的使用时间延长或者在维护修理过程中装配不当， 都会引起间隙的变化。不论是哪种间隙都会严重影响到两离合器状态改变的时间 差址。 2 2 6 a t f 粘度对换档品质的影响 作为是液力变矩器和液压控制装置的工作介质，自动变速器液压油( 简称 a r f ) 起着传递能量和控制的作用。 会对换档品质产生重要影响的是a t f 的粘度和黏温性。 a t f 粘度是影响两离合器状态改变的时间差垃的重要因素，f 将随温度的 升高而减小。a t f 的粘度越高，出越大，换档时变速器处于空档中的时间越长， 发动机转速升高越多，换档冲击越严重。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 换档品质改善途径 d r , o i 与讲是成正比关系的，输出转矩变动越快，换档冲击越大。为减小换 挡过程产生的冲击度大小，可从下面三个角度入手。 2 3 1 从执行机构外部进行控制 a ) 保证执行机构平顺接合的缓冲控制。 由于油液的摩擦、不可压缩性，液压传动系统刚度大等因素的影响，在换档 过程中，充油升压越是急促，油压波动值就越大。随着充油开始一旦液体充满液 压缸，消除离合器摩擦片间隙后，油压便会瞬时升高，但是升高的过程并不是平 稳增长的，油压波动会使离合器传递的摩擦转矩产生显著的变化，产生换档冲击， 所以，有必要对离合器液压缸充油油压的升压速度进行控制，在油压上升阶段使 油压波动尽量的平缓，从而降低转矩的扰动减小换挡冲击。常用的缓冲控制方法 是在液压系统中设置蓄能器、缓冲阀及平稳结合阀等装置，此外还可以在通向液 压执行机构的通道中并联一个储压器。 b ) 搭接时序控制。 换档过程要求平稳、响应快，其中最重要的是接合过程的控制。换挡过渡时 对多个液压执行元件充放油过程进行协调控制，使其交替衔接定时合理，能够使 转矩传递过程中动力不中断、且过渡平稳。换档时变速器输出转矩的急剧变动与 两个替换作用的执行机构开始和停止传递转矩的时间有很大关系【3 】。替换作用的 定时不合适不仅会引起换档过程的前期输出转矩下降过多，而且后期会急剧上 升，使转矩产生急剧的变动。 理想的换档过程是同步换档，使两个执行元件得到最佳的交替衔接常用的方 法有采用定时阀、缓冲定时阀、干预定时阀等。 c ) 对执行机构油压的控制。 对对执行机构油压的控制，应按需调压，才能很好的改善换挡品质。因为当 离合器传递的摩擦转矩超过了正常传递功率的需要，变速器输出转矩将发生波 动。油门越小，超调量越大，冲击越严重。一般来说，可以采用主压力调节的方 法，使执行机构油压随油门开度，车速大小及挡位的变化而自动调节。 2 3 2 从执行机构本身设计改进方面进行控制 a ) 以单向离合器代替摩擦元件 武汉理工大学硕士学位论文 单向离合器可以实现力矩的单向传递，这样就能最大可能地减小转矩波动。 单向离合器限制负转矩的产生，同时又可以自动适时地发出正转矩，这样就可以 保证在换档的瞬间功率中断的现象不会发生。在单向离合器的作用下，换档速度 和平顺性都比液压同步措施更为理想。 b ) 采用分段液压缸 换档初期为了迅速消除间隙希望得到较快的运动速度，由于此时所需的力较 小因而采用截面较小的液压缸工作：当消除间隙之后，由大活塞作用增加执行力。 也可以采用双离合器等结构来提高自动变速器换档质量。 c ) 采用闭锁的液力变矩器 正确的进行闭解锁可以提高效率，降低油耗，对于提高动力性和经济性都有 极大的好处【9 1 。换挡过程中，对闭解锁过程进行控制，让液力变矩器短暂的工作 在液力工况，能够起到柔性连接的作用，可有效的减小换挡冲击。 