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扭矩辅助电控机械式自动变速器的分析和仿真

摘要
本文提出了用一个湿式离合器作辅助离合器取代了五档同步器的电控机械式自动变速器换挡过程的运动和动力分析。这个扭矩辅助装置作为换挡过程中的一个扭矩传递路径，可以解决传统AMT的动力中断的问题。可以计算在不同的发动机和辅助离合器的介入下，换挡过程中的功率值的情况，还应考虑开发应用的控制算法。模拟结果证实了此变速器在换挡品质和乘坐舒适性上的优势。
关键词：辅助离合器；电控机械式自动变速器；动力换档变速器；扭矩差补偿；驾驶性能
1.引言
近年来，汽车行业最具挑战性的问题之一是提高汽车燃油效率和驱动力。由于变速器在节能和操控性上的重要地位，许多研究都集中在提高现有系统的性能和开发新技术[1–6]。
在现有的几种类型的变速器中，手动变速箱（MT）相比于其他类型变速器有最高的传输效率（96%），目前生产的自动变速器（AT）效率大约为86%，而带式无级变速器（CVT）综合效率为85%，但其主要优点在于使发动机在最大燃料效率范围内工作（见例子[7,5,8]）。
近年来发展的一种动力换档自动变速器，即双离合器变速器，旨在综合机械变速器和自动变速器的优势（见例子Kulkarni等人 [ 3 ]），提供高效率和优良的换挡品质。
电控机械式自动变速器（AMT）通常是由干式离合器和机械式变速箱构成，配有电动或电-液执行器，由一个电子控制单元（ECU）驱动[ 9 ]。为了克服驱动扭矩中断导致换挡过程中不希望的车辆颤动 [6 ]，不同的设备称为扭矩差补偿（TGF）可以集成在AMT传动系统结构。已经MagnetiMarelli Powertrain提出一个解决方案 [ 10 ]：它主要将一个行星齿轮组添加到传统的AMT中，在换挡过程中发动机允许传送功率到输出轴。
最近，日立集团[ 4 ]提出了一个替代方案，由称为辅助离合器（ACL）的一个摩擦离合器机构代替传统的AMT上的五档齿轮同步器。辅助离合器部件使换档平稳、无驱动力中断[ 11 ]；此外，这是一个结构紧凑、成本低的解决方案，只需要相对较小的改动现有的结构。
本文讨论这ACL-AMT变速器：将集中分析其系统结构和动力学特性。
作者特别在提出的传动机构的运动学和动力学模型上研究和量化了功率值不同的发动机和ACL介入各个换挡过程，为了突出可用的、消耗的和有效使用的车辆驱动力之间的重要性，最后显示在仿真结果中。

2.传动机构布局和特性
一个ACL-AMT变速器（参见图1）由一个传统的电控机械式自动变速器与伺服辅助离合器取代了五档同步器。该系统是由一个中央电控单元电控有发动机，主离合器，换挡装置和辅助离合器组成的机构来优化换档过程。
内燃机（E）是通过主离合器连接（CL）的变速箱输入轴；在轴的另一端，ACL连接五档惰轮和输入轴（从而取代同步器），而输出轴和差速器相对于经典的设计没有变化。
这种结构允许发动机和车轮之间的功率连续传输，因为在换挡阶段不需要中断发动机与输入轴之间的连接，为了同步之耦合和插入下一轮。事实上，这个任务是由ACL和发动机通过执行以下阶段协同完成的：分开同步器的接合齿的啮合，现工作齿轮副脱离啮合，初级和次级轴转速调整在所需的下一个传动比，换挡同步器套筒使下一对齿轮啮合。所有这些阶段发生在输入轴与输出轴的永久性的齿轮传动（通过第五个齿轮）过程中，所以允许连续的功率流输入车轮。

