namiТруды НАМИTrudy NAMI0135-3152ФГУП «НАМИ»10.51187/0135-3152-2022-4-70-82nami-257Research ArticleАВТОМОБИЛЕСТРОЕНИЕAUTOMOBILE DEVELOPMENTВлияние управления крутящим моментом на ведущем валу автоматической ступенчатой трансмиссии на процессы переключения передачEffect of input shaft torque control during gear shifting processes in automatic stepped transmissionsКуликовИ. А.KulikovI. A.

Куликов Илья Александрович – канд. техн. наук, заведующий сектором имитационного моделирования энергетических установок, Центр «Энергоустановки»

г. Москва 125438

PhD (Eng), head of sector “Modeling and simulation of powertrains”, Centre “Powertrains”

Moscow 125438

i.kulikov.mami@gmail.comГируцкийО. И.GiruzkyO. I.

Гируцкий Ольгерт Иванович – д-р техн. наук, профессор, заместитель председателя Экспертного совета

г. Москва 125438

D.Sc. (Eng), professor, vice-chairman of Expert Council

Moscow 125438

ФисенкоИ. А.FisenkoI. A.

Фисенко Игорь Алексеевич – канд. техн. наук, ведущий эксперт Экспертного совета

г. Москва 125438

PhD (Eng), senior expert of Expert Council

Moscow 125438

ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»РоссияFederal State Unitary Enterprise “Central Scientific Research Automobile and Automotive Engines Institute” (FSUE “NAMI”)Russian Federation202203012023047082Copyright © Куликов И.А., Гируцкий О.И., Фисенко И.А., 20232023Куликов И.А., Гируцкий О.И., Фисенко И.А.Kulikov I.A., Giruzky O.I., Fisenko I.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://nami.elpub.ru/jour/article/view/257

Введение (постановка задачи и актуальность). При создании систем управления для автоматических коробок передач (АКП) одним из ключевых вопросов является выбор алгоритмов переключения передач. Их структура и рабочие параметры оказывают влияние на такие характеристики процессов переключения, как нагрузки в трансмиссии и работа буксования фрикционных элементов, которые, в свою очередь, определяют комфорт автомобиля и долговечность элементов АКП. Одним из факторов, определяющих эти характеристики, является управление крутящим моментом двигателя в процессе переключения передач. В случае гибридной энергоустановки наличие тягового электродвигателя на входе АКП расширяет возможности управления крутящим моментом на её ведущем валу. Исследование процессов переключения передач в этих аспектах является актуальной задачей совершенствования систем управления АКП.

Цель исследования – провести сравнительный анализ влияния различных способов управления крутящим моментом на ведущем валу АКП на динамические показатели процессов переключения передач, работу буксования фрикционных элементов АКП и факторы комфортабельности автомобиля.

Методология и методы

Методология и методы. Исследование проведено посредством математического моделирования. Разработана модель движения автомобиля с АКП, учитывающая возможность установки электродвигателя на ведущем валу. Проведены вычислительные эксперименты, воспроизводящие повышающие и понижающие переключения передач в процессе разгона автомобиля с созданием корректирующего крутящего момента в инерционных фазах переключений. Выполнен анализ результатов моделирования с определением основных показателей динамики автомобиля и работы буксования фрикционных элементов АКП.

Результаты и научная новизна. Установлено существенное снижение (в среднем на 40%) рывков («джерков») при создании корректирующего момента с помощью электродвигателя в инерционных фазах как повышающих, так и понижающих переключений передач. Также установлено, что создание корректирующего момента при повышающих переключениях позволяет снизить работу буксования фрикционов на 16–24% в случае управления топливоподачей двигателя внутреннего сгорания и на 28–34% в случае использования электродвигателя. Вместе с тем коррекция момента с помощью электродвигателя при понижающих переключениях увеличивает работу буксования в 1,4–2,4 раза.

Практическая значимость

Практическая значимость. Результаты исследования могут быть использованы при разработке систем управления для АКП как для традиционных автомобилей, так и для автомобилей с электрическим приводом в составе энергоустановки.

