Investigación sobre el control del proceso de cambio de la transmisión automática

Dec 14, 2023

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 13054 (2022) Citar este artículo

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La calidad del cambio de una transmisión automática afecta directamente la comodidad percibida por el ser humano y la durabilidad de la transmisión automática. En general, la inconsistencia causada por errores de fabricación, cambios en el ciclo de vida u otros cambios en las características hidráulicas son la razón principal que afecta la calidad del cambio, que debe compensarse con un control adaptativo en el proceso de cambio. En este documento, primero proporcionamos un análisis en profundidad de la relación entre la corriente del solenoide proporcional, la presión del embrague, la velocidad y el par en el control del proceso de cambio. Luego proponemos dos estrategias de control adaptativo eficientes para la fase de par y la fase de inercia, respectivamente. Ambos algoritmos se prueban y verifican en un vehículo utilitario antidisturbios. Los resultados experimentales indican que las estrategias de control adaptativo propuestas en este artículo pueden compensar de manera efectiva el arranque del motor y el bloqueo del embrague de la fase de par, y mantener la fase de inercia dentro de un rango de tiempo adecuado.

En los últimos años, con el avance de la ciencia y la tecnología, los consumidores prefieren los vehículos equipados con transmisiones automáticas por sus ventajas de operación simple y gran torque. Para mejorar la economía de combustible de los vehículos, también está aumentando la demanda de la cantidad de engranajes de transmisión automática, lo que hace que el control del software sea más complejo y aumente la carga de trabajo de calibración. Al cambiar entre relaciones de transmisión, la unidad de control de la transmisión (TCU) debe sincronizar el acoplamiento del embrague entrante y el desacoplamiento del embrague saliente, este proceso se denomina control de cambio de embrague a embrague1. En un cambio de embrague a embrague2,3, la suavidad del cambio requiere una coordinación de tiempo entre las acciones de control que involucran los embragues de entrada y salida4. Cuando la presión hidráulica no se controla adecuadamente, el embrague se puede acoplar tan rápido que el conductor y los pasajeros pueden sentir un golpe, o tan lento que lleva mucho tiempo completar el cambio de marchas5. La calidad del cambio está directamente relacionada con la comodidad de la percepción humana y la durabilidad de las transmisiones automáticas. En general, la inconsistencia causada por errores de fabricación, cambios en el ciclo de vida u otros cambios en las características hidráulicas son la razón principal que afecta la calidad del cambio. Sin embargo, confiar en la calibración manual6 para garantizar una buena calidad de cambio requiere mucha mano de obra y es económicamente costoso, y no cumple con los requisitos de las leyes del mercado7.

En torno al problema central de mejorar la calidad de los cambios de las transmisiones automáticas, muchos investigadores se han centrado en la aplicación del control adaptativo. El control adaptativo puede ajustar los parámetros de control para sincronizarlos con las variaciones de las características físicas, de modo que pueda mejorar continuamente la calidad del cambio. Deok-Ho Kim et al.8 utilizan el sistema de inferencia neurodifuso adaptativo como supervisor y diseñan el esquema de compensación adaptativo basado en la investigación de las características de los turnos, mientras que este método lleva mucho tiempo para entrenar a los supervisores inteligentes utilizando datos experimentales seleccionados y el El algoritmo es sensible a los datos de entrenamiento. La literatura 9 se enfoca en el establecimiento de la estrategia de control iterativo difuso adaptativo, que contiene un controlador de lógica difusa de doble entrada y doble salida y un método iterativo discreto, para el proceso de llenado de embragues húmedos en AT. La implementación de este algoritmo es compleja y requiere hardware de alto controlador, muchos parámetros involucrados en el algoritmo dependen principalmente del empirismo. Jinrank y Seibum10 propusieron un método de estimación de par utilizando el modelo de fricción del embrague para realizar el control adaptativo del proceso de cambio, pero en la aplicación real del vehículo, el proceso de establecer el modelo a través de los datos de retroalimentación del sensor es complicado, y el modelo establecido es no es lo suficientemente preciso. La literatura11 propone tres estrategias de compensación adaptativa basadas en los parámetros relacionados con el coeficiente de fricción de la superficie del embrague, que son esencialmente las mismas que en la literatura10. Se centran en el análisis teórico y no describen los métodos aplicados a los vehículos reales. Literatures12,13,14 se dedica a compensar la influencia de las variaciones de construcción a construcción y las variaciones del ciclo de vida en el proceso de cambio mediante el análisis de la variación de las características de presión del embrague y el ajuste cuantitativo de la presión del embrague, pero apenas describen el proceso de control actual . En el proceso de control real, la corriente de la válvula solenoide es la parte más crítica como variable de salida directa del controlador, y la presión del embrague como variable de observación intermedia se ve afectada por el factor de acoplamiento variable, que es difícil de controlar cuantitativamente.

