張利敏,張 強(qiáng)
(商丘工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,河南 商丘 476000)
目前,汽車電子技術(shù)發(fā)展迅猛,汽車的智能化、自動化、安全性、舒適性備受消費(fèi)者關(guān)注。由于傳統(tǒng)手動變速器要求駕駛員很好的匹配離合器、油門、擋位三者間的關(guān)系,對駕駛員操作技術(shù)要求比較高。針對該技術(shù)的不足,各汽車廠商投入巨大精力去研發(fā)自動變速器,開發(fā)了液力式自動變速器[1](Automatic Transmission,簡稱AT)、雙離合自動變速[2](Double clutch automatic transmission,簡稱DCT)、無級變速器[3](Continuously Variable Transmission,簡稱CVT)及電控機(jī)械式自動變速器[4](Automated mechanical transmission,簡稱AMT)等多種類型的自動變速器。AT擋位數(shù)少、維修成本高、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、液壓油存在遲滯性;DCT通過控制奇數(shù)擋位和偶數(shù)擋位的兩根動力輸出軸,有效提高了換擋響應(yīng)速度。CVT金屬鋼帶容易磨損、需定期更換,造成維修的不便。AMT內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對簡單、制造成本低、傳動效率高,很大程度上降低了駕駛員的操作難度,但較長時(shí)間的動力中斷和較大的換擋沖擊等問題給研發(fā)人員帶來了極大的挑戰(zhàn)[5]。
近年來,直驅(qū)技術(shù)的AMT具備快速的動態(tài)響應(yīng)、換擋能耗低的優(yōu)勢,廣泛引起了學(xué)者的關(guān)注。直驅(qū)AMT簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),取消了動力傳動的中間環(huán)節(jié),降低了低運(yùn)行噪聲和能量損耗,提高了響應(yīng)速度和傳動效率[6,7]。李波[8]提出了一種電磁直線執(zhí)行器直接驅(qū)動的AMT換擋機(jī)構(gòu)。將電磁執(zhí)行器與變速器同步器相連,采用一種無選擋過程的直接換擋方式,進(jìn)一步減小執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動慣量;同時(shí)進(jìn)行退、進(jìn)擋操作。趙文強(qiáng)[9]對三軸混合動力汽車的兩擋AMT換擋過程控制進(jìn)行了研究。基于三軸牽引力耦合式混動汽車為實(shí)驗(yàn)平臺,對兩擋AMT進(jìn)行了研究,并設(shè)計(jì)了三軸混合動力汽車兩擋AMT控制策略,該控制策略適用于不同的工作模式,且有效保障了換擋的平順性。經(jīng)過對比分析各種自動變速器,設(shè)計(jì)了一種交流伺服控制變速器(AC Servo Control Transmission,簡稱AC-SCT),簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提高了換擋系統(tǒng)傳動效率、響應(yīng)速度,降低了能量損耗和運(yùn)行噪聲,基于Matlab/Simulink平臺建立發(fā)動機(jī)、換擋控制策略、自動變速器及車輛模型為主的控制系統(tǒng)輸入、輸出模塊,構(gòu)建了基于整車模型的AC-SCT仿真系統(tǒng)。研究的AC-SCT及換擋裝置為電控機(jī)械式自動變速器變速系統(tǒng)提供了新的技術(shù)和思路,對于新型自動變速器的設(shè)計(jì)具有顯著的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