Introduction (problem statement and relevance). Designing gear shifting algorithms is one of the major problems in development of control systems for automatic gearboxes. Structure and parameters of these algorithms govern such characteristics of shifting processes as torque transients and energy dissipation due to clutch slippage; these, in turn, affect vehicle comfort and lifespan of the gearbox components. In particular, one of the factors defining the said characteristics is engine torque control provided during gear shifts. The functionality of the torque control extends when using the gearbox as a part of a hybrid powertrain with a traction electric machine connected to the gearbox input shaft. Studying gear shifting processes in this aspect is a relevant task aimed at improving control systems of automatic transmissions.

The purpose of the study is to compare different methods of controlling torque at the gearbox input shaft regarding their effect on gear shifting dynamics, clutch energy dissipation, and vehicle comfort.

Methodology and research methods. The study was conducted by means of simulations using a mathematical model describing dynamics of a vehicle equipped with an automatic gearbox with an option of having an electric machine installed at the input shaft. Considering straight-line accelerated motion of the vehicle, both upshifts and downshifts were simulated with a correcting torque introduced in inertia phases of the shifts. Analysis of the simulation results allowed calculating key parameters of vehicle dynamics and clutch energy dissipation.

Scientific novelty and results. The simulation results show a significant decrease (aver. 40%) of jerks when using an electric machine to correct the input shaft torque in inertia phases of both upshifts and downshifts. It is also shown that correction of the shaft torque allows reducing energy dissipation due to clutch slippage by 16–24% in the case of engine torque control and by 28–34% in the case of torque correction by an electric machine. However, using torque correction by means of an electric machine during downshifts raises the clutch energy dissipation 1.4–2.4 times.

The practical significance. The results of the study can be used in designing control systems for automatic gearboxes intended for both conventional and electrified vehicles.

