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作者:徐向阳

出版社:机械工业出版社

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自动变速器电控系统及其应用软件开发技术

自动变速器电控系统及其应用软件开发技术试读:

前言

汽车自动变速器是集机、电、液、控于一体的汽车核心总成,是汽车行业公认的技术含量最高、工程化和产业化难度最大的汽车总成。我国是世界第一大汽车产销国,但不是汽车强国,核心总成技术空心化是制约我国汽车工业由大变强的最大障碍。我国自动变速器市场需求巨大,但市场、技术却被外资高度垄断,因此实现自动变速器的自主创新,成了几代中国汽车人共同的梦想。

在国家自然科学基金、国家科技支撑计划、重大科技成果转化等项目的支持下,我带领前置前驱8档自动变速器(8AT)团队,历时10年,产学研用协同创新,开展了扎实的基础研究和工程技术开发,突破了自动变速器“结构方案寻优、机电液精准控制和制造一致性”三大核心技术,成功开发了世界首款8AT及其系列产品,并与一汽、北汽、江铃等8家整车企业的18款车型实现配套。2016年,“前置前驱8档自动变速器(8AT)研发及其产业化”项目获得国家科技进步一等奖,这是迄今为止汽车行业获得的第三个国家科技进步一等奖,是汽车零部件获得的唯一的国家科技进步一等奖。

自动变速器电控系统及其应用软件作为自动变速器的核心,是自动变速器研发关键技术中的灵魂。自动变速器电控系统和软件的匹配标定技术与自动变速器的换档品质、可靠性、耐久性、动力性、经济型、驾驶性等主要性能密切相关。汽车电控系统,特别是电控系统软件一直是我国汽车工业最缺失的核心技术之一。迄今为止,国内还没有相关的科技文献系统研究自动变速器电控系统及其应用软件的正向设计开发技术。

鉴于此,我系统地总结了长期以来从事汽车自动变速器教学和科研工作所取得的理论研究成果,以及带领团队从事8AT研发工程中积累的工程技术经验,撰写了《自动变速器电控系统及其应用软件开发技术》。本书着眼于“工程化样机到量产级批量产品”的推广过程,对自动变速器电控系统及其应用软件产业化技术进行了系统的论述,形成了电控系统标准化、规范化的软硬件开发方法,继承性、可移植性的模块设计方法,以及实用性的换档规律和离合器控制策略、自动变速器下线标定及自适应算法,将为打破国外垄断的技术壁垒,攻克电控系统及其应用软件产业化的关键技术难题,实现自动变速器自主创新提供参考和帮助。本书所阐述的内容也是8AT项目研发过程中突破的三大关键技术之一。

特别需要说明的是,本书提出的开发流程、控制策略、控制算法等基本理论和方法、技术,不仅可以用于AT自动变速器的开发,对CVT、DCT、AMT等类型的自动变速器的开发也具有非常重要的参考价值,也是混合动力变速器、插电式混合动力变速器、电动汽车用自动变速器等新能源汽车用自动变速器或机电耦合系统总成电控系统及其应用软件开发的基础。

我的博士研究生戴振坤、鲁曦、郭伟、刘洋、程云江等为自动变速器电控系统及其应用软件开发技术的形成做出了重要贡献。盛瑞传动股份有限公司刘祥伍董事长、周立亭副董事长及盛瑞传动股份有限公司、江铃汽车集团公司等为本书的理论与方法的工程应用创造了非常好的条件。北京航空航天大学与盛瑞传动股份有限公司、江铃汽车集团公司等企业的产学研深度合作为本书的出版奠定了坚实的基础。在此,特别向刘祥伍董事长、周立亭副董事长及北航、盛瑞、江铃等8AT团队的所有成员表示特别感谢。

在8AT项目研发过程中,围绕相关理论与方法,原机械工业部何光远部长、中国汽车工程学会付于武名誉理事长、吉林大学郭孔辉院士、中国汽车工程学会李俊理事长、中国汽车工程研究院有限公司李开国董事长等国内著名的专家学者给予了非常专业的指导和帮助,也得到了科技部、国家自然科学基金委员会、山东省科技厅、中国汽车工程学会、中国汽车工业协会等单位的大力支持。在此,对曾经给予8AT项目关心和支持的所有国内外专家学者、配套企业、国家和地方政府、学会和协会等单位和组织表示特别感谢!

特别感谢国家出版基金对本书提供的支持!

希望本书的出版,能够为我国自动变速器、混合动力机电耦合系统和多档位电驱动总成传动方案设计的原始创新,为新能源汽车技术和产业的发展,尽微薄之力。2018年3月30日于北京航空航天大学第1章 绪论1.1 背景和意义

汽车自动变速器是集机、电、液、控于一体的汽车核心总成,是汽车行业公认的技术含量最高、工程化和产业化难度最大的汽车总成。自动变速器负责把发动机动力根据驾驶人的驾驶意图自动、高效、平顺地传递到车轮。自动变速器的性能与整车的动力性、燃油经济性、安全性、舒适性和操作便利性等密切相关,因此,自动变速器受到整车企业的高度重视,整车企业都把自动变速器技术作为其核心竞争力加以严格控制。

我国是世界第一大汽车产销国,但不是汽车强国,核心总成技术空心化是制约我国汽车工业由大变强的最大障碍。自动变速器就是我国汽车行业最大的软肋。我国自动变速器市场需求巨大,但技术以及市场被外资企业高度垄断。实现自动变速器的自主创新,是几代中国汽车人共同的梦想。

