涂安全，羅賢虎，李 星，韓志軍

（1.安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601；2.太原理工大學(xué)力學(xué)學(xué)院，山西 太原 030024）

自動擋汽車換擋質(zhì)量評價系統(tǒng)研究

涂安全1，羅賢虎1，李 星1，韓志軍2

（1.安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601；2.太原理工大學(xué)力學(xué)學(xué)院，山西 太原 030024）

換擋質(zhì)量一直是雙離合自動變速箱電控系統(tǒng)的重難點(diǎn)，基于車輛縱向加速度動態(tài)測量，提出一種自動擋車型換擋質(zhì)量評價系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用加速度傳感器、NI數(shù)據(jù)采集器及CANape等設(shè)備，采集換擋過程中的換擋時間和縱向加速度信號，通過自編程序計算得到換擋過程中的振動劑量值（VDV）、加速度差值以及換擋時間，以此來客觀評價車輛在踩油門升擋、踩油門降擋、松油門升擋、松油門降擋4類換擋工況下的換擋品質(zhì)。利用某DCT車型，按照該評價系統(tǒng)對其換擋質(zhì)量進(jìn)行測試，結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確對4類換擋工況進(jìn)行客觀的數(shù)據(jù)評價，能夠準(zhǔn)確識別出影響換擋質(zhì)量的因素，證明此方法有效可行。

自動擋汽車；縱向加速度；換擋質(zhì)量；換擋時間；振動劑量值

0 引 言

自動擋汽車不需要駕駛者在行駛過程中手動切換擋位，車輛會根據(jù)行駛的當(dāng)前速度、油門、環(huán)境溫度情況、路面坡度以及道路交通情況自動選擇合適的擋位行駛。在換擋過程中如果存在明顯的沖擊，會影響乘坐的舒適性[1]，為此在自動變速箱標(biāo)定開發(fā)過程中，需要關(guān)注整車的換擋質(zhì)量[2]。

目前，國內(nèi)外許多學(xué)者及工程師對自動擋汽車換擋質(zhì)量的評價方法進(jìn)行了諸多研究，且成果較為豐富。孫賢安等[3]通過徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，建立了舒適性主、客觀評價之間的聯(lián)系手段；涂安全等[4]建立了一套擋位結(jié)合沖擊度評價系統(tǒng)，基于擋位結(jié)合控制策略提升換擋質(zhì)量；張建國等[5]結(jié)合換擋時間和沖擊度等性能指標(biāo)，開發(fā)了換擋品質(zhì)客觀評價系統(tǒng)，建立了主、客觀評價指標(biāo)之間的非線性關(guān)系。國內(nèi)外汽車企業(yè)對自動擋汽車換擋質(zhì)量的評價通常有測評人員主觀評價[6]和測評系統(tǒng)客觀評價兩部分：主觀評價主要根據(jù)測評人員的駕駛經(jīng)驗，因此主觀評價容易受到評價者自身諸多因素的影響，很難完全客觀公正反映實際換擋質(zhì)量；客觀評價多采用國外專業(yè)客觀評價系統(tǒng)，常用的如AVL公司的Drive駕駛性評價系統(tǒng)，但國外客觀評價系統(tǒng)不僅價格昂貴，而且需要專業(yè)人員進(jìn)行測評，在標(biāo)定開發(fā)過程中無法廣泛使用。

本文使用標(biāo)定軟件CANape和測試軟件NI Max，綜合考慮影響換擋過程舒適性的換擋時間、加速度、換擋沖擊度等指標(biāo)，設(shè)計了一種能夠普遍適用于自動擋車型、操作簡單、成本低廉的換擋質(zhì)量評價系統(tǒng)。

1 換擋評價系統(tǒng)設(shè)備選型與安裝

1.1 設(shè)備選型

一般在整車CAN網(wǎng)絡(luò)上可以獲取ESC模塊發(fā)出的加速度信號，但是測量精度滿足不了換擋質(zhì)量評價系統(tǒng)的要求，故需要在整車上安裝加速度傳感器。本換擋評價系統(tǒng)使用的加速度傳感器有關(guān)參數(shù)如表1所示。加速度信號采集設(shè)備為NI采集卡；CAN信號解析使用VehSpy軟件；數(shù)據(jù)采集與集成分析設(shè)備為CANape。

表1 加速度傳感器主要性能指標(biāo)

1.2 設(shè)備安裝

由于座椅軌道與車身底盤為剛性連接，故將加速度傳感器水平固定于駕駛座椅軌道上，這樣能確保加速度傳感器測量方向為車輛行駛方向。安裝示意圖，如圖1所示。NI采集卡采集加速度信號通過USB接口連接電腦。

圖1 加速度傳感器的安裝

1.3 信號采集與集成

除了加速度信號，換擋質(zhì)量客觀評價系統(tǒng)所需的CAN信號如表2所示。通過解析dbc文件由VehSpy軟件獲取。

表2 所需整車CAN信號列表1）

整車CAN信號和通過傳感器獲得的加速度信號的集成示意圖，如圖2所示。由NI采集卡測量得到加速度信號與通過VehSpy軟件采集得到的整車CAN信號（如：加速踏板信號、當(dāng)前擋位信號、離合器狀態(tài)位信號、換擋標(biāo)志位信號等）輸入計算機(jī)，并通過CANape軟件，利用自編程序計算得到VDV值。