設(shè)計(jì)了一種車用AC-SCT系統(tǒng),機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由傳動機(jī)構(gòu)、換擋機(jī)構(gòu)組成。換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)將傳統(tǒng)的電動撥叉與同步器的換擋方式改變?yōu)殡姍C(jī)直驅(qū)絲桿螺母的換擋機(jī)構(gòu)進(jìn)行換擋,由換擋電機(jī)、換擋絲桿和選擋螺母組成。AC-SCT系統(tǒng)布置方案如圖1所示。動力由發(fā)動機(jī)輸入變速器,通過變速器輸入軸的主動齒輪傳遞到與主動齒輪常嚙合的從動齒輪上,使從動齒輪在輸出軸上轉(zhuǎn)動且輸出軸不傳遞動力。當(dāng)接收到換擋指令時(shí),根據(jù)換擋行程計(jì)算,交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶著絲桿轉(zhuǎn)動,從而選擋螺母產(chǎn)生軸向位移,移動到待換擋的從動齒輪芯部,與從動齒輪的凹槽嚙合,動力經(jīng)選擋螺母傳遞到輸出軸,此時(shí)輸出軸以該擋位速度傳遞動力。
圖1 AC-SCT系統(tǒng)布置方案圖
根據(jù)變速器設(shè)計(jì)原則與大量的市場調(diào)查具有代表性的變速器型譜,AC-SCT依據(jù)國產(chǎn)某款汽車的動力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)而來,最大扭矩145 N·m,擋位為5擋。包括變速箱主體部分的五個(gè)前進(jìn)擋和一個(gè)倒擋構(gòu)成,其中,傳動機(jī)構(gòu)采用五對常嚙合圓柱斜齒輪傳動,主動齒輪通過鍵與輸入軸固定連接,從動齒輪空套在輸出軸上,通過限位塊對其進(jìn)行軸向的限位。換擋機(jī)構(gòu)為交流伺服電機(jī)+絲桿螺母裝置,絲桿螺母的主要部分置于變速器輸出軸內(nèi),輸出軸為徑向分布著三對軸向?qū)虿?換擋螺母鍵在導(dǎo)向槽內(nèi)做直線運(yùn)動,實(shí)現(xiàn)換擋動作。
AC-SCT工作過程示意圖如圖2所示,如圖2(a),汽車未啟動時(shí)或處于空擋時(shí),選擋螺母14處在殼體與一擋從動齒輪13之間,輸入軸6在發(fā)動機(jī)或電動機(jī)的拖動下轉(zhuǎn)動,而輸出軸7不轉(zhuǎn)。當(dāng)手動掛擋時(shí),交流伺服電機(jī)15工作,帶動絲桿8轉(zhuǎn)動,選擋螺母14向右移動至一擋從動齒輪13的內(nèi)部,完成掛擋。此時(shí)發(fā)動機(jī)或電動機(jī)的動力經(jīng)過輸入軸6、一擋主動齒輪1、一擋從動齒輪13、輸出軸7,降速增扭之后從輸出軸7輸出。
1~5-一到五擋主動齒輪;6-輸入軸;7-輸出軸;8-換擋絲桿;9~13-一到五擋從動齒輪;14-選擋螺母;15-換擋電機(jī)圖2 AC-SCT工作過程示意圖
當(dāng)發(fā)動機(jī)加速時(shí),伺服直驅(qū)換擋的自動變速器接收換擋指令,以一擋升二擋為例,驅(qū)動交流伺服電機(jī)15轉(zhuǎn)動,帶動絲桿8轉(zhuǎn)動和螺母14向右移動,螺母由一擋從動齒輪13心部脫出之后,完成摘擋動作后,迅速滑入二擋從動齒輪12心部,實(shí)現(xiàn)換擋的目的。發(fā)動機(jī)或電動機(jī)的動力經(jīng)過輸入軸6、二擋主動齒輪2、二擋從動齒輪12、輸出軸7,降速增扭之后從輸出軸7輸出,實(shí)現(xiàn)增速換擋過程;發(fā)動機(jī)再加速,便可順次換入三擋、四擋和五擋。