图1-1是近年来我国乘用车自动变速器市场占有率,可以看出,我国乘用车市场自动变速器市场占有率逐年增长。2015年,自动变速器市场占有率首次超过50%,达到51%。如图1-2所示,2015年我国自动变速器市场需求达到1078万台,超过1500亿元。然而据统计,我国自主生产的自动变速器市场占有率却不足3%,自动变速器市场和技术被外资高度垄断。[1]

自动变速器由机械系统、液压系统和电控系统三大系统组成。自动变速器电控系统及其应用软件开发是自动变速器研发的核心技术之一,是自动变速器控制及整车匹配的核心技术手段,贯穿于自动变速器开发的全过程。自动变速器应用软件开发的应用和推广,有利于实现发动机与自动变速器的通信和匹配、完善自动变速器换档逻辑和控制策略、优化换档离合器控制特性和换档品质、覆盖自动变速器由于装配和制造所产生的不一致性,以及补偿里程累积导致的硬件性能衰减等,从而满足不同客户对自动变速器匹配车辆在整个产品生命周期内的动力性、经济性、舒适性和安全性要求。图1-1 我国乘用车自动变速器市场占有率图1-2 我国自动变速器市场需求量

近年来,随着计算机技术及汽车电子技术的高速发展,自动变速器电控系统及其应用软件功能和算法日臻完善,自动变速器控制方式从液力控制逐渐向电液控制、智能化控制转变,电子控制在控制系统中的比重逐渐提高。自动变速器正朝着高效、节能、安全、舒适和智能化的方向发展。自动变速器装车率显著提高,装配自动变速器、搭载先进智能控制系统的汽车受到消费者的普遍欢迎。

自动变速器市场巨大的客户需求和经济效益,催生了自动变速器自主研发的快速发展。虽然国内主机厂和变速器供应商都在加大技术力量进行自主研发,但多限于机械及液压系统设计或逆向开发,电控系统开发大多依赖国际知名工程化公司或汽车电子技术供应商来完成软件编写及标定开发,仍然处于发展阶段。目前市场上基于自动变速器需要搭载的整车和匹配的发动机,进行相应的单一版本的自动变速器电控系统设计、试验及标定的费用,就在2000万元之多。高额的标定费用给整车厂以及自动变速器供应商带来了巨大的成本控制压力和经济负担。同时,由于缺乏自主研发和标定能力,企业在考虑新的自动变速器应用形式、发动机和液力变矩器更改选型以及新的搭载车型变更开发时,缺乏统一的控制软件平台、试验验证体系和标定优化流程,很难独立进行产品的系列研发及更新换代,难以适应日新月异的自动变速器技术潮流,在市场竞争中处于劣势。

近年来,国内高校和科研机构对自动变速器控制策略和理论算法也进行了相关研究,在多参数控制换档规律、液力变矩器闭锁滑摩策略、离合器接合油压优化以及换档策略的坡道识别、模糊控制、神经网络控制和智能方法控制等领域取得了一定的成果,但研究多限于针对基础理论进行控制策略的算法推导、模型开发、动力学仿真和在环测试及样车开发,缺少基于整车系统需求和边界条件考虑控制软件的通用性、可移植性、高效性、稳定性和实用性,以及考虑自动变速器批量下线标定方法和规模化的自适应方法,研究成果较难适应市场推广和产业化要求。

从2006年开始,在国家科技支撑计划、国际科技合作重大专项、国家自然科学基金等的支持下,北京航空航天大学徐向阳教授与盛瑞传动股份有限公司合作,带领双方研发团队,协同创新,历时10年,成功研发了世界首款前置前驱8档自动变速器(8AT),并实现了平台化、系列化产品开发和产业。2016年,“前置前驱8档自动变速器(8AT)研发及产业化”项目获得国家科技进步一等奖,这是迄今为止中国汽车工业获得的第三个国家科技进步一等奖,也是汽车零部件行业获得的唯一的国家科技进步一等奖。

自动变速器电控系统及其应用软件作为自动变速器的核心,是自动变速器研发关键技术中的灵魂,迄今为止,国内还没有相关的科技文献系统研究自动变速器电控系统及其应用软件的正向设计开发技术。鉴于此,本书系统总结了徐向阳教授长期以来从事汽车自动变速器教学和科研工作所取得的理论研究成果,以及带领团队从事8AT研发工程中积累的工程技术经验,着眼于“工程化样机到量产级批量产品”的推广过程,对自动变速器电控系统及其应用软件产业化技术进行系统的论述,形成了电控系统标准化、规范化的软硬件开发方法和继承性、可移植性的模块设计方法,以及实用性的换档规律和离合器控制策略、自动变速器下线标定及自适应算法,为打破国外垄断的技术壁垒,攻克电控系统及其应用软件产业化的关键技术难题,实现自动变速器的自主创新提供参考和帮助。1.2 自动变速器电控系统及其应用软件研究现状1.2.1 国外研究现状

随着汽车电子技术及控制技术的发展进步,自动变速器的控制技术和控制方式逐渐改变,电子控制在控制系统中所占比重逐渐增加,[2]自动变速器控制技术分为以下三个阶段:液力控制阶段、电液控制阶段和智能控制阶段。

