基于灰色關(guān)聯(lián)分析法的變速器換擋特性評價(jià)

張迪 田晉躍 姚金煜 徐剛 周平

（1.江蘇大學(xué)；2.總裝工程兵科研一所）

基于灰色關(guān)聯(lián)分析法的變速器換擋特性評價(jià)

張迪 田晉躍 姚金煜 徐剛 周平

（1.江蘇大學(xué)；2.總裝工程兵科研一所）

針對工程車輛動(dòng)力換擋特性客觀評價(jià)的問題，提出一種新的換擋評價(jià)方法。通過對工程車輛換擋性能的探討并依據(jù)用戶對換擋特性的評價(jià)習(xí)慣，設(shè)定了6個(gè)適用于灰色理論分析的換擋性能影響因子。采用灰色關(guān)聯(lián)分析法和層次分析法建立各影響因子與整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、傳動(dòng)系統(tǒng)壽命和換擋舒適性的映射關(guān)系以及各換擋性能與整車換擋性能間的映射關(guān)系。臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，該評價(jià)方法有效。

1 前言

工程車輛動(dòng)力換擋性能客觀分析是一個(gè)比較復(fù)雜的多因子體系，換擋性能影響因子間存在的關(guān)聯(lián)因素很復(fù)雜，很難建立客觀的數(shù)學(xué)關(guān)系來確定各因子的權(quán)重。

國內(nèi)、外專門針對工程車輛動(dòng)力換擋品質(zhì)的研究比較少，對換擋品質(zhì)的研究主要集中在乘用車自動(dòng)變速器上。車輛換擋品質(zhì)的評價(jià)方法分為主觀評價(jià)和客觀評價(jià)兩種。主觀評價(jià)是采用測試人員試駕打分的方式來對車輛換擋品質(zhì)進(jìn)行評價(jià)，是車輛換擋品質(zhì)評價(jià)的一種重要方法，但存在評價(jià)周期長、容易受人的主觀因素影響的問題[1、2]。為此，國外的研究人員開發(fā)出一系列客觀評價(jià)方法，如Ricardo公司開發(fā)的DART評價(jià)系統(tǒng)，AVL公司開發(fā)的AVL-DRIVETM評價(jià)系統(tǒng)，Volvo公司的“Gequan”等[3]。這些評價(jià)技術(shù)通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了主、客觀評價(jià)的對應(yīng)關(guān)系，避免了主觀評價(jià)的不足。在國內(nèi)，吉林大學(xué)采用模糊方法對換擋過程中出現(xiàn)的沖擊度和滑摩功這兩項(xiàng)指標(biāo)根據(jù)動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性換擋的需求進(jìn)行權(quán)值分配，實(shí)現(xiàn)對換擋品質(zhì)的綜合評價(jià)[3]；東南大學(xué)的學(xué)者提出一種基于D-S證據(jù)理論的換擋品質(zhì)評價(jià)方法[4]。這些成果為換擋品質(zhì)客觀評價(jià)系統(tǒng)的構(gòu)建奠定了理論研究基礎(chǔ)，同時(shí)也探索出一種可行的構(gòu)建換擋品質(zhì)客觀評價(jià)系統(tǒng)的研究方法。

本文綜合考慮車輛的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性及傳動(dòng)系統(tǒng)壽命，確定相關(guān)影響因子，綜合運(yùn)用灰色理論和層次分析法確定體系各影響因子權(quán)值以及其關(guān)系度映射。

2 換擋性能影響因子的選擇

由于影響車輛動(dòng)態(tài)過程的因素很多，而且根據(jù)行駛工況的差異、駕駛習(xí)慣的不同所側(cè)重的指標(biāo)也有所不同，因此選擇科學(xué)合理的評價(jià)指標(biāo)是進(jìn)行換擋品質(zhì)評價(jià)的一個(gè)重要前提[5]。

2.1 加速度相關(guān)因子

a.換擋過程中離合器分離階段加速度的減小量Δa

Δa越大，說明換擋過程中產(chǎn)生的短暫動(dòng)力不足越明顯，用戶對車輛換擋時(shí)主觀印象越差，工程車輛的換擋品質(zhì)越差。

b.換擋過程加速度落差amax-min

amax-min即換擋過程中產(chǎn)生最大加速度與最小加速度間的差值。amax-min越大，說明換擋過程中加速度變化越不穩(wěn)定，車輛速度的波動(dòng)也就越嚴(yán)重，使得用戶對換擋性能的主觀印像越差。

c.換擋時(shí)產(chǎn)生的最大正向沖擊度Jmax

沖擊度是以縱向加速度曲線的斜率來表示的，該值越大，說明在換擋過程中乘員向后傾的感覺越明顯，用戶主觀印象越差，換擋性能越差。

2.2 時(shí)間相關(guān)因子

時(shí)間相關(guān)因子為換擋持續(xù)時(shí)間ts。ts值越小，說明換擋時(shí)沖擊度越大，而離合器的滑磨時(shí)間越短，離合器滑磨程度降低。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)因子

b.換擋時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速振動(dòng)量Δω

Δω值越大，表明動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速在換擋即將結(jié)束時(shí)變化越大，駕駛員或者乘員的主觀印象越差，換擋性能越差。