La mayoría de los algoritmos de control adaptativo propuestos en la literatura se basan esencialmente en la regulación del ángulo de presión y la identificación del modelo de fricción del embrague para controlar la salida de la curva de velocidad deseada. Sin embargo, limitado por la precisión de los datos recopilados y las características del propio sistema, el algoritmo de control adaptativo basado en la identificación del modelo de fricción del embrague tiene un rendimiento deficiente. Además, el sistema hidráulico es un sistema de acoplamiento no lineal de retardo de tiempo típico, y la estrategia de control adaptativo basada en el ajuste cuantitativo de la presión a menudo es difícil de realizar en la aplicación práctica. En aplicaciones prácticas, el sistema de control electrónico de la transmisión automática controla directamente la válvula solenoide y realiza el control indirecto de parámetros como presión, par y velocidad. Teniendo en cuenta el costo del vehículo y la complejidad estructural, los vehículos en el mercado generalmente no tienen medidores de par y sensores de presión instalados, sino solo los sensores de velocidad necesarios. Por lo tanto, este trabajo comienza con la salida de corriente de control de la válvula solenoide por parte del controlador, y analiza directamente la relación entre la corriente del actuador y la velocidad de salida, mientras que la presión del embrague solo se usa como una variable de observación intermedia para el análisis auxiliar. Integramos la desviación entre la velocidad real y la velocidad esperada en el sistema de evaluación de la calidad del turno. Luego, la corriente de control de la válvula de solenoide se ajusta de forma adaptativa de acuerdo con la desviación de la calidad del cambio, para realizar la compensación automática de la llamarada del motor y el acoplamiento del embrague de la fase de torsión y mantener la fase de inercia dentro de un rango de tiempo adecuado. .

En este documento, nuestra motivación es compensar de la manera más eficiente posible los efectos de los errores de fabricación, los cambios en el ciclo de vida u otros cambios en las características hidráulicas en la calidad del cambio de la transmisión automática con un costo de controlador limitado, para que pueda ser ampliamente utilizado. en el mercado. Las principales contribuciones de este trabajo se pueden resumir de la siguiente manera.

Por primera vez, proporcionamos un análisis exhaustivo de la relación entre la corriente de la válvula solenoide proporcional, la presión del embrague, la velocidad y el par durante el cambio de marcha utilizando como modelo una transmisión automática de 7 velocidades de desarrollo propio.

Proponemos dos estrategias de control adaptativo eficientes para la fase de par y la fase de inercia del proceso de cambio. Ambas estrategias de control son métodos para ajustar adaptativamente la curva de corriente de salida de la TCU calculando la desviación de la calidad del cambio.

Las dos estrategias de control adaptativo se prueban y verifican en un vehículo utilitario antidisturbios. Los resultados experimentales muestran que las estrategias de control adaptativo propuestas en este documento pueden compensar de manera efectiva el arranque del motor y el bloqueo del embrague de la fase de torque, y mantener la fase de inercia dentro de un rango de tiempo adecuado.

La siguiente estructura organizativa de este artículo es la siguiente: en primer lugar, realizamos un análisis detallado del proceso de cambio y luego se proponen las estrategias de control adaptativo correspondientes para la fase de par y la fase de inercia en el proceso de cambio. En la parte experimental, probamos y validamos nuestro algoritmo de control adaptativo propuesto con un vehículo utilitario antidisturbios como objeto experimental. Finalmente, damos nuestras conclusiones en la última sección.

Para analizar las características dinámicas del proceso de cambio, primero debemos analizar la estructura básica de una transmisión automática y su cinemática. En este artículo, se selecciona como objeto de investigación una transmisión automática HPT 2006P completamente doméstica diseñada por el Instituto de Investigación de Vehículos del Norte de China. La Figura 1 muestra el esquema de la transmisión automática de 7 velocidades, donde Input representa el eje de entrada, Output representa el eje de salida, DA es el amortiguador, TC es el convertidor de par, PTO es la toma de fuerza, P es la bomba de aceite, CLU es embrague de bloqueo, C1 y C2 son embragues giratorios, C3, C4 y C5 son frenos.

Esquema de transmisión automática de 7 velocidades.

Como podemos ver, la transmisión automática se puede dividir en el módulo de entrada de potencia, el módulo convertidor de par, el módulo de conjuntos de engranajes planetarios y el módulo de salida de potencia. La energía generada por el motor se transmite desde el módulo de entrada de potencia al módulo convertidor de par y luego al módulo de salida a través del módulo de conjuntos de engranajes planetarios. Entre ellos, la relación de transmisión planetaria de diferentes engranajes es la parte central de la transmisión automática para realizar la operación de cambio, que se realiza mediante el sistema hidráulico que controla las partes operativas del embrague y el freno.

El sistema hidráulico consta de bomba de aceite, cárter de aceite y grupo de válvulas. La bomba de aceite es impulsada por la velocidad de rotación del eje de entrada y es la fuente de energía para todo el sistema hidráulico. El cárter de aceite está cubierto con conductos de aceite densos, y el grupo de válvulas controla la dirección del flujo, la apertura y el cierre y la presión del aceite en los conductos de aceite. El grupo de válvulas es el objeto de control directo del controlador de transmisión automática, que incluye la válvula CLU de cierre y desbloqueo del convertidor de par, la válvula reguladora de presión principal y la válvula proporcional y la válvula de conmutación para el control de engranajes. Dado que el sistema hidráulico es un sistema muy complejo, para explicar brevemente el control del proceso de cambio de la transmisión automática que se trata en este artículo, el siguiente artículo se centra principalmente en la válvula proporcional y la válvula de conmutación del control de cambio.