20世纪30年代末到60年代初,自动变速技术处于液力控制阶段。1938年,液力自动变速器首先装于通用Oldsmobile车上,其操纵[3]机构和控制系统都是通过液压系统来实现的。液力控制的原理是:由若干个复杂的液压阀和油路构成的逻辑控制系统,通过反映节气门开度大小的节气门阀和反映车速高低的速控阀,按照设定的换档规律[4]控制换档执行机构的动作,从而实现自动换档。因此,此时的自动变速器几乎不需要借助TCU(Transmission Control Unit,即自动变速器控制单元)控制软件,仅通过液压系统即可完成自动变速器升降档的控制。

20世纪60年代末到90年代,自动变速技术处于电液控制阶段。1969年,法诺R16TA轿车自动变速器首先采用了电控换档技术。电子控制系统将控制参数(节气门开度、车速等)从相应的传感器中采集出来,通过控制系统内部控制算法,将控制信号作用于换档电磁阀,[5]从而控制液压换档执行元件的结合与分离,实现自动换档。随着电子控制技术的应用以及TCU雏形开始应用于车辆控制,大量国外学者开始从换档规律设计、液力变矩器闭锁控制、发动机转矩控制、离合器接合油压控制等不同领域研究自动变速器控制策略,为自动变速器应用软件的开发积累了宝贵的理论经验。

B.A.彼得罗夫提出了以车速和节气门开度作为控制参数的二参数换档规律,二参数换档规律引入了节气门开度参数,实现了驾驶人的干预换档,与单参数相比,整车的动力性、经济性和换档品质有了较[6]大的提高,在自动变速器应用软件的工程应用中被广泛采用。[7]Schwab研究了基于状态机理论的液力变矩器闭锁策略控制方法,充分考虑自动变速器油温、制动力矩大小等车辆运行参数和驾驶人意图对闭锁点的影响,完善了复杂工况下的液力变矩器闭锁策略。[8]Nakabe等结合闭锁离合器结构和摩擦片材料特性,对闭锁离合器结合过程中转矩传递随结合时间的变化特性进行了详尽的分析。[9]Kono、Itoh等通过对液力变矩器闭锁、解锁过程进行动态仿真计算,研究分析了闭锁离合器操纵油压、充放油时间对闭、解锁特性的影响,[10-12]提出了较理想的充放油特性。Zabala、Lee M、Alain B等根据工程经验和PID控制(比例、积分、微分控制)理论,提出了换档过程[13]中发动机转矩控制和转速控制的相关方法。克莱斯勒公司在1999年发布新的自动变速器电控系统时,也通过考虑换档冲击度和离合器滑摩功产生的原因,对离合器接合油压和换档品质进行了优化控制。

20世纪90年代末开始,自动变速技术进入电子控制的智能控制阶段。自动变速器应用软件开始大量采用模式识别、模糊控制等智能[14]控制。Banstiana等对弯道情况的档位选择问题进行了研究,设计了弯道模糊估计器,分析了运动型和一般型驾驶人在弯道运行时换档[15]的操作特征,制订了相应的控制规则。Weil等提出了一个档位决策的模糊专家系统模型,详细介绍了获取换档控制规则的方法,并进行了仿真对比分析,证明了该方法的优点。

智能换档控制系统在换档控制时考虑了行驶工况、驾驶人的操作意图和车辆自身性能状况,使车辆能像经验丰富的驾驶人一样自动换[16]档,满足车辆行驶的各种性能需求。如宝马(BMW)、采埃孚(ZF)和博世(BOSCH)公司合作推出的5HP-24自动变速器可以识别驾驶人的操作意图,从而选用相应的模式;同时,能根据当前行驶[17]工况对换档曲线做适当的修改。日本三菱公司的“Fuzzy shift 4AT”率先采用了“模糊控制”的概念。法国标致雪铁龙(PSA)集团和雷诺公司合作开发的自动变速器采用先进计算机控制和模糊逻辑技术,可以根据驾驶人及路况等多种因素选择最合适的档位。德国大众第三代自动变速器AG4变速系统能够根据行驶环境和驾驶人的驾驶[18-20]习惯自主进行档位选择。

目前自动变速器应用软件产业化关键技术的国外研究现状有以下几个特点。

1)随着汽车电子技术和控制技术的诞生和发展,自动变速器应用软件产业化开发在短短50年内取得了突破性的进展,经历了控制系统从液力控制、电液控制到智能控制的三个阶段,电子控制在控制系统中的比重显著增加,自动变速器应用软件对于实现自动变速器各种控制功能目标起到了越来越关键的作用。

2)自动变速器理论研究与自动变速器应用软件应用开发结合紧密。先进的控制理论,如换档规律参数化控制、液力变矩器闭锁滑摩控制、离合器接合油压控制理论都在第一时间应用于工程化应用和产品设计;同时通过积累工程控制经验,反过来进一步完善自动变速器控制理论。

3)动力传动系统匹配与协同控制日益受到重视。通过集成化、图形化建模和整车匹配仿真,确定液力变矩器变矩性能和能容系数;同时在自动变速器应用软件中增加发动机接口模块的控制设计,在换档过程中对发动机进行请求转矩减小或改变目标发动机转速的控制。

4)测试标定技术的应用替代了应用软件对传感器信号的依赖。由于电控标定技术的应用和发展,控制算法中不再依赖传感器采集的离合器转速、控制油压反馈信号等变量,而是通过标定生成的二维表格和曲线,在量产的TCU控制软件中采用插值查表的方式获得所需的控制信号,完成对目标系统的优化控制。爱信6AT以及采埃孚8AT电控系统均已取消压力传感器,速度传感器减少到两个,温度传感器和位置传感器分别减少到一个。