圖2 換擋質(zhì)量評價系統(tǒng)信號集成示意圖

2 換擋質(zhì)量評價測試與分析

2.1 測試工況

本測試系統(tǒng)只針對自動擋汽車的換擋質(zhì)量進(jìn)行測評，對其他駕駛性（如蠕動、起步等工況）不予以評價，因此測試工況只對4種典型的換擋工況進(jìn)行區(qū)分與測試，分別是踩油門升擋、踩油門降擋、松油門升擋和松油門降擋。具體測試工況見表3～表5。

表3 踩油門升擋測試工況

表4 踩油門降擋、松油門升擋測試工況

表5 松油門降擋測試工況

測試過程中部分工況受各種條件限制（如10%油門4→5、100油門5→6等）而無法實現(xiàn)，不做強(qiáng)制要求；松油門升擋和踩油門降擋測試的車速條件需要根據(jù)實際情況進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整。

2.2 換擋質(zhì)量評價指標(biāo)

振動劑量值（VDV）綜合考慮了加速度和換擋時間兩種因素，是一種廣泛被使用的綜合性的評價指標(biāo)[7-9]，使用非常方便，故本文的換擋質(zhì)量評價指標(biāo)為振動劑量VDV值。VDV值計算公式為

式中：a——加速度，m/s2；

t——測量時間，s；

t′——換擋總時間，s。

振動劑量值VDV值越小，表明傳動系統(tǒng)沖擊越小，換擋越平順，舒適性越好[10]。

式中：t′——換擋總時間，s；

t1′——換擋準(zhǔn)備時間，s；

t2′——扭矩交替時間，s；

t3′——轉(zhuǎn)速同步時間，s。

圖3 換擋過程示意圖

圖3是典型的換擋過程示意圖，自上而下分別為換擋過程中發(fā)動機(jī)/變速箱的扭矩曲線、轉(zhuǎn)速曲線以及加速度變化曲線；換擋時間主要基于換擋過程扭矩變化的階段；換擋時間t′值越小，說明在換擋滑摩溫度可控的前提下，換擋速度越快，動力中斷所能造成的影響越小，舒適性越高[11]。

2.3 換擋質(zhì)量評價指標(biāo)計算

VDV值的計算基于換擋過程中的加速度信號值，在進(jìn)行VDV計算之前，考慮車輛在加減速過程中，加速度信號會受到油門和剎車帶來的低頻加速信號以及其他因素導(dǎo)致的高頻信號干擾，首先對加速度信號進(jìn)行濾波處理；采用低階連續(xù)時間濾波器對加速度信號進(jìn)行濾波處理[12]，其加速度連續(xù)傳遞函數(shù)為

加速度信號濾波處理結(jié)束后，利用CANape自帶編譯功能，編寫VDV值計算程序，依據(jù)式（1）以換擋標(biāo)志信號持續(xù)時間作為VDV計算的積分時間長度，首先計算換擋積分時間長度內(nèi)每個加速度點(diǎn)的4次冪，然后對升冪后的加速度信號進(jìn)行時間積分，由于是離散信號，無法運(yùn)用積分公式計算，但是10ms的采樣周期已經(jīng)足夠短，因此可以采用積分原理進(jìn)行無限劃分求和計算每兩個采集點(diǎn)與時間軸形成的梯形面積，無數(shù)個梯形面積之和即為積分結(jié)果。最后再對上面積分的結(jié)果開4次方根，便可得到VDV結(jié)果。軟件計算流程如圖4所示。

圖4 VDV值程序計算流程圖

換擋時間t′需要利用換擋標(biāo)志位來讀取，如果通過換擋標(biāo)志位直接讀取，不僅浪費(fèi)時間，而且不利于持續(xù)工作；因此通過設(shè)置一個輔助信號，將其初始值設(shè)置為0，在換擋標(biāo)志位為1而輔助信號為0的一瞬間，記錄時間值并將輔助信號設(shè)置為1；當(dāng)換擋標(biāo)志位變?yōu)?，輔助信號為1的瞬間，記錄時間值并將輔助信號設(shè)置為0；兩個時間相減即得換擋時間。實際應(yīng)用過程中，由于每個車型的換擋標(biāo)志位信號是有差別的，因此需要根據(jù)實際車輛信號進(jìn)行調(diào)整，但是算法不需要調(diào)整。

換擋過程中加速度差值da通過分別計算換擋時間t′內(nèi)加速度a的最大值amax和最小值amin，然后作差即可求得。

綜上，編寫VDV值計算程序，采用C語言編寫代碼，利用CANape自帶編譯功能，直接在CANape中編寫代碼，無需專門編寫工具。

3 試驗驗證

3.1 客觀評價系統(tǒng)驗證

利用上述測試方法及軟件，選擇兩輛不同品牌量產(chǎn)在售的自動擋（DCT）車輛為測試對象，在相同測試條件下以踩油門（20%）升擋為例反復(fù)進(jìn)行試驗，整理試驗結(jié)果見表6。

