液力機械傳動履帶車輛換擋規(guī)律優(yōu)化方法研究

魏巍，曲婧瑤，武景燕，閆清東

(1.北京理工大學 車輛傳動國家重點實驗室，北京100081; 2.北京理工大學 機械與車輛學院，北京100081)

自動變速技術(shù)可以提高車輛動力性、燃油經(jīng)濟性、操縱穩(wěn)定性和舒適性，換擋規(guī)律是自動變速技術(shù)的核心內(nèi)容，是保證實現(xiàn)自動變速系統(tǒng)最優(yōu)性能的基礎(chǔ)，合理的換擋規(guī)律可以充分利用發(fā)動機的功率，提高車輛的平均行駛速度、通過性等性能。換擋規(guī)律目前有單參數(shù)、雙參數(shù)、動態(tài)三參數(shù)［1］、工程車輛四參數(shù)［2］和智能換擋控制等。

單參數(shù)換擋規(guī)律結(jié)構(gòu)簡單，但不能實現(xiàn)駕駛員干預換擋，且噪聲大，難于兼顧動力性、經(jīng)濟性要求，故目前已很少采用。雙參數(shù)換擋規(guī)律克服了單參數(shù)換擋規(guī)律的缺點，當前采用最多的控制參數(shù)是車速與油門開度，并且形成了最佳動力性和最佳經(jīng)濟性換擋規(guī)律的制定方法。嚴格意義的動態(tài)三參數(shù)規(guī)律比較復雜，目前實用程度不高［3］。近年來，越來越多的研究將智能控制理論應(yīng)用于換擋規(guī)律，利用駕駛者的經(jīng)驗及其他專家的知識形成換擋知識庫，對傳統(tǒng)的二參數(shù)或三參數(shù)進行了修正和改進。但是，這種方法制定的換擋規(guī)律通常取決于駕駛員的經(jīng)驗和水平以及設(shè)計人員的理解程度［4］。文獻［5］提出了一種基于傳統(tǒng)機械數(shù)學模型的換擋最優(yōu)化方法，優(yōu)化參數(shù)的提取和優(yōu)化過程只是針對離合器的簡化模型，具有一定的局限性。

本文利用MATLAB/Simdriveline 構(gòu)建了某履帶車輛動力傳動系統(tǒng)的仿真模型，基于車速與油門開度參數(shù)編制了雙參數(shù)換擋規(guī)律，應(yīng)用iSight 優(yōu)化軟件，聯(lián)合MATLAB 對換擋規(guī)律進行協(xié)同仿真優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計流程示意圖如圖1所示。

圖1 優(yōu)化設(shè)計流程示意圖Fig.1 Sketch of optimum design process

1 自動換擋仿真模型

在構(gòu)建液力機械傳動整車系統(tǒng)動力學模型過程中，利用面向?qū)ο蟮哪K化建模思想，按照自頂向下的方法將系統(tǒng)分解為發(fā)動機、閉鎖式液力變矩器、多擋齒輪變速機構(gòu)、負載系統(tǒng)、換擋控制器等多個子模塊，并分別建立相應(yīng)的具有無因果化和可重用性特征的MATLAB/Simdriveline 模型，如圖2所示。

并且在對實際系統(tǒng)的簡化的同時，遵循以下幾點原則:

1)忽略系統(tǒng)間隙;

2)各部件均以集中質(zhì)量形式出現(xiàn)，其質(zhì)量集中點位于回轉(zhuǎn)平面中心線上;

3)不考慮傳動系部件的彈性和阻尼。

1.1 發(fā)動機模型

模型發(fā)動機為全程調(diào)速式柴油機，根據(jù)實驗獲得的發(fā)動機不同油門開度和轉(zhuǎn)速下的輸出特性數(shù)據(jù)，形成一個二維查詢表模塊MAP 圖。發(fā)動機動力學方程為

式中:Ie為發(fā)動機飛輪等的慣量; ωe為發(fā)動機轉(zhuǎn)速;Te為發(fā)動機轉(zhuǎn)矩，在仿真過程中通過MAP 圖確定;Tac為輔助系統(tǒng)阻力矩;Tload為發(fā)動機負載轉(zhuǎn)矩。

1.2 閉鎖式液力變矩器模型

閉鎖式液力變矩器動態(tài)模型如圖3所示，其數(shù)學模型［6］為

圖2 車輛自動換擋無因果系統(tǒng)仿真模型Fig.2 Non-causal system simulation model of vehicle gear-shifting

式中:TDP和TDT為非穩(wěn)定工況下，泵輪及渦輪軸上的動態(tài)轉(zhuǎn)矩;THP和THT為穩(wěn)定工況下泵輪和渦輪軸上的液力轉(zhuǎn)矩;IP為泵輪及泵輪軸的轉(zhuǎn)動慣量(不含(1)式發(fā)動機飛輪等轉(zhuǎn)動慣量Ie);IT為渦輪及渦輪軸及與其剛性連接主要旋轉(zhuǎn)零件的轉(zhuǎn)動慣量; ωP和ωT為泵輪與渦輪的角速度; TF為閉鎖離合器摩擦轉(zhuǎn)矩。

圖3 閉鎖式液力變矩器動態(tài)模型Fig.3 Lock-up hydrodynamic torque converter model

當閉鎖離合器閉鎖時，離合器傳遞力矩按照換擋離合器的摩擦轉(zhuǎn)矩公式進行計算，并且在閉鎖動作完成時THP=THT=0;當閉鎖離合器處于分離狀態(tài)時TF=0.