5)国外往往把自动变速器电控系统以及自动变速器应用软件开发的核心技术列为商业机密,进行知识产权的严格保护和技术封锁,防止源程序、源代码泄露;在相关的产品发布和学术交流中,也严格控制相关信息的释放。国外知名工程公司及汽车电子技术供应商在自动变速器应用软件开发中依然具有垄断性的优势地位。

6)自动变速器应用软件的开发模式趋于统一。基于V字形开发流程(简称V流程)的经典开发模式日益得到TCU开发商的认可。从功能设计和离线仿真、快速控制原型、自动代码生成到TCU测试和整车标定,都采用通用的开发步骤和软件工具。Mathworks、dSPACE、Vector公司软件开发、试验和标定工具功能强大、通用性好,极大地节省了工程时间,使用户集中精力关注应用软件的开发,因而得到广泛使用。

7)自动变速器应用软件模块化、标准化设计和通用性、可移植性显著增强。针对不同整车目标功能和需求定义,控制软件开发越来越趋向模块化。模块划分更加明确,其独立功能也更加强大。模块化开发也为软件移植和继承提供了条件,经过合适的I/O接口修改和较少的控制逻辑调整,就能很好地运用于新产品的开发。1.2.2 国内研究现状

由于国外的技术封锁和国内有限的电控系统设计开发能力,自动变速器应用软件工程化一直是国内汽车自主创新、自主制造的瓶颈,成为阻碍中国汽车工业成长的主要障碍之一。近年来,国内高校、科研机构、主机厂、自动变速器供应商通过吸收国外先进经验,进行人才交流、技术转移和自主创新,国内在自动变速控制技术理论方面的研究取得了很多成果。

吉林大学葛安林教授较早在国内开始自动变速器控制理论的深入[21-23]研究。葛安林等在发动机动态试验数据的基础上,提出了以车速、节气门开度和加速度为控制参数的动态三参数控制规律,试验结[24]果表明,该规律优于静态的两参数换档规律。闫磊基于工作油泵消耗功率变化对换档策略的影响,提出了以车速、节气门开度、加速度和油泵压力为控制参数的四参数换档控制规律,计算机仿真结果表明更加符合工程车辆的实际情况。清华大学张俊智教授提出了边界点换档规律、动力性换档规律确定的动态驱动力法和经济型换档规律的[25]节气门开度法和车速法。

国内在先进控制理论应用于自动变速器控制策略方面也取得了许多研究进展。基于传统的换档规律,参考优秀驾驶人的换档操纵经验,综合考虑驾驶人类型、驾驶人意图、行驶环境和汽车的行驶状态,利用模糊控制和神经网络技术等智能控制技术,生成一个可使动力性、燃油经济性、废气排放和其他性能达到综合最优且符合驾驶人意愿的[26-28]换档规律。秦贵和等将路面和驾驶人意图分为良好路段、颠簸路段、加速和停车等典型工况,首先求出各典型工况较佳的换档规律,然后利用易于测量的车辆的状态参数,依据模糊推理方法,形成一个描述路面特征、驾驶人意图和车辆状态的模糊集合,求出当前状态与[29]各典型工况的贴近度,计算得到最终的档位数值。葛安林等在综合国内外对驾驶人类型、驾驶人意图和行驶环境(路段、路况和路形)实时识别研究成果的基础上,提出由路段和路况识别信息建立标准行驶工况的换档规律,按照驾驶人的类型进行标准换档规律的个性化处理,并依据路形、驾驶人意图识别的结果,进行局部信息占优再修正,获取最佳的换档规律。

液力变矩器闭锁点的控制有单参数控制和双参数控制两类。比较常见的控制方案采用节气门开度、涡轮转速两参数或节气门开度、车[30]速两参数进行液力变矩器闭锁策略控制。马超、项昌乐等对两参数闭锁点进行了优化计算,综合考虑了闭锁前后发动机转速突降造成的惯性能量的释放以及闭锁前后变矩器输入输出转矩的变化,在二者最优解之间通过目标规划法建立目标函数并寻优得到较为合理的闭锁[31]点。盛瑞传动股份有限公司研究了基于状态机理论的液力变矩器闭锁策略控制方法,充分考虑自动变速器油温、制动力矩大小等车辆运行参数和驾驶人意图对闭锁点的影响,完善了复杂工况下的液力变矩器闭锁策略;针对传动系统工作工况的复杂性及其非线性引入了一些先进的技术,如模糊控制技术、人工智能技术等,并且现今已经开[32-36]始研制闭锁离合器全域闭锁的控制方法。[37]

胡建军、秦大同等结合闭锁离合器结构和摩擦片材料特性,对闭锁离合器结合过程中转矩传递随结合时间的变化特性进行了详尽[38]的分析。过学迅、郑慕侨等通过对液力变矩器闭锁、解锁过程进行动态仿真计算,研究分析了闭锁离合器操纵油压、充放油时间对闭、[39]解锁特性的影响,提出了较理想的充放油特性。孙旭光、项昌乐通过对传动系统力学模型和数学模型的研究,总结了闭锁过程中建压、预压及压力急升三个阶段的滑摩转矩和充油压力的变化控制规律。

