淺談液力自動變速器控制技術

www.gzyongxun.cn 來源：互聯網作者：malijuan2007 類別：汽車電器維修時間：2008-01-06

    液力自動變速器的基本形式是液力變矩器與動力換檔的旋轉軸式機械變速器串聯。因它具有對外負載良好的自動調節和適應性，使車輛起步平穩，加速均勻，其減振作用降低了傳動系的動載和扭振，延長了傳動系的使用壽命，提高了乘坐舒適性、行駛安全性、通過性以及車輛的平均速度。自動變速器的效率低于機械變速器一直是困擾其發展的一個重要原因。為解決這個問題，液力自動變速器歷經采用多元件工作輪液力變矩器、閉鎖離合器、增加行星齒輪變速器檔位、電子控制等多種方法，使之綜合經濟性能得到了提高。其中最有效的是最近十年來，在控制方面大量應用電子技術，使液力自動變速器的性能上了一個新的臺階。這方面的主要工作有：換檔點控制，變矩器閉鎖離合器控制，換檔質量控制等。

    一個典型的液力自動變速器控制系統如圖1所示，主要包括輸入信號傳感器及開關、電子控制單元和輸出執行器件。傳感器有與電子燃油噴射發動機控制系統共用的發動機轉速、負荷、溫度傳感器，測量變速器輸出轉速的傳感器以及選檔桿位置、換檔模式、強制低檔開關等。電子控制單元由I/O接口、CPU和存儲器(RAM/ROM)組成，其作用是決定最佳檔位及變矩器是否閉鎖。而動作的實現則依靠電磁液壓閥。

    (1)換檔點的控制

    換檔點是變速器輸出轉速、發動機負荷、選檔桿位置開關和換檔模式開關的函數。例如駕駛員可以將選檔桿置于“D”位置和選取“E(經濟)”模式，則換檔點由圖2所示的換檔圖所決定。圖中橫坐標為變速器輸出軸轉速(相當于車速)，縱坐標為發動機節氣門開度(相當于負荷)，圖中曲線1-2，2-3，3-4對應于升檔時的換檔點，而曲線4-3，3-2，2-l對應于降檔時的換檔點。車速增加時，只要發動機負荷和變速器輸出轉速所決定的工況點向右越過了相應的升檔曲線，變速器自動升一檔。而車速下降時，只要發動機負荷和變速器輸出轉速所決定的工況點向左越過了相應的降檔曲線，變速器自動降一檔。由曲線形狀可看出，發動機負荷大，升檔或降檔時的車速相應就也越高，以保證汽車大負荷低檔行駛時的動力性。因控制單元存儲器空間的限制，換檔圖中的升降檔曲線不象過去液壓控制方式那樣，曲線呈連續光滑形狀，而往往呈階狀。

    (2)閉鎖離合器的控制

    為提高自動變速器的效率，可對液力變矩器實施閉鎖，閉鎖工作由閉鎖離合器來完成，它受發動機負荷、輸出軸轉速、檔位和換檔模式共同控制。

    對閉鎖離合器均采用電子控制的方法，即由電磁感應式傳感器提供變速器輸出軸轉速信號，節氣門位置開關提供發動機負荷信號，再加上換檔桿位置和模式開關信號，一并傳給控制單元進行處理和控制。執行元件包括開關式電磁閥及脈沖式電磁閥，后者主要是控制閉鎖離合器活塞作用油壓大小，以改善由液力傳動轉到機械傳動的舒適性。閉鎖離合器的鎖止雖在各檔都可進行，實際上僅限于在三檔和四檔。圖2中的兩組虛線和點線即為閉鎖離合器鎖止和分離曲線。當發動機負荷和變速器輸出轉速所決定的工況點向右越過了虛線，閉鎖離合器鎖止，從液力傳動轉入機械傳動。而由于車速下降或發動機負荷增加的原因，當發動機負荷和變速輸出轉速所決定的工況點向左越過了點線，則閉鎖離合器分離，由機械傳動變為液力傳動。但在兩種傳動工況轉變過程中，由于轉速比的變化引起所傳遞轉矩產生一個階躍，使得傳動系出現動載，影響乘坐舒適性。因此，閉鎖工況點的選取成為關鍵問題。

