换挡策略主要为协同部分工况识别的两参数换挡规律, 即基于车速、油门开度并考虑各个工况所确定的换挡规律, 主要包括升挡规律、降挡规律、负载识别、换挡延迟等模块。升挡规律主要依据车速及油门开度, 当达到某一油门开度所对应的车速时即发出升挡指令, 通常小油门开度以舒适、稳定、少污染为主, 故小油门对应经济性换挡; 大油门开度时以车辆获得最佳的动力性为主, 故大油门对应动力性换挡, 升挡不能跳挡。降挡规律主要依据车速, 并介入油门开度、刹车, 设置包括缓减速、急减速、加速降挡在内的不同工况的降挡点, 当车速降到降挡点以下时发出降挡指令, 其中急减速时不进行换挡, 可跳挡。负载识别模块主要通过识别道路坡度和车辆载荷, 从而修正换挡规律, 使挡位符合车辆工况。换挡延时模块主要为在通过换挡规律计算发出换挡指令时根据各工况延迟一定时间再进行换挡, 以防止各工况短时间的来回切换造成的频繁换挡。

考虑到重型车行驶条件复杂, 载荷波动频繁, 所开发的液力机械变速器采用等延迟型两参数换挡规律, 换挡参数选择最常用的车速和油门开度, 换挡规律的确定基于以下整车动力学参数:总质量为25 000 kg, 车轮滚动半径为0.573 m, 传动系效率为0.85, 滚动阻力系数为0.000 222+0.0151u_a, 空气阻力系数为0.9, 迎风面积为10.5 m², 主减速比为6, 倒挡传动比为5.08, 1挡~6挡传动比分别为3.947、2.659、2.012、1.355、1、0.6736。

为了保证车辆的最佳动力性, 升挡点取同一油门开度下相邻两挡加速度曲线的交点, 整车的加速度表达式为:

dudt=1δmFt-(Ff+Fw)1

式中:δ 为重型车旋转质量换算系数; F_t为牵引力; F_f为滚动阻力; F_w为空气阻力。

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 液力工况下的换挡规律Fig.4 Shift schedule under hydrodynamic condition

按式(2)求解不同油门开度下相邻两挡加速度曲线的交点, 即可获得液力工况下的换挡规律, 如图4所示。

an, α(v)=a(n+1), α(v)(2)

式中:a_{n, α} (v)为油门开度为α 时n挡的加速度随车速的变化关系; a_{n+1, α} (v)为油门开度为α 时n+1挡的加速度随车速的变化关系。

闭锁工况换挡规律的确定过程与液力工况的确定过程一致, 由于1挡始终工作在液力工况下, 因此1挡的换挡点不变化, 在确定闭锁工况的换挡规律时, 不再计算1挡的换挡点和换挡曲线。为了保证车辆的最佳动力性, 若同一油门开度下相邻两挡的加速特性曲线有交点, 则应选取该交点对应的速度作为该油门开度下的升挡点; 若同一油门开度下相邻两挡的加速特性曲线没有交点, 则应选取该挡位所在油门开度下的最大车速点作为升挡点。图5为按上述原则确定的闭锁工况下的换挡规律。

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 闭锁工况下的换挡规律Fig.5 Shift schedule under lockout condition

图6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 液压系统原理图Fig.6 Principle diagram of the hydraulic system

液力自动变速器的液压系统原理图如图6所示, 采用主调压阀控制系统的操纵压力, 并通过溢流将多余的工作液提供给润滑点、液力变矩器和液力减速器; 4个失电常闭式开关电磁阀M₁~M₄控制挡位阀与换挡结合元件8~13的连接状态, 从而实现变速器的6个前进挡、1个倒退挡和1个空挡, 各个挡位接合的控制元件如表1所示。

此液力机械自动变速器采用电液操纵完成变速器动力换挡、闭锁离合器结合与分离、液力变矩器供油、液力减速器控制及润滑功能, 要求系统操纵油压为1.2~1.68 MPa, 润滑油压为0.21 MPa, 换挡离合器结合时间为0.8~1.8 s, 换挡过程要平稳。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 换挡控制逻辑 Table 1 Shift control logic 挡位 (先导)电磁阀 离合器/制动器 M1 M2 M3 M4 前进 1 X 8+12 2 X X 9+12 3 X X 8+11 4 X X X 9+11 5 X 8+10 6 X X 9+10 后退 R X 8+13 空挡 8

表1 换挡控制逻辑 Table 1 Shift control logic

图7

Fig.7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图7 实验系统连接示意图Fig.7 Connection diagram of experimental system

在自动变速试验台上进行了电控系统功能试验, 试验目的有两个, 一是调试TCU底层, 验证TCU能否正常工作, 二是调试控制程序, 验证控制程序能否实现换挡功能^{[14, 15, 16]}。实验仪器及设备包括用于编译程序、下发控制指令、监控数据的笔记本电脑, 用于将程序下载至TCU中并通过BDM口调试程序的P& E USB Multilink下载器, 以及用于建立计算机与TCU二者之间的通信连接的Vector CANcaseXL等。试验软件工具包括用于图形化算法设计和建模的Simulink/Stateflow, 用于编辑、编译、连接程序的Freescale CodeWarrior IDE, 以及用于下发控制指令、监控运行变量的Vector CANape。实验系统的连接如图7所示, 图中实线连接部分为电气连接, 虚线连接部分为通信连接。程序通过电脑和下载器下载到TCU中, 由电脑控制程序的执行; 通过TCU中的控制程序实现对电磁阀的占空比控制, 同时电脑通过CANcaseXL监控程序的运行, 下发控制指令, 采集数据。图8为自动变速试验台, 图9为试验台电控部分。

图8

Fig.8

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图8 自动变速试验台Fig.8 Test bench of automatic transmission

图9

Fig.9

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图9 试验台电控部分Fig.9 Electrical control part of test bench

对AT变速箱进行了N-1-2-3-4挡和4-3-2-1-N挡的循环换挡试验, 论文中选取部分试验结果, 如图10所示。图中粗实线代表离合器9的压力变化, 细实线代表离合器11的压力变化, 虚线代表离合器12的压力变化。图10(a)为1挡升2挡离合器压力变化曲线, 其中离合器9和12有压力; 图10(b)为3挡升4挡离合器压力变化曲线, 其中离合器9和11有压力; 图10(c)为3挡降2挡离合器压力变化曲线, 其中离合器9和12有压力; 图10(d)为1挡降空挡离合器压力变化曲线, 此时无压力。

图10

Fig.10

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图10 离合器压力变化曲线Fig.10 Pressure curves of clutches

试验结果表明:CANape能接收到CAN总线的信息, TCU的总线功能正常; TCU控制传感器的电压为5 V, 表明TCU可以正常驱动传感器; 电磁阀通断正常, 表明TCU可以正常控制电磁阀; TCU可以控制主油路的工作油压, 同时因为平稳结合阀的作用使得在换挡过程中油压上升有缓冲过程, 故换挡过程平稳、无动力中断。

根据重型车的特点, 制定了详细的TCU硬件电路实现方案, 实现对变速箱的综合控制。在换挡过程中, 变速箱控制单元降低发动机转矩, 同时对换挡时的主油路工作油压进行控制, 以保证换挡平稳、无冲击, 提高乘坐舒适性。采用分层、分模块方式开发TCU软件; 制定了重型车自动换挡的换挡策略, 并在台架上进行了试验, 实现了功能验证。结果表明, 所开发的重型车电控单元软硬件能够实现联合控制。