3.动力学分析
传动系可由三个角速度来描述：发动机转速，输入轴速度和输出轴转速。当一个档位占用，与主离合器CL接合和辅助离合器ACL脱离或被调节时，三个角速度只有一个是独立的，且符合以下关系：
(1)
其中是选定的齿轮传动比。
当主离合器打滑时，发动机和输入轴的转速度不同，即，其值符合发动机和变速箱的动态平衡。
为了概述传动装置怎样通过ACL驱动车辆，先分析固定传动比下的主动盘（下标D）和从动盘（下标d）的转速。
已知下列公式：
(2)
(3)
值得注意的是，在传动比数大于五的情况下（比如一些商用车的AMT），用下标v代表最高的传动比，假设在该齿轮安装有ACL。
图2表示了以一组固定传动比在0–180公里/小时的速度范围内ACL的主从动盘的转速相对于车辆纵向速度的关系。当五档齿轮是由ACL接合时，从动盘转速（）不随传动比的变化而变化，并与主动盘转速（）发生重叠。
由于每个运动状态下多盘离合器的两个面之间有转速差存在，这样就可以在换挡过程中将动力从输入轴传到输出轴上：
(4)
显然，降低传动比使有效的“运动储备”降低，至消失时，五档齿轮啮合（ACL离合器作用相当于五档齿轮同步器）。以发动机在3800 RPM时（见图2）由二档升三档为例。在同步过程中消失的速度差称为；很明显总速度差只有一部分可以有效地用于快速执行换档过程。

4. 动力特性分析
此机械系统的自由度取决于主离合器的不同状态（接合，脱离/滑动）和AMT的状态（齿轮啮合，脱离/传统的同步过程）。因此，它需要四个动力学和运动学方程来描述所有可能的状态。
对下述两种情况下起动离合器的接合状态进行分析，可以最有效的解释的变速器的能力。
4.1 一个自由度：齿轮啮合
系统工作过程如图3所示，有一个单自由度。为了简化分析，只考虑齿轮副的啮合，忽视了变速箱中其他空转的齿轮副的阻力。主离合器保持接合状态，因此，而其比值为传动比。车辆正常巡航期间，通过ACL离合器的压力产生摩擦力做驱动力，由五档齿轮连接到输出轴，发动机的动力最终通过变速箱齿轮传递给车辆。
对于图4所示自由体受力图，可得到以下动力学公式：
(5)
(6)
如上所述，该系统具有一个单自由度(即)，所以它满足
(7)
有趣的是注意到，由于传动比，ACL扭矩的存在会对系统动力学性能产生减小车辆加速度等不利影响。驱动扭矩的减少的原因在于由发动机传递到输出轴的部分扭矩的传动比，小于齿轮传动比。此外，第二条向第二轴功率传输路径，通过ACL，其特点是效率较低，由于在离合器的耗散与离合器主从动盘之间的转速差成比例：
(8)
其中为离合器消耗的瞬时功率。

对一个有固定传输效率的ACL，从高档到低档，其传动比的增加会使扭矩减小。为了更好地了解传动系统的动力学特性，通过齿轮副传递给输出轴的扭矩（见图4）可以由三个特定的值计算：

(9)
第一个公式对应于ACL脱离的情况；因此发动机的扭矩通过输入轴的惯性扭矩减小，通过传动比传到输出轴。
第二种情况对应于ACL刚开始的的阈值此时传动比还未传输扭矩；因此，由于两啮合的齿之间不存在压力，齿轮可以在动力传动系统中无明显扭转振动进行脱离啮合。此外，如果满足附加的运动约束，下一个档位即可在主离合器接合的同时对同步器无较大的冲击即可啮合。
最后，在第三种情况下，如果ACL的扭矩足够大，会使的正负值发生变化；从输出轴多余扭矩会导致车辆的加速度的降低。
4.2两个自由度：齿轮脱离
如图5所示的系统具有两个自由度：发动机转速和二次轴转速。这种情况通常发生在换档的瞬态过程中，当无齿轮啮合。ACL和发动机可以一起使用，使输入轴同步，而ACL对输出轴的扭矩差进行补偿。
输入轴和输出轴的动力学方程为：
(10)
(11)
表示空转齿轮和相对的同步器环之间的速度差导致的第i个同步器套筒驱动所产生的动态摩擦力矩。
可以看出，如果发动机扭矩和ACL的扭矩设置为零（即），两个动态方程表现了AMT的典型的“同步阶段”，在同步器摩擦力矩产生的输入和输出轴动力学耦合。唯一的不可忽略的区别是由于主离合器接合，输入轴的惯性扭矩增加因发动机的传递而增加；因此这个同步器的动作不能设计。
另一方面，如果同步器扭矩被设定为零（即），因为他们的小扭矩的能力，可以用发动机和ACL的协同操作来代替，带动输入轴自动适应下一档位的速度。根据其矢量和的正负号（），发动机的加速度可以为正也可为负，从而加快或降低输入轴的速度满足降档或升档的同步要求。同步器应用在最后阶段使齿轮刚性啮合（如接合齿啮合）。此外，有趣的是ACL也可以将扭矩传递给车轮；因此即使在同步阶段它也具有扭矩差补偿特性。