Teniendo en cuenta que el convertidor de par es relativamente independiente del control del proceso de cambio, se puede suponer que el impulsor de la bomba y la turbina del convertidor de par están conectados mecánicamente durante el proceso de control de cambio, es decir, la influencia de las condiciones hidráulicas en el control del proceso de cambio puede ignorarse. El control del engranaje de la transmisión automática lo realiza el sistema hidráulico que controla la presión de los 5 embragues (es decir, C1, C2, C3, C4, C5), que a su vez está determinada por la combinación de diferentes estados de las 2 válvulas proporcionales (es decir, PCS1, PCS2) y las 3 válvulas de conmutación (es decir, SS1, SS2, SS3). El esquema de la relación correspondiente entre la acción de la válvula solenoide y la presión del embrague de cada engranaje de la transmisión automática de 7 velocidades se muestra en la Tabla 1. La "Y" en la tabla indica que hay salida de corriente a la válvula correspondiente, y la área blanca indica que la válvula no tiene corriente. "●" indica que el embrague correspondiente tiene presión de aceite, mientras que el área blanca indica que no hay presión de aceite.

Durante el proceso de cambio, se desacopla un embrague y se combina el otro. Por lo tanto, los cálculos de equilibrio de fuerza-momento del modelo dinámico se pueden expresar de la siguiente manera.

La función del modelo motor-bomba incluye: la inercia equivalente del motor \({I}_{e}\), la velocidad del motor \({W}_{e}\), el par motor \({T} _ {e}\) y el par de la bomba \({T}_{p}\).

La función del modelo de embrague de salida del eje de transmisión de la turbina incluye: la inercia equivalente de la turbina \({I}_{t}\), la velocidad del eje de la turbina \({W}_{t}\), la turbina torque \({T}_{t}\), la relación de transmisión de entrada \({i}_{in}\), el torque transmitido del embrague entrante \({T}_{CL}\) y el par transmitido del embrague saliente \({T}_{CH}\).

La función del modelo del eje de salida del embrague entrante incluye: la inercia equivalente de la carga \({I}_{v}\), la velocidad del eje de salida \({\omega }_{0}\), el par de salida \({T}_{O}\), el par de torsión equivalente de la carga \({T}_{v}\), la relación de transmisión antes del embrague entrante \({i}_{ao}\) y el relación de transmisión antes del embrague de salida \({i}_{bo}\).

Un proceso de cambio perfecto no tiene perturbaciones de potencia, y la energía de la transmisión se transfiere suavemente entre el embrague entrante y el embrague saliente15,16. La investigación y la prueba muestran que el par de entrada, la velocidad, la temperatura del aceite y algunos factores que afectan las características del sistema hidráulico son las principales razones que afectan el proceso de cambio9,17. Se pueden formular leyes de control específicas para diferentes condiciones de trabajo, y las curvas de control de diferentes modos de operación también tendrán diferencias obvias. Por lo tanto, para cumplir con los requisitos de control de varias condiciones de trabajo, es necesario clasificar los tipos de procesos de cambio de marcha.

En general, hay cuatro tipos de cambios principales, es decir, cambio ascendente encendido, cambio descendente encendido, cambio ascendente apagado, cambio descendente apagado. Sobre la base de lo anterior, en la aplicación real, el proceso de control de cambios se dividirá en más ramas de acuerdo con muchos factores que afectan las características del proceso de cambios, como la temperatura del aceite, la posición del pedal del acelerador, la velocidad de deslizamiento, el par motor y la carretera. condiciones. Cuantas más ramas, más amplia será la gama de aplicaciones del vehículo, pero también aumentará la complejidad de los parámetros de calibración y el sistema de control. Además, el cambio de características en el proceso de cambio causado por la producción en masa y el desgaste del ciclo de vida no se puede eliminar agregando ramas. En general, es muy importante establecer un número apropiado de sucursales y luego tomar las estrategias de control correspondientes de acuerdo con las diferentes sucursales. Brevemente, presentamos los principales tipos de cambio. Dado que el apagado del cambio descendente se puede controlar en principio como el encendido del cambio ascendente y el apagado del cambio ascendente como el encendido del cambio descendente13, analizaremos el encendido del cambio ascendente y el encendido del cambio descendente como ejemplo.

El cambio ascendente al encender ocurre cuando el conductor está conduciendo el vehículo, y la velocidad aumenta continuamente para alcanzar la velocidad del punto de cambio al pisar el acelerador. La Figura 2a muestra un proceso de cambio de potencia en un cambio ascendente18. En la figura, podemos ver que la relación de transmisión de la marcha objetivo en el cambio ascendente de potencia es menor que la de la marcha actual. Por lo tanto, para mantener una velocidad de salida estable antes y después del cambio, la velocidad de entrada lógicamente debería disminuir regularmente. El cambio descendente de encendido generalmente ocurre al subir una colina o al aumentar la resistencia19, los cambios de velocidad y relación de transmisión se muestran en la Fig. 2b. A diferencia de la potencia en el cambio ascendente, la velocidad del motor aumenta durante la potencia en el cambio descendente para mantener estable la velocidad de salida.

Proceso de cambio de potencia en cambio ascendente y potencia en cambio descendente.

En esencia, el control del proceso de cambio de la transmisión automática es controlar su velocidad para cambiar de acuerdo con la pista esperada. De hecho, el principio de controlar la velocidad de la transmisión automática está estrechamente relacionado con la fase del proceso de cambio, que se presentará en la siguiente sección.

El proceso de cambio ocupa solo una pequeña parte de todo el proceso de trabajo, pero es la parte más importante. El control del proceso de cambio de la transmisión automática depende del sistema de control electrohidráulico, que se compone de dos partes: el sistema de control electrónico y el sistema de accionamiento hidráulico. En consecuencia, analizaremos el proceso de cambio desde estos dos aspectos20.

