師 帥 劉四海 呂二華 曲白雪中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心電子控制研究部，長春 300

0 引言

換擋規(guī)律是自動(dòng)變速器研究的核心技術(shù)，直接關(guān)系到汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性[1]。目前廣泛使用的換擋規(guī)律是考慮油門和車速的兩參數(shù)換擋規(guī)律，一般基于平路標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)工況下的最佳動(dòng)力性和最佳經(jīng)濟(jì)性條件來制定[2]。當(dāng)車輛負(fù)載或者路況等因素發(fā)生變化，加之駕駛員作出的動(dòng)態(tài)響應(yīng)復(fù)雜，會(huì)導(dǎo)致非設(shè)計(jì)工況下的性能下降甚至惡化[3]。研究表明[4]，對二參數(shù)換擋規(guī)律影響最大的變化因素是坡度和載重質(zhì)量，對載重變化大、行駛工況多變的商用車更是如此。這兩種因素會(huì)導(dǎo)致頻繁換擋現(xiàn)象，如果檔位選擇不正確還會(huì)導(dǎo)致燃油經(jīng)濟(jì)性變差，車輛整體性能惡化等問題，所以需要針對路況對基本換擋規(guī)律進(jìn)行自適應(yīng)修正以滿足最佳動(dòng)力性的需要。本文將車輛載重和坡度作為動(dòng)態(tài)變量，對現(xiàn)有換擋規(guī)律進(jìn)行修正，確保AMT車輛在行駛過程中充分發(fā)揮其動(dòng)力性。

1 最佳動(dòng)力性換擋規(guī)律

最佳動(dòng)力性換擋規(guī)律一般應(yīng)用加速度法確定，其設(shè)計(jì)原則為：繪制車輛不同檔位的行駛加速度曲線圖，相鄰檔位同油門下的交點(diǎn)即為動(dòng)力性升檔點(diǎn)。具體求解如下：

(1)

式中，δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)，m為整車質(zhì)量，F(xiàn)t為汽車行駛牽引力，CD為空氣阻力系數(shù)，Aarea為汽車迎風(fēng)面積，u為汽車行駛速度，f為道路阻力系數(shù)，i為道路坡度。

汽車行駛牽引力可表示為

(2)

式中，Ttq為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩，ig為各檔傳動(dòng)比，io為主傳動(dòng)比，ηT為傳動(dòng)效率，r為車輪半徑。

Ttq=42.92+3.36×10-4a3-0.079a2+5.16a-

1.37×10-5n2-0.039n+9.96×10-4an

(3)

通過最小二乘法，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩可擬合為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和加速度的函數(shù)[5]，如式(3)

其中，n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，與車速之間的關(guān)系為

(4)

將式(4)以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的形式代入公式(3)可得扭矩表示：

(5)

C=42.92+3.36×10-4a3-0.079a2+5.16a

根據(jù)最佳動(dòng)力性換擋規(guī)律制定規(guī)則得到的計(jì)算公式為

(6)

將式子(1)～(5)代入(6)得：

a′u2+b′u+c′=0

(7)

其中，

mg(δ(n)-δ(n+1))(f+i)

根據(jù)式(7)，令m為整車空載質(zhì)量，坡度i為0，可求出升檔車速u(n)，再與該檔位下的最高車速和待升擋位的最低車速進(jìn)行比較，若在其區(qū)間內(nèi)，則求出的車速為最佳動(dòng)力性升檔車速。如果相鄰檔位同油門下的行駛加速度曲線沒有交點(diǎn)，則取各檔的最高車速作為升檔點(diǎn)，一般稱作邊界升檔點(diǎn)。但邊界升檔點(diǎn)作為升檔點(diǎn)時(shí)，升檔后可能會(huì)出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)力小于行駛阻力，造成車速下降，甚至發(fā)動(dòng)機(jī)熄火的問題。所以邊界點(diǎn)的選擇一般要遵循以下判斷規(guī)則：如果升檔后加速度小于0，則保持原擋位；如果升擋后加速度大于0，則升檔；如果升檔后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于怠速，則保持原擋位。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)改變汽車載荷和坡度值時(shí)對換擋規(guī)律有較大的影響，不同載荷和坡度的動(dòng)態(tài)變化使得最佳升檔車速不同，擋位越高差異越大。根據(jù)實(shí)車標(biāo)定情況來看，這種差異呈現(xiàn)出一定的比例規(guī)律，即動(dòng)態(tài)變化的程度越高差異越大，因此可以根據(jù)動(dòng)態(tài)載荷和坡度的識(shí)別來對擋位進(jìn)行插值修正。