5.换挡过程中的功率传递
为了确定这种传动装置的最佳控制策略需要了解在换档过程中车辆驱动力的来源和比例。显然，系统中的离合器不能产生能量，但部分被消耗部分分配到另一个传输路径；因此，扭矩差补偿的真正能量来源是发动机扭矩和在传动系的惯性元件中储存的动能。
用于车辆驱动的潜在可用功率可以用以下的通用公式计算：
(12)
其中N是变速器中的惯性元件的数量，而M是离合器的数量。在传递到车轮的过程中，发动机的功率因惯性元件的加速损失和离合器的摩擦损失而减少。
特别是式（12）针对当ACL起作用时特定的变速器变为两个自由度的（）；则输出轴的可用功率可以改写为为：
(13)
此功率是由ACL完全转移到输出轴，所以它还会产生：
(14)
从这些初步的假设出发，在下文中的ACL和发动机的介入进行研究，实例中只有辅助离合器接合，由发动机和ACL的协同作用提供可利用储存的动能。输入轴的惯性，发动机的转动惯性和发动机提供的扭矩起到较大作用。在这两种情况下AMT有扭矩差时齿轮将被认为是脱离啮合的。
5.1 发动机不输出扭矩时的ACL
考虑到式（10）和（11）描述的两自由度结构，它很简单的可以看出只以辅助离合器来驱动车辆前进。如果发动机扭矩为零，在输出轴的可用能量降低到只有输入轴没有消耗在离合器上的部分动能。
因此式（13）为
(15)
在升档操作过程中，由于车辆相对较大的惯性，输出轴转速可认为不变，输入轴转速以新的传动比变化。由于前述假设的简化，这发生在换档操纵过程中的动能的变化量为：
(16)
其中，初始阶段，终止阶段。
根据起动离合器脱离或接合的情况，参数可以假设完全不同的值：在第一种情况下，与原惯性矩相等，而当主离合器接合后发动机曲轴和飞轮的惯性矩也必须考虑（）。值得强调的是在实际应用中，这意味着等效惯性矩可以达到主轴的惯性矩的大约30–40倍；因此动能变化是相当大的。例如，在一档升二档过程中，输入轴的初始速度为4000 rpm，离合器分离时的动能的变化近似地等于0.4 kJ，如果离合器接合状态能达到12.9 kJ（以一个中型轿车为例）。
下一步是求由惯性矩提供的持续的扭矩差补偿有效地传递到车轮上的这部分动能的变化量，这时需要考虑两自由度动力学方程（10）以及同步器和发动机零输出扭矩情况：
(17)
在升档过程中，输入轴转速降低（即）使换挡过程结束时高档齿轮可以啮合，参见公式（17），只要满足运动学不等式，就可以由ACL的扭矩完成。
考虑从i档升到i+1档的升档过程： ACL使输入轴的转速从变为。假定在换档过程中ACL扭矩（）是恒定的，那么瞬时的表达式由微分方程（17）的积分得到：
(18)
是为达到传动比要求在ACL的恒定扭矩作用下消除转速差所用的时间。
假设为发动机的最大扭矩的50%并且此时，由前述讨论可知导致有两个差距较大的值：在离合器分离的情况下只为几毫秒，而当发动机与输入轴通过离合器接合时，较为合适。
现在可以计算在升档过程中由ACL恒定扭矩作用下平均惯性（或同步）功率：
(19)
必须指出，惯性矩与的值及离合器接合无关。
由ACL驱动的输出轴平均净功率为：
(20)
而离合器上的平均消耗功率为：
(21)
图6显示了在各种升档操作过程中输入轴转速的作用下三种平均功率的值。可以从一档→二档直到四档→五档的示意图中观察到。
●传动比减少时传递到输出轴上的功率增加；
●因为比值增加，惯性功率略有增加；
●由于离合器主从动盘之间的滑磨减少损耗功率减少。
所有这些功率的值与输入轴转速成正比。