Por ejemplo, la ley de variación de parámetros en un proceso típico de control de cambio ascendente se muestra en la Fig. 3, que incluye las curvas de variación de 4 parámetros (es decir, corriente de válvula de solenoide proporcional, presión de embrague, velocidad del motor y velocidad de salida, y par de salida). ) que nos preocupa principalmente en el proceso de cambio. La corriente de la válvula solenoide proporcional es emitida directamente por la TCU, y la presión del embrague es una variable de proceso intermedia clave en el proceso de control de cambios. Debido a la influencia del tamaño del paso de operación del controlador y las características físicas del sistema hidráulico, el retraso desde la salida de corriente de control hasta la respuesta de la presión del embrague es de aproximadamente 30 ms. La calidad de un proceso de cambio se refleja en las leyes cambiantes de la velocidad de rotación y el par, pero normalmente es difícil medir el par en los vehículos reales, por lo que solo presentamos la curva de par de salida teórica como conocimiento auxiliar. En el proceso de cambio de control, generalmente lo dividimos en cuatro etapas para el control. Estas cuatro etapas están estrechamente relacionadas y también se denominan cuatro fases (es decir, fase de llenado, fase de par, fase de inercia y fase final). A continuación, presentaremos estas cuatro fases respectivamente.

Fase del proceso de cambio.

Como se muestra en la Fig. 3, en el momento \({t}_{0}\) cuando se genera el comando de cambio, primero ocurre la fase de llenado, que primero abre la válvula solenoide de llenado (PCS2) a una gran abertura para hacer que el la cámara del embrague que se aproxima se llena rápidamente de aceite antes de que la presión del embrague comience a aumentar, este es el llamado punto de beso. Si la duración de la fase de llenado es demasiado larga o la válvula de solenoide de llenado se abre demasiado, la transmisión se dañará por el acoplamiento prematuro del embrague entrante, lo que se conoce como doble marcha.

En el momento \({t}_{1}\), el par motor \({T}_{e}\) se transforma del embrague de salida al embrague de llegada. Durante esta fase, la velocidad del motor permanece estable, la corriente de la válvula solenoide de drenaje (PCS1, válvula normalmente cerrada) aumenta rápidamente y la corriente de la válvula solenoide de llenado se reduce a un cierto valor para mantener el embrague acoplado en el estado de modo deslizante. El deslizamiento del embrague entrante y del embrague saliente consumirá la energía del motor con un aumento en la temperatura del aceite. Como resultado, el par de salida disminuye hasta el momento \({t}_{2}\) donde el par transformado del embrague saliente \({T}_{CH}\) se reduce a cero y el par entrante el par transformado del embrague \({T}_{CL}\) es igual al par motor \({T}_{e}\). El fenómeno en el que el par de salida cae y luego aumenta debido a la superposición del par durante este período también se conoce como agujero de par. Dado que el cambio en el par de salida \({T}_{0}\) reflejará directamente el cambio en la aceleración de la velocidad de salida, es necesario optimizar el gradiente de la curva del agujero del par. Los métodos de control propuestos en algunas literaturas14, con el fin de obtener una mayor comodidad de cambio, primero reducen la presión del embrague de drenaje a un cierto punto para prepararlo para iniciar el deslizamiento. Sin embargo, esto también da como resultado un deslizamiento prolongado, un mayor desgaste del embrague y una vida útil reducida. En este documento, reducimos rápidamente la presión del embrague que sale sin pausa y nos enfocamos en el control de la presión del embrague que viene para obtener el punto apropiado.

En el tiempo \({t}_{3}\), la velocidad de la turbina \({N}_{t}\) comienza a disminuir, marcando el final de la fase de par y el comienzo de la fase de inercia como se muestra en la Fig. 3. La fuerza ejercida sobre el embrague que se aproxima aumenta a medida que aumenta la presión. Esto corresponde a un aumento en la carga. Como resultado, a medida que la velocidad de la turbina \({N}_{t}\) disminuye, el par motor \({T}_{e}\) aumenta. Si la presión del embrague entrante aumenta demasiado rápido, la velocidad de la turbina \({N}_{t}\) y el par de salida \({T}_{0}\) tendrán una pendiente más grande y provocarán una sensación incómoda. conducir. Por el contrario, si la presión del embrague entrante aumenta demasiado lentamente, resultará en un tiempo de cambio más prolongado.

En el tiempo \({t}_{4}\), la velocidad de la turbina \({N}_{t}\) alcanza la velocidad correspondiente al engranaje objetivo, marcando el final de la fase de inercia y el comienzo de la final. fase. Dado que el embrague que se aproxima ya no patina en ese punto, el par de salida se reduce a una posición equivalente al \(\mathrm{T}2\\) original, luego ocurre la fase final. Durante esta fase, la corriente de la electroválvula de llenado aumenta rápidamente hasta alcanzar el valor máximo, de modo que el embrague entrante se acopla por completo, se detiene el deslizamiento y se completa todo el proceso de cambio.