国内在TCU、ECU(电控单元)通信标定开发等领域,也取得了相应的研究成果。许多文献基于不同的通信协议、硬件接口和传输方[40-41]式,对在线监测与标定平台设计进行了研究。吴艳、王丽芳等借助LabVIEW软件平台实现双向数据传输,开发出基于USB接口的CAN(Controller Area Network,控制器局域网络)总线数据采集和ECU标定系统,同时具有CAN总线和USB通信优点,适用于多种场合[42]的数据采集和标定。钟军、冯静等依据ISO9141电气标准组成接口电路,选用KWP2000故障诊断串行通信协议,在仿真器上实现ECU与标定计算机的通信试验。国内也已经将基于CCP(CAN Calibration Protocol,即基于CAN总线的匹配标定协议)的标定技术逐步运用于汽车电控系统开发,开发出相应的标定平台。清华大学最早基于CCP协议开发了混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle,HEV)[43]用的标定系统,吉林大学将CCP协议运用于汽车AMT(电控机械[44]自动变速器)的开发,重庆邮电大学开发了基于CCP协议的燃气[45]发动机标定系统。

但是在自动变速器应用软件工程化方面,国内与国外还存在巨大[46][47][48][49]的差距。张泰、葛安林、徐进军、陈永东等虽然都进行了TCU控制策略的研究,吉林大学也率先将智能控制理论应用到工程机械中,研制出推土机和轮式装载机的模糊换档系统,但仅限于模型仿真、在环测试或样机调试,研究成果的工程化和量产仍需要做很多工作。

目前国内自动变速器应用软件产业化关键技术的研究现状有以下几个特点。

1)在自动变速器应用软件正向设计和开发技术的研究方面起步较晚,绝大部分研究文献和报道表明,国内还没有掌握自动变速器应用软件工程化开发的核心技术,尚不具备控制软件工程化和产业化的能力。由于缺乏自行研发和标定能力,国内企业在考虑新的自动变速器应用形式、发动机和液力变矩器更改选型以及新的搭载车型变更开发时,缺乏统一的控制软件平台、试验验证体系和标定优化流程,很难独立进行产品的系列研发及更新换代,难以适应日新月异的自动变速器技术潮流,在市场竞争中处于劣势。

2)在自动变速器控制理论研究方面与国外处于同等甚至领先水平。以葛安林、徐向阳、宋健、陈慧岩、项昌乐、吴光强、秦大同、周云山、过学迅等专家为代表,在自动变速器换档规律、闭锁控制、换档品质优化等研究上做出了杰出的贡献。国内率先提出了换档规律三参数、四参数控制方法,在模式识别、模糊控制以及神经网络控制理论应用于自动变速器控制策略方面,也走在了世界前列。

3)大多基于传统控制理论和算法对自动变速器控制策略进行研究,强调理论深度和算法创新,往往忽略了应用软件的工程化要素。开发的控制软件代码冗长,通用性、可移植性、鲁棒性和实用性较差。

4)国内同样沿用国际经典的V模式流程对控制策略进行研究,但由于产学研相互脱节,没有工程化项目作为依托,代码生成工具、在环测试系统、标定设备的缺乏和参与者工程化经验不足,研究大多仅限于功能设计和离线仿真、快速控制原型开发阶段,缺乏对控制软件的测试、验证和标定优化。

5)自动变速器应用软件产业化的关键技术是自动变速器终端下线标定和自适应控制策略。由于行业发展的薄弱,国内在这两方面系统的总结和应用相对较少。成功研发出适用于量产产品的应用软件程序者更是寥寥。1.3 本书主要内容

本书以作者团队研制开发的世界首款前置前驱8档自动变速器(8AT)及其搭载匹配的目标车型为研究对象,介绍团队自主开发的自动变速器电控系统及其应用软件开发的关键技术,介绍具备模块化、标准化、通用性、可移植性、稳定性、高效性和实用性的自动变速器应用软件开发方法。其主要内容如下。

第1章,简要介绍了国内自动变速器技术和市场发展状况,以及自动变速器电控系统及其应用软件技术国内外研究现状。

第2章,对世界首款前置前驱8档自动变速器的结构原理进行了简要介绍,包括机械系统组织、换档逻辑、液压系统原理、传感器设计等,这是电控系统及其应用软件开发的基本设计输入,为后续内容提供基础。

第3章,介绍电子控制系统软硬件构成、开发流程和开发工具。从控制软件的模块化、标准化、通用性、可移植性、鲁棒性、高效性和实用性设计的角度出发,完整、系统地阐述自动变速器控制策略的工程化开发理论并完成应用软件功能模块设计。

第4章,提出了自动变速器换档控制参数和换档规律,最佳动力性及最佳经济性MAP图生成方法,对换档图进行不同驾驶工况和模式的动力性、经济性优化分析方法。

第5章,提出了修正转动惯量的概念,基于带速度约束的第一类拉格朗日方程,采用不同坐标数的建模方法建立了简单负号行星排的动力学模型;通过相互对比建立等式,提出了转动惯量系数使其与行星轮转动惯量呈线性关系;最后成功推导出了修正转动惯量的计算公式。为了后续离合器到离合器换档控制策略的理论分析,提出了动力传动系统仿真分析模型的架构,并介绍了发动机模型、变速器模型、离合器模型、液力变矩器模型和路面阻力模型的搭建方法。

