自动变速器单摩擦元件搭接换挡过程动态分析与最优控制

The research on improvement and innovation of vehicle automatic transmission is just unfolding. Power shifting relying on single friction clutch and the switching element (engagement sleeve / synchronizer / dog-clutch) overlapping is a new concept in vehicle transmission field. This scheme has high efficiency, low cost, small space and other advantages, but also brings forth newer and higher requirements for controlling. Focusing on single friction clutch overlapping shift process, it is proposed that improving the dynamics parameters identification from the finite element model by the nonlinear dynamic experiment on gear train. Then dynamic response on the switching element’s engaging or disengaging impact during the shifting process is studied and the index of impact’s function in the system optimization equation is reevaluated. It is explored to establish the Iterative algorithm with principle of the minimum and dynamic programming to realize the global optimal on whole shift process of variable structure conditions. It is put forward that evaluating workload based on application of modern dynamic signal analysis, which ensure the reliable of single friction element shift controlling. By accomplishing these missions, the fundamental research of overlap controlling between friction element and switching element offers the theory foundations for its application on automatic transmission in the future.

改进和创新车辆自动变速传动系统的研究工作方兴未艾。依靠单摩擦离合器与开关元件(啮合套/同步器/啮合式离合器)搭接实现动力换挡是今日车辆传动领域涌现的一个新概念，该方案具有高效率、低成本、小空间等优点，也对换挡控制提出了更高的要求。本课题以摩擦元件-开关元件搭接换挡过程为研究对象，提出利用齿轮传动系非线性动力学特性实验，完善从有限元模型提取动力学参数的辨识方法；研究在开关元件啮入、脱出冲击下换挡过程动态特性，重新评估冲击度指标在系统优化方程中的作用，提出结合极小值原理与动态规划法相结合实现换挡过程全局最优控制。提出基于动态信号分析评估传动系统传递载荷大小的新思路，保证单摩擦元件换挡控制的可靠性。为单摩擦元件搭接控制方式在自动变速器上的应用和产业化开发提供依据、夯实应用基础理论。

依靠单摩擦离合器与开关元件(啮合套/同步器/啮合式离合器)搭接实现动力换挡是车辆传动领域涌现的一个新概念，在传统汽车与新能源汽车变速器中有广阔的应用前景。本课题以纯电动汽车二档变速器为主要应用背景，深刻揭示摩擦元件-开关元件搭接换挡过程的传动机理。明确提出了一种基于伪谱法的一维非线性变结构控制过程优化方法，开展了换挡过程全局最优控制与多目标优化研究。通过利用齿轮传动系非线性动力学现象分析与实验，研究在开关元件啮入、脱出冲击下换挡过程动态特性，重新评估冲击度指标在系统优化方程中的作用。设计了层级式的总体控制架构与滑模观测器，在解决了换挡过程中开关元件啮入及啮出动作的最佳时间窗口的辨识问题的基础上，依托基于多阶段Legendre伪谱法实现了换挡轨迹全局规划问题快速且高精度的数值求解，实现了换挡过程转矩相、惯性相和转矩恢复相等阶段内多项复杂且交互影响的换挡性能指标的整体最优。经台架实验验证，升挡过程中在滑摩功减少的情况下实现角冲击度幅值下降大于50%；降挡过程中角冲击度和滑摩功可共同减小20%以上。课题组提出了一类全模式混合动力机电耦合方案，发挥开关元件体积小、效率高、可靠性好的优点，可以在狭小的空间里实现力矩耦合、功率耦合、完全解耦等多模式协同。该成果已在合作企业推广应用，进入A阶段样机实验。本课题工作为单摩擦元件搭接控制方式在自动变速器上的应用和产业化开发提供依据、夯实应用基础理论。