最后，可以求传递到车轮的扭矩：
(22)
显然其直接影响车辆的加速度。
值得注意的是扭矩与车辆的速度和齿轮啮合无关；然而，在扭矩传递过程中（见式（18））转动惯量和输入轴转速成正比。
根据前述的假设，如果离合器分离，传递扭矩的时间极大的减少，可以认为操作中ACL是无用的。相反，如果离合器接合后，由于发动机和飞轮附加的惯性，即使发动机扭矩设定为零，在升档过程中的扭矩传递仍可以持续一个快速换档的时间。由于在降档过程中输入轴转速必须在同步阶段增加，而单独的使用ACL的作用是减速，所以在这种情况下，变速器不能够补偿扭矩差。
5.2 ACL和发动机
如果在换挡瞬时可以利用发动机扭矩，则系统可以更加灵活和容易控制。表达式（20）和（21）中的功率平均值和不变，则惯性功率为：
(23)
如果发动机的扭矩大于ACL扭矩，这种同步功率现在可以从负（在升档过程中释放积累的动能）变为正（降档期间存储动能）。因此，发动机和ACL协调使用可以有效地管理升档和降档过程。
可以由用于升降档时输入轴转速要求的同步时间，计算发动机和ACL之间固定扭矩差：
(24)
例如，假定驾驶员操控油门踏板70%位置使传动系统扭矩不变，完成一个一档→二档升档过程或二档→一档降档过程。图7表示了发动机和离合器的扭矩保持不变，满足同步过程需要。这张图可以用来计算固定车速和发动机扭矩不变，使同步过程在内完成所需的ACL的参考扭矩。

6.模拟结果
为了模拟如图8所示从一档到四档一系列的升档过程的加速控制策略，以一个完整的车辆模型的动力传动系统为模型建立运动学和动力学方程。
通过在换挡过程中对离合器和发动机的一个简单的控制得到模拟结果：更明确ACL的开环梯形的扭矩曲线，发动机扭矩是由一个基于输入轴的实际的转速和下一个档位（所需的）转速之差的标准PID控制来调节：
(25)
(26)
是发动机所需扭矩。当角速度误差足够小时，可以通过相应的同步器接合套换档得到下一个传动比。当发动机转速达到通常为3500 rpm的阈值时，可以开始升档操作。
为了证明所提出的ACL-AMT变速器的优点，也对同样的车辆参数和驾驶员的操作的传统的手动变速器进行分析，图9显示了手动变速器的发动机扭矩，实际档位和车辆加速度。

比较图8和图9所示的结果，明显可见降低了扭矩差和动力性和舒适性都有提高。实际上由于ACL驱动，当无齿轮啮合时（如图8实际档位= 0），车辆加速度并没有像手动变速器那样降为负值，而是保持在所有的同步阶段加大约在平均。对于一个有固定扭矩的ACL的车辆，其加速度的值几乎与相应的换档无关。
7.结论
从AMT-ACL变速器几种可能的状态分析，辅助离合器可以用于以下情况：
●升档—在每个换档过程中，ACL允许向车轮传递扭矩时，正在啮合的齿轮脱离啮合并且驱动输入轴达到所需的新的转速；同步器只有在最后阶段起作用并且主离合器一直处于接合状态（除了从静止状态启动时）；
●加速过程中降档（强制降挡）—即动力降档，在输入轴与发动机的同步过程中，ACL可以通过补偿或减小扭矩差来使车辆加速；
●汽车在释放油门踏板时发动机的制动作用可以通过ACL介入来改善：实际上，当齿轮啮合，由于主从动盘之间的转速差的正负，辅助离合器的扭矩与发动机的摩擦力矩正负号相同，所以ACL可以从输出轴得到扭矩，可改善发动机的制动作用。
最后，这是值得观察，在制动降档过程的操纵中，不需要向车轮传递驱动扭矩，因此只需像操纵一个传统的手动变速器一样执行换档过程，最好不要使用ACL。
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译文原文出处：Mechanical Systems and Signal Processing 25 (2011) 1877–1886
《机械系统与信号处理》 25 (2011) 1877–1886
E. Galvagno, M. Velardocchia, A. Vigliani
都灵理工大学-机械工程学系，C.so Duca degli Abruzzi, 24, 10129 Torino, Italy