表6 20%油門升擋，實測換擋過程VDV計算值

兩個車輛的試驗結(jié)果表明，車型2所有擋位的換擋質(zhì)量VDV值都小于車型1，說明車型2的換擋舒適性更高。

采用AVL客觀評價系統(tǒng)DRIVE對上述車型1和車型2的換擋過程進(jìn)行評價，DRIVE的評價評分標(biāo)準(zhǔn)為0～10分，評分越高，說明該項指標(biāo)駕駛舒適性越好。選取換擋沖擊、換擋時間和換擋加速度變化3個評價指標(biāo)進(jìn)行分析，測試對比結(jié)果如圖5所示。從圖中可知，綜合3個評價指標(biāo)，車型2的性能優(yōu)于車型1。

圖5 兩種車型對應(yīng)的AVL-DRIVE評價結(jié)果對比

與AVL-DRIVE評價結(jié)果對比可知：通過本文所述換擋質(zhì)量評價系統(tǒng)測得的換擋質(zhì)量指標(biāo)值（VDV）與DRIVE系統(tǒng)所測結(jié)果趨勢一致，本文所述換擋質(zhì)量評價系統(tǒng)能夠較準(zhǔn)確地反映換擋質(zhì)量的好壞。

3.2 客觀評價結(jié)果及分析

根據(jù)VDV測試結(jié)果，以20%油門1擋升2擋為例，車型1的VDV值較車型2明顯偏大，離線分析換擋過程數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)結(jié)合離合器充油出現(xiàn)超調(diào)時，導(dǎo)致離合器結(jié)合過快，因此加速度出現(xiàn)波動，如圖6圈中所示。并且在1擋換2擋過程中離合器2充油存在明顯的壓力超調(diào)（圖7圈中所示），這是導(dǎo)致出現(xiàn)換擋沖擊的原因。

結(jié)合VDV測試結(jié)果和離線數(shù)據(jù)分析的原因，對該換擋過程的離合器充油期望壓力與充油時間進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，并進(jìn)行再次測試驗證，相同油門下1擋升2擋VDV值降為0.1380，較原值0.2033下降了32.1%。同時離線數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)換擋過程充油控制平穩(wěn)，未出現(xiàn)壓力超調(diào)或充油不足現(xiàn)象，加速度信號未出現(xiàn)明顯波動，如圖8和圖9所示。

綜上，對比試驗結(jié)果也驗證了本文客觀評價系統(tǒng)的有效性。

圖6 優(yōu)化前換擋過程加速度信號分析（1擋→2擋）

圖7 優(yōu)化前換擋過程離合器壓力分析（1擋→2擋）

圖8 優(yōu)化后換擋過程離合器壓力分析（1擋→2擋）

圖9 優(yōu)化后換擋過程加速度信號分析（1擋→2擋）

4 結(jié)束語

1）本文基于車輛縱向加速度動態(tài)測量建立了一套自動擋車型換擋質(zhì)量評價系統(tǒng)，其換擋沖擊測試結(jié)果與AVL DRIVE系統(tǒng)所測結(jié)果 （評分）趨勢一致，能夠較準(zhǔn)確地評價換擋質(zhì)量的優(yōu)劣。

2）該系統(tǒng)利用換擋過程壓力、時間等離線采集數(shù)據(jù)，可以精確對比分析和準(zhǔn)確識別影響換擋質(zhì)量的要素，方便問題分析和解決。

3）通過實車對比測試驗證，該測試系統(tǒng)能夠較準(zhǔn)確地評價自動擋汽車換擋質(zhì)量，為換擋品質(zhì)提升提供有效方法。

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（編輯：李妮）

Study on shift quality evaluation system of automatic car

TU Anquan1， LUO Xianhu1， LI Xing1， HAN Zhijun2
（1.Ramp;D Center，Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd.，Hefei 230601，China；2.College of Mechanics，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

The shift quality has always been a key and difficult point in the electronic control system of dual-clutch transmission. Based on vehicle longitudinal acceleration dynamic measurement， an automatic shiftquality evaluation system was proposed.The system used acceleration sensor， NI data acquisition and CANape， to collectthe shifttime and the longitudinal acceleration signals.In calculating the vibration dose value （VDV）， acceleration difference and shift time by self-compiled software，and in order to objectively evaluate the shift quality of the vehicle in four types of gear shift such as power on up shift， power on down shift，power off up shift， power off down shift.Using a DCT vehicles， according to the evaluation system to test the quality of its shift.The results show that the system can accurately evaluate four kinds of shift conditions，can accurately identify the factors that affect the quality of the shift，it is proved that this method is effective and feasible.

automatic car； longitudinal acceleration； shift quality； shift time； vibration dose value

A

1674-5124（2017）11-0124-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.11.024

2017-03-25；

2017-05-10

國家“863”高技術(shù)研究發(fā)展計劃（2012AA111711）

涂安全（1982-），男，安徽合肥市人，工程師，碩士，主要從事發(fā)動機(jī)、自動變速箱電控系統(tǒng)研究。