程 洋

（西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院，四川 成都 610039）

前言

在配置有自動變速器的汽車中，除了無極變速器之外，其他類型變速器都會涉及到到換擋規(guī)律的確定。換擋規(guī)律主要是研究選擇什么樣的換擋參數(shù)，在何時進(jìn)行換擋等問題，其好壞直接影響車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性、動力性和排放性的優(yōu)劣和乘坐舒適性，故換擋規(guī)律是自動控制系統(tǒng)的核心之一[1]。

換擋規(guī)律按照換擋的控制參數(shù)多少可分為單參數(shù)、雙參數(shù)、三參數(shù)以及四參數(shù)換擋規(guī)律。單參數(shù)換擋規(guī)律是單一的將車速作為控制參數(shù)，即到了指定車速就換擋，控制結(jié)構(gòu)簡單，但駕駛員無法干預(yù)換擋。雙參數(shù)是目前普遍采用的基于車速和油門開度為控制參數(shù)的換擋規(guī)律，有穩(wěn)定可靠和實(shí)現(xiàn)簡單的特點(diǎn)。三參數(shù)換擋規(guī)律相比兩參數(shù)換擋規(guī)律增加了車輛的加速度參數(shù)，能更進(jìn)一步反映了車輛的實(shí)際操縱規(guī)律，但三參數(shù)換擋規(guī)律的制定非常復(fù)雜，工程運(yùn)用的較少。而四參數(shù)換擋規(guī)律是在三參數(shù)換擋規(guī)律的基礎(chǔ)上再添加節(jié)氣門開度變化率，節(jié)氣門開度變化率能反映駕車者對車輛動力性的需求程度[2]，目前對于此換擋規(guī)律僅局限于工程車輛理論研究方面。

本文采用工程應(yīng)用中使用廣泛與成熟的兩參數(shù)換擋規(guī)律為基礎(chǔ)，應(yīng)用AVL Cruise軟件GSP模塊中GSP Generation對裝備5檔AMT的某商用汽車進(jìn)行快速準(zhǔn)確地生成最佳經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律，并以整車燃油消耗為基礎(chǔ)，運(yùn)用 GSP Optimization對換擋規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化，從而更進(jìn)一步提高了汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。

1 整車模型搭建

利用 AVL List 公司開發(fā)的 Cruise 軟件，可以對任意結(jié)構(gòu)形式的汽車動力傳動系進(jìn)行建模和仿真。整車動力傳動系模型中發(fā)動機(jī)、主減速器、輪胎等模型根據(jù)所輸入的整車技術(shù)參數(shù)即可參與仿真計算[3]。整車基本參數(shù)如表1所示，AMT各檔速比如表2所示，主減速器速比為4.529。

表1 整車基本參數(shù)

表2 AMT各檔速比

依據(jù)汽車構(gòu)型，在AVL Cruise軟件平臺上，通過從模塊庫中直接拖拽出汽車相對應(yīng)部件模塊的方式來搭建整車模型，并依據(jù)整車參數(shù)修改各部件的屬性來快速完成整車模型參數(shù)設(shè)定。然后依據(jù)部件之間的關(guān)系完成各部件間的機(jī)械連接以及電氣連接，如圖1所示。

圖1 AVL Cruise整車模型

2 換擋規(guī)律生成

運(yùn)用Cruise GSP Generation制定換擋規(guī)律時，首先需要發(fā)動機(jī)的部分負(fù)載曲線以及萬有特性曲線，依據(jù)該曲線通過Cruise里的靜態(tài)計算得到各個檔位在各油門踏板開度下的整車加速度曲線圖以及汽車輪邊功率曲線圖，如圖2、圖3所示。整車的加速度[4]a：

式中：δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，m為整車質(zhì)量，F(xiàn)t整車驅(qū)動力，F(xiàn)f為滾動阻力，F(xiàn)i為坡道阻力，F(xiàn)w為空氣阻力。