El cambio de una relación de velocidad de avance actual a una relación de velocidad de avance deseada requiere que el dispositivo de embrague asociado con la relación de velocidad actual se desacople y el dispositivo de embrague asociado con la relación de velocidad deseada se acople. En su forma básica, el sistema de control dirige el suministro de presión de fluido a los dispositivos de embrague de la transmisión de acuerdo con la tabla de leyes de control derivada del empirismo. Sin embargo, las características operativas del motor y la transmisión cambian con el tiempo, y las tolerancias del ensamblaje de producción pueden dar como resultado una variabilidad significativa de un vehículo a otro. Como resultado, los programas de control que producen cambios de relación aceptables en un vehículo pueden producir cambios de relación inaceptables en otro vehículo. Por lo tanto, el controlador necesita desarrollar correcciones para los programas derivados empíricamente involucrados en el proceso de cambio de modo que cuando el proceso de cambio se repita en un punto posterior, se realice de una manera más óptima.

Como se explica a continuación, el momento de tal desacoplamiento del embrague de salida y el acoplamiento del embrague de entrada es fundamental para lograr un proceso de cambio de alta calidad. Si el embrague entrante comienza a desarrollar capacidad de torsión con un tiempo de llenado inapropiado, el intercambio de capacidad de torsión entre el embrague saliente y el entrante no procederá según lo programado. En este sentido, el gráfico de errores de subllenado y errores de sobrellenado se puede ilustrar como la Fig. 4a,b, respectivamente. De manera similar, el gráfico de los errores de duración de la fase de inercia que es demasiado corto o demasiado largo se ilustra en la Fig. 5a,b respectivamente.

Desplazamiento de errores de llenado insuficiente y excesivo.

Desplazamiento de errores de baja y alta presión.

La Figura 4a es un 60 por ciento de potencia del engranaje 4 al engranaje 5 del acelerador en un cambio ascendente con errores de sobrellenado. La Figura 4b es un 50 por ciento del acelerador 3–4 potencia en un cambio ascendente con errores de llenado insuficiente. Las Figuras 5a,b son engranajes 3 a engranajes 4 encendidos en cambios ascendentes al 30 y 80 por ciento de aceleración con errores de alta y baja presión, respectivamente.

Para evaluar la calidad de un proceso de cambio y decidir si se adopta una estrategia de compensación21, la literatura22 resume todos los parámetros indicadores de la calidad del cambio, las expresiones son las siguientes.

donde \({Q}_{s}\) es la calidad del cambio, \({J}_{s}\) es la tasa de cambio del par de salida de la transmisión que se puede expresar como Eq. (5), \({T}_{s}\) es el tiempo de transmisión entre dos engranajes, \({\omega }_{s}\) es la desviación de la velocidad angular de salida de la transmisión, \({\delta }_ {s}\) es la tasa de cambio de aceleración angular.

\({\delta }_{s}\) se puede expresar como Eq. (6)

donde \(\theta (t)\) es la aceleración angular del eje de salida de la transmisión, \({r}_{w}\) es el radio del neumático, \(s\) es el deslizamiento constante del neumático, \(a(t) \) es la aceleración lineal del vehículo.

La ecuación de la dinámica de conducción del vehículo se expresa como Eq. (7).

\({F}_{t}\) representa la fuerza de reacción tangencial del suelo que actúa sobre la rueda motriz, su expresión se muestra en la Ec. (8). Donde \({T}_{0}\) es el par de salida de la transmisión, \({i}_{0}\) es la relación del engranaje de reducción principal, \({\eta }_{0}\) es la transmisión mecánica eficiencia desde la salida de la transmisión hasta las ruedas.

\({F}_{f}\) representa la resistencia a la rodadura y su expresión se muestra en la ecuación. (9). Donde \(m\) es el peso del vehículo, \(g\) es la aceleración de la gravedad, \(f\) es el coeficiente de resistencia a la rodadura, \(\alpha\) es el ángulo de rampa.

\({F}_{w}\) representa la resistencia del viento, su expresión se muestra en la Ec. (10). Donde \({C}_{D}\) es el coeficiente de resistencia aerodinámica, \(A\) es el área de barlovento de la dirección de conducción del vehículo, \(u\) es la velocidad del aire relativa al vehículo.

\({F}_{i}\) representa la resistencia de rampa, su expresión se muestra en la Ec. (11).

\({F}_{j}\) representa la resistencia a la aceleración del vehículo, su expresión se muestra en la Ec. (12). \(\delta\) es el factor de conversión de la masa giratoria del automóvil después de tener en cuenta el momento de inercia de la masa giratoria.

Sustituyendo las ecuaciones. (8), (9), (10), (11), (12) en la ecuación. (7).

Ecuación de diferenciación. (13), podemos obtener la Ec. (14).

De la ecuación. (14), podemos ver que cuando la velocidad del vehículo y la aceleración longitudinal son relativamente pequeñas, la tasa de cambio de \({T}_{0}(t)\) está relacionada casi linealmente con la tasa de cambio de \( a(t)\), mientras que la tasa de cambio de \({T}_{0}(t)\) tiene más efecto sobre la tasa de cambio de \(a(t)\) cuando la velocidad del vehículo y la longitud la aceleración va en aumento. Esto es consistente con la sacudida del vehículo percibida por los pasajeros en un vehículo real.

Usando los resultados anteriores e ignorando la influencia del subelemento de resistencia del viento en la calidad del cambio, las expresiones de la calidad del cambio definidas como Eq. (15).

donde \({q}_{1}\), \({q}_{2}\), \({q}_{3}\), representan los coeficientes de peso de los subelementos, \(\omega (t)\) representa la velocidad real, \({\omega }_{0}(t)\) representa la velocidad deseada, \({T}_{best}\) denota el tiempo óptimo determinado por el empirismo.