автоматическая коробка передачпереключение передачуправление двигателемуправление тяговой электромашинойматематическое моделированиединамика автомобиляджеркработа буксования сцепленийautomatic gearboxgear shiftingengine torque controlelectric machine torque controlmathematical modelingvehicle dynamicsjerkclutch energy dissipationReferencesFischer R., Küçükay F., Jürgens G., Najork R., Pollak B. The Automotive Transmission Book. – Springer International Publishing Switzerland, 2015. – P. 12, 49, 54–59.Fischer R., Küçükay F., Jürgens G., Najork R., Pollak B. The Automotive Transmission Book. Springer International Publishing Switzerland, 2015, pp. 12, 49, 54–59.Genta G., Morello L. The Automotive Chassis. Vol. 1: Components Design. – Springer Science+Business Media B.V., 2009. – P. 544–546.Genta G., Morello L. The Automotive Chassis. Vol. 1: Components Design. Springer Science+Business Media B.V., 2009, pp. 544–546.Фисенко И.А., Гируцкий О.И. К вопросу выбора параметров процесса переключения ступеней автоматических коробок передач с фрикционными элементами // Труды НАМИ. – 2019. – № 2 (277). – С. 6–13.Fisenko I.A., Giruzky O.I. [On the choice of switching gears parameters for automatic transmissions with friction elements]. Trudy NAMI, 2019, no. 2 (277), pp. 6–13. (In Russian)Crowther A., Zhang N., Liu D. K., Jeyakumaran J.K. Analysis and simulation of clutch engagement judder and stick–slip in automotive powertrain systems // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part D Journal of Automobile Engineering. – 2004. – No. 218 (12). – P. 1427–1446.Crowther A., Zhang N., Liu D. K., Jeyakumaran J.K. Analysis and simulation of clutch engagement judder and stick–slip in automotive powertrain systems. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part D Journal of Automobile Engineering, 2004, no. 218 (12), pp. 1427–1446.Liu Y., Qin D., Jiang H., Zhang Y. A Systematic Model for Dynamics and Control of Dual Clutch Transmissions // ASME Journal of Mechanical Design. – 2009. – 131(6): 061012.Liu Y., Qin D., Jiang H., Zhang Y. A Systematic Model for Dynamics and Control of Dual Clutch Transmissions. ASME Journal of Mechanical Design, 2009, 131(6): 061012.Haj-Fraj A., Pfeiffer F. A model based approach for the optimisation of gearshifting in automatic transmissions // International Journal of Vehicle Design. – 2002. – Vol. 28, no. 1-3. – P. 171–188.Haj-Fraj A., Pfeiffer F. A model based approach for the optimisation of gearshifting in automatic transmissions. International Journal of Vehicle Design, 2002, vol. 28, no. 1-3, pp. 171–188.Тарасик В.П. Математическая модель теплопередачи в дисковых фрикционах переключения передач трансмиссии // Автомобильная промышленность. – 2016. – № 9. – С. 15–21.Tarasik V.P. [Mathematical model of heat transfer in disc clutches of transmission gear shifting]. Avtomobil’naya promyshlennost’, 2016, no. 9, pp. 15–21. (In Russian)Гируцкий О.И., Тарасик В.П. Создание электронных систем управления и диагностирования гидромеханических передач мобильных машин: этапы, пути и перспективы // Журнал автомобильных инженеров. – 2013. – № 4 (81). – С. 18–23.Giruzky O.I., Tarasik V.P. [Creation of electronic control systems and diagnostics of hydromechanical transmissions of mobile machines: stages, ways and prospects]. Zhurnal avtomobil’nykh inzhenerov, 2013, no. 4 (81), pp. 18–23. (In Russian)Shi G., Dong P., Sun H.Q., Liu Y, Cheng Y. J., Xu X.Y. Adaptive control of the shifting process in automatic transmissions // International Journal of Automotive Technology. – 2017. – Vol. 18. – P. 179–194.Shi G., Dong P., Sun H.Q., Liu Y, Cheng Y. J., Xu X.Y. Adaptive control of the shifting process in automatic transmissions. International Journal of Automotive Technology, 2017, vol. 18, pp. 179–194.Jo H.-S., Lim W.-S., Park Y.-I, Lee J.-M. A study of the shifting transients of a torque converter equipped vehicle // International Journal of Heavy Vehicle Systems. – 2000. – Vol. 7, no. 4. – P. 264–280.Jo H.-S., Lim W.-S., Park Y.-I, Lee J.