周銘麗，周銘秋，李雪飛，張利娟

（1.河南科技大學(xué) 車輛與動力工程學(xué)院，洛陽 471003；2.空軍工程大學(xué)航空機(jī)務(wù)士官學(xué)校 航空儀電工程系，信陽 464000）

由于我國物流等大型運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，需要越來越多重型車輛參與運(yùn)輸，但是目前重型車輛的自動變速系統(tǒng)還不夠成熟，對于重型車輛的變速功能提出了更高地要求[1]。

文獻(xiàn)[2]提出用雙離合自動變速方法，此方法可以將離合器與輸入軸相連，不再由離合器踏板操作變速，這樣雖然可以達(dá)到快速換擋的效果，但是成本較高，換擋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要大量元件組裝；文獻(xiàn)[3]提出用耦合驅(qū)動式變速器來實(shí)現(xiàn)對于車輛的變速要求，提高了電機(jī)工作效率，但是在低速重載、高速輕載等情況下，電動機(jī)的效率會比高效率的區(qū)間下降20%～30%。

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本研究設(shè)計(jì)一種基于重型車輛的TCU 自動變速系統(tǒng)。

1 重型車輛電控機(jī)械式自動變速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的基于TCU 技術(shù)的自動變速系統(tǒng)，在系統(tǒng)內(nèi)加入ACC 巡航模式、TCS 防滑模式，能夠?yàn)橹匦蛙囕v進(jìn)行保護(hù)和優(yōu)化[4]。TCU 系統(tǒng)管理如圖1所示。

圖1 TCU 系統(tǒng)管理Fig.1 TCU system management

在圖1 中，TCU 電控系統(tǒng)作為自動變速系統(tǒng)的核心，其使用狀態(tài)決定著整個(gè)重型車輛的整體功能的實(shí)現(xiàn)。本自動變速系統(tǒng)由傳感器信號模塊、開關(guān)信號模塊、CAN 傳輸模塊、齒輪執(zhí)行器模塊等構(gòu)成，有良好的穩(wěn)定性和實(shí)用性。其中，傳感器信號模塊是實(shí)現(xiàn)重型車輛實(shí)現(xiàn)自動變速的重要部分，當(dāng)駕駛員通過踩加速踏板加速時(shí)，傳感器會接受踏板傳遞的信息，將物理信號轉(zhuǎn)換到電信號傳遞給TCU 控制核心，然后系統(tǒng)反饋加速響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)自動變速，控制核心也會實(shí)時(shí)記錄渦輪轉(zhuǎn)速，過高則會加檔來降低轉(zhuǎn)速，過低則會減檔來保持車輛速度的穩(wěn)定。TCU系統(tǒng)串聯(lián)了車輛內(nèi)的所有控制模塊，以便于實(shí)現(xiàn)對變速的反饋。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)時(shí)速度感應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要為了讓車輛能夠適應(yīng)復(fù)雜的駕駛環(huán)境，使駕駛員更便利地駕駛重型車輛。TCU 基于不同的參數(shù)來反饋不同的模式信息，進(jìn)行換擋響應(yīng)，自動變速系統(tǒng)設(shè)計(jì)的越便利，檔位轉(zhuǎn)換就越合理[5]。本系統(tǒng)電控實(shí)時(shí)速度感應(yīng)裝置如圖2 所示。

圖2 實(shí)時(shí)速度感應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of real-time speed sensing device

本系統(tǒng)硬件主要由電控自動變速箱、發(fā)動機(jī)電控單元、執(zhí)行裝置等組成，其中自動變速器由車速傳感器、水溫傳感器、油溫傳感器等具體檢測裝置組成，檢測數(shù)據(jù)全面，也為車輛的自動變速提供了數(shù)據(jù)支持。閥板的電磁閥控制發(fā)動機(jī)和齒輪變速器，齒輪變速器和液力變矩器相互作用，接收通過電磁閥的反饋信息。為了能夠獲取多種數(shù)據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)信息，本系統(tǒng)采用了CAN 總線傳輸物理信號和電信號，使用多種數(shù)據(jù)通信進(jìn)行處理、采集與計(jì)算，通過數(shù)字設(shè)備接口模塊實(shí)現(xiàn)收集嵌入式數(shù)據(jù)信息的作用。

2.2 檔位變換決策設(shè)計(jì)

本研究基于自動變速TCU 的運(yùn)行原理，針對檔位決策功能，設(shè)計(jì)了以下幾個(gè)決策模塊：基本模式?jīng)Q策模塊、換擋曲線模塊以及車輛環(huán)境和駕駛員意圖模塊[6]。TCU 檔位決策工作示意圖如圖3 所示。

