【摘要】：自動變速器是汽車的關(guān)鍵核心部件,對汽車行駛的動力性、平順性和燃油經(jīng)濟性有著重大影響。自動變速器傳動方案的改進和創(chuàng)新將極大地推動汽車技術(shù)的進步與發(fā)展。近年來,自動變速器中摩擦元件(如:摩擦片式離合器或制動器)與開關(guān)元件(如:單向離合器、犬牙式離合器、嚙合套或同步器)搭接換擋方式是車輛傳動領(lǐng)域中涌現(xiàn)的一種新型動力換擋方式。相比于摩擦元件,開關(guān)元件在成本、可靠性和響應(yīng)速度等方面具有顯著優(yōu)勢,采用開關(guān)元件替代自動變速器中原有的摩擦元件作為換擋元件可有效地提高傳動效率、降低成本和減小尺寸。本文將含摩擦元件與開關(guān)元件(Friction Componment to Switch Componment,簡稱F-S)搭接換擋的一類動力換擋有級式自動變速器統(tǒng)稱為FS型自動變速器,針對其F-S搭接換擋過程中的傳動系統(tǒng)動力學建模、換擋控制策略和狀態(tài)估計等關(guān)鍵技術(shù)問題開展研究工作,并通過換擋仿真與臺架試驗驗證了相關(guān)結(jié)論。本文主要的研究工作可概括如下:首先,以2擋F-S型自動變速器原型(簡稱2擋FST原型)為研究對象,闡述了FS搭接換擋機理,并分析了換擋過程中傳動系統(tǒng)的動力流變化,借此闡明了其無動力中斷換擋特性。建立了2擋FST原型包括低擋穩(wěn)定行駛階段(含轉(zhuǎn)矩相和轉(zhuǎn)矩恢復相)、慣性相和高擋穩(wěn)定行駛階段等在內(nèi)的動力學模型,以此為依據(jù)分析了F-S搭接換擋過程中動力源、換擋元件及主減速器輸出軸的轉(zhuǎn)速和傳遞轉(zhuǎn)矩的變化關(guān)系。針對F-S搭接換擋過程提出了一種層級式的總體控制架構(gòu),其中包括換擋軌跡規(guī)劃層、最優(yōu)前饋+反饋協(xié)調(diào)換擋控制層、執(zhí)行機構(gòu)控制底層和狀態(tài)估計反饋環(huán)節(jié)。其次,構(gòu)建了面向換擋軌跡規(guī)劃問題研究的2擋FST原型的簡化動力學模型,分析了換擋品質(zhì)的各主要客觀評價指標,并對換擋過程中兩種情況下的沖擊度加以區(qū)分:換擋過程中由動力源轉(zhuǎn)矩和摩擦元件傳遞轉(zhuǎn)矩的連續(xù)變化所引起的過程沖擊度和關(guān)鍵節(jié)點處由換擋元件接合狀態(tài)切換所引起的點沖擊度。為實現(xiàn)2擋FST原型換擋過程轉(zhuǎn)矩相、慣性相和轉(zhuǎn)矩恢復相等階段內(nèi)的動力性、平順性、耐久性和經(jīng)濟性等多項復雜且交互影響的換擋性能指標的整體最優(yōu),基于各階段內(nèi)的性能目標函數(shù)、狀態(tài)方程約束條件、過程約束條件和邊界約束條件以及階段間的連接約束條件等的分析,構(gòu)建了多階段、變動力學結(jié)構(gòu)且含復雜約束條件的換擋軌跡全局規(guī)劃問題。然后,基于最優(yōu)控制問題各主要求解方法優(yōu)缺點的分析與比較,選取多階段Legendre偽譜法(Legendre Pseudo-spectral Method,簡稱LPM)作為所構(gòu)建的換擋軌跡全局規(guī)劃問題的數(shù)值求解方法。詳細闡述了基于LPM求解含過程和邊界的等式及不等式約束條件的最優(yōu)控制問題的計算流程,并通過比較最優(yōu)控制問題離散形式下的最優(yōu)性一階必要條件和非線性規(guī)劃(Non-linear Programming,簡稱NLP)問題的KKT(Karush-KuhnTucker)條件,推導證明了LPM的協(xié)態(tài)映射定理,為檢驗最優(yōu)解的最優(yōu)性提供了有效途徑。以此為基礎(chǔ),闡述了基于多階段LPM求解多階段、變動力學結(jié)構(gòu)最優(yōu)控制問題的計算流程,同時推導了多階段LPM的協(xié)態(tài)映射定理�；诙嚯A段LPM實現(xiàn)了所構(gòu)建的換擋軌跡全局規(guī)劃問題的快速且高精度數(shù)值求解以得到了2擋FST原型的最優(yōu)換擋軌跡。