-M. A study of the shifting transients of a torque converter equipped vehicle. International Journal of Heavy Vehicle Systems, 2000, vol. 7, no. 4, pp. 264–280.Baltusis P.A., Lee T., Palansky B.J. Automatic transmission torque converter clutch control / Ford Motor Company Ltd. – 1994. – Patent EP 0 366 284 B1. – P. 53.Baltusis P.A., Lee T., Palansky B.J. Automatic transmission torque converter clutch control. Ford Motor Company Ltd, 1994. Patent EP 0 366 284 B1, p. 53.Sanada K., Gao B., Kado N., Takamatsu H., Toriya K. Design of a robust controller for shift control of an automatic transmission // Proc IMechE Part D: J Automobile Engineering. – 2012. – No. 226 (12). – P. 1577–1584.Sanada K., Gao B., Kado N., Takamatsu H., Toriya K. Design of a robust controller for shift control of an automatic transmission. Proc IMechE Part D: J Automobile Engineering, 2012, no. 226 (12), pp. 1577–1584.Vornehm M. Functional Description and Design Aspects of Hybrid Transmissions. Proceedings of CONAT 2016 International Congress of Automotive and Transport Engineering. – Springer International Publishing Switzerland, 2017. – P. 36–47.Vornehm M. Functional Description and Design Aspects of Hybrid Transmissions. Proceedings of CONAT 2016 International Congress of Automotive and Transport Engineering. Springer International Publishing Switzerland, 2017, pp. 36–47.Into the Future – with E-Mobility. ZF products for hybrid and electric vehicles. ZF Friedrichshafen AG. URL: https://www.zf.com/master/media/en/corporate/m_zf_com/company/download_center/products/passen-ger_cars/zf_pkw_e_mobility_2015_de_5c_low.pdf (дата обращения: 15.10.2022).Into the Future – with E-Mobility. ZF products for hybrid and electric vehicles. ZF Friedrichshafen AG. Available at: https://www.zf.com/master/media/en/corporate/m_zf_com/company/download_center/products/passenger_cars/zf_pkw_e_mobility_2015_de_5c_low.pdf (accessed 15 October 2022). (In Russian)Reitz D., Ruder W., Dilzer M., Blaes C. P2 High-Voltage Drives. Efficient Hybridization for all Transmissions // Proceedings of Schaeffler Symposium. – 2018. – P. 305–313.Reitz D., Ruder W., Dilzer M., Blaes C. P2 High-Voltage Drives. Efficient Hybridization for all Transmissions. Proceedings of Schaeffler Symposium, 2018, pp. 305–313.BorgWarner P2 Module for Hybrid Vehicles. URL: https://www.borgwarner.com/technologies/p2-hybrid-architecture (дата обращения: 15.10.2022).BorgWarner P2 Module for Hybrid Vehicles. Available at: https://www.borgwarner.com/technologies/p2-hybrid-architecture (accessed 15 October 2022). (In Russian)Pacejka H.B., Besselink I. Tire and vehicle dynamics. Third Edition. – Elsevier Ltd., 2012. – P. 165–183.Pacejka H.B., Besselink I. Tire and vehicle dynamics. Third Edition. Elsevier Ltd., 2012, pp. 165–183.Гришкевич А.И. Автомобили: теория. – Минск: Выш. шк., 1986. – С. 42.Grishkevich A.I. [Vehicles: theory]. Minsk, Vysshaya shkola Publ., 1986, p. 42. (In Russian)Курочкин Ф.Ф., Нагайцев М.В., Полунгян А.А. Метод определения закона управления фрикционными элементами при переключении в автоматической планетарной коробке передач транспортной машины // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия Машиностроение. – 2008. – № 2. – С. 52–62.Kurochkin F.F., Nagaytsev M.V., Polungyan A.A. [Method of determination of law to control friction elements at switching in automatic planetary gearbox of vehicle]. Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Seriya Mashinostroenie, 2008, no. 2, pp. 52–62. (In Russian)Isermann R. Engine Modeling and Control. Modeling and Electronic Management of Internal Combustion Engines. – Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2014. – P. 439.Isermann R. Engine Modeling and Control. Modeling and Electronic Management of Internal Combustion Engines. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2014, p. 439.Isermann R. Mechatronic Systems. Fun da mentals. – Springer-Verlag London Limited, 2005. – P. 200.Isermann R. Mechatronic Systems. Fundamentals. Springer-Verlag London Limited, 2005, p. 200.Hori Y., Toyoda Y., Tsuruoka Y. Traction Control of Electric Vehicle: Basic Experimental Results Using the Test EV “UOT Electric March” // IEEE Transactions on Industry Applications. – 1998. – Vol. 34, no. 5. – P. 1131–1138.Hori Y., Toyoda Y., Tsuruoka Y. Traction Control of Electric Vehicle: Basic Experimental Results Using the Test EV “UOT Electric March”. IEEE Transactions on Industry Applications, 1998, vol. 34, no. 5, pp. 1131–1138.Фисенко И.А., Есеновский-Лашков Ю.K., Скоков Е.М. Оценка плавности переключений гидромеханических передач легковых автомобилей // Автомобильная промышленность. – 1982. – № 5. – С. 17–18.Fisenko I.A., Esenovskiy-Lashkov Yu.K., Skokov E.M. [Evaluation of the smoothness of switching hydromechanical transmissions of passenger vehicles]. Avtomobil’naya promyshlennost’, 1982, no. 5, pp. 17–18. (In Russian)Куликов И.А., Фисенко И.А. Моделирование движения автомобиля с автоматической трансмиссией средствами программного пакета Simulink // Труды НАМИ. – 2008. – № 239. – С. 80–98.Kulikov I.A., Fisenko I.A. [Modeling the movement of a vehicle with an automatic transmission using the Simulink software package]. Trudy NAMI, 2008, no. 239, pp. 80–98. (In Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.