當(dāng)發(fā)動機(jī)減速時(shí),中央處理器根據(jù)收集到的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩信號和車輪的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩信號,向交流伺服電機(jī)15的驅(qū)動控制器發(fā)出控制信號,交流伺服電機(jī)15反向轉(zhuǎn)動,帶動絲桿8反向轉(zhuǎn)動和螺母14向左移動,螺母由五擋從動齒輪9心部脫出之后,迅速滑入四擋從動齒輪10的心部,發(fā)動機(jī)或電動機(jī)的動力經(jīng)過輸入軸6、四擋主動齒輪4、四擋從動齒輪10、輸出軸7之后,從輸出軸7輸出,實(shí)現(xiàn)降速換擋過程;發(fā)動機(jī)再減速,便可順次換入三擋、二擋和一擋,最后進(jìn)入空擋位。
AC-SCT系統(tǒng)是一個(gè)人—車—環(huán)境共同組成的閉環(huán)系統(tǒng),其中,駕駛員、車輛使用狀態(tài)及使用環(huán)境會對該系統(tǒng)品質(zhì)產(chǎn)生影響。AC-SCT系統(tǒng)基于車輛使用和行駛狀態(tài)、道路環(huán)境和駕駛員意圖等信息和自動操縱專家的經(jīng)驗(yàn)完成換擋過程的自動控制決策。
汽車傳動系統(tǒng)的功率流如圖3所示,主要由非線性常微分方程模型的發(fā)動機(jī)、自動變速器、車輛模型三部分構(gòu)成。為了驗(yàn)證AC-SCT換擋控制策略的有效性,基于整車模型的AC-SCT仿真需要對不同的子模塊進(jìn)行建立(控制輸入模塊、發(fā)動機(jī)模型、換擋控制邏輯、AC-SCT模型、車輛動力學(xué)模型)。在建模的過程中直接將圖3中的模塊實(shí)現(xiàn)為模塊化的Simulink子系統(tǒng)。另一方面,在變速箱控制單元(TCU)中所做的邏輯和決策并不適用于表述良好的方程。TCU更適合于狀態(tài)流表示,因此,使用Stateflow進(jìn)行換擋控制策略的建模。
圖3 汽車傳動系統(tǒng)功率流圖
圖形用戶界面(Graphical User Interface,簡稱GUI)是一種使用圖形化方式展現(xiàn)計(jì)算機(jī)操作可視化圖形用戶接口[10]。使用Matlab來設(shè)計(jì)模型控制輸入的GUI界面,可以使用鼠標(biāo)對節(jié)氣門開度、制動踏板以及轉(zhuǎn)向的控制進(jìn)行調(diào)節(jié)。
發(fā)動機(jī)本身是一個(gè)非常復(fù)雜的機(jī)電一體化機(jī)構(gòu),發(fā)動機(jī)模型的建立可以將其簡化為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩及節(jié)氣門開度三者間的關(guān)系:
(1)
式中:Ne為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速(rpm);Iei為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量;Te為發(fā)動機(jī)扭矩。
建立發(fā)動機(jī)模型時(shí),采用查表模塊建立發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、車速及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩間的關(guān)系,具體的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、車速及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩map圖如圖4所示。使用二維查表的方式能夠得到任意時(shí)刻發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)扭矩及節(jié)氣門開度三者間的映射關(guān)系。
圖4 發(fā)動機(jī)map圖
基于發(fā)動機(jī)的運(yùn)動方程和二維查表法,使用simulink搭建的發(fā)動機(jī)模型如圖5所示。
圖5 發(fā)動機(jī)模型框圖