2 最佳動(dòng)力性換擋規(guī)律的動(dòng)態(tài)修正

2.1 整車質(zhì)量與道路坡度識(shí)別

經(jīng)過上述分析可知，整車質(zhì)量和行駛坡度是動(dòng)力性換擋規(guī)律修正中兩項(xiàng)最重要的參數(shù)。本文使用經(jīng)典最小二乘法對這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別，并通過實(shí)車實(shí)驗(yàn)證明其有效性。

根據(jù)汽車行駛動(dòng)力學(xué)方程，汽車整車行駛時(shí)狀態(tài)可表示為

(8)

γo為與輪胎相連的各轉(zhuǎn)動(dòng)部件等效于輪胎的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ωw為車輪角加速度，β為廣義坡度。

將上式表示為線性形式如下，

y=φTθ

(9)

其中，y=a+gf，

對上述線性形式采用最小二乘形式的準(zhǔn)則函數(shù)，既觀測值與計(jì)算值之間誤差的平方和最小。形式如下：

(10)

2.2 換擋規(guī)律的動(dòng)態(tài)修正

根據(jù)動(dòng)態(tài)載荷修正換擋規(guī)律，首先通過前述計(jì)算最佳換擋點(diǎn)的方法計(jì)算出空載質(zhì)量和滿載質(zhì)量下的換擋點(diǎn)：

(11)

設(shè)當(dāng)前整車質(zhì)量為m，則通過線性插值的方法在空載和滿載換擋線之間插值可以得到任意車重下的換擋曲線，其表達(dá)式如下，

um=Lmumo+(1-Lm)umz

(12)

其中，Lm=(m-mz)/(m0-mz)。

以一擋升二擋為例，圖1所示為基于整車質(zhì)量的換擋規(guī)律修正。

坡度對換擋規(guī)律的影響從本質(zhì)上來說和整車質(zhì)量是一樣的，都是阻力矩的改變，所以根據(jù)動(dòng)態(tài)坡度修正換擋規(guī)律與整車質(zhì)量修正原理相同，采用相同的插值修正方法。計(jì)算公式為，

ua=Lauao+(1-La)uamax

(13)

其中，La=(a-amax)/(a0-amax)。

圖1 基于整車質(zhì)量修正的換擋規(guī)律

同樣以一擋升二擋為例，圖2所示為基于坡度的換擋規(guī)律修正。

圖2 基于坡度修正的上坡?lián)Q擋規(guī)律

3 實(shí)車驗(yàn)證

本文所述的換擋規(guī)律修正方法應(yīng)用于12擋機(jī)械式自動(dòng)變速器的商用車上，具體參數(shù)如上表1所示,實(shí)驗(yàn)車輛分別選擇一段較大坡度和一段平路正常行駛，行駛車速為：10～30 km/h。如圖3所示，在動(dòng)態(tài)修正換擋規(guī)律模式下，應(yīng)對不同的油門變化，能夠響應(yīng)正常的檔位變換而不出現(xiàn)循環(huán)換擋情況。圖4是整車載重為30000 kg時(shí)的換擋規(guī)律修正，可以看到，擋位根據(jù)載重的變化進(jìn)行了修正，擋位越大換擋車速延遲越大，車速平穩(wěn)增加而不出現(xiàn)循環(huán)換擋的情況，修正作用良好。

表1 車輛參數(shù)

圖3 大坡度換擋修正實(shí)驗(yàn)曲線

圖4 平路變載荷換擋修正曲線

4 結(jié)論

AMT車輛在載重和坡度出現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化的行駛過程中，容易出現(xiàn)頻繁換擋、動(dòng)力性差、駕駛性差等主要問題。本文通過對主要影響因子載重和坡度的動(dòng)態(tài)識(shí)別，采用比例插值法修正對應(yīng)的換擋規(guī)律。在12檔AMT商用車上進(jìn)行了坡路實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，修正后的換擋規(guī)律不但能夠避免循環(huán)換擋的問題，還能響應(yīng)駕駛員的油門操作，并做出正確的擋位選擇，滿足了動(dòng)力性和操作性。

[1] 葛安林，李煥松，武文治等.動(dòng)態(tài)三參數(shù)最佳換擋規(guī)律[J].汽車工程，1992,14(4)；239-247.

[2] Yang Gao, Yong Chen, Daguo Luo et al. Optimization study of automatic transmission power shift schedule[C].Mech Autom Control Eng MACE, 2011, 5094-5097.

[3] 葛安林. 車輛自動(dòng)變速理論與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

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