第6章,研究离合器对离合器式换档过程控制方法和换档时序设计,介绍换档过程机械变速系统的动力学建模与仿真方法,把换档类型归类为有动力升档、有动力降档、无动力升档和无动力降档四种基本换档类型,详细分析了这四种基本换档类型的换档控制基本原理、控制方法和模型仿真。

第7章,针对离合器到离合器换档过程控制的四种基本换档类型,根据不同换档类型的特点,提出了不同换档类型的分阶段控制策略,并研究了各个阶段的控制算法。

第8章,提出了基于四种基本换档类型控制策略在不同控制阶段的改变驾驶意图控制策略,分析了改变驾驶意图控制策略的理论原理及实车应用。

第9章,介绍了自动变速器自适应控制理论和自适应学习策略,详细分析了有动力升档、有动力降档、无动力升档、无动力降档四种典型换档类型的自适应控制策略。

第10章,提出了自动变速器下线测试方法,结合变速器的特性、软件的控制要求、测试台架的功能,定义变速器的电流压力特性参数、转矩压力特性参数、充油时间特性参数、闭锁结合点特性参数的测试方法,并对终端下线标定测试方法进行优化。

第11章,研究电控系统应用软件离线仿真和代码实现方法,对软件分级分系统测试方法进行研究,提出了软件在环和硬件在环仿真测试方法,论述了对软件进行功能及匹配性能验收、客观评价、效率和可靠性验证并实现软件发布的方法。第2章 前置前驱8档自动变速器基本结构原理

自动变速器电控系统通过传感器获取自动变速器工况信息和驾驶意图,并按照一定的换档规律和控制策略控制电磁阀来控制液压系统,按照预先设计的换档逻辑,控制相应的离合器结合和分离,从而实现换档控制。因此,在进行电控系统及其应用软件开发之前,必须先对自动变速器的机械系统、传动方案、换档逻辑、液压系统等进行系统的了解,这是电控系统及其应用软件开发的最基本设计输入。2.1 8AT机械系统基本结构

8AT机械系统由油泵、液力变矩器、离合器、制动器、行星齿轮机构、换档操纵机构、差速器、壳体等组成,如图2-1和图2-2所示。图2-1 8AT机械系统主要组成部分图2-2 8AT机械系统详细的部件构成

8AT机械系统布置方案和结构如图2-3所示,其主要特点是4自由度“行星齿轮传动+定轴齿轮传动”复合传动、双轴布置,由三个行星排、三对圆柱齿轮和五个换档控制元件(一个制动器和四个离合器)组成,每根轴上都有行星排,行星排构件之间的连接是通过换档元件和定轴齿轮实现的。图2-3 8AT机械系统布置方案和结构

8AT各档位传动比如表2-1所示,可以看出此款变速器的档间传动比设置合理,并且总传动比的变化范围较目前市场上的4、5、6档自动变速器更大一些,这将为变速器提供良好的匹配和适应特性。另外,由于采用了三对定轴齿轮,定轴齿轮的传动比非常容易调整,因此,该方案可以很容易地实现传动比的调整,使传动比范围可以在6~10之间,根据匹配车型需要进行调整。三对定轴齿轮的引入,使功率传递可以实现多路传递,从而每一路传递的功率都比较小,进而有利于把变速器设计得更加紧凑和轻量化。表2-1 8AT各档位传动比

表2-2是8AT的换档逻辑图。五个换档控制元件中,B1为制动器,C1~C4为离合器。从表中可以看出,在每个档位运行时,五个换档控制元件中有三个闭锁,只有两个打开,这有利于降低带排损失,提高传动效率。为了提高换档品质和换档响应速度,自动变速器换档时,最好能够实现“简单换档”,即只需要打开一个换档控制元件、闭合一个换档控制元件,就可以实现换档。从图2-4和表2-3可以看出,8AT的换档逻辑不仅能够保证两个相邻档位间的换档都可以实现“简单换档”,而且隔一个档位之间的跳降档也可以实现“简单换档”。这是这款自动变速器的特点之一,而双离合器变速器(DCT)因其自身结构特点决定了无法实现这一功能。另外,其换档逻辑还可以实现其他多种情况下的“简单换档”,这是目前市场上的其他自动变速器难以做到的。灵活的简单换档逻辑,也为自动变速器电控系统应用软件开发提出了新的挑战,电控系统应用软件必须能够充分发挥其灵活的简单换档逻辑。表2-2 8AT换档控制逻辑注:●表示换档控制元件闭合。图2-4 简单换档逻辑表2-3 8AT简单换档逻辑注:●表示相邻档位之间可以实现简单换档;Δ表示相隔一个档位之间可以实现简单换档;■表示相隔多个档位之间可以实现简单换档。

为了实现上述换档的可能性,并提高换档舒适性,需要合理地设计8AT液压控制系统,并通过仿真对其进行验证和优化,为样机试验和标定奠定良好的基础。液压控制系统是现今各类自动变速器中最为重要的组成部分之一,在自动变速器机械结构设计合理的情况下,行驶、换档舒适性往往通过液压和电控系统来保证。2.2 8AT液压系统功能原理