3 換擋特性分析體系的建立

該分析法只針對4組及以上數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析，為計(jì)算簡便，提取原車4組較為穩(wěn)定的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析。所取數(shù)據(jù)均為全油門開度、不同駕駛員操作情況下獲取的數(shù)據(jù)。樣本庫具體數(shù)據(jù)如矩陣V所示。

對樣本庫矩陣進(jìn)行無量綱歸一化處理[6、7]:

得到量綱歸一化處理后的樣本矩陣X：

以動(dòng)力性關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣ED的計(jì)算為例詳述灰色關(guān)聯(lián)分析法的具體步驟。經(jīng)濟(jì)性、傳動(dòng)系統(tǒng)耐久性和舒適性的計(jì)算方法與動(dòng)力性相同，此處不再贅述。

由文獻(xiàn)[8]可知：

首先根據(jù)公式（2）計(jì)算動(dòng)力性差序列ΔED：

由差序列可以得出兩級最大差和兩級最小差，則關(guān)聯(lián)系數(shù)公式轉(zhuǎn)換為：

其中，分辨系數(shù)ρ值越小，對應(yīng)的分辨率就會(huì)越高，越能體現(xiàn)關(guān)聯(lián)系數(shù)之間的區(qū)別，一般取ρ為0.5[9]。將數(shù)據(jù)帶入公式（3）可以求得ED：

由于ρ的取值為固定值0.5，這不符合人們對不同性能主觀感受不同的實(shí)際情況，因此需要對分辨系數(shù)進(jìn)行深入研究，對其進(jìn)行權(quán)值的重新分配。判斷矩陣為：

采用歸一化處理的方法對判斷矩陣的每一列元素進(jìn)行處理，得出其元素的一般項(xiàng)[10]：

將每一列經(jīng)歸一化處理后的判斷矩陣按行相加得：

對向量Wi歸一化處理：

式中，RI為平均一致性指標(biāo)，當(dāng)n=6時(shí)，查得RI=1.24；CI為判斷矩陣的一致性指標(biāo)[11]。

通過計(jì)算一致性比率進(jìn)行判斷，當(dāng)CR＜0.10時(shí)，則認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的；當(dāng)CR≥0.10時(shí)，需要對判斷矩陣進(jìn)行調(diào)整和修正，使其滿足CR＜0.10，從而使一致性達(dá)到滿意的目的[6]。

動(dòng)力性評價(jià)指標(biāo)分辨系數(shù)的權(quán)重分配為：

評價(jià)指標(biāo)與整車相關(guān)性能的映射關(guān)系R：

評價(jià)指標(biāo)與動(dòng)力性的映射關(guān)系為：

同理，評價(jià)指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)性的映射關(guān)系為：

評價(jià)指標(biāo)與傳動(dòng)系統(tǒng)耐久性的映射關(guān)系為：

評價(jià)指標(biāo)與舒適性的映射關(guān)系為：

將上述評價(jià)指標(biāo)與性能的映射關(guān)系組成準(zhǔn)則層的樣本庫，同樣根據(jù)上述方法獲得換擋品質(zhì)評價(jià)結(jié)果。

各個(gè)換擋性能與整車性能的映射關(guān)系為：

各因子與換擋性能的映射關(guān)系為：

各影響因子與各性能的關(guān)系映射如圖1所示。

由圖1可知，Jmax、ts對換擋過程中動(dòng)力性的影響是最主要的，所以如果重點(diǎn)考慮換擋過程的動(dòng)力性能，首先必須保證Jmax在允許范圍內(nèi)略微大一些，而ts值應(yīng)盡量小一些，在以上兩個(gè)因子條件符合的情況下再考慮其它因子的大小。對換擋過程中的經(jīng)濟(jì)性能來講，影響作用最大的因子為Jmax、ts,因此在考慮換擋過程的經(jīng)濟(jì)性能時(shí)，需要首先保證Jmax和ts在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，再保證其它因子的大小，且Δ值應(yīng)與Δa、amax-min和Δω的重視度在同一層面。由傳動(dòng)系統(tǒng)壽命映射曲線可以得出：換擋過程中amax-min、Jmax和ts對其壽命的影響最大，而其余3個(gè)因子影響能力要略小，因此如果需要保證傳動(dòng)系統(tǒng)壽命，則盡可能保證amax-min、Jmax和ts的大小在合理區(qū)間內(nèi)，再考慮其它因子的合理范圍。分析舒適性映射值曲線可得出：Jmax、ts和amax-min對舒適性的影響略大于其它3個(gè)影響因子，所以如果要保證換擋過程中用戶對舒適性的要求，那么首先需要使Jmax在合理范圍內(nèi)盡量小，ts在合理區(qū)間內(nèi)盡可能大，降低amax-min值的大小，再考慮其它因子的合理范圍。

