[发明专利]液压混动汽车的行星齿轮变速耦合系统换挡协调控制方法

摘要

本发明公开了液压混动汽车的行星齿轮变速耦合系统换挡协调控制方法，该方法针对行星齿轮变速耦合装置的混联式液压混动汽车在换挡时因各离合/制动器和液压泵/马达状态变化易引发冲击的现象，提出通过动力学分析建立系统力学状态空间表达式，并由系数矩阵运算处理获得换挡各阶段系统输入/输出转矩间的近似线性关系，进而确定换挡时保证输出转矩稳定的离合/制动器作动时机与液压泵/马达斜盘开度变化间的协调控制规律，最终获得液压泵/马达斜盘开度与离合/制动器状态间的协调控制方法。本方法基于系统力学关系进行分析处理、综合考虑系统各部件状态影响、可实现液压泵/马达与离合/制动器间的恰当控制，保证了混动车辆的换挡平顺性。

主权项

1.液压混动汽车的行星齿轮变速耦合系统换挡协调控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1，依据动力学理论建立行星齿轮变速耦合系统在换挡过渡过程的力学关系式；根据拉维娜式行星齿轮变速耦合系统中行星齿轮内部各部件以及与之相连的液压泵/马达和离合/制动器间的连接和传动关系，得到如式(1)～式(8)所示的变速耦合系统动力学关系式：T_out＝T_C3                                (8)式中，T_out为行星齿轮变速耦合系统输出转矩，Nm；T_C3为拉维娜式行星排齿圈转矩，Nm；T₁、T₂分别为1挡离合/制动器和2挡离合/制动器摩擦转矩，Nm；T_P/M、T_S3分别为液压泵/马达和大太阳轮转矩，Nm；R₃、S₂、S₃分别为齿圈、小太阳轮和大太阳轮的节圆半径，m；F₃、F₂分别为大太阳轮和小太阳轮的啮合力，N；k₂＝R₃/S₂、k₃＝R₃/S₃均为拉维娜式行星排的特征参数，I_S2、I_S3、I_R3、I_C3分别为小太阳轮、大太阳轮、行星架和齿圈的转动惯量，kg·m²；ω_S3、ω_R3、ω_C3分别为大太阳轮、行星架和齿圈的角速度，rad/s；步骤2，进行换挡转矩相阶段的系统动力学分析；依据行星齿轮变速耦合系统在换挡转矩相的力学关系建立系统动力学状态空间表达式：①在升挡转矩相期间，随着2挡离合/制动器逐渐结合，变速耦合系统输入动力经1挡传动路径逐渐转移至2挡传动路径、系统输入/输出转速关系还未发生变化，1挡离合/制动器还未动作，故有式(9)：②将以上式(1)～式(9)联立整合，改写为矩阵形式可以得到式(10)：AX＝0                              (10)式中，A为系数矩阵，X为状态变量，且：步骤3，依据矩阵的初等变换相关理论对换挡转矩相的系统动力学状态空间表达式进行处理，获取关键变量间的近似线性关系：①选取系数矩阵A的部分列向量组成部分系数矩阵②对部分系数矩阵B进行QR正交分解，可以得到正交矩阵Q和上三角矩阵R，即：B＝QR；则可将式(10)改写为式(11)的形式：(a₁,a₂,a₃,B)X＝(a₁,a₂,a₃,QR)X＝0                 (11)③令矩阵R的元素记为r_ij(整数i、j∈[1,9])，令矩阵Q的最后一个列向量记为q₉，将其左乘到式(11)的左右两侧，则由正交矩阵的相关性质可得式(12)如下：④将式(9)带入式(12)可以得到：⑤对上式进行整理，可以得到升挡转矩相期间行星齿轮变速耦合系统输出转矩T_out与液压泵/马达转矩T_P/M、2挡离合/制动器摩擦转矩T₂间的近似线性关系，即换挡转矩相过渡阶段行星传动变速机构内外转矩间的近似线性关系，如式(14)所示：式中，C₁、C₂为带入矩阵A中的所有行星齿轮变速耦合系统参数值后由式(10)～式(14)计算所得到的常数，一般情况下均为正数；步骤4，进行换挡惯性相阶段的系统动力学分析；依据变速耦合系统在换挡惯性相的力学关系建立系统动力学状态空间表达式：①在换挡惯性相期间，式(1)～(8)依然成立；且换挡转矩相阶段的终止条件为转矩转移完成，即1挡离合/制动器不再传递动力、转矩降为0，如式(15)所示，它也是惯性相期间系统的约束条件；T₁＝0                               (15)②将式(1)～(8)以及式(18)联立整合，改写为矩阵形式可以得到式(16)：A′X＝0                              (16)式中，A′为系数矩阵，X为状态变量，与步骤2中相同，且：步骤5，依据矩阵的初等变换相关理论对换挡惯性相的系统动力学状态空间表达式进行处理，获取关键变量间的近似线性关系：①选取系数矩阵A′的部分列向量组成部分系数矩阵②对部分系数矩阵B′进行QR正交分解，可以得到正交矩阵Q′和上三角矩阵R′，即B′＝Q′R′，则可将式(16)改写为式(17)的形式：(a′₁,a′₂,a′₃,B′)X＝(a′₁,a′₂,a′₃,Q′R′)X＝0                (17)③令矩阵R′的元素记为r′_ij(整数i、j∈[1,9])，令矩阵Q′的最后一个列向量记为q′₉，将其左乘到式(17)的左右两侧，则由正交矩阵的相关性质可得式(18)如下：⑤对上式进行整理，可以得到换挡惯性相期间行星齿轮变速耦合系统输出转矩T_out与液压泵/马达转矩T_P/M、2挡离合/制动器摩擦转矩T₂间的近似线性关系，即换挡惯性相过渡阶段行星传动变速机构内外转矩间的近似线性关系，如式(19)所示：式中，C₃、C₄为带入矩阵A′中的所有行星齿轮变速耦合系统参数值后由式(15)～式(18)计算得到的常数，一般情况下均为正数；⑥由式(14)与式(19)可得转矩相结束、惯性相开始时刻系统所满足的转矩状态为：步骤6，制定换挡各阶段时各部件间的协调控制流程：式(14)、式(19)与式(20)表明了换挡各阶段为保证行星齿轮变速耦合系统输出转矩T_out维持某一恒值、2挡离合/制动器的摩擦转矩T₂与液压泵/马达转矩T_P/M间所应具备的近似线性关系，以及转矩相和惯性相过渡时刻系统内部的转矩关系，依此制定换挡协调控制逻辑：①在升挡转矩相前期，1挡离合/制动器维持原结合状态不变、2挡离合/制动器由松开逐渐结合、液压泵/马达目标转矩T_P/M,req则参考式(14)进行计算，然后再依据液压系统压力等状态参数由式(21)计算液压泵/马达目标斜盘开度β_P/M,req，即控制量；此时式(14)中T_out值的大小等于换挡开始时刻的变速耦合系统输出转矩值、以保证系统输出转矩稳定，T₂值则由离合/制动器状态依据理论公式(22)计算；上述两式中η_m,P/M为液压泵/马达的机械效率，可由液压泵/马达的工作状态通过对其效率MAP数表进行插值得到、或简化取常用值95％；△P为液压泵/马达的工作压差，由相关液压力传感器反馈信号获得，bar；V为液压泵/马达的最大排量，是其结构参数，m³/r；ω₂为2挡离合/制动器转动盘转速，rad/s，其数值等于与之相连的小太阳轮转速即ω₂＝ω_S2；μ_k为动摩擦因数，一般取0.1；F_C为使得离合/制动器完全结合(即C_2,Control＝1)时对转动盘的压紧力，其取值与离合/制动器具体参数有关；r₁为离合制动器摩擦盘内径，m；r₂为离合制动器摩擦盘外径，m；②当1挡离合/制动器摩擦转矩降为0时开始属于转矩相后期，液压泵/马达斜盘开度、2挡离合/制动器控制状态C_2,Control及其摩擦转矩均维持不变，1挡离合/制动器逐渐松开；③当1挡离合/制动器完全松开时开始属于惯性相前期，参考式(19)计算液压泵/马达目标转矩T_P/M,req、并由式(21)计算液压泵/马达目标斜盘开度β_P/M,req，则T_P/M,req将逐渐减小、以主动快速降低转速实现转速同步；此时式(19)中的T_out值仍等于换挡开始时刻的变速耦合系统输出转矩值、以保证系统输出转矩稳定，T₂值仍由离合/制动器状态依据理论公式(22)计算；④当液压泵/马达转速和当前车速开始满足高速2挡速比传动关系式(23)时，转速同步结束，开始属于惯性相后期，2挡离合/制动器的控制状态C_2,Control继续增大；式中，ω_P/M为液压泵/马达转速，rpm；v为车速，m/s；i_g2为后拉维娜式行星排2挡速比；i₀为车辆主减速器速比；R为车轮半径，m；⑤2挡离合/制动器控制状态C_2,Control继续增大，至完全结合，惯性相完全结束，升挡协调控制结束。