从图2-3可知8AT的执行元件主要由4个换档离合器、1个换档制动器、带闭锁离合器的液力变矩器构成,故在设计8AT液压控制系统时不仅需要考虑换档操控油路的设计,还要兼顾液力变矩器供油闭锁油路的设计,图2-5是液压控制系统的基本组成。图2-6为根据液压控制系统的功能需求设计的8AT液压控制系统符号原理图。8AT采用液压动力换档,通过液压操纵换档结合元件(离合器或制动器)的分离或接合来实现换档,液压操纵系统的基本组成和功能包括以下三部分:一是供油调压与流量控制系统,二是换档操控系统,三是变矩器供油闭锁控制及冷却润滑系统。在液压控制系统中,这三个子系统具有不同的功能要求,根据8AT的实际结构来提出其主要的功能要求,如图2-7所示。图2-5 8AT液压控制系统基本组成示意图图2-6 8AT液压控制系统符号原理图

注:此图由作者团队自主开发的软件导出,如有不符合国家标准的,请读者自行核对。图2-7 液压控制系统的功能要求2.2.1 供油调压与流量控制系统

油泵的供油流量应能满足换档操控系统、液力变矩器、润滑系统以及泄漏要求的最低流量。

为了保证在各种工况下满足液压控制系统的正常工作,液压控制系统需要提供具有相应压力和流量的液压油,通过系统主油路压力和系统流量控制阀体来实现主油压的调整和系统流量的分配。2.2.2 换档操控系统

1)自动换档功能:驾驶人通过变速杆操纵手动换档阀,使其处于某一杆位下(D或者R杆位),TCU根据实际工况所接收到的相关信息来控制操纵换档电磁阀的开关,间接操纵换档阀的阀位,通过油压操纵离合器/制动器的接合和分离来实现自动换档。

2)失效保障功能:当8AT电子控制系统出现故障、电磁阀失效时,汽车仍可通过手动阀操纵来实现安全回家档位,在电控系统失效情况下继续行驶。一般来说,电磁阀失效时,车辆应保持一两个前进档和一个倒档。

3)互锁功能:在8AT中有些接合元件相互间存在矛盾关系,不能同时接合。因此当自动变速器挂上某个档位时,必须对与之无关的接合元件进行锁止,否则会出现挂“双档”现象;同时,也要确保前进档和倒档之间的互锁。2.2.3 变矩器供油闭锁控制及冷却润滑系统

1)使液力变矩器保持正常工作温度:液力变矩器工作时会产生大量的热量,产生的热量必须被及时带走,否则液力变矩器中的液压油温度会急剧上升,这样液力变矩器很容易被烧毁,所以需要给液力变矩器供油,使工作液体循环,达到强制冷却的作用。

2)补偿液力变矩器工作液体的泄漏:变矩器是由泵轮、涡轮、导轮等部件组成的,是一个组合的密闭腔体,为了防止液力变矩器产生泄漏和“气蚀现象”,就必须保证液力变矩器中始终充满液体,并保持一定的压力。

3)闭锁离合器闭锁控制:8AT液力变矩器是带闭锁离合器的变矩器,通过对液力变矩器进行闭锁和打滑控制可以大大提高液力变矩器的工作效率。闭锁离合器接合和打开需要通过操纵液力变矩器内的液压油缸来完成。

4)冷却润滑作用:冷却润滑系统所需的液压油是通过变矩器供油与闭锁控制的阀体来控制提供的,冷却器连接在液力变矩器的出口端,液压油通过冷却器的冷却后进入自动变速器箱体内为机械部分进行润滑冷却,最后流入油箱。2.3 8AT电控系统组成与工作原理

自动变速器电子控制系统是指在自动变速器运行过程中,通过TCU控制器对各种能够描述车辆当前行驶状态的传感器信号(发动机负荷、汽车行驶速度等)的处理,分析判断出驾驶人意愿,进而主动调整自动变速器运转状态的智能换档控制系统,其工作目标是要使自动变速器在各种工况下都能按照预定的最优控制规律工作。由于电子控制系统代替了部分驾驶人的换档操作,有效降低了驾驶人工作疲劳度,简化了驾驶操作,提高了安全性,在一定程度解决了非熟练驾驶人的驾驶安全问题。8AT电控系统组成如图2-8所示,包括硬件系统、底层软件和应用软件三部分。图2-8 8AT电控系统组成

如图2-9和图2-10所示,8AT电控系统的硬件系统包括传感器、电磁阀、TCU本体、线束和插接器。8AT电控系统传感器包括压力、位置、速度、温度传感器四种类型。考虑到成本和可靠性,部分在开发阶段用于数据采集和监测的传感器,如发动机速度传感器、G5速度传感器以及换档离合器、制动器内部压力传感器等,会在量产阶段取消。

对于驾驶人来说,面对自动变速器电子控制系统的人机界面输入只有加速踏板、制动踏板、变速杆、运行模式按钮、点火钥匙五个区域。驾驶人的每一个动作会通过这五个区域命令的组合向电子控制系统发出控制命令。电子控制系统的硬件输入接口接到驾驶人的控制命令的同时,还会监视汽车、自动变速器、发动机等当前的运行状态,具体反映为各种传感器信号、CAN通信信号。

自动变速器电子控制系统的应用软件通过TCU底层驱动软件获取硬件输入接口的各种信息,以供应用软件内部各个信息控制模块调用。应用软件的各个控制模块协同工作并通过对输入信号的处理和判断,分析出驾驶人的驾驶意图以及当前车辆运行状况是否正常,进而依据分析出的驾驶意图给出下一时刻自动变速器各执行器的控制指令,向发动 机 的 EMS(Engine Manage-ment System,即发动机管理系统)模块发出发动机控制请求。图2-9 8AT外部传感器布置图图2-10 8AT内部传感器及电磁阀布置图