    采用脈沖式電磁閥可以很好地解決這個問題。脈沖式電磁閥由電磁線圈、銜鐵、閥芯等組成，其作用是控制油路中油壓的大小。與普通開關式電磁閥不同之處在于控制脈沖式電磁閥工作的電信號不是恒定不變的電壓信號，而是一個頻率固定的脈沖電信號。電磁閥在脈沖電信號的作用下不斷反復地開啟和關閉泄油孔，電腦通過改變脈沖的寬度，或者說每個脈沖周期內電流接通和斷開的時間比例，即所謂占空比(定義為在一個脈沖周期內，通電的時長為A，斷電的時長為B，則占空比=A/(A+B)×100%，故其變化范圍為0-100%)來改變電磁閥開啟和關閉的時間比例，而達到控制油路壓力的目的。占空比越大，經電磁閥泄出的液壓油就越多，油路壓力就越低；反之，占空比越小，油路壓力就越高。

    為了利用液力變矩器傳力柔和的特點，在換檔時也可短時間地分離閉鎖離合器，使液力變矩器起作用。

    (3)換檔質量的控制

    換檔質量主要取決于行星齒輪嚙合時的平順性。如所示的行星齒輪變速器簡圖，二檔是前行星排的高速檔與后行星排的一檔組合而得，需參加工作的操縱元件為C2、B0和F2。三檔是由前行星排的低速檔與后行星排的二檔組合而成，需參加工作的操縱元件為C0、C1、B2、F0和F1。當二檔換至三檔時必須使兩個行星排在相反方向上保持同步，也就是說變速器由二檔換至三檔時，前行星排必須升檔，而后行星排必須降檔，兩者須同時進行，這里的關鍵是制動器B0的放松和B2的結合要同時進行，否則就造成換檔干涉或動力短時間中斷。

    現常用三種措施來改善換檔質量：一是換檔時對發動機實施減扭矩控制；二是主油壓調切控制；三是在換檔時短時間地分離閉鎖離合器，使液力變矩器工作，起到柔和傳遞動力的作用。下面主要介紹前兩種措施。

    發動機減扭矩控制就是減少發動機所產生的轉矩。控制帶負荷升檔時發動機轉矩的目的，是減少換檔時摩擦元件所耗散的能量。它靠減少換檔同步期間發動機所產生的轉矩來實現，而不需要中斷動力。控制帶負荷降檔時發動機轉矩的目的，是為了抑制換檔過程中由單向離合器和摩擦元件所產生的顫抖。減小發動機轉矩通常的方法是延遲點火時間。

    有發動機轉矩控制和沒有控制條件下升檔時車輛縱向加速度的變化情況。沒有發動機轉矩控制時，為將離合器滑移時間控制在500ms內，需在滑移期間增加轉矩，這將在換檔結束時引起大的轉矩跳躍，造成縱向加速度變化，影響舒適性。如果滑移時間相同而將發動機轉矩減少50%，并明顯地減少離合器油壓，則換檔期間的加速度與換檔前的水平差不多，換檔結束時轉矩的跳躍也小，這就使換檔質量得到改善，并減小了相同時間內摩擦元件的負荷。

    主油壓調節控制的目的是為了使相關換檔摩擦元件的工作油壓與變速器輸入轉矩準確地匹配。具體做法是，將工作油壓分成兩部分：一部分是固定不變的基礎壓力；另一部分是可由電液調切閥調節的壓力。而通過發動機空氣進氣量、發動機轉速、變矩器轉速比等參數，可以精確計算變速器輸入轉矩。從而在不同檔位時，可根據其工況來調節壓力參數。再一種就是對換檔離合器的油壓采用閉環控制，使輸入軸的角加速度在規定范圍內。

