轿车自动变速器换挡品质研究

第１２期　

２０１３年１２月　机械设计与制造　

Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　１４１　

轿车自动变速器换挡　品质研究　

张青龙，高翔，徐阳，潘道远　

（江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江２１２０１３）　

摘要：为了提高液力机械式自动变速器的换挡品质，首先分析了换挡品质的评价指标，接着在对换挡过程进行动力学　

分析的基础上，建立了换挡过程的简化模型（该模型可直接应用于换挡品质的实时控制），并且提出一种新的离合器压紧　

力控制规律；然后运用ＩＴＩ　ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＸ建立了整车动力学模型。基于建立的仿真模型，分析了整车载质量、离合器压紧力　

变化梯度、发动机节气门开度的变化对换挡过程中，冲击度及比摩擦功的影响，获得了一些有益于提高换挡品质的结果。　

关键词：自动变速器；换挡品质；离合器压紧力；ＩＴＩ　ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＸ　

中图分类号：ＴＨ１６；Ｕ４６３．２２＋１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—３９９７（２０１３）１２—０１４１—０４　

Ｔｈｅ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｓｈｉｆｔ　Ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｏｆ　ａ　Ｃａｒ　

ＺＨＡＮＧ　Ｑｉｎｇ－ｌｏｎｇ，ＧＡＯ　Ｘｉａｎｇ，ＸＵ　Ｙａｎｇ，ＰＡＮ　Ｄａｏ－ｙｕａｎ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅ　ａｎｄ　Ｔｒａｆｆｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｚｈｅｎｇｊｉａｎｇ　２１２０１３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｏｆ　ｓｈｉｆｔ　ｑｕａｌｉｔｙ，ｉｔ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　

ｄｙ，￣ｍｉｃ　ｓｈｉｆｔ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｔｈｅ　ｓｉｍｐｌｉｆｅｄ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｈ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｄｙｎａｍｉｃｓ　ｍｏｄｅｌ　ｂｙ　ＩＴＩ　

ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＸ．Ａ，　ｃｌｕｔｃｈ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｆｏｒｃｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｌａｗ　ｉｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅ１．ｉｔ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｖｅｈｉｃ￣　

ｌｏａｄ　ｑｕａｌｉｔｙ，ｔｈｅ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｇｒａｄｉｅｎｔ　ｏｆｃｌｕｔｃｈ　ｐｒｅｓｓｕｒｅｆｏｒｅ，ａｎｄ　ｅｎｇｉｎｅ　ｔｈｒｏｔｔｌｅ　ｏｐｅｎｉｎｇ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆｔｈｅｊｅｒｋ　

ａｎｄ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋ　ｏｆｓｌｏｐｉｎｇ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｈｉｆｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｉｔ　ｇｏｔ　ｓｏｍｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ｂｅｎｅｆｉｃｉａｌ　ｔｏ　

ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｓｈ　ｑｕａｌｉｔｙ．　

Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：ＡＴ；Ｓｌｌｉｆｔ　ＱｕａＫｔｙ；Ｃｌｕｔｃｈ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｆｏｒｃｅ；ＩＴＩ　ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＸ　

上　Ｉ百　

自动变速器运用于汽车已有几十年的历史，其眭能的好坏　

直接关系到车辆的性能。这其中，自动变速器的换挡品质［－　呢一　

个重要的性能指标。研究液力机械自动变速器的换挡品质，该自　

动变速器由带有闭锁离合器的液力变矩器［５－７］和行星齿轮机构组　

成，采用电液自动操纵系统。在分析了使用液力机械自动变速器　

的传动系统的基础上，建立了自动变速器换挡过程简化模型，并　

运用ＩＴＩ　ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＸ仿真软件建立了整车动力传动系统模型。通　

过仿真，易于获得所需的分析结果。　

２换挡品质评价指标　

２．１换挡时间　

换挡时间是反映汽车换挡品质的技术经济指标，‰引起的　

功率流中断使车辆速度下降，直接影响汽车动力性、运输生产率；　

且引发的大加速度变化率使乘坐舒适性变坏，传动系零、部件特　

别是离合器与同步器的寿命下降。　

由式（１）确定：　

＾　１村２＋ｔ３　由　式中：ｔｌ—换挡开始时，离合器分离及发动机减少供油时间；ｔ广摘　原挡位至空挡时间，为缩短“，在略迟后于ｔ　的条件下应与ｔ　

重叠进行；￡广－挂新挡时间；￡厂－接合离合器与增加发动机供　

油时间。　

ｔ　值主要是由被控制的变速器、离合器、发动机三者动作的　

正确时序所决定。　

２．２冲击度　

冲击度．，＿＿一车辆纵向加速度的变化率，它可把道路条件引起　

的弹跳和颠簸加速度的影响排除在外，从而真实反映了换挡冲击　

对人感受程度的影响。　

户争＝土ｉ争＝上　型　（２）ｏ　ｄ　ｉｊｏ　ｄｔ　￡　…　

式中：ｒ车轮滚动半径；菇一主减速比；ｔｏ：、　一变速器输出轴角　

速度、转矩；　为所有与输出轴固接构件等效到输出轴上的　

转动陨量；　辆行驶时的阻力矩。　

２．３离合器的比滑摩功　

比滑磨功　是滑摩功　与离合器的摩擦面积　之比，用下　

（１）　式表达：　

来稿日期：２０１３—０２—１７　基金项目：江苏省科技计划项目（ＳＢＹ２０１２２０１０１）；江苏省研究生培养创新工程项目（ＣＸＺＺ１１＿０５７８）　作者简介：张青龙（１９８８一），男，江苏涟水人，硕士研究生，主要研究方向：汽车自动变速器、车辆动力学；　高翔，（１９５３一），男，江苏涟水人，教授，博士生导师，主要研究方向：