La figura 4 muestra la curva de activación del embrague y la curva de encendido del motor, las cuales, aunque ocurren durante la fase de torque, son causadas por un tiempo de llenado inadecuado. El tiempo de llenado no suele ser constante debido a que las características operativas del motor y la transmisión cambian con la variabilidad de un vehículo a otro y el desgaste del embrague durante el ciclo de vida. El uso de métodos de calibración manual del tiempo de llenado para compensar esta variación no es aplicable al mercado.

Para ajustar de forma adaptativa el tiempo de llenado, necesitamos calcular la desviación de velocidad de la fase de par y determinar si se trata de un arranque del motor o de un embrague. La Figura 6 muestra el principio de cálculo del grado de desviación de la velocidad de entrada con el acoplamiento del embrague y el encendido del motor.

Principio de desviación de velocidad para la fase de par.

Como se muestra en la Fig. 6, el principio de cálculo de la desviación de velocidad del acoplamiento del embrague y el encendido del motor es básicamente el mismo, y la clave es el establecimiento de la curva de velocidad deseada. La curva de velocidad esperada consta de dos curvas de ajuste lineal L1 y L2. L1 es una curva ajustada linealmente por la velocidad del motor entre T1 y T2, y L2 es una curva ajustada linealmente por la velocidad del motor entre T3 y T4. Teniendo en cuenta las características de retardo de tiempo del comando de control de la válvula solenoide real y la respuesta del sistema hidráulico, las reglas para seleccionar los puntos de tiempo del período de tiempo de montaje son las siguientes: T1 es el punto en el tiempo cuando se genera una solicitud de cambio y el comienza el cambio; T2 es el punto de tiempo cuando la válvula solenoide de drenaje de aceite está completamente abierta; T3 es igual a T2 más el tiempo de fase de par (en este documento, el tiempo de fase de par \(\Delta {T}_{torque}\) es 0,2 s) como se muestra en la ecuación. (dieciséis); T4 es el punto de tiempo cuando la velocidad de entrada de la transmisión alcanza la velocidad de marcha objetivo.

Suponiendo que la curva de velocidad deseada \({X}_{L}\) compuesta por L1 y L2 es L, su expresión discreta se muestra en la Ec. (17). La expresión discreta del segmento de línea que representa la velocidad de adquisición real se muestra en la ecuación. (18). La expresión discreta del segmento de línea que representa la velocidad de salida se muestra en la ecuación. (19).

De las Ecs. (17), (18) y (19), las expresiones discretas para la integral del área de desviación de velocidad \({A}_{rea}\) y la tasa de cambio de aceleración \({B}_{acce}\) pueden escribirse como Ecs. (20) y (21). \(\Delta \mathrm{t}\) es el intervalo de tiempo de muestreo.

La figura 7 muestra el diagrama de flujo de la adaptación del cambio de fase del par. Para ajustar rápida y eficientemente el tiempo de llenado de aceite de forma adaptativa, primero es necesario juzgar el tipo de proceso de cambio, calcular el área de desviación de velocidad y luego determinar el valor de la ganancia adaptativa de acuerdo con el área de desviación de velocidad. La ganancia adaptativa corregirá el valor inicial del tiempo de llenado. El nuevo valor actualizado se almacenará en la memoria para los parámetros de control de cambio correspondientes en las mismas condiciones de trabajo si su calidad de cambio es mejor que antes. Además, \({\mathrm{G}}_{h}\) y \({\mathrm{G}}_{s}\) en la Fig. 7 son positivas cuando el cambio es embrague amarrado, mientras que es negativo cuando el cambio es un destello del motor. \({Q}_{ss}\) es un indicador que es diferente del \({\mathrm{Q}}_{s}\) calculado originalmente, y su método de cálculo es el mismo que el de \({ \mathrm{Q}}_{s}\). \({\mathrm{A}}_{max}\) y \({\mathrm{A}}_{min}\) son los valores máximo y mínimo del umbral del área de desviación de la velocidad de fase del par, respectivamente. Sus valores se obtienen a través de experimentos y experiencia manual, y la magnitud de los valores está estrechamente relacionada con la relación de orden del proceso de cambio. Con respecto a los parámetros \({G}_{h}\) y \({\mathrm{G}}_{s}\), en la adaptación de desfase de torque, \({\mathrm{G}}_{h }\) representa el valor de ganancia máxima del tiempo de llenado de aceite, que es 3 veces el período de control en este documento, mientras que \({\mathrm{G}}_{s}\) representa el valor de ganancia mínima del tiempo de llenado de aceite ajuste de tiempo, y su valor es el período de control de tiempo 10 ms.

Diagrama de flujo de la adaptación del cambio de fase del par.

El sistema de control electrohidráulico de la transmisión es un típico sistema no lineal de retardo de tiempo. Para evitar que el sistema se salga de control, solo se ajusta un parámetro a la vez. En vista del importante papel de la fase de torsión, en la aplicación práctica de la estrategia adaptativa, primero se ajusta el tiempo de llenado de aceite que afecta la fase de torsión, y luego la fase de inercia se ajusta de manera adaptativa cuando el tiempo de llenado de aceite se ajusta a un mejor estado.