    為使行星齒輪變速器平穩地從二檔換到三檔，可采用監測前后兩個行星排換檔過程，實時地精確控制制動器B0和B2的油壓。如豐田公司的A350型自動變速器，它的前行星排太陽輪的轉速(也就是制動器B0的轉速)被作為自動變速器輸入軸的轉速信號，由輸入轉速傳感器采集。另外，增加一個傳感器用于測量后行星排太陽輪的轉速(即制動器B2的轉速)。當從二檔換向三檔時，必須對制動器B0的油缸加壓，而對制動器B2的油缸泄壓。在傳統的液壓控制系統中，制動器B0和B2的油缸都接至蓄能器，而蓄能器的油壓是由計算機控制的脈沖式電磁閥調節，因此，只要蓄能器背壓變化，制動器B0和B2的油壓就會變化，故不能對二者進行獨立控制。如將油路作適當改動，當變速器從二檔換至三檔時，蓄能器從制動器B0的回油路中切斷，同時制動器B0的油壓轉由變矩器閉鎖離合器的脈沖式電磁閥控制(此時閉鎖離合器鎖止閥處關斷狀態，閉鎖離合器不工作)，從而可對制動器B0和B2進行單獨控制。B2的油壓開始上升，轉矩傳遞從單向離合器F2逐漸轉到制動器B2。當F2對轉矩傳遞的作用完全失去時，后行星排開始換檔，制動器B0的油壓開始調節，前后行星排同時換檔，前行星排已完成換檔，而后行星排還在繼續換檔。這樣，由于對油壓進行了精確控制，換檔時間短，且輸出軸的轉矩動載小，實現了平穩換檔。

    (4)其它控制技術的應用

       在現代自動變速器中還應用了其他一些控制技術，主要有：

        a)適應性控制

        適應性控制大致有兩種：動態控制和穩態控制。

        動態控制主要用于監控換檔時的傳動比，如上所述用于精確控制換檔油壓。穩態控制主要是考慮執行元件摩擦片材料的摩擦系數發生變化時帶來的影響。第一是溫度的影響，這可在自動變速器油箱中安裝液壓油溫度傳感器，使材料的摩擦系數隨油溫升高而變化的因素能在計算機控制程序中加以修正。第二是摩擦系數降低的影響。摩擦系數降低有兩方面的原因，首先是可能的泄漏，離合器的泄漏會造成容量下降，引起摩擦片打滑、發熱，進而使摩擦系數進一步降低；其次是自然磨損。通用公司4T-80E自動變速器所采用的方法是：當一個檔位狀態確定后，監控齒輪傳動比，如果不是所要求的傳動比，通過微電腦和調節器使油壓進一步升高，直至得到該傳動比。這個調節程序對傳動比的偏離非常靈敏，可以起到保護自動變速器的作用，也使得油泵能在最小所需壓力下工作，有利于提高經濟性。

        b)模糊控制

        模糊控制不依賴于系統精確的數學模型，它采用的探索式控制規則本質上是線性的，而且模糊控制對過程參數改變不敏感，這對于經常在不同工況下工作的自動變速器來說是非常重要的。運用模糊理論進行控制的關鍵是模糊控制器的設計。模糊控制器是模擬人類控制特征的一種語言控制器，其設計主要包括模糊控制器的結構選擇、模糊規則的選取、確定模糊控制器模糊化和解模糊方法及模糊控制器輸入和輸出變量的論域等，核心是模糊規則的選取。

        近幾年，國外一些大汽車公司將模糊控制理論運用于自動變速器，以汽車車速和發動機負荷作為模糊控制器的基本輸入參量，以抑制換檔時產生的動載為輸出參量，兼考慮發動機油耗、排放、路況等因素，對自動變速器的換檔時機進行控制。

        三菱公司新的自動變速車“Fuzzy Shift 4AT”在自動變速系統中加入了“模糊控制”的概念，變速器內的微電腦會根據收集到的行駛狀況信息，通過模糊邏輯判斷后，自動選擇最適當的換檔方式。