2 3 3 从动力传动系进行整体控制 为实现发动机和变速器、结合元件之间的协调工作，可以对动力源及其传动 系统进行整体控制，如此能充分利用发动机电子控制系统控制发动机转速及时、 准确的特点，使之与结合元件相互协调配合，从而得到大大提升换档品质。 2 3 3 1 发动机转速与转矩共同控制 换挡时，变速器传动比突然变化，由于车辆惯性，离合器从动盘的转速也发 生突变，产生冲击不利于车辆驾乘的舒适性，必须通过调节发动机的转速去适应。 实现途径是：换档前，控制器首先计算此刻发动机的目标转速，其根据是此 时车速和传动比的大小，两者的乘积即为变速箱输入轴的转速。将发动机转速传 感器检测到的转速信号与所计算出的目标转速信号进行比较，然后通过闭环控制 来调整发动机的喷油量( 以柴油机为例) ，使发动机转速固定在目标转速上下。 该目标转速由当时车速、新档变速器传动比及传动系参数决定【4 l 。 根据升档和降档工况不同，转速的变化也不同。当由低档换高档时，转速差 为负，要求发动机转速降低；由高档换向低档时，转速差为正，要求发动机转速 升高。 2 3 3 2 发动机转矩控制 发动机转矩的变化能引起变速器输入转矩的波动，换挡时，通过车辆行驶时 得到的参数反馈控制发动机，减少油门，减小喷油提前角或点火滞后，或停止向 部分气缸供油等方法【9 】，自适应地降低转矩，从而控制自动变速器的输入转矩和 输出转矩，还可抵消部分发动机旋转构件的惯性转矩，并可将发动机转速和变速 器输出转速控制在最佳值上，可以减小因发动机在换档过程中转速和转矩不合理 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 变化造成的冲击，实现平稳换挡 4 1 。 2 3 3 3 离合器控制 离合器接合速度控制要分为分成三个阶段，如图2 1 所示。第一阶段为无转 矩传递时的“快”阶段，该阶段是为为了消除为保证主从动摩擦片彻底分开而预留 的自由行程阶段，同时，在换档时要尽量缩短动力中断的时间。所以要尽可能的 快；第二阶段为半离合时的“慢”阶段，此时离合器主从动摩擦片处于滑磨状态， 要避免冲击过大，同时要保证尽可能的减小滑磨功和热负荷以提高离合器的使用 寿命，保证起步平稳；在发动机工作需要换挡时，要保证发动机动力的平稳传递 以提高换挡质量；第三阶段为转矩不再增长时的“快”阶段，当离合器主从动摩擦 片转速一致时，离合器的接合速度再快也不会产生冲击，故在这个过程中可以加 大油压，使离合器的接合速度加快。在这三个阶段中，第二阶段的接合速度控制 是离合器控制的核心，如何通过有效的方法实现目标接合速度是离合器控制的关 键技术。 醛 船 婺 司3 键 2 4 本章小结 时鲥 图2 - 1 离合器控制三个阶段 本章介绍了换档品质的基本概念，给出了换档品质的评价指标：反应换档平 顺性的冲击度和传动系统动载荷；反应结合元件使用寿命的滑磨功。 其次分析了影响换档品质的各种因素：离合器摩擦转矩、换档时序、油压控 制、惯性能量、间隙变化和a t f 粘度。 从结合换档品质的评价指标及影响因素入手，提出了从动力源( 发动机) 、 换挡执行机构、换挡时序( 油压变化规律和搭接时序和闭锁离合器) 改善换档品 质的三种途径。其中，为改善离合器控制油压变化规律，可考虑对执行机构外部 进行控制；而通过对执行机构本身设计改进，可以在变速器设计阶段从结构上改 善换档品质。 武汉理工大学硕士学位论文 第三章自动变速器换档过程运动分析 由于换档过程复杂且涉及较多的影响因素，所以，分析前应建立适用于自动 变速器换档过程分析的简化模型。