1.3 多擋齒輪變速機構(gòu)模型

本文研究的車輛采用的變速部分是三自由度定軸式變速機構(gòu)，變速機構(gòu)主要由3 根主軸和其上的6 個液壓換擋離合器組成，其中行星機構(gòu)定軸齒輪、離合器、旋轉(zhuǎn)軸等傳動裝置由Simdriveline 標準組件構(gòu)建。

圖4 變速機構(gòu)簡化動力學模型Fig.4 Simplified dynamic model of speed-shifting mechanism

1.4 其它模塊

負載模塊利用動態(tài)實驗數(shù)據(jù)按時間處理，事先將數(shù)據(jù)文件存儲在仿真系統(tǒng)中，模擬不同路面進行仿真。此外模型中的換擋控制器采用基于有限狀態(tài)機原理的MATLAB/Stateflow 構(gòu)建，這一工具可用于解決如自動換擋等復雜的監(jiān)控邏輯問題。

2 換擋規(guī)律優(yōu)化設(shè)計問題描述

2.1 優(yōu)化模型

設(shè)計變量:不同油門開度α 下，各擋升擋車速vi和降擋速差si;

不同開度下的目標函數(shù):

1)動力性目標:(全油門開度下0～32 km/h 加速時間)

2)換擋平順性目標:(沖擊度及動載系數(shù))

式中沖擊度是縱向加速度的變化率，動載系數(shù)反映在一個典型工作(行駛或作業(yè))循環(huán)內(nèi)，傳動系輸出轉(zhuǎn)矩的波動情況。

3)傳動系統(tǒng)效率目標

其中

以傳動系統(tǒng)效率為優(yōu)化目標之一，是考慮到在動力與負載間的匹配問題，其主要目的是通過油門開度調(diào)整、作業(yè)負載主動控制及換擋和閉鎖等操縱使液力元件處于高效區(qū)工作，避免履帶車輛長時間行駛或作業(yè)而導致的發(fā)熱等現(xiàn)象。

約束條件

1)升擋點車速

應(yīng)充分利用發(fā)動機功率，升擋車速取各擋額定功率對應(yīng)的車速，v*min和v*max分別為以加速時間等為優(yōu)化目標的升擋車速取值搜索范圍上下限。

2)降擋速差

降擋速差的約束根據(jù)具體換擋規(guī)律(如發(fā)散型、收斂型或綜合型等)，在不同的油門開度范圍進行不同的調(diào)整。給出的速差范圍是算法在優(yōu)化換擋規(guī)律時降擋車速的搜索區(qū)間。

2.2 優(yōu)化方案特點

在對換擋規(guī)律進行優(yōu)化的過程中，上述自動換擋仿真模型可看作一個在優(yōu)化過程中被不斷調(diào)用的求解器系統(tǒng)，將由算法根據(jù)輸出結(jié)果修正的優(yōu)化變量作為系統(tǒng)的輸入，將運行后的結(jié)果作為系統(tǒng)的輸出，直至獲得理想性能。這種優(yōu)化方案特點在于:

1)可根據(jù)不同動力傳動系統(tǒng)建立差異化仿真模型;

2)優(yōu)化參數(shù)的提取只取決于技術(shù)指標和使用性能的要求，除給定優(yōu)化約束外對參數(shù)的設(shè)置和選擇沒有局限性;

3)便于修改動力學和優(yōu)化模型，根據(jù)不同的優(yōu)化問題，對應(yīng)的單一或復合優(yōu)化算法選取靈活。例如針對復雜的多目標問題進行優(yōu)化時，可以選擇遺傳算法，它模擬自然界中的生物進化過程，在解空間進行全局并行搜索，使種群向全局最優(yōu)的方向收斂;針對單個優(yōu)化目標的問題時，可以選擇二次序列規(guī)劃方法，收斂速度較快。

3 算例分析

在進行設(shè)計變量優(yōu)化時，往往需要根據(jù)不同的行駛工況來選擇不同的目標函數(shù)進行優(yōu)化。不同的行駛工況往往對應(yīng)著不同的換擋模式，如對良好路面的動力性模式、針對起伏路面的越野模式、針對坡道的坡路模式等。而在換擋規(guī)律優(yōu)化設(shè)計中，不同模式的優(yōu)化過程和原理完全相同，只是仿真條件和目標參數(shù)選擇的差別。本文為驗證換擋規(guī)律優(yōu)化設(shè)計方法的可行性，取具有典型意義的良好道路條件下、車輛進行2～6 擋的機動行駛的算例進行分析，在計算中α 分別取55%，77%和100%，如圖5所示。