再后,針對2擋FST原型換擋過程中的狀態(tài)估計問題,考慮了摩擦元件執(zhí)行機構(gòu)的動力學響應(yīng)和驅(qū)動軸的彈性變形等特性,構(gòu)建了面向狀態(tài)估計器設(shè)計的2擋FST原型傳動系統(tǒng)的狀態(tài)方程。為辨識F-S搭接換擋過程中開關(guān)元件嚙入及嚙出動作的最佳時間窗口,及為最優(yōu)協(xié)調(diào)換擋控制策略實時地提供待接合換擋元件主、從動部分轉(zhuǎn)速差的估計信息,基于滑模觀測器設(shè)計了換擋過程的狀態(tài)估計器。進一步分析了狀態(tài)變量估計誤差的動態(tài)特性,確定了狀態(tài)估計器中反饋增益系數(shù)的選取方法。最后,以純電動汽車2擋I-AMT(Inverse Automated Transmission)為研究實例,在AMESim軟件平臺上搭建了包括動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和車身等在內(nèi)的整車動力學仿真模型,并聯(lián)合MATLAB/Simulink構(gòu)建了換擋控制器和狀態(tài)估計器的仿真模型。設(shè)計并外協(xié)制造了一臺2擋I-AMT試驗樣機,以此為基礎(chǔ)搭建了F-S搭接換擋試驗臺架,并基于MATLAB/RTW工具箱編寫了試驗臺架的上位機測試與控制軟件。在多組工況下開展了F-S搭接換擋仿真與試驗研究,仿真與試驗結(jié)果表明:在換擋過程中,基于滑模觀測器設(shè)計的狀態(tài)估計器能較準確地估計狀態(tài)變量,實現(xiàn)了開關(guān)元件嚙入及嚙出動作最佳時間窗口的辨識;相比于線性換擋控制策略,所提出的最優(yōu)協(xié)調(diào)換擋控制策略能有效地減小輸出軸的轉(zhuǎn)矩波動、抑制換擋沖擊和延長換擋元件的使用壽命等。本文研究工作為F-S搭接換擋方式的推廣應(yīng)用做了相關(guān)技術(shù)準備,其中換擋軌跡規(guī)劃問題和換擋過程的狀態(tài)估計問題的研究也可為傳統(tǒng)的動力換擋有級式自動變速器,如液力式自動變速器(Automatic Transmission,簡稱AT)和雙離合器式自動變速器(Dual Clutch Transmission,簡稱DCT)的多摩擦元件間搭接換擋過程的研究提供理論參考。
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：U463.2
【圖文】：

的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1-1 所示。在換擋過程作動嚙入，而當前擋位的犬牙式離合器的變速器擋位切換過程中的無動力中斷特性式具有擋位切換迅速且執(zhí)行機構(gòu)能耗小在于：上述擋位切換過程是基于兩個犬傳動系的綜合阻尼較小，因此由目標擋位動和瞬時沖擊較大[31]。

圖 1-4 ZF9 速 AT 變速箱結(jié)構(gòu)示意圖[44]Fig.1-4 Structural layout of the ZF 9-speed AT[44]表 1-1 9 速 AT 的各個擋位下?lián)Q擋元件的控制組合 Control combination of the shift components in each gear of the ZF 9制動器 離合器 犬牙式離合

a）轉(zhuǎn)速變化 b）轉(zhuǎn)矩變化圖 2-5 2 擋 FST 原型升擋過程轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩的變化關(guān)系Fig. 2-5 Change of the speed and torque of the 2-speed FST during upshift2.3.2 降擋過程分析2 擋 FST 原型動力降擋過程中動力源、摩擦元件與開關(guān)元件的轉(zhuǎn)速變化關(guān)系如圖 2-

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本文編號：2753209