本章用模拟杠杆法对行星式变速器进行了较为 详细分析。通过对传动系统发动机、液力变矩器模型的简化及行星齿轮系结构的 分析建立了基于实时控制应用为目的的简化模型，推导出了系统的运动方程，推 导出换档过程的一般运动方程，得出了换挡前后各物理量的变化规律，并分别对 升档和降档过程，转矩相和惯性相中各构件运动、动力传递进行了分析。 3 。1 换挡过程的数学建模 3 1 1 建模假设 车辆动力传动系统是一个连续、复杂的质量系统，利用其简化模型可以获得 对换档的直观理解，并且其分析结果可以直接用于实时控制，为此，在建模之前， 作如下假设： 1 在简化模型中通常忽略相关零部件及支承的弹性变形和系统的阻尼； 2 忽略轴承和轴承座的弹性以及齿轮啮合弹性； 3 假设换档期间车辆的行驶阻力为常数。 3 1 2 发动机和液力变矩器的数学模型 对于研究换档质量，发动机的高频振动通常忽略不计，发动机可作为一个旋 转的刚体处理。通过大量的研究表明，无论是发动机的外特性曲线还是部分负荷 特性曲线，输出转矩特性均是以发动机转速和油门开度为坐标的两维图表5 1 ，为 了建立发动机的数学模型，可以用油门开度和发动机转速的函数表示为： 互= 正如，口) ( 3 1 ) 式中1 ，发动机输出转矩，n m ： 口油门开度，； 咒j 发动机转速，r m i n 。 对于液力变矩器的数学模型，可以用变矩器的泵轮稳态特性来描述【2 3 l ： 瓦- 翠a ( 0 0 5 玎口2 ( 3 2 ) 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 乃= k ( i ) t b ( 3 - 3 ) 式中各符号：瓦一液力变矩器泵轮转矩； y 一液力变矩器工作油液密度； n 砖一液力变矩器泵轮转速； 2 ( 0 一液力变矩器转矩系数； 耳一液力变矩器涡轮转矩； k ( f ) 一液力变矩器变矩比； d 一液力变矩器有效直径。 3 1 3 杠杆模拟法建立行星变速器动力学模型0 6 j 自动变速器结构复杂，包含换档离合器、自由轮等各种独立元件及结合元件， 并且其动力传动较多的采用行星轮系来实现。复杂的元件构成使针对变速器换档 特性的分析变得十分繁琐，如果不对其结构进行简化直接在原有复杂结构的基础 上进行分析困难很大，也并不直观。 为此我们可以使用杠杆模拟法，其优点是以直线运动系统( 杠杆) 分析来替 代( 行星轮系) 旋转运动系统，可以直观的的得到变速器各结合元件及独立元件 的运动及受力特性。 3 1 3 1 杠杆运动与受力分析 如上所述，杠杆分析法是将直线运动系统( 杠杆) 分析来替代( 行星轮系) 旋转运动系统，如图3 1 所示用杠杆及支点来模拟一个行星排。 k ： l k 一 c7 r ，、 jl l br k 、r ，- 、 图3 1 杠杆及支点 a 、b 为杠杆上的基准点，c 为杠杆上任意一点。针对此杠杆和三个支点的 分析，用a 、b 两点的运动状态的线性组合可以标出任意c 点的运动速度大小及 方向。关系式表示为： 圪= 口+ ( 3 - 4 ) 式中1 2 = l c b 匕、2 乞k 称为速度表出系数。 对任意一点和任意给定的基准点恒有a 斗b = 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 两系数可以为正也可以为负，由c 点相对于a 、b 的方位来决定。 下面考虑杠杆的受力情况。假设有n 个水平方向的外力e 、f 2 、，c 作 用于杠杆上的1 1 个点( 正方向规定向右) ，根据理论力学有功率平衡关系式： k e + 圪e + + 圪c = 0 ( 3 - 5 ) 将( 3 - 4 ) 杠杆速度关系表出式代入上式得： 口lf l + a 2 f 2 + + 口。