鄒濤

（上海汽車變速器有限公司 201807）

自動(dòng)變速器的換擋執(zhí)行由軟件控制，然而軟件設(shè)計(jì)中會(huì)存在很多缺陷，所以在軟件發(fā)布之前需要進(jìn)行大量的測(cè)試以減少軟件存在的缺陷，以提高軟件的可靠性。7速濕式雙離合變速器能提供平穩(wěn)的扭矩，可以實(shí)現(xiàn)更加平順的換擋，更小的體積，更低的生產(chǎn)成本。因此，7速濕式雙離合變速器有很廣闊的市場(chǎng)前景。

在7速濕式雙離合變速器軟件控制的研發(fā)過(guò)程中，需要進(jìn)行大量的軟件測(cè)試和系統(tǒng)集成測(cè)試。因此，好的測(cè)試環(huán)境對(duì)軟件的開發(fā)起到至關(guān)重要的作用。測(cè)試軟件的方法有模型在環(huán)測(cè)試（MIL）[1]和硬件在環(huán)測(cè)試（HIL）[2]。軟件測(cè)試最重要的是提供整車仿真環(huán)境，整車仿真環(huán)境的精度越高，對(duì)軟件開發(fā)就越有利。模型在環(huán)測(cè)試環(huán)境可以用于軟件在環(huán)和硬件在環(huán)[3]。硬件在環(huán)測(cè)試可以采用模型在環(huán)的整車環(huán)境，同時(shí)將ECU控制器、執(zhí)行器和傳感器集成到測(cè)試回路中，提高了測(cè)試的真實(shí)性。

在軟件測(cè)試環(huán)境開發(fā)過(guò)程中，開發(fā)出了和實(shí)車標(biāo)定環(huán)境類似的軟件測(cè)試環(huán)境。此環(huán)境不但可以在軟件策略工程師的個(gè)人電腦上運(yùn)行仿真模擬整車工況，同時(shí)還可以為硬件在環(huán)系統(tǒng)提供測(cè)試環(huán)境。本文主要介紹整車測(cè)試環(huán)境中離合器和撥叉執(zhí)行機(jī)構(gòu)的建模，綜合考慮物理建模、數(shù)學(xué)建模和算法的實(shí)際應(yīng)用。自動(dòng)變速器的仿真能夠還原臺(tái)架變速器動(dòng)作時(shí)序，能有效提高軟件開發(fā)質(zhì)量，縮短開發(fā)周期，提高開發(fā)效率，降低實(shí)驗(yàn)成本。

1 撥叉建模需要考慮的因素

1.1 撥叉執(zhí)行機(jī)構(gòu)的液壓原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)

只有掌握了模型的機(jī)械結(jié)構(gòu)和撥叉的動(dòng)作原理才能進(jìn)一步建立數(shù)學(xué)模型，通過(guò)Simulink工具建立仿真模型。自動(dòng)變速器在需要換擋時(shí)，首先由變速器控制單元發(fā)出換擋指令，然后此換擋指令轉(zhuǎn)換成電磁閥的控制，電磁閥控制液壓系統(tǒng)的執(zhí)行，壓力系統(tǒng)提供動(dòng)力完成撥叉的動(dòng)作[4]。因此建模之初，首先要明確電磁閥控制與撥叉動(dòng)作的對(duì)應(yīng)關(guān)系（液壓原理），其次要明確撥叉與擋位的對(duì)應(yīng)關(guān)系。撥叉動(dòng)作采用6個(gè)電磁閥實(shí)現(xiàn)4個(gè)撥叉的動(dòng)作，其中2個(gè)壓力閥提供壓力給4個(gè)撥叉，每個(gè)撥叉配有1個(gè)流量閥控制撥叉的速度。壓力閥的特性仿真可以采用供應(yīng)商提供的電流和壓力關(guān)系來(lái)進(jìn)行。

1.2 撥叉機(jī)構(gòu)的速比關(guān)系

撥叉機(jī)構(gòu)的速比關(guān)系即各個(gè)擋位的速比，撥叉機(jī)構(gòu)不僅需要提供撥叉的位置，還需要提供撥叉在結(jié)合時(shí)的扭矩。撥叉機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)速同步前會(huì)產(chǎn)生同步力矩使轉(zhuǎn)速同步，而轉(zhuǎn)速何時(shí)同步需要考慮車輪轉(zhuǎn)速與離合器轉(zhuǎn)速的關(guān)系。速比主要有兩級(jí)傳遞，一級(jí)是離合器輸入軸與從動(dòng)軸的速比關(guān)系，一級(jí)是從動(dòng)軸和主減速器的傳遞關(guān)系。確定好速比關(guān)系，將速比以參數(shù)化的形式在MATLAB文件中進(jìn)行定義。采用這種方式不但利于模型平臺(tái)化的應(yīng)用，還有利于管理變速器參數(shù)，利于采用故障注入的方式驗(yàn)證軟件邏輯。

