第1章 绪论
1.1自动变速器综述
变速器是车辆的重要动力总成之一，其主要作用是，传递发动机转矩，并在此过程中不断调整传动比，增大驱动轮转矩和转速的变化范围，以适应经常变化的行驶条件，从而获得驾驶员所需的车辆驱动力；此外，变速器还能实现车辆倒退行驶，以及中断动力传递[1]。伴随着汽车技术的出现与发展，变速器历史亦已源远流长。目前，主要车辆变速传动装置有传统手动固定轴式变速器（MT: Manual Transmission）、液力机械自动变速器（AT: Automatic Transmission）、自动机械变速器（AMT: Automated Mechanical Transmission）、无级变速器（CVT: Continuously Variable Transmission）、双离合器自动变速器（DCT/ DSG: Dual Clutch Transmission/ Direct Shift Gearbox）、无级变速机械式自动变速器（IVT: Infinitely Variable Transmission）、电传动装置（EVT: Electrically Variable Transmission）、液压机械传动装置以及变矩器离合器式变速器（TCCT: Torque Converter Clutch Transmission）等[2,3,4,5,6]。除手动变速器外，上述其余部分均具备一定程度的自动变换速比能力。AMT 是在原 MT 的基础上增加自动变速操控系统（ASCS: Automatic Shift Control System），使车辆传动系统实现自动或半自动换挡，ASCS 具有电液、电气和电机等多种控制形式，AMT 既保留了 MT 结构简单、传动效率高和成本低等优点，同时，也继承了 MT 换挡期间存在动力中断、乘坐舒适性不高等缺点[7]。由于 AMT 降低了驾驶员的劳动强度，因而特别适合挡位众多的重型商用车辆，以及对乘坐舒适性要求不高的乘用车，此外还适用于混合动力或纯电动等新型能源车辆[8]。
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1.2大功率行星液力机械自动变速器技术及发展
液力机械自动变速器（AT）具有起步平稳、缓冲减振、自动适应外界载荷、提高车辆动力性等优点，因而特别适合载重、越野或特殊用途的重型车辆，因此，大功率AT 应运而生。需要指出的是，目前行业内并无明确的 AT 划分标准，此处将标定输入功率大于 200 kW 的 AT 定义为大功率 AT。大功率 AT 一般有定轴式和行星式两种结构，其中行星式 AT 以其结构紧凑、功率密度高而应用普遍，也是本课题研究的对象。在发达国家的重型车辆、工程车辆和特殊用途车辆等领域，大功率行星液力机械自动变速器应用十分普遍，也相应催生了一些专业的相关制造商。Allison 公司于 1915 年发轫于美国印第安纳波利斯，自 1946 年成立变速器分部以来，经过近七十年的发展，Allison 公司已经成长为世界大功率 AT 制造商的典范，其变速器产品也发展到了第五代[39,40,45]，其中，第五代电控系统对其软硬件进行了系统升级，并内嵌了一个全新的倾斜仪，能够提供最优换挡策略、实现更好的燃油经济性和整车性能。Allison 变速器按应用领域可分为客车系列、消防车系列、公路系列、油田系列、越野系列、矿山系列、牵引车系列及特殊用途系列等，按基本型号或结构特点则可分为公路型（含 1000、2000、3000、4000 系列），非公路型（含 5000、6000、7000、8000、9000 系列）和军用型三类。自 1970 年代进入中国市场以来，目前，Allison变速器早已遍布中华大地的矿山、油田、公交、水利工程、港口以及消防系统等。
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第2章 动力传动系统建模与换挡过程分析
构建描述车辆动力传动系统瞬态动力学行为的数学模型一直以来都是车辆纵向动力学研究的重点内容之一。根据课题研究内容，为提高车辆变速器 TCM 的开发效率，节约成本，本章动力传动系统建模围绕行星变速器进行，基于动力传动系统模型进行换挡过程动力学分析，研究行星变速机构的构件在换挡过程各个阶段中转矩、角速度等状态的变化及因果关系，为换挡过程缓冲控制模型奠定基础；同时，从运动学角度对变速器挡位构成、起步前的空挡预结合状态以及摘空挡过程等进行分析，为相应换挡控制提供理论依据。
2.1 车辆动力传动系统
本文以图 2.1 中所示的三自由度行星变速传动装置为研究平台，动力传动系统包括发动机、液力机械自动变速器、分动器和整车负载，其中液力机械自动变速器包括液力变矩器、行星齿轮装置、电液换挡控制回路和换挡摩擦元件等子系统。为保证模型能够得以顺利建立并求解，同时又不丧失变速换挡控制本质特征，在此，首先做出以下假设：1）不考虑发动机和轴的扭振对系统造成的影响；2）作用在车轮的地面阻力保持不变；3）假设车轮是纯滚动；4）忽略湿式多片换挡摩擦元件的带排转矩；5）将各构件都视为无阻尼的惯性体；6）不考虑齿轮装置轴向受力及其影响；7）忽略润滑、密封造成的影响；8）忽略各运动副间的非功能性间隙；9）忽略轴的横向振动。
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2.2 动力源模型