圖3 TCU 檔位決策工作示意圖Fig.3 Schematic diagram of TCU gear decision making

由圖3 可知，本系統(tǒng)包括3 種不同的換擋狀態(tài)，與換擋執(zhí)行器壓力和事件曲線開環(huán)控制相關(guān)。鎖止模塊也遵循與檔位決策原理相似的決策判斷和狀態(tài)修正原則。換擋曲線的特性受換擋時(shí)間、轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)扭矩以及路況的影響，高扭矩對應(yīng)高轉(zhuǎn)速，這意味著在高油門時(shí)進(jìn)行換擋，而在低轉(zhuǎn)速時(shí)進(jìn)行低速換擋。這一原則構(gòu)成了本系統(tǒng)自動變速的核心原理。

3 人工智能決策實(shí)施系統(tǒng)

在本研究中，對于自動變速的要求最主要的就是達(dá)到一定的速度和轉(zhuǎn)速，讓自動變速系統(tǒng)可以依據(jù)環(huán)境阻值的大小來進(jìn)行換擋的決策[7]，車輛智能變速以及參數(shù)計(jì)算模型如圖4 所示。

圖4 智能變速計(jì)算模型Fig.4 Intelligent variable speed calculation model

通過計(jì)算獲取車輛狀態(tài)信息，依據(jù)此信息做出加速指令。具體算法如下所示：

車輛的一般加速度是在平路等良好路況的加速度，基于車輛發(fā)動機(jī)輸出扭矩計(jì)算車輛牽引力公式為

式中：Teng_out是輸出力矩；ig是所在檔位的傳動比；i0是減速傳動比；μw是傳感器放大系數(shù)；r 是車輪半徑。通過式（1）可以計(jì)算出車輛在t 時(shí)刻的牽引力大小。目標(biāo)滾動阻力大小計(jì)算：

式中：m 是車的質(zhì)量；g 是重力加速度，等于9.8；k 是車速對滾動阻力的影響系數(shù)；v 是車輛縱向速度。經(jīng)過式（2）的計(jì)算可以準(zhǔn)確計(jì)算出車輛的滾動阻力[8]。車輛的空氣阻值大小計(jì)算公式為

式中：Cd為空氣阻力系數(shù)；A 是車輛受力面積；v 是車輛的縱向速度。由此計(jì)算出正確的空氣阻力大小，供TCU 系統(tǒng)判斷參考。車輛平衡參數(shù)計(jì)算：

式中：Fj是車輛慣性，車輛平衡參數(shù)是上述各種參數(shù)的總和，表示綜合相關(guān)參數(shù)的結(jié)果，降低平衡誤差率。車輛加速度的慣性計(jì)算公式為

式中：anom是車輛理想加速度的慣性表達(dá)方式，較簡單。車輛實(shí)際加速度計(jì)算公式為

式中：nmin_wheel是非驅(qū)動轉(zhuǎn)速的最小量；r 是半徑。該式能夠正確地計(jì)算出車輛在行駛過程中的實(shí)際加速度，這是自動變速系統(tǒng)采集的最主要的數(shù)據(jù)參數(shù)。定義縱向加速度差值的公式為

式中：Δa 是縱向加速度，表示在正常環(huán)境下，加速性能與實(shí)際加速性能的差距，重型車輛在行駛阻力大的路上可以按照此數(shù)據(jù)來進(jìn)行上升或下降檔位，智能換擋點(diǎn)的判斷修正公式為

式中：nk是k 檔；nk′是k 的強(qiáng)制升檔臨界值表示換擋系數(shù)，大小在0～1 之間。當(dāng)λ 的值更接近1時(shí)，則系統(tǒng)自動換擋。

由上述計(jì)算公式可得出，本系統(tǒng)在進(jìn)行變速時(shí)考慮了車輛的理想加速度、實(shí)際加速度、車輛平衡度、驅(qū)動轉(zhuǎn)速、車輪轉(zhuǎn)速等多個(gè)因素，并將它們納入了變速標(biāo)準(zhǔn)中。只有當(dāng)系統(tǒng)設(shè)定的變速要求得到滿足時(shí)，才會執(zhí)行變速操作，這表明了本系統(tǒng)具備高度的嚴(yán)謹(jǐn)性和可靠性。在變速過程中，必須同時(shí)滿足加速踏板和變速器輸出軸轉(zhuǎn)速的要求，才能完成變速。如果其中任何一個(gè)條件不符合，系統(tǒng)將保持原擋而不執(zhí)行變速[9]。

4 試驗(yàn)流程與結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)對系統(tǒng)內(nèi)的輸電線路進(jìn)行測試，依據(jù)關(guān)口電能表所獲取的信息，對現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)進(jìn)行記錄，通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸速度為30 MB/s，測試實(shí)驗(yàn)環(huán)境為半雙工總線采用RS485 型，CPU 采用Intel i8 9600KF，微機(jī)配置為64 G+256 G 內(nèi)存，32 位，MSP430 芯片仿真采用Proteus 8.6 仿真，誤差仿真使用MATLAB 2019 版本。