1.3 撥叉機(jī)構(gòu)的電磁閥特性

撥叉機(jī)構(gòu)的電磁閥有2種：一種是撥叉壓力電磁閥，主要提供撥叉動(dòng)作過(guò)程中的壓力；另外一種是撥叉流量電磁閥，主要控制撥叉的移動(dòng)速度。2個(gè)電磁閥的結(jié)合使撥叉控制簡(jiǎn)單快捷，2個(gè)電磁閥的特性分別是：壓力閥為電流對(duì)應(yīng)壓力的關(guān)系；流量閥為電流對(duì)應(yīng)流量的關(guān)系。

2 撥叉執(zhí)行機(jī)構(gòu)建模

2.1 壓力閥的仿真

壓力閥的仿真采用供應(yīng)商提供的電磁閥特性，同時(shí)由于壓力閥的壓力來(lái)源為液壓系統(tǒng)的主油壓，所以根據(jù)電流得到壓力之后還需要和主油路油壓進(jìn)行比較，二者取小為壓力閥的最終輸出。電磁閥中的線圈屬于電氣中的記憶原件，所以電流的響應(yīng)有遲滯性，在電磁閥電流接入后需要加入1個(gè)Transfer模塊。

2.2 流量閥的仿真

流量閥用來(lái)控制撥叉移動(dòng)的快慢。流量閥的控制主要分為3種不同的狀態(tài)：第一，正常情況下，給出流量閥電流，得到流量，同時(shí)流量的大小會(huì)受到孔口兩端壓力差的影響；第二，當(dāng)撥叉在終點(diǎn)位置時(shí)，認(rèn)為孔口兩端壓力差為0，如果此時(shí)想退掉撥叉，那么模型會(huì)檢測(cè)流量的方向，同時(shí)給計(jì)算壓力1個(gè)周期的0值，這樣壓力差就不會(huì)為0，撥叉就可以動(dòng)作；第三，流量閥有流量，但是壓力閥沒(méi)有壓力的情況，此種情況下?lián)懿鎽?yīng)該主要受到定排銷的阻力作用，其流量的大小取決于阻力的大小。

2.3 撥叉位移的仿真

撥叉的位置可以根據(jù)油缸中的流量得到液壓油流動(dòng)的速度，然后對(duì)速度進(jìn)行積分得到。同時(shí)，撥叉的位置還會(huì)考慮到同步點(diǎn)的限制。當(dāng)撥叉到達(dá)同步點(diǎn)，但轉(zhuǎn)速還沒(méi)有同步之前，撥叉位置會(huì)限制在同步點(diǎn)，只有轉(zhuǎn)速同步后，撥叉才可以繼續(xù)移動(dòng)。撥叉的位置還有最終位置的限制。

2.4 撥叉同步過(guò)程仿真

撥叉的同步過(guò)程分4個(gè)階段：第一個(gè)階段是從中位到同步位置的移動(dòng)過(guò)程；第二個(gè)階段是同步階段，到達(dá)同步點(diǎn)后，進(jìn)入同步位置，模型提供同步力矩；第三個(gè)階段是從同步階段到終點(diǎn)的移動(dòng)過(guò)程；第四個(gè)階段是終點(diǎn)位置。第三個(gè)和第四個(gè)階段變速器輸出軸的轉(zhuǎn)速和當(dāng)前撥叉所在的速比的乘積等于輸入軸的轉(zhuǎn)速。

2.5 撥叉阻力仿真

撥叉阻力來(lái)源于2個(gè)方面：一個(gè)是變速器殼體上定排銷產(chǎn)生的力，它隨著撥叉的位置發(fā)生變化；另外一個(gè)是撥叉在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于速度和加速度產(chǎn)生的阻力和慣性。這2個(gè)力是計(jì)算流量壓力差中活塞壓力的一項(xiàng)，而壓力差的入口壓力是電磁閥的特性值。

2.6 撥叉同步力矩仿真

撥叉在同步點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生同步力矩，同步力矩的計(jì)算根據(jù)下述公式（1）得到。

式中，Tsync是同步力矩，Pscv是活塞中的壓強(qiáng)，Apst是活塞面積，Zcone是同步環(huán)個(gè)數(shù)，rpst是同步環(huán)半徑，mu是同步環(huán)的摩擦系數(shù)，α是同步環(huán)錐角。

3 變速器轉(zhuǎn)速仿真

3.1 離合器轉(zhuǎn)速仿真

離合器轉(zhuǎn)速分為2部分，離合器主動(dòng)盤的轉(zhuǎn)速和離合器從動(dòng)盤的轉(zhuǎn)速。離合器的主動(dòng)盤通過(guò)雙質(zhì)量飛輪和發(fā)動(dòng)機(jī)相連接。由于雙質(zhì)量飛輪近似一個(gè)剛性連接，所以離合器主動(dòng)盤的轉(zhuǎn)速可以近似為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速根據(jù)離合器是否閉合分為3種情況。