发动机模型包括发动机输出和发动机动态特性两部分，如前所述，发动机动态特性不在本研究范畴，在此只考虑发动机的转矩输出。论文中重型越野车辆试验平台采用 BF6M1015CP 带电子控制调速器的涡轮增压中冷全程调速柴油发动机，可提高对道路的适应性。发动机为 90 °夹角 V 型 6 缸结构，缸径/冲程 132/ 145 mm，排量 12 L，压缩比 17，额定功率 334 kW（2100 r/min），最大转矩 1990 Nm（1200~ 1400 r/min），外特性主要参数如表 2.1 所示，万有特性如图 2.2 所示。本文以液力机械自动变速器为研究主体，故在此发动机特性采用稳态试验数据，忽略其动态特性，由于飞轮轴与变矩器泵轮轴通过扭转减振器相连，因此不考虑发动机扭振，并将发动机曲轴作为旋转刚体处理。根据数据拟合结果，发动机输出转矩可表示为油门开度和曲轴角速度的函数，考虑发动机-泵轮转动惯量的影响。
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第 3 章 执行机构换挡过程缓冲建模与分析.....47
3.1 换挡离合器分析与建模 ......... 47
3.2 换挡过程电液操控系统的建模与分析 ......... 56
3.3 本章小结 ......... 65
第 4 章 换挡过程分阶段缓冲控制建模.......67
4.1 基于油压估计的转矩相控制模型 ..... 67
4.2 惯性相滑模变结构控制模型 ....... 70
4.3 换挡过程缓冲控制仿真研究 ....... 76
4.4 本章小结 ......... 85
第 5 章 换挡过程缓冲控制试验研究及改进.....87
5.1 换挡过程缓冲控制试验研究 ....... 875
5.2 基于客观评价指标的换挡过程改进 ....... 96
5.3 本章小结 ....... 104
第5章 换挡过程缓冲控制试验研究及改进
5.1 换挡过程缓冲控制试验研究
换挡控制系统设计开发需要考虑系统匹配，包括液控系统匹配、电控系统匹配、系统软件匹配和诊断系统匹配等，其中，液控系统匹配根据控制功能和性能的需求，对以电磁调压阀为核心的换挡液控系统进行匹配设计，经匹配优化后设计的换挡过程液控系统如图 5.1 所示，图中的阀板总成包含了电磁调压阀、主控制调节阀和相应油路等结构，并在电磁阀上面加装了保护钢板。电控系统匹配旨在通过器件合理选型和配置，使开发的自动变速器换挡过程电控系统在满足换挡缓冲控制实时性和多任务等功能要求的基础上，还能保证系统开发的经济性和可靠性等要求，通过系统的合理选型与匹配，选用 32 位单片机作为电控系统的微处理器，并根据其外围扩展能力和试验自动变速器传感器、换挡执行器的特点，进行换挡控制模块硬件功能模块的划分和设计，匹配开发的换挡过程电控系统如图5.2 所示，换挡过程电控系统由 TCM、显示器、记录仪、换挡手柄和一些必要的外围传感器及电缆组成。系统上电初始化后（包含参数初始化和硬件初始化），程序根据当前任务执行状况，选择中断处理模块、子程序调试模块或主控程序模块三大模块之一运行，其中，中断处理模块由通讯模块、故障诊断模块和信号处理模块组成；子程序调试模块包含电磁阀调试模块、换挡测试模块、E2PROM 擦写测试模块和油压测试模块；主控程序模块是控制程序主体，包含空挡操控模块和非空挡操控模块两部分，空挡操控模块包含空位操控模块和摘空操控模块，非空挡操控模块包含起步挂挡模块、自动换挡模块、手动换挡模块、变矩器控制模块、拖车启动模块、制动模块、挡位选择模块、换挡过程模块和摘空操控模块等。
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总结
为突破技术瓶颈，实现大功率行星液力机械自动变速器国产化，提高我国在相应领域产品研发和技术创新的能力，课题充分调研国内外研究情况，采用某重型越野车辆试验平台，以大功率行星液力机械自动变速器为研究对象，以减少换挡过程冲击和能量损失、实现良好的挡位更换过渡为研究目的，对动力传动系统动力学建模、换挡过程缓冲控制建模、动力换挡、仿真和实车试验及换挡品质改进等关键问题进行了深入研究，全文总结如下：
1）对车辆动力传动系统进行建模分析。建立了整车传动系统模型，并对车辆动力传动匹配进行了计算分析；从运动学的角度对变速器挡位和空挡预结合状态进行了探讨；采用保守系统拉格朗日方程和集中质量法建立了 3 自由度行星变速器动力学统一模型，并通过稳态在挡计算和惯性相动态过程仿真对比分析了模型的正确性和精度；基于动力学统一模型，分别对制动器充油和旋转离合器充油的换挡过程进行了动力学分析，并计算了变速器在挡的旋转惯量，同时对升/降挡和 1 2/ 3 4 换挡过程进行了比较分析；动力学建模为换挡过程缓冲控制模型的构建提供了理论依据。
2）分析研究了换挡执行机构的缓冲特性。首先对换挡离合器结构进行了分析，指出排油背压阀和平衡活塞的设计能够有效提高换挡离合器活塞控制的精度，建立了换挡离合器统一模型，分析了主油压波动对换挡离合器缓冲控制的影响；其次，研究了换挡电液操控系统缓冲调压过程，建立了带排油背压阀的二级阀控系统缓冲调压阶段的二阶模型，并对准备相充油过程进行了计算分析。执行机构换挡过程缓冲建模与分析，为实现换挡过程缓冲压力的精确控制奠定了基础。
3）构建了换挡过程缓冲控制模型。为获得良好稳定的换挡品质，针对转矩相制定了基于涡轮轴转矩观测的换挡离合器油压估计方法，进而构建了转矩相闭环控制模型；通过泰勒展开对变速器换挡过程系统模型进行线性化处理，并将控制量进行分解，建立了以涡轮轴角速度等斜率变化的惯性相滑模变结构控制模型；搭建了 Matlab 仿真模型，分别实现了 1 2（制动器充油）、3 4（旋转离合器充油）换挡过程的仿真，仿真结果验证了换挡过程动力学分析和缓冲控制模型的正确性；最后通过设计变工况换挡过程仿真，研究了控制模型的鲁棒性。
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参考文献(略)