在動力學仿真的過程中發(fā)現(xiàn)，隨著油門開度減小，變速機構(gòu)輸出扭矩波動系數(shù)增大，并且在加速過程中要以全開度來測試戰(zhàn)技指標。因此對于油門開度55%時，選取阻力系數(shù)平均值在0.015，目標為扭矩波動系數(shù); 對于油門開度77%時，選取阻力系數(shù)均值0.04，目標為扭矩波動系數(shù); 對于全開度，增設(shè)32 km/h 的加速時間為目標，阻力系數(shù)0.04，進行優(yōu)化。

優(yōu)化前后參數(shù)對比見表1，在優(yōu)化的過程中，當不滿意多目標的優(yōu)化結(jié)果時(通常取多目標時參量變化幅度較小)，可以將其中的一個目標作為約束，控制在一定的范圍內(nèi)，圖5(a)、(b)的優(yōu)化結(jié)果顯示，經(jīng)過多次優(yōu)化迭代后，變速機構(gòu)輸出的扭矩波動系數(shù)得到明顯的改善，并且可以看到傳動系統(tǒng)效率與之變化趨勢相反，驗證了這2 個指標對系統(tǒng)要求的矛盾性。此外，隨著油門開度的增大，系統(tǒng)功率利用率有所降低，扭矩波動有所減小。

表1 優(yōu)化前后參數(shù)比較Tab.1 Parameters comparison before and after optimization

全開度下，增加了衡量車輛動力性的加速時間，以多目標的方式進行計算，得到了既減少車輛加速時間，又減少變速機構(gòu)輸出扭矩波動的換擋點。從結(jié)果中也可以證明: 1)要想提高車輛的加速性要提前換入高擋，但同時會降低傳動系統(tǒng)對發(fā)動機功率的利用; 2)經(jīng)過多次優(yōu)化結(jié)果中換擋點的變化趨勢可以看出，對于本次算例中的傳動機構(gòu)，減少換入最高擋位的車速或者減小3～4 擋和4～5 擋之間換擋點的差值，對變速機構(gòu)輸出扭矩的波動有較大影響。

4 結(jié)論

針對某型液力機械傳動履帶車輛，提出一種可應(yīng)用于一般車輛的自動換擋規(guī)律集成優(yōu)化設(shè)計方法。根據(jù)不同行駛工況可分別選用功率利用率、轉(zhuǎn)矩波動系數(shù)和加速時間等作為優(yōu)化目標，對換擋點進行優(yōu)化計算。仿真結(jié)果表明，該方法對提高車輛動力性和換擋平順性有理論和實際意義。

References)

［1］葛安林，李煥松，武文治.動態(tài)三參數(shù)最佳換擋規(guī)律的研究［J］.汽車工程，1992，(4):239 -246.GE An-lin，LI Huan-song，WU Wen-zhi.Optimized shift schedule controlled by dynamic 3-parameter［J］.Automotive Engineering，1992，(4):239 -246.(in Chinese)

［2］丁春鳳.工程車輛四參數(shù)自動變速技術(shù)研究［D］.吉林:吉林大學，2004.DING Chun-feng.Study on automatic shift technology with fourparameter of construction vehicle［D］.Jilin: Jilin University，2004.(in Chinese)

［3］葉丹.工程車輛三參數(shù)自動變速理論研究［D］.吉林:吉林大學，2004.YE Dan.Study on three parameters for automatic transmission theory of engineering vehicle［D］.Jilin: Jilin University，2004.(in Chinese)

［4］龔捷，趙丁選.工程車輛自動變速器換擋規(guī)律研究及自動控制仿真［J］.西安交通大學學報，2001，35(9):930 -934.GONG Jie，ZHAO Ding-xuan.Study on shift schedule and autocontrolling simulation of automatic transmission ［J］.Journal of Xi’an Jiaotong University，2001，35(9): 930 -934.(in Chinese)

［5］張金柱.基于模型的自動變速器換擋最優(yōu)化方法［J］.黑龍江工程學院學報，2005，6:45 -47.ZHANG Jin-zhu.Optimization of shifting process for automatic transmission based on a model［J］.Journal of Heilongjiang Institute of Technology，2005，6:45 -47.(in Chinese)

［6］陳東升，項昌樂，劉輝.液力變矩器的動態(tài)特性和動力學模型研究［J］.中國機械工程，2002，6(11):913 -916.CHEN Dong-sheng，XIANG Chang-le，LIU Hui.Study on the dynamic characteristic and dynamics model of hydrodynamic torque converter［J］.China Mechnical Engineering，2002，6(11):913 -916.(in Chinese)