液力自动变速器的控制技术

1.前言 液力自动变速器的基本形式是液力变矩器与动力换档的旋转轴式机械变速器串联。因它具有对外负载良好的自动调节和适应性，使车辆起步平稳，加速均匀，其减振作用降低了传动系的动载和扭振，延长了传动系的使用寿命，提高了乘坐舒适性、行驶安全性、通过性以及车辆的平均速度。自动变速器的效率低于机械变速器一直是困扰其发展的一个重要原因。为解决这个问题，液力自动变速器历经采用多元件工作轮液力变矩器、闭锁离合器、增加行星齿轮变速器档位、电子控制等多种方法，使之综合经济性能得到了提高。其中最有效的是最近十年来，在控制方面大量应用电子技术，使液力自动变速器的性能上了一个新的台阶。这方面的主要工作有：换档点控制，变矩器闭锁离合器控制，换档质量控制等。 一个典型的液力自动变速器控制系统如图1所示，主要包括输入信号传感器及开关、电子控制单元和输出执行器件。传感器有与电子燃油喷射发动机控制系统共用的发动机转速、负荷、温度传感器，测量变速器输出转速的传感器以及选档杆位置、换档模式、强制低档开关等。电子控制单元由I/O接口、CPU和存储器（RAM/ROM）组成，其作用是决定最佳档位及变矩器是否闭锁。而动作的实现则依靠电磁液压阀。2.换档点的控制 换档点是变速器输出转速、发动机负荷、选档杆位置开关和换档模式开关的函数。例如驾驶员可以将选档杆置于“D”位置和选取“E（经济）”模式，则换档点由图2所示的换档图所决定。图中横坐标为变速器输出轴转速（相当于车速），纵坐标为发动机节气门开度（相当于负荷），图中曲线1-2，2-3，3-4对应于升档时的换档点，而曲线4-3，3-2，2-l对应于降档时的换档点。车速增加时，只要发动机负荷和变速器输出转速所决定的工况点向右越过了相应的升档曲线，变速器自动升一档。而车速下降时，只要发动机负荷和变速器输出转速所决定的工况点向左越过了相应的降档曲线，变速器自动降一档。由曲线形状可看出，发动机负荷大，升档或降档时的车速相应就也越高，以保证汽车大负荷低档行驶时的动力性。因控制单元存储器空间的限制，换档图中的升降档曲线不象过去液压控制方式那样，曲线呈连续光滑形状，而往往呈阶状。3.闭锁离合器的控制 为提高自动变速器的效率，可对液力变矩器实施闭锁，闭锁工作由闭锁离合器来完成，它受发动机负荷、输出轴转速、档位和换档模式共同控制。 对闭锁离合器均采用电子控制的方法，即由电磁感应式传感器提供变速器输出轴转速信号，节气门位置开关提供发动机负荷信号，再加上换档杆位置和模式开关信号，一并传给控制单元进行处理和控制。执行元件包括开关式电磁阀及脉冲式电磁阀，后者主要是控制闭锁离合器活塞作用油压大小，以改善由液力传动转到机械传动的舒适性。闭锁离合器的锁止虽在各档都可进行，实际上仅限于在三档和四档。图2中的两组虚线和点线即为闭锁离合器锁止和分离曲线。当发动机负荷和变速器输出转速所决定的工况点向右越过了虚线，闭锁离合器锁止，从液力传动转入机械传动。而由于车速下降或发动机负荷增加的原因，当发动机负荷和变速输出转速所决定的工况点向左越过了点线，则闭锁离合器分离，由机械传动变为液力传动。但在两种传动工况转变过程中，由于转速比的变化引起所传递转矩产生一个阶跃，使得传动系出现动载，影响乘坐舒适性。因此，闭锁工况点的选取成为关键问题。 采用脉冲式电磁阀可以很好地解决这个问题。脉冲式电磁阀由电磁线圈、衔铁、阀芯等组成，其作用是控制油路中油压的大小。与普通开关式电磁阀不同之处在于控制脉冲式电磁阀工作的电信号不是恒定不变的电压信号，而是一个频率固定的脉冲电信号。电磁阀在脉冲电信号的作用下不断反复地开启和关闭泄油孔，电脑通过改变脉冲的宽度，或者说每个脉冲周期内电流接通和断开的时间比例，即所谓占空比（定义为在一个脉冲周期内，通电的时长为A，断电的时长为B，则占空比=A/（A+B）×100%，故其变化范围为0-100%）来改变电磁阀开启和关闭的时间比例，而达到控制油路压力的目的。占空比越大，经电磁阀泄出的液压油就越多，油路压力就越低；反之，占空比越小，油路压力就越高。 为了利用液力变矩器传力柔和的特点，在换档时也可短时间地分离闭锁离合器，使液力变矩器起作用。 4.换档质量的控制 换档质量主要取决于行星齿轮啮合时的平顺性。如图3所示的行星齿轮变速器简图，二档是前行星排的高速档与后行星排的一档组合而得，需参加工作的操纵元件为C2、B0和F2。三档是由前行星排的低速档与后行星排的二档组合而成，需参加工作的操纵元件为C0、C1、B2、F0和F1。当二档换至三档时必须使两个行星排在相反方向上保持同步，也就是说变速器由二档换至三档时，前行星排必须升档，而后行星排必须降档，两者须同时进行，这里的关键是制动器B0的放松和B2的结合要同时进行，否则就造成换档干涉或动力短时间中断。 