Como se muestra en la Fig. 8, la estrategia adaptativa de fase inercial difiere de la estrategia adaptativa de fase de par en la elección del perfil de velocidad deseado para el cálculo de la desviación de velocidad. En esta sección los parámetros \({\mathrm{T}}_{1}\), \({\mathrm{T}}_{2}\), \({\mathrm{T}}_{3} \), \({\mathrm{T}}_{4}\) se obtienen de la misma manera que la estrategia de control adaptativo para la fase de par, el método de cálculo de \({\mathrm{T}}_{5} \) se muestra en la ecuación. (22). \({\Delta T}_{inertia}\) es la duración óptima de la fase de inercia, y su valor se obtiene experimental y empíricamente. \({T}_{6}\) es el momento en que se completa la fase final.

Principio de desviación de velocidad para la fase de inercia.

Entonces L1 se puede obtener por ajuste lineal a través de los datos de velocidad entre \({\mathrm{T}}_{1}\) y \({\mathrm{T}}_{2}\); L2 se puede obtener por ajuste lineal a través de los datos de velocidad entre \({\mathrm{T}}_{3}\) y \({\mathrm{T}}_{4}\); L3 se puede obtener por ajuste lineal a través de los datos de velocidad entre \({\mathrm{T}}_{4}\) y \({\mathrm{T}}_{6}\); el punto P es la intersección de las líneas L1 y L2; el punto M que puede formar L4 con el punto P puede ser determinado por \({\mathrm{T}}_{5}\) y L3. Finalmente, obtenemos la curva de velocidad deseada \({\mathrm{X}}_{L}\) compuesta por L1, L4, L3. El método de cálculo de los parámetros \({\mathrm{Q}}_{s}\), \({\mathrm{A}}_{rea}\) y \({\mathrm{B}}_{acce }\) es el mismo que el de la fase de par. Vale la pena señalar que el punto P es el punto clave que determina la precisión de todo el algoritmo adaptativo de fase inercial y representa el punto de trabajo teórico donde termina la fase de par.

La figura 9 muestra el diagrama de flujo de la adaptación del cambio de fase de inercia. Antes de ejecutar el algoritmo de control adaptativo de fase de inercia, primero determine si el control adaptativo de fase de par se está realizando actualmente. Esto es para evitar que el sistema del proceso de control esté fuera de control o sea inestable debido al ajuste simultáneo de los parámetros de la fase de par y la fase de inercia. En el proceso de control adaptativo de fase de inercia, la corriente de la válvula solenoide se ajusta de forma adaptativa calculando la desviación entre la velocidad real y la velocidad esperada para ajustar la presión dentro de un cierto rango. Finalmente, la calidad del cambio se usa para evaluar si el proceso de cambio está optimizado y decidir si actualizar los parámetros actuales en la memoria. Donde \({P}_{c}\) es la corriente de la válvula solenoide original y \({P}_{a}\) representa la corriente de la válvula solenoide después del ajuste adaptativo.

Diagrama de flujo de la adaptación del cambio de fase de inercia.

Además, cabe señalar que en la adaptación de cambio de fase inercial, \({\mathrm{G}}_{h}\) representa el valor de ganancia máxima del ajuste del valor actual, que se establece en 30 en este documento, y \ ({\mathrm{G}}_{s}\) representa el valor de ganancia mínimo del ajuste del valor actual, que se establece en 10 en este documento. Si el valor de \({G}_{h}\) es demasiado grande, el algoritmo no convergerá y se volverá inestable; si el valor de \({\mathrm{G}}_{s}\) es demasiado grande, la precisión del algoritmo se deteriorará; y si los valores de \({\mathrm{G}}_{h}\) y \({\mathrm{G}}_{s}\) son demasiado pequeños, el algoritmo convergerá lentamente y no podrá cumplir con el requerimientos de alta eficiencia.

Las estrategias de control adaptativo de la fase de torsión y la fase de inercia se prueban y verifican en un vehículo utilitario antidisturbios. La figura 10 es una imagen del experimento del vehículo real, en el que se implementa el sistema de adquisición y registro de datos en tiempo real mediante un software de desarrollo propio programado por LabVIEW, y se implementa el software de control de transmisión automática que incorpora la estrategia de control propuesta en este documento. en el TCU.

Experimento en un vehículo utilitario antidisturbios.

El procesador central de la unidad de control de transmisión (TCU) es un chip Freescale de 16 bits de alto rendimiento. Además, para facilitar el análisis de los datos de cambio durante todo el proceso de conducción, además de instalar los sensores de velocidad necesarios (incluida la velocidad de la bomba, la velocidad de la turbina y la velocidad de salida), también se instalan 6 transductores de presión del embrague. El tiempo de muestreo de la TCU y el sistema de adquisición y registro de datos están configurados en 10 ms. Además, los parámetros detallados del vehículo y las condiciones de trabajo del vehículo experimental utilizado para la prueba de la estrategia de control adaptativo se muestran en la Tabla 2.

La Figura 11a muestra los resultados experimentales del control adaptativo de sobrellenado para la fase de torque. En la figura, podemos ver que se presentan 3 conjuntos de datos experimentales de vehículos reales, correspondientes a 3 ajustes adaptativos para el tiempo de llenado respectivamente. La curva roja es la curva de control de cambio inicial. La curva azul es el segundo dato de prueba después de una compensación adaptativa. La curva verde es la curva de control de cambio final y representa la curva de control de cambio óptima después de dos estrategias de compensación adaptativa. Del gráfico actual y del gráfico de presión, podemos observar que el tiempo de llenado de la válvula solenoide PCS1 para la vuelta 3 se reduce en 60 ms en comparación con la vuelta 1, y la presión máxima del embrague acoplado C3 durante la fase de par se reduce de 2,57 a 2,25 bar.