各性能與整車性能映射關(guān)系如圖2所示，影響因子與整車性能映射關(guān)系如圖3所示。

由圖2可知，從工程車輛性能對換擋品質(zhì)影響的角度來說，動(dòng)力性能和傳動(dòng)系統(tǒng)壽命是影響換擋品質(zhì)的主要因素，而舒適性和經(jīng)濟(jì)性對換擋品質(zhì)的影響相對較小，因此換擋時(shí)在保證動(dòng)力性和傳動(dòng)系統(tǒng)耐久性的基礎(chǔ)上，盡可能兼顧換擋過程的燃油經(jīng)濟(jì)性和舒適性。

由圖3可以看出，Δa、amax-min、Jmax、ts對換擋品質(zhì)影響占主要因素，Δω˙、Δω對換擋品質(zhì)的影響相對前4者而言為小。因此，應(yīng)首先保證對換擋過程影響較大的評價(jià)指標(biāo)，然后盡量對其它評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行兼顧。

4 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所述評價(jià)方法的有效性，對所要研究的電液聯(lián)合操控變速器進(jìn)行換擋性能試驗(yàn)。

換擋性能試驗(yàn)中驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸入恒定轉(zhuǎn)速1 600 r/min，測功機(jī)加載恒定轉(zhuǎn)矩140 N·m，測試各擋的輸出轉(zhuǎn)速值。以1擋升2擋為例，驗(yàn)證所述灰色關(guān)聯(lián)評價(jià)法的有效性。

1擋升2擋的變換中L1、L2離合器動(dòng)作。L1、L2的壓力變化曲線分別如圖5和圖6所示。

離合器變化的同時(shí)，1擋升2擋輸出轉(zhuǎn)矩的變化曲線如圖7所示。

根據(jù)以轉(zhuǎn)矩變化曲線和沖擊載荷系數(shù)計(jì)算方法，可以得到1擋升2擋的沖擊載荷系數(shù)

1擋升2擋的試驗(yàn)數(shù)據(jù)評價(jià)與原車庫數(shù)據(jù)對比的雷達(dá)圖如圖8所示。

由圖8可知，經(jīng)改進(jìn)設(shè)計(jì)的變速器結(jié)構(gòu)對目標(biāo)車輛的綜合性能提高量較為可觀，特別是經(jīng)濟(jì)性能、傳動(dòng)系統(tǒng)壽命以及舒適性方面的性能提升，目標(biāo)車輛動(dòng)力性能有所提高，但提高量有限。因此，驗(yàn)證了變速器灰色關(guān)聯(lián)評價(jià)法的有效性。

5 結(jié)束語

采用灰色理論知識，通過對變速器改進(jìn)后的整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的分析研究，提出了針對變速器換擋特性的評價(jià)方法。分析得到了各影響因子與換擋動(dòng)力性能、換擋經(jīng)濟(jì)性能、傳動(dòng)系統(tǒng)的壽命影響及換擋過程中的舒適性之間的映射關(guān)系，各換擋性能與整車換擋性能之間的映射關(guān)系，各換擋性能各影響因子之間的映射關(guān)系。通過變速器臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。

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（責(zé)任編輯晨 曦）

修改稿收到日期為2015年6月1日。

6 結(jié)束語

普通爆震和超級爆震均對GDI增壓發(fā)動(dòng)機(jī)具有嚴(yán)重的破壞性。本文設(shè)計(jì)的爆震控制系統(tǒng)通過對缸體振動(dòng)信號的一系列處理，精確提取爆震信號，區(qū)分普通爆震和超級爆震并分別進(jìn)行檢測。對于普通爆震，通過推遲點(diǎn)火角來控制，對于超級爆震通過燃油加濃、凸輪軸調(diào)節(jié)和斷油來控制。HIL和臺(tái)架測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)Ρ疬M(jìn)行精確檢測并有效控制，在保證發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的前提下確保發(fā)動(dòng)機(jī)安全可靠運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯晨 曦）

修改稿收到日期為2015年7月1日。

Evaluation of Shift Characteristics of Transmission Based on Grey Relational Analysis

Zhang Di,Tian Jinyue,Yao Jinyu,Xu Gang,Zhou Ping
（1.Jiangsu University;2.First Research Institute of Corps of Engineers,General Armaments Department,PLA）

In view of the objective evaluation of power shift characteristics method of engineering vehicle,this paper proposes a new shifting characteristics evaluation method.Totally 6 shifting performance factors suitable with Grey Theory are set up after shifting performance of engineering vehicle is investigated and based on the customer’s habit of evaluation of vehicle shifting characteristics.Mapping between all the factors of influence with vehicle power performance,fuel economy characteristic,driveline life and shift comfort,as well as the mapping between all shifting performances and vehicle shifting performance are established with the Grey Relational Theory and Analytic Hierarchy Process.Validity of this evaluation method is verified by bench test.

Transmission，Shift characteristics，Grey relational analysis

變速器 換擋特性 灰色關(guān)聯(lián)分析法

U463.212

A

1000-3703（2015）11-0039-05