f = 0 1 ( 3 6 ) 屈f l + 尾f j + + 。f n = o j 3 1 3 2 行星轮系运动及受力分析 如图3 - 2 所示，c 、a 、p 分别为行星架、齿圈和行星轮。用两个给定构件转 速的线性组合可以表出行星轮系中任一构件的转速，对应的关系式为： o ) c = 鲫一+ 肋口 ( 3 7 ) 当行星架c 固定时，行星轮系行星架、齿圈和行星轮的转速比为： 功譬：彩i ：缈p ：当：一j 【_ ：一1 ( 3 8 ) 略：吼：绋2 百：一百：一i 3 。8 ) 式中z s 、z 、乙分别为行星架、齿圈和行星轮的齿数 另外，有如下关系式： k ：k ：c = 去：一百1 ：一石i ( 3 9 ) a 图3 2 杠杆法分析行星齿轮 根据图3 2 ，当齿圈a 固定时，可得关系式： 生：孕：鲁：鸳互( 3 - 1 0 ) n ct s | 妃 z s 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 3 3 用杠杆模拟行星轮系的动力学方程 a ) 杠杆的动力学方程 假设有n 个水平方向的外力e 、忍、，只作用于杠杆上的n 个点，1 1 1 1 , 、 m 2 、，m n 分别为这n 个点的集中质量，对应的各个集中质量的加速度分别为 a l 、a 2 、，趾。根据理论力学达朗贝尔原理和式( 3 6 ) 杠杆的受力方程可得： ( 3 - 1 1 ) 如果用基点的两个独立加速度al 、a 2 表示的话，可得杠杆的动力学方程表 达式如下： 式中 m l la 1 + m1 2a2 m 1 2 口l + m2 2 口2 矗 m n = m ：。= 屈朋， f i l ( 3 1 2 ) m ：= 屏肌； i - i b ) 行星轮系的动力学方程 杠杆上各个质点和行星轮系中各构件的动能表达式分别为： t = 三m y 2( 3 1 3 ) 2 11 t = 三m y 2 + 二砌2( 3 1 4 ) 22 式中：m 杠杆各点的集中质量或行星轮系构件质量 v 杠杆上各点速度或行星轮系构件的运动速度 f d 行星轮系各构件的绝对角速度 j 行星轮系各构件绕质心的转动惯量 动力学分析时，只有使杠杆系统的动能等于行星轮系的动能，轮系的转动惯 量才能用杠杆上各点的集中质量进行模拟分析。 分析定轴转动构件的运动及动力学特性时，转动惯量可以由构件上与该行星 轮系对应点的集中质量来模拟。分析作平面运动的行星轮系的动力学特性时，由 1 7 、，j、刚l叫 i l i i 、- 、 泣 m m m 一 一 e e 屏 。闩。芦 、l厂， f r 1 t f 口 托开汹 册 2 口 。简 = m 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 1 4 ) 的动能表达式可知其动能为： 耳：丢聊肌2 + 丢以啡2 ：寻聊j p ，c p 国c p 2 + 吾以绵2 ( 3 1 5 ) 式中m ，一行星轮p 的质量； j c p 行星轮p 质量集中在中心时绕行星架c 旋转轴线的转动惯量； 啡行星轮p 的绝对角速度； p 行星轮p 绕自身轴的转动惯量； p 行星架c 的角速度； 咋行星轮p 质心的平均速度； b 行星轮中心至行星架轴线的距离 由上式可知，行星轮的转动惯量可以由杠杆上与行星架和行星轮对应两点处 的两个集中质量来模拟。 表3 1 杠杆模拟法的对应