Control adaptativo de sobrellenado y subllenado.

La figura 11b muestra los resultados experimentales del control adaptativo del subllenado para la fase de par. La curva roja es la curva del proceso de cambio antes del ajuste adaptativo. Puede verse en la curva de velocidad del motor que se produce un fenómeno de llamarada en la fase de par. Mientras se produce un proceso de cambio suave después del ajuste adaptativo, en el que el tiempo de llenado de la válvula solenoide PCS2 aumenta en 30 ms en comparación con el tiempo anterior al ajuste adaptativo, el valor valle correspondiente de la presión del embrague conectado C2 aumenta de 2,35 a 2,66 bar durante la fase de torsión.

La figura 12 muestra los resultados experimentales del vehículo de la marcha 3 a la marcha 4 en un cambio ascendente con una estrategia de control adaptativo de presión de fase de inercia diferente. La figura 12a es el resultado experimental del control adaptativo C2 de la presión del embrague engranado en fase de inercia bajo un 30 por ciento de aceleración. Se puede ver en la curva roja de velocidad del motor que la presión C2 durante la fase de inercia es alta, lo que significa que el embrague de acoplamiento recibe más fuerza y ​​se acopla antes, por lo que la pendiente de la velocidad del motor es mayor. La estrategia de control adaptativo reducirá la presión del embrague acoplado en la fase de inercia, como lo muestran las curvas azul y verde en la Fig. 12a. La duración de la fase de inercia de la curva de control de cambio óptima después del ajuste adaptativo aumenta de 141 a 458 ms.

Control adaptativo de alta y baja presión.

La figura 12b es el resultado experimental del control adaptativo de la presión C2 del embrague de acoplamiento de la fase de inercia al 80% del acelerador. A diferencia del error de tiempo de inercia corto, cuando se produce el error de tiempo de inercia largo, la corriente de la válvula solenoide de embrague acoplado PCS2 se ajusta de forma adaptativa para aumentar la presión de la fase de inercia C3 y hacer que el embrague colectivo se acople antes. Como se muestra en la curva de velocidad del motor en la Fig. 12b, la duración de la fase de inercia del cambio después de la optimización de la estrategia adaptativa se reduce de los 736-409 ms originales.

A través de los resultados experimentales del vehículo utilitario antidisturbios discutido anteriormente, los parámetros de control del proceso de cambio se pueden ajustar adaptativamente al rango óptimo en la tercera ronda en circunstancias normales, y se pueden adaptar a un buen valor en la segunda ronda para algunos pequeños desviaciones Por lo tanto, la eficiencia de la estrategia de control adaptativo es lo suficientemente alta como para ser aplicada a vehículos reales.

En este artículo, primero usamos una transmisión automática de 7 velocidades de desarrollo propio como modelo para revelar la relación entre la corriente de la válvula solenoide proporcional, la presión del embrague, la velocidad y el par en su proceso de control de cambios. Teniendo en cuenta los requisitos de control de costos de las aplicaciones del mercado, la transmisión automática del vehículo generalmente solo instala el sensor de velocidad necesario. Por tanto, partiendo de la premisa de la corriente de control de las electroválvulas, se proponen dos estrategias de control adaptativo para la fase de par y la fase de inercia con el fin de mejorar el confort percibido por el pasajero y la durabilidad de los componentes. El programa de software TCU que incorpora la estrategia de control adaptativo se desarrolló e implementó en un vehículo utilitario antidisturbios equipado con una transmisión automática de 7 velocidades. Los resultados experimentales indican que la estrategia de control adaptativo propuesta en este artículo puede compensar de manera efectiva el arranque del motor y el bloqueo del embrague de la fase de torque, y mantener la fase de inercia dentro de un rango de tiempo adecuado. La estrategia de control adaptativo del proceso de cambio propuesta también se puede aplicar a otros tipos de transmisiones automáticas para mejorar la influencia de los errores de fabricación, los cambios en el ciclo de vida u otros cambios en las características hidráulicas en la calidad del cambio.

Los conjuntos de datos generados y analizados durante el estudio actual no están disponibles públicamente debido a que involucran los parámetros centrales de nuestros productos de transmisión automática de desarrollo propio, pero están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Descargar referencias

Agradecemos al Instituto de Investigación de Vehículos del Norte de China, al Laboratorio Clave de Ciencia y Tecnología de la Defensa Nacional de Transmisión de Tanques y al miembro del Equipo de Control Electrónico AT del Departamento de Tecnología de Transmisión por apoyar este trabajo.

Laboratorio clave de ciencia y tecnología de la defensa nacional de transmisión de tanques, Instituto de Investigación de Vehículos del Norte de China, Beijing, 100072, China

Wujun Zou, Ye Wang, Chaojie Zhong, Zhenchuan Song y Shenlong Li

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WZ: redacción y revisión del manuscrito. YW: análisis de datos. CZ: recopilación de datos. ZS: preparó la Fig. 1 y la Tabla 1. SL: revisó el manuscrito. Todos los autores contribuyeron al artículo y aprobaron la versión enviada.

Correspondencia a Wujun Zou.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Zou, W., Wang, Y., Zhong, C. et al. Investigación sobre el control del proceso de cambio de la transmisión automática. Informe científico 12, 13054 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-17413-7

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Recibido: 19 Abril 2022

Aceptado: 25 julio 2022

Publicado: 29 julio 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-17413-7

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