自动变速器电子控制系统的硬件输出接口通过TCU底层软件接受上层应用软件的控制指令,为自动变速器的各个执行器提供相应的电压/电流,同时通过CAN通信向发动机的EMS模块发出控制请求指令。最终,发动机会根据来自自动变速器电子控制系统的CAN请求指令执行升、降矩动作,自动变速器将完成升、降档或保持档位动作,液力变矩器将完成解锁/闭锁动作,从而根据当前行驶环境信息和车辆运行状态,实现驾驶人的驾驶意图,辅助驾驶人完成对动力传动系统的转矩和速比的控制。2.4 本章小结

自动变速器传动方案、换档逻辑以及机械系统和液压系统是电控系统及其应用软件开发的基本设计输入,本章介绍了前置前驱八档自动变速器传动系统的布置方案、机械系统的基本结构组成、换档逻辑、液压系统基本原理及各个子系统功能,在此基础上,提出了电控系统的基本组成和传感器、电磁阀等的设计布置方案,为后续应用软件开发奠定了基础。第3章 电子控制系统及其应用软件开发

本书中如无特殊说明,均指使用8AT团队自主开发的软件实现。3.1 电子控制系统的硬件构成3.1.1 通用性原型控制器平台

通用性原型控制器平台由输入信号电路(包括脉冲输入信号电路、模拟输入信号电路、开关输入信号电路、PWM输入信号电路等)、CAN通信模块电路、电磁阀驱动信号电路、PWM(脉冲宽度调制)驱动信号电路、继电器驱动信号电路和下线检测(End of Line,[50]EOL)终端标定通信模块电路等组成,如图3-1所示。图3-1 通用性原型控制器平台

脉冲量输入主要是速度信号,包括C4速度传感器、G4速度传感器、输出轴速度传感器。由于输入轴与行星齿轮排、离合器组及常啮合齿轮对的布置关系问题,无法直接安装速度传感器采集输入轴转速信号,故利用C4及G4速度传感器计算输入轴转速;此外,同时采集输出轴转速信号用于换档控制、速度真实性校验等。

模拟量输入信号包括油底壳温度传感器、主油路压力传感器、润滑油路压力传感器。利用油底壳温度传感器信号实时监测变速器内部温度最高值点的油温,以利于发送油温报警信号及实施限矩以减小变速器负荷等保护措施。基于主油路压力信号,利用主油路压力控制阀(Line Presure Control Valve,LPCV)实时调节主油路压力,使系统5在8~20bar(1bar=10Pa)压力工作范围内实现最佳经济性运行。润滑油路压力是下线检测时检验装配是否合格的重要指标。

数字开关量输入包括几类,其中驻车制动信号、制动踏板开关、点火开关等整车功能开关,用于驾驶人操纵意图、整车运行状态的监测,供应用软件控制策略使用。其他信号如冬季模式、运动模式开关信号,作为变速器采用高档起步、动力性等不同换档策略的判断标志。手动模式及加减档开关信号主要在驾驶人手动驾驶时使用。

PWM频率信号输入包括变速杆位置传感器,用于识别变速杆在P、R、N、D档位的位置。

电磁阀驱动输出包括调节主油路压力的主油路压力电磁阀、控制液力变矩器滑摩及闭锁的液力变矩器闭锁电磁阀、控制换档离合器及制动器执行换档动作的B1换档电磁阀、C1换档电磁阀、C2换档电磁阀、C3换档电磁阀和C4换档电磁阀。

PWM驱动信号输出包括用于客户安全驾驶功能的换档锁电磁阀和钥匙锁电磁阀。

继电器驱动信号输出包括变速杆位置在R档位时,驱动点亮倒车灯的倒车灯继电器和基于安全设计、由自动变速控制单元(Transmission Control Unit,TCU)控制的起动电动机继电器。

CAN通信模块包括用于开发阶段TCU应用软件数据采集和变量标定的标定CAN接口,以及用于车辆其他节点电控单元CAN通信的整车CAN接口。

EOL终端标定下线模块用于TCU读取终端下线标定时存储在外置芯片次级只读存储器(Sub-Read-Only Memory,SUBROM)中的变速器及阀体特性曲线参数(如离合器接靠点、液力变矩器转换点、电磁阀压力对电流特性曲线等),从而弥补变速器因制造及装配误差而带来的不一致性。3.1.2 TCU硬件系统设计

自动变速控制单元(Transmission Control Unit,TCU)通过传感器和CAN通信接口获取车辆和变速器的运行状态信息,通过控制软件运算,控制电磁阀等执行器执行响应的控制指令,使自动变速器工作在理想的档位。TCU由主芯片(微处理器)、输入信号处理电路、输出信号处理电路、CAN通信模块电路等组成,其中主芯片是TCU的核心。(1)主芯片 不同主芯片比选结果见表3-1。

综合考虑不同主芯片的特点和实际需要,最终采用Renesas SH725x微处理器作为主芯片,该芯片为32位高速处理器,片上资源丰富,是Renesas公司开发比较成熟的汽车级芯片。(2)电源模块 将汽车蓄电池12V电压转换为9V、5V和2.5V,为系统各模块供电,具有过温保护、过载保护、低压复位输出和看门狗功能。表3-1 不同主芯片比选结果

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