輪邊功率P：

式中M為汽車質(zhì)量，v為車速，a為整車加速度。

圖3 整車各個檔位下輪邊功率曲線

換檔模式設(shè)置分為3個主要部分[5]，低負(fù)荷區(qū)域、中負(fù)荷區(qū)域以及高負(fù)荷區(qū)域，如圖4所示。每個區(qū)域的具體范圍依據(jù)變速器標(biāo)定工程師的工程經(jīng)驗(yàn)而定。

圖4 GSP設(shè)置—區(qū)域

本文界定 20%負(fù)荷以下為低負(fù)荷區(qū)，中負(fù)荷區(qū)范圍為20%～100%，而100%～110%為高負(fù)荷區(qū)域。對于高負(fù)荷區(qū)域的升檔線，Kick Down (110%)表示延遲升檔，即表示駕駛員持續(xù)將油門踩在100%位置處，110%油門踏板開度為假想值，實(shí)際并不存在，而降檔線Kick Down (110%)表示強(qiáng)制降檔，即駕駛員急踩油門到100%位置處來實(shí)現(xiàn)降檔加速。

2.1 低負(fù)荷區(qū)換擋規(guī)律

對于雙參數(shù)換擋車輛，設(shè)置低負(fù)荷區(qū)域換擋規(guī)律時，汽車性能以舒適、穩(wěn)定、少污染為主，對加速度無明顯需求。降檔時主要考慮 NVH限制轉(zhuǎn)速，而在此基礎(chǔ)上盡量降低發(fā)動機(jī)降擋轉(zhuǎn)速以提高燃油經(jīng)濟(jì)性，并根據(jù)駕駛性的需求確定升擋的延遲車速，從而獲得升擋車速。升檔車速Vup[i]：

式中Vdown[i]為降檔車速，在Cruise GSP中設(shè)置與之相對應(yīng)的轉(zhuǎn)速值；VHysteresis[i]為升降擋延遲車速。

低負(fù)荷區(qū)域相關(guān)參數(shù)設(shè)置值如表3所示。

表3 低負(fù)荷區(qū)相關(guān)參數(shù)設(shè)置

2.2 中負(fù)荷區(qū)換擋規(guī)律

中負(fù)荷區(qū)域參數(shù)設(shè)置主要保證燃油經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上兼顧動力性。GSP Generation在中負(fù)荷區(qū)的設(shè)置則是基于預(yù)先靜態(tài)計算得到的車速-輪邊功率曲線來設(shè)置相關(guān)參數(shù)，其中1擋升到2擋和2擋降到1擋的設(shè)置與其它擋位的設(shè)置不同。這兩個擋位的設(shè)置是根據(jù)換擋點(diǎn)的輪邊功率所占最大輪邊功率的百分比來設(shè)置的。Cruise軟件提供不同驅(qū)動模式的參考值，如表4。

表4 不同驅(qū)動模式下參考值

經(jīng)濟(jì)模式下其他檔位升降檔規(guī)律依據(jù)公式（4）和公式（5）來設(shè)置以及設(shè)置值如表5所示，設(shè)置升檔轉(zhuǎn)速公差目的是為了提高駕駛舒適性和穩(wěn)定性而將各檔位升檔轉(zhuǎn)速限制在一定范圍內(nèi)。

表5 中負(fù)荷區(qū)相關(guān)參數(shù)設(shè)置

2.3 高負(fù)荷區(qū)換擋規(guī)律

高負(fù)荷區(qū)域汽車是以能夠獲得最佳動力性能為前提，主要確定四個點(diǎn)，升檔線的Kick Down點(diǎn)（110%LS）和PAF點(diǎn)（100%LS）以及降檔線的Kick Down點(diǎn)（110%LS）和PAF點(diǎn)（100%LS），Kick換擋點(diǎn)在最大加速強(qiáng)度（相鄰兩檔位加速度曲線的交點(diǎn)）處換擋，在實(shí)際換檔