本研究實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是對重型車輛電控自動變速系統(tǒng)測試。通過調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)業(yè)務(wù)參數(shù)并將記錄的數(shù)據(jù)整理成多個(gè)日志文件，然后將這些日志文件保存到數(shù)據(jù)存儲中心。為了確定重型車輛的最佳換擋模式，使用Proteus 進(jìn)行仿真，以得出發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與換擋之間的關(guān)系。數(shù)據(jù)存儲中心中的數(shù)據(jù)如表1～表4 所示。

表1 TCU 模塊Tab.1 TCU module

表1 中的模塊具備高度穩(wěn)定性、大容量傳輸和低延遲等特點(diǎn)，這些特性可以有效地展現(xiàn)TCU 系統(tǒng)的功能，為重型車輛的自動變速系統(tǒng)增加了實(shí)用性和靈活性。本系統(tǒng)進(jìn)行了不同排放類型的實(shí)驗(yàn)對比，不同排放類型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 不同排放類型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Experimental data of different emission types

由表2 可知，本系統(tǒng)在不同排放類型的車輛中，排放和功率都較固定，無太大差異，壓縮比都在10∶1 左右，表示本系統(tǒng)對于實(shí)現(xiàn)重型車輛的自動變速具備很高的優(yōu)越性。將不同噸位重型車輛在不同的車速中使用本系統(tǒng)所產(chǎn)生的功率數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，車輛噸位和變速系統(tǒng)功率關(guān)系如表3 所示，車輛噸位和時(shí)速功率比如表4 所示。

表3 車輛噸位和變速系統(tǒng)功率關(guān)系Tab.3 Relationship between vehicle tonnage and power of transmission system

表4 車輛噸位和時(shí)速功率比Tab.4 Vehicle tonnage and speed power ratio

通過表3 和表4 數(shù)據(jù)，將本研究變速系統(tǒng)整體運(yùn)行概況通過MATLAB 仿真，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)仿真Fig.5 System simulation

由圖5 可知，本變速系統(tǒng)極具穩(wěn)定和低誤差的特點(diǎn)，且不隨著時(shí)間的變化導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定度增加，依然保持在1%以內(nèi)的特征。

通過將本系統(tǒng)人工智能算法和粒子群算法以支持向量機(jī)算法，在綜合傳輸速度、換擋速度、車輛穩(wěn)定度等參數(shù)數(shù)據(jù)上，進(jìn)行計(jì)算準(zhǔn)確率對比分析。計(jì)算準(zhǔn)確率對比如圖6 所示。

圖6 計(jì)算準(zhǔn)確率對比Fig.6 Comparison of calculation accuracy

由圖6 可知，隨著測試次數(shù)的增加，本系統(tǒng)采用人工智能算法對參數(shù)的計(jì)算準(zhǔn)確率能穩(wěn)定在97%左右，最高可達(dá)98%，且變化趨勢相對平穩(wěn)；而采用粒子群算法和支持向量機(jī)算法進(jìn)行相關(guān)參數(shù)計(jì)算的準(zhǔn)確率較低，且變化趨勢較為明顯。這是由于粒子群算法是一種遺傳優(yōu)化算法，支持向量機(jī)是一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對于重型車輛自動變速系統(tǒng)適用性較弱。進(jìn)一步驗(yàn)證了本系統(tǒng)方法的可行性和有效性。

5 結(jié)語

本文旨在解決重型車輛的電控自動變速問題，設(shè)計(jì)了一個(gè)先進(jìn)、可靠、實(shí)用的硬件機(jī)械化系統(tǒng)，使其數(shù)字化和智能化。本系統(tǒng)能夠完成車輛參數(shù)的采集、測量、篩選、智能處理以及實(shí)時(shí)反饋。創(chuàng)建了一個(gè)TCU 技術(shù)的自動變速系統(tǒng)，包括無線控制和綜合自動化模塊，通過計(jì)算車輛參數(shù)來實(shí)現(xiàn)變速。這提高了車輛變速信息的處理效率，同時(shí)通過人工智能處理的數(shù)據(jù)以日志形式自動存儲在數(shù)據(jù)存儲中心，以便方便且準(zhǔn)確地獲取相關(guān)信息和數(shù)據(jù)。這一做法不僅確保了數(shù)據(jù)的安全性，還有助于全面收集影響車輛變速的因素，為重型車輛的自動變速創(chuàng)造了良好的環(huán)境。然而，研究系統(tǒng)在各個(gè)環(huán)節(jié)存在功能不穩(wěn)定的問題，需要人工設(shè)置，這是未來改進(jìn)和加強(qiáng)的方向。