TCU根據(jù)節(jié)氣門開度、車速、制動力矩等傳感器采集的信號去確定駕駛員的駕駛意圖,通過計(jì)算,最終綜合給出變速器的升擋或者降擋,該過程即為換擋控制邏輯[51-52]。TCU是整個(gè)換擋過程的核心部件,優(yōu)良的換擋控制邏輯,整個(gè)換擋過程平順、無頓挫,換擋時(shí)機(jī)合適,汽車動力足,油耗低?;诖?采用電機(jī)直接控制換擋裝置,進(jìn)行不同擋位的平順切換。采用車速和油門開度兩個(gè)參數(shù)制定換擋規(guī)律。換擋規(guī)律曲線綜合考慮了低速情況下的最佳動力性換擋策略和高速情況下的最佳經(jīng)濟(jì)性換擋策略,其中升擋、降擋點(diǎn)的速度計(jì)算方法主要有動態(tài)驅(qū)動力曲線、油門法及車速法[11]。設(shè)計(jì)的5檔AC-SCT換檔規(guī)律曲線如圖6所示,升擋曲線采用實(shí)線標(biāo)記,降擋曲線采用虛線標(biāo)記。模型內(nèi)部利用Simulink查表模塊得到每個(gè)采樣時(shí)刻的換擋點(diǎn),分為升擋點(diǎn)和降擋點(diǎn)。
圖6 換擋規(guī)律
換擋控制邏輯模塊采用有限狀態(tài)機(jī)(finite state machine,簡稱FSM)圖形化的設(shè)計(jì)開發(fā)工具,sateflow建立的換擋狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖7所示,主要有擋位狀態(tài)(gear_state)和選擋狀態(tài)(selection_state)兩個(gè)并列的狀態(tài)圖。gear_state狀態(tài)中定義了5個(gè)擋位,定義了升擋和降擋2個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移事件。selection_state定義了升擋、降擋以及擋位保持3個(gè)狀態(tài)。gear_state處于激活狀態(tài)下,默認(rèn)開始狀態(tài)是一擋位置,基于selection_state轉(zhuǎn)移條件的判斷,依次判斷滿足升擋、降擋以及擋位的狀態(tài)。
圖7 換擋狀態(tài)轉(zhuǎn)移stateflow圖
在換擋邏輯模塊中,升擋和降擋調(diào)用了閾值計(jì)算數(shù),如圖8所示。升擋和降擋點(diǎn)通過節(jié)氣門開度和擋位與對應(yīng)的車速進(jìn)行二維查表實(shí)施相應(yīng)的換擋操作,插值點(diǎn)之間采用了線性插值方法,具體的函數(shù)曲線采用了圖8所示的數(shù)據(jù)。
圖8 升擋降擋閾值控制
AC-SCT在動力傳輸過程中起到一個(gè)過渡作用,主要承接發(fā)動機(jī)輸出動力,將動力傳輸給變速器的機(jī)械齒輪機(jī)構(gòu)中,通過機(jī)械齒輪組不同傳動比,最終將發(fā)動機(jī)扭矩轉(zhuǎn)化成多組序列。齒輪傳動模型和換擋執(zhí)行模型共同構(gòu)成了AC-SCT機(jī)械結(jié)構(gòu)。
(a)齒輪傳動模型
該傳動模型是通過靜態(tài)齒輪傳動比實(shí)現(xiàn)的,假設(shè)換擋時(shí)間很小。模型被描述為:
(2)
式中:Tin為AC-SCT輸入扭矩;Tout為AC-SCT輸出扭矩;Nin為AC-SCT輸入轉(zhuǎn)速;Nout為AC-SCT輸出轉(zhuǎn)速;Rtr為AC-SCT各擋位速比。
(b)換擋執(zhí)行元件模型
主流的換擋執(zhí)行元件有單向離合器、摩擦結(jié)合元件兩類[12]。離合器、制動器共同構(gòu)成了摩擦結(jié)合元件,該元件依賴于摩擦力傳動,其傳遞力矩和結(jié)合度是可控的;一個(gè)方向脫開,另一個(gè)方向傳動,構(gòu)成了單向離合器相對轉(zhuǎn)動。
AC-SCT換擋執(zhí)行動力源由電機(jī)來提供。在建模時(shí),對換擋執(zhí)行元件進(jìn)行了簡化,R擋換擋和D擋換檔類似,故在此不再贅述。只考慮D 擋換擋執(zhí)行元件接合情況,直接用一維數(shù)表得到各擋位的傳動比,不同擋位的傳動比見表1。