现常用三种措施来改善换档质量：一是换档时对发动机实施减扭矩控制；二是主油压调切控制；三是在换档时短时间地分离闭锁离合器，使液力变矩器工作，起到柔和传递动力的作用。下面主要介绍前两种措施。 发动机减扭矩控制就是减少发动机所产生的转矩。控制带负荷升档时发动机转矩的目的，是减少换档时摩擦元件所耗散的能量。它靠减少换档同步期间发动机所产生的转矩来实现，而不需要中断动力。控制带负荷降档时发动机转矩的目的，是为了抑制换档过程中由单向离合器和摩擦元件所产生的颤抖。减小发动机转矩通常的方法是延迟点火时间。 有发动机转矩控制和没有控制条件下升档时车辆纵向加速度的变化情况。没有发动机转矩控制时，为将离合器滑移时间控制在500ms内，需在滑移期间增加转矩，这将在换档结束时引起大的转矩跳跃，造成纵向加速度变化，影响舒适性。如果滑移时间相同而将发动机转矩减少50%，并明显地减少离合器油压，则换档期间的加速度与换档前的水平差不多，换档结束时转矩的跳跃也小，这就使换档质量得到改善，并减小了相同时间内摩擦元件的负荷。 主油压调节控制的目的是为了使相关换档摩擦元件的工作油压与变速器输入转矩准确地匹配。具体做法是，将工作油压分成两部分：一部分是固定不变的基础压力；另一部分是可由电液调切阀调节的压力。而通过发动机空气进气量、发动机转速、变矩器转速比等参数，可以精确计算变速器输入转矩。从而在不同档位时，可根据其工况来调节压力参数。再一种就是对换档离合器的油压采用闭环控制，使输入轴的角加速度在规定范围内。 为使行星齿轮变速器平稳地从二档换到三档，可采用监测前后两个行星排换档过程，实时地精确控制制动器B0和B2的油压。如丰田公司的A350型自动变速器，它的前行星排太阳轮的转速（也就是制动器B0的转速）被作为自动变速器输入轴的转速信号，由输入转速传感器采集。另外，增加一个传感器用于测量后行星排太阳轮的转速（即制动器B2的转速）。当从二档换向三档时，必须对制动器B0的油缸加压，而对制动器B2的油缸泄压。在传统的液压控制系统中，制动器B0和B2的油缸都接至蓄能器，而蓄能器的油压是由计算机控制的脉冲式电磁阀调节，因此，只要蓄能器背压变化，制动器B0和B2的油压就会变化，故不能对二者进行独立控制。如将油路作适当改动，当变速器从二档换至三档时，蓄能器从制动器B0的回油路中切断，同时制动器B0的油压转由变矩器闭锁离合器的脉冲式电磁阀控制（此时闭锁离合器锁止阀处关断状态，闭锁离合器不工作），从而可对制动器B0和B2进行单独控制。B2的油压开始上升，转矩传递从单向离合器F2逐渐转到制动器B2。当F2对转矩传递的作用完全失去时，后行星排开始换档，制动器B0的油压开始调节，前后行星排同时换档，前行星排已完成换档，而后行星排还在继续换档。这样，由于对油压进行了精确控制，换档时间短，且输出轴的转矩动载小，实现了平稳换档。 5.其它控制技术的应用 在现代自动变速器中还应用了其他一些控制技术，主要有： a）适应性控制 适应性控制大致有两种：动态控制和稳态控制。 动态控制主要用于监控换档时的传动比，如上所述用于精确控制换档油压。稳态控制主要是考虑执行元件摩擦片材料的摩擦系数发生变化时带来的影响。第一是温度的影响，这可在自动变速器油箱中安装液压油温度传感器，使材料的摩擦系数随油温升高而变化的因素能在计算机控制程序中加以修正。第二是摩擦系数降低的影响。摩擦系数降低有两方面的原因，首先是可能的泄漏，离合器的泄漏会造成容量下降，引起摩擦片打滑、发热，进而使摩擦系数进一步降低；其次是自然磨损。通用公司4T-80E自动变速器所采用的方法是：当一个档位状态确定后，监控齿轮传动比，如果不是所要求的传动比，通过微电脑和调节器使油压进一步升高，直至得到该传动比。这个调节程序对传动比的偏离非常灵敏，可以起到保护自动变速器的作用，也使得油泵能在最小所需压力下工作，有利于提高经济性。 b）模糊控制 模糊控制不依赖于系统精确的数学模型，它采用的探索式控制规则本质上是线性的，而且模糊控制对过程参数改变不敏感，这对于经常在不同工况下工作的自动变速器来说是非常重要的。运用模糊理论进行控制的关键是模糊控制器的设计。模糊控制器是模拟人类控制特征的一种语言控制器，其设计主要包括模糊控制器的结构选择、模糊规则的选取、确定模糊控制器模糊化和解模糊方法及模糊控制器输入和输出变量的论域等，核心是模糊规则的选取。 近几年，国外一些大汽车公司将模糊控制理论运用于自动变速器，以汽车车速和发动机负荷作为模糊控制器的基本输入参量，以抑制换档时产生的动载为输出参量，兼考虑发动机油耗、排放、路况等因素，对自动变速器的换档时机进行控制。 三菱公司新的自动变速车“Fuzzy Shift 4AT”在自动变速系统中加入了“模糊控制”的概念，变速器内的微电脑会根据收集到的行驶状况信息，通过模糊逻辑判断后，自动选择最适当的换档方式。