汽车及零部件设计理论与研究方法　１４２　张青龙等：轿车自动变速器换挡品质研究　第１２期　

ｚ　＝　（￡）（　（　）　（ｆ））ｄｔ　ｌ　（３）　

式中：　（ｆ）—离合器接合时摩擦力矩增加规律；ｔｏ　（　）、　（￡）一即　

离合器的主、从动片的角速度。　

用２　评价离合器的寿命比用　更准确，１　越小，温升越低，　

寿命越长。但过低的ｆ　会同时引起冲击度　的升高。它们二者是　相互矛盾的，需要在控制中协调解决。　

３自动变速器换挡过程动力学分析　

自动变速器换挡的过程，就是两个离合器工作状态（结合一　

分离）交替转化的过程，即一个结合元件分离的同时接合另一个　

结合元件。以下的数学模型仅是针对该类型的自动变速器而建立　

的。　

变速器的换挡等效模型，如图Ｉ所示。输入和输出部分的转　

动ｌ贯量分别等效到辅助机械变速器的输入轴和输出轴上。在简化　

模型中，通常忽略相关零部件及支撑的弹性变形和系统的阻尼，　

并可认为换挡期间车辆的行驶阻力不变目。图中：ｃ　、ｃ厂＿在某换　

挡过程中改变结合状态的结合元件。低挡时ｃ．结合，ｃ　分离；高　

挡时ｃ　分离，ｃ２结合。　为与输入轴固接构件等效到输入轴上的　

转动惯量，五为所有与输出轴固接构件等效到输出轴上的转动惯　

量；　，、ｉ：为离合器ｃ，、ｃ：到输出轴的传动比；　．、　：为离合器ｃ。、　

ｃ：的扭矩；　＿车辆行驶时的阻力矩。　

换挡过程的数学模型为：　

ｆ　０　１ｆ幻ｒ１：『　一　ｔ—　１　（４）　１０　Ｊ＼

曲　／【一ＴＬ＋ｉ　．＋ｉ２　２　Ｊ　

当离合器处于滑摩状态时，结合元件的传递扭矩由控制压　

紧力　决定：　

＝ｓｉｇｎ（ｔｏｃ　尺　Ｆ　（５）　

式中：　－摩擦片的摩擦系数；　『＿等效半径；　空制压紧力；　０９　—结合元件上主动、从动片的相对转速。　

当两个结合元件ｃ。、Ｃ　都进入滑摩状态时，将式（５）代入式　

（４）即可。　

一　・Ｉ　一　一　＝＝＿－＿１　ｒ＿二　●　一ｔ１　

％｝　

龇【　

●　一　２　

—　一　一　

图１自动变速器换挡过程简化模型　Ｆｉｇ．１　Ｃｌｕｔｃｈ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｆｏｒｃｅ　Ｃｈａｎｇｉｎｇ　ｗｉｔｈ　Ｔｉｍｅ　Ｃｕｒｖｅ　当结合元件处于结合状态时，扭矩不能通过式（５）计算。在　

求解方程时补充一个条件，即：　

：　ｃ　当Ｃ。结合，Ｃ　滑摩时为：　（６）　曲　：　－　二　二　（７）　ｉａ＋ｊｏ　

．：　二　一　（８）　ｉ，．，ｌ　

变速器输出扭矩为：　

＝　五　（９）　

将式（７）代入式（９）ＨＩＩ可求出变速器输出扭矩。　

４自动变速器的换档品质控制　

换档品质控制是通过对结合元件在换档过程中的动作搭接　

时序、离合器压紧力变化规律以及发动机的扭矩控制实现的。发　动机的扭矩控制通常采用节气门控制、点火延迟和切断燃油供给　

等方法，目的是降低换档期间传动系统的扭矩，减少冲击。采用节　

气门控制改变发动机的输出扭矩。　换档过程中作用在结合元件上的压紧力决定了结合元件所　

传递的扭矩极限。适当的离合器压紧力变化规律能够起到减小输　出轴扭矩的波动、减小结合元件磨损等的作用。为提升换档品质，　

需要制定换档过程中相关结合元件的离合器压紧力变化规律。　换挡过程中，适度的减小节气门开度，并调节压紧力，可以　

获得更好的换挡品质。当前，关于离合器压紧力曲线的研究主要　

采用线性变化规律　，通过改变直线的斜率进行调节。但是，线　性变化规律不能满足换挡要求，采用其压紧力变化曲线，如如图　

２所示。　

图２离合器压紧力随时ｌ司变化曲线　Ｆｉｇ．２　Ｃｌｕｔｃｈ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｃｈａｎｇｉｎｇ　ｗｉｔｈ　Ｔｉｍｅ　

Ｆ（　）：Ｆ．ｆａｎｈｆ尘　１　（１０）　＼ｔ　，　式中：ｔ　一空行程时间；￡『『一压紧力建立时间　

５整车动力传动系统建模　

５．１　ＡＴ传动系统建模　

ＡＴ车辆传动系统主要由发动机、液力变矩器、行星齿轮机　

构、主减速器、车轮及车身等部件组成。　

ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＸ具有专门的Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ和Ｐｏｗｅｒ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　

库用于车辆传动系统建模与仿真，它包括了发动机模块、液力变　

矩器模块、离合器模块、行星轮系模块、主减速器模块、轮胎模块、　

车身模块以及传感器与信号模块等多种模块。　

发动机作为动力输出源，其特陛曲线，如图３所示。　

基于ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＸ的４挡ＡＴ传动系统模型，如图４所示。其　

中发动机模块可以由节气门开度和发动机转速转换输出扭矩；

液