表1 不同擋位的傳動比
基于上述動力傳遞過程建立的AMT傳動模型(圖9),主要由變矩模塊和機(jī)械傳動模型構(gòu)成。
圖9 AC-SCT simulink框圖
所建立的不同子模塊最終在相互作用下傳遞給車輛,發(fā)動機(jī)提供的驅(qū)動動力源經(jīng)過傳動系傳遞給驅(qū)動車輪,驅(qū)動車輛運(yùn)動。建立的車輛動力學(xué)模型主要涉及最終驅(qū)動、慣性和動態(tài)變化的負(fù)載,其關(guān)系被描述為:
(3)
式中:IV為車輛慣性;NW為輪速(rpm);Rfd為最終驅(qū)動速比;Tload為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。
車輛的負(fù)載轉(zhuǎn)矩主要由路面負(fù)載轉(zhuǎn)矩和制動轉(zhuǎn)矩兩部分構(gòu)成。道路荷載為摩擦損失和氣動損失之和:
Tload=sgn(V)·(Rload0+Rload2·V2+Tbrake)
(4)
式中:Rload0為摩擦阻力系數(shù);Rload2為空氣動力阻力系數(shù);Tload為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;Tbrake為制動轉(zhuǎn)矩;V為車輛線速度。
基于式(3)、式(4)動力學(xué)方程,使用Simulink搭建的車輛動力學(xué)模型如圖10所示。
圖10 車輛動力學(xué)模型
將所建立的控制輸入模塊、發(fā)動機(jī)模型、換擋控制邏輯模塊、AC-SCT模型及車輛動力學(xué)模型結(jié)合在一起共同構(gòu)成了整車動力系統(tǒng)模型的頂層圖,如圖11所示。搭建好基于整車模型的AC-SCT仿真框圖,經(jīng)過運(yùn)行報(bào)錯(cuò),不斷修改錯(cuò)誤之后,按下模型窗口中工具欄上的run按鈕,該模型運(yùn)行的曲線可以顯示在輸出結(jié)果展示區(qū)域中。
圖11 AC-SCT的整車simulink框圖
為了驗(yàn)證所搭建的AC-SCT模型的有效性,設(shè)置運(yùn)行仿真道路為平坦的直線道路,轉(zhuǎn)向角度始終為0度,設(shè)置仿真時(shí)間為200 s,仿真結(jié)果如圖12所示。
圖12 仿真結(jié)果
圖12(a)是仿真輸入的節(jié)氣門開度變化時(shí)序圖,圖12(b)是仿真輸入的制動力矩變化時(shí)序圖,圖12(c)是AC-SCT模型的仿真轉(zhuǎn)矩變化時(shí)序圖,圖12(d)是AC-SCT模型的仿真擋位變化時(shí)序圖,圖12(e)是整車車速的仿真變化時(shí)序圖。從圖12 中可以看出,首先是定油門起步階段,節(jié)氣門開度快速升到50%并保持一段時(shí)間,這時(shí)擋位隨著車速的逐漸升高而逐步升至最高擋;其次是制動階段,節(jié)氣門開度迅速變?yōu)?%,并且施加16 N·m的制動力矩,當(dāng)車速升到最高車速時(shí),車倆開始緩慢制動,最終車速降至17 km/h 左右,擋位隨車速減小降至二擋,最后會變?yōu)橐粨?車速為0 km/h,表明設(shè)計(jì)的交流伺服控制變速器能嚴(yán)格按照換擋規(guī)律換擋。
設(shè)計(jì)了一種交流伺服控制變速器并基于Matlab/Simulink平臺建立了相對應(yīng)的模塊,基于所建立的子模塊構(gòu)建成整車模型的交流伺服控制變速器仿真系統(tǒng)。結(jié)果表明:在輸入條件保持一致的狀態(tài)下,隨著節(jié)氣門開度的提高或者減小,車速提高或者降低;擋位是按照車速與油門開度的變化依據(jù)換擋邏輯進(jìn)行自動換擋;表明設(shè)計(jì)的交流伺服控制變速器能嚴(yán)格按照換擋規(guī)律換擋。為新型自動變速器的設(shè)計(jì)提供了思路和技術(shù),并具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。