過程中還需要考慮換擋響應(yīng)時間的影響。而PAF換擋點(diǎn)依據(jù)與Kick換擋點(diǎn)的轉(zhuǎn)速差來確定。

表6 高負(fù)荷區(qū)相關(guān)參數(shù)設(shè)置

2.4 換擋規(guī)律結(jié)果

根據(jù)上述的各個負(fù)荷區(qū)設(shè)置，計算求得的換擋規(guī)律如圖5所示。

圖5 經(jīng)濟(jì)模式升檔與降檔規(guī)律

從圖5分析可以得出，該換擋規(guī)律是一種組合型的換擋規(guī)律，是由多段不同變化規(guī)律組合而成的換擋規(guī)律。低負(fù)荷區(qū)采用的是等延遲型換擋規(guī)律，中高負(fù)荷區(qū)采用的是帶強(qiáng)制降檔的發(fā)散型換擋規(guī)律，這是發(fā)散型換擋規(guī)律的改進(jìn)，目的是為了克服其缺點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)提前降檔，以充分發(fā)揮發(fā)動機(jī)大功率的潛力，滿足爬坡、超車等工況需求。

3 換擋規(guī)律優(yōu)化

3.1 GSP優(yōu)化

為了進(jìn)一步提升汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，需要對生成的換擋規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化處理。利用Cruise中的GSP Optimization對生成的經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律基于NEDC循環(huán)工況進(jìn)行優(yōu)化，從而得到更優(yōu)的換擋規(guī)律。

在完成靜態(tài)任務(wù)參數(shù)設(shè)置后，根據(jù)給定工況下傳動系優(yōu)化流程[6]，通過仿真計算得到不同車速對應(yīng)的優(yōu)化節(jié)氣門開度，如圖6，以及給定循環(huán)工況下的最優(yōu)換擋情況，如圖7。將生成的Optimal Maps (圖8)疊加到GSP Generation生成的換擋規(guī)律圖，調(diào)整升降擋換擋曲線以得到優(yōu)化后的換擋規(guī)律曲線，如圖 9。最終將優(yōu)化后的換擋曲線數(shù)據(jù)導(dǎo)入到機(jī)械式自動變速器的控制單元中。

圖6 NEDC工況下的換擋優(yōu)化

圖7 NEDC工況優(yōu)化圖

圖8 優(yōu)化Map圖

圖9 優(yōu)化后的換擋規(guī)律

3.2 優(yōu)化前后仿真結(jié)果

基于給定的NEDC循環(huán)工況對優(yōu)化前后的換擋規(guī)律進(jìn)行仿真分析，汽車的綜合油耗結(jié)果如表 7，優(yōu)化后相較于優(yōu)化前油耗減少4%左右。

表7 優(yōu)化前后的仿真結(jié)果對比

汽車在駕駛過程中，發(fā)動機(jī)的扭矩分布如圖10、圖11，換擋規(guī)律優(yōu)化后，汽車發(fā)動機(jī)能更長時間工作在高效區(qū)，整車的燃油消耗得以改善。

圖10 優(yōu)化前的發(fā)動機(jī)扭矩分布

圖11 優(yōu)化后的發(fā)動機(jī)扭矩分布

4 結(jié)論

（1）本文以某款裝備AMT的商用轎車作為研究對象，利用 AVL Cruise 軟件，建立整車仿真模型，使用Cruise GSP模塊快速生成換擋規(guī)律并且基于給定的循環(huán)工況下優(yōu)化燃油消耗，對于快捷地進(jìn)行變速器標(biāo)定有一定的借鑒意義。

（2）優(yōu)化后的換擋規(guī)律較優(yōu)化前能夠進(jìn)一步提升車輛性能。

（3）在車輛實(shí)際開發(fā)過程中，計算求得的換擋規(guī)律并不能直接在實(shí)車上運(yùn)用，需要不斷地調(diào)試和優(yōu)化。