3.2 離合器扭矩計(jì)算

計(jì)算離合器轉(zhuǎn)速需要知道離合器傳遞的扭矩，根據(jù)離合器的物理模型進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。離合器的扭矩是離合器摩擦片的正壓力、摩擦系數(shù)、摩擦片個(gè)數(shù)與離合器摩擦片有效半徑的乘積。離合器是通過(guò)控制2個(gè)電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)，1個(gè)電磁閥控制1個(gè)離合器，電磁閥的電流和壓力基本呈現(xiàn)線性關(guān)系。仿真過(guò)程中，同樣采用臺(tái)架參數(shù)表示離合器壓力和電流的關(guān)系。

3.3 離合器狀態(tài)計(jì)算

離合器狀態(tài)有3種情況：奇數(shù)離合器閉合；偶數(shù)離合器閉合；奇數(shù)離合器和偶數(shù)離合器均不閉合。當(dāng)離合器傳遞的扭矩大于發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩，同時(shí)二者的轉(zhuǎn)速差小于30 r/min時(shí)，認(rèn)為離合器閉合，否則認(rèn)為離合器打開。

3.3.1 離合器轉(zhuǎn)速計(jì)算

在離合器閉合的情況下，離合器主動(dòng)盤和所閉合的從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速相同。例如，奇數(shù)離合器結(jié)合，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速等于輪速和當(dāng)前擋位速比的乘積。在離合器打開的情況下，離合器的轉(zhuǎn)速等于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速減去離合器1的扭矩，再減去離合器2的扭矩，然后除以離合器主動(dòng)盤所在軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。公式（2）為其計(jì)算方式。

其中we為離合器角速度，Te為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，Tc1為離合器1的扭矩，Tc2為離合器2的扭矩，分母為離合器輸入端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。sgn（x）的含義為：若x中的數(shù)值為負(fù)值則取-1；若為正，則取1。

3.3.2 輸入軸轉(zhuǎn)速計(jì)算

輸入軸的轉(zhuǎn)速計(jì)算分2種情況：一種是撥叉在位的情況；另外一種是撥叉不在位的情況。當(dāng)撥叉在位時(shí)，輸入軸的轉(zhuǎn)速和輸出軸的轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)當(dāng)前撥叉的速比關(guān)系。當(dāng)撥叉不在位時(shí)，輸入軸的轉(zhuǎn)速受到離合器扭矩、撥叉同步力矩和運(yùn)動(dòng)阻力矩的影響。通過(guò)力矩除以轉(zhuǎn)動(dòng)慣量得到轉(zhuǎn)動(dòng)變化量，然后積分得到選中角速度。

3.3.3 輸出軸轉(zhuǎn)速計(jì)算

輸出軸的轉(zhuǎn)速計(jì)算是將整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)傳遞的扭矩和整車負(fù)載扭矩做差，然后除以整車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。車輛的負(fù)載扭矩包含制動(dòng)扭矩、風(fēng)阻、坡道阻力和滾動(dòng)阻力。

4 自動(dòng)變速器仿真結(jié)果

將撥叉執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型和轉(zhuǎn)速仿真模型放到測(cè)試環(huán)境中進(jìn)行仿真，模型在環(huán)的仿真結(jié)果如圖1所示。圖中第1個(gè)信號(hào)是加速踏板信號(hào)，隨著駕駛員踩下加速踏板，車速不斷增加，變速器的撥叉動(dòng)作依次執(zhí)行，發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器輸入軸的轉(zhuǎn)速都和現(xiàn)實(shí)工況基本一致。

如圖2所示為標(biāo)定車采集到的數(shù)據(jù)，圖中綠色線框表示撥叉移動(dòng)的結(jié)果。模型仿真的結(jié)果和標(biāo)定車采集的數(shù)據(jù)對(duì)比顯示，模型可以很好體現(xiàn)撥叉執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和轉(zhuǎn)速的變化過(guò)程。

圖1 自動(dòng)變速器的仿真結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了如何利用Simulink工具搭建自動(dòng)變速器仿真模型，此模型不但可以在模型在環(huán)中仿真撥叉的工作和離合器工作過(guò)程，還可以用于硬件在環(huán)測(cè)試。撥叉、離合器扭矩、離合器轉(zhuǎn)速和輸出軸轉(zhuǎn)速，是自動(dòng)變速器軟件控制的核心內(nèi)容，通過(guò)仿真環(huán)境開發(fā)工程師可以在開發(fā)階段驗(yàn)證客戶需求是否能夠滿足，并實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)軟件存在的缺陷。同時(shí)，自動(dòng)變速器的仿真能縮短了軟件開發(fā)周期，提高了軟件開發(fā)效率，保證軟件開發(fā)質(zhì)量。