DFSS設(shè)計方法在自動變速器標(biāo)定中的應(yīng)用

閆勛成 何寧 冀海燕 田華

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司）

1 前言

自動變速器的標(biāo)定是整車開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)。由于自動變速器控制邏輯的復(fù)雜性，其標(biāo)定量超過上萬個，在標(biāo)定過程中如何平衡各個標(biāo)定量之間的關(guān)系，達(dá)到更好的標(biāo)定效果，是一項非常復(fù)雜、繁瑣的工作。標(biāo)定工程師使用各種標(biāo)定方法來優(yōu)化各個不同的控制邏輯，以實現(xiàn)控制目標(biāo)，滿足換擋質(zhì)量要求。同時，由于自動變速器硬件具有不可避免的制造誤差，其性能也會具有一定的差異，這種硬件分布特性要求其控制參數(shù)能夠適應(yīng)一定的硬件特性差異，以滿足換擋質(zhì)量控制目標(biāo)的要求。

2 自動變速器換擋質(zhì)量標(biāo)定的基本流程

自動變速器換擋質(zhì)量標(biāo)定的基本流程為如下。

a.車輛和設(shè)備的安裝及測試

根據(jù)項目節(jié)點及開發(fā)時間獲得開發(fā)車輛，在開發(fā)車輛上安裝傳感器等標(biāo)定開發(fā)設(shè)備并測試設(shè)備。

b.基本標(biāo)定文件的選擇及基本參數(shù)的標(biāo)定

根據(jù)開發(fā)車型及變速器控制系統(tǒng)，選擇一相近的已經(jīng)量產(chǎn)車型的標(biāo)定文件作為基本的開發(fā)標(biāo)定文件。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)開發(fā)車型的具體配置，標(biāo)定基本的匹配參數(shù)。

c.換擋質(zhì)量控制模塊的基本測試與數(shù)據(jù)分析

在開發(fā)車輛上，以基本開發(fā)標(biāo)定文件為基礎(chǔ)，測試各個控制模塊的換擋質(zhì)量并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

d.換擋質(zhì)量控制模塊主要控制方式的選擇與基本測試

在前面測試分析的基礎(chǔ)上，確定各個控制模塊主要控制邏輯的控制方法并進(jìn)行基本測試。

e.換擋質(zhì)量控制模塊的詳細(xì)標(biāo)定

主要控制邏輯的控制方法確定后，進(jìn)入各個控制模塊的詳細(xì)標(biāo)定階段，也是標(biāo)定工作的最繁瑣階段。當(dāng)標(biāo)定過程中遇到難以解決的問題時，需要對主要控制邏輯的控制方法進(jìn)行重新選擇，這是一個反復(fù)決策與嘗試的過程，直到找到最佳的標(biāo)定控制策略，得到滿意的換擋質(zhì)量標(biāo)定效果為止。

f.換擋質(zhì)量標(biāo)定的穩(wěn)健性測試

在換擋質(zhì)量標(biāo)定進(jìn)行到一定階段后，需要對標(biāo)定的穩(wěn)健性進(jìn)行測試，以滿足由于硬件誤差與控制誤差產(chǎn)生的差異對換擋質(zhì)量的影響，使換擋質(zhì)量保持一致性。

g.換擋質(zhì)量主觀評價與客觀評價

在開發(fā)的不同階段，需要對換擋質(zhì)量進(jìn)行主觀評價，同時需要應(yīng)用測試軟件AVL Drive等對換擋質(zhì)量進(jìn)行客觀評價，以滿足開發(fā)質(zhì)量控制的要求。

h.提交換擋質(zhì)量標(biāo)定文件

在開發(fā)的不同階段，在主觀和客觀評價都通過的情況下，提交換擋質(zhì)量的標(biāo)定文件。

3 DFSS設(shè)計方法流程

DFSS就是按照合理的流程，運(yùn)用科學(xué)的方法，準(zhǔn)確理解和把握用戶的需求，對新產(chǎn)品/新流程進(jìn)行穩(wěn)健設(shè)計，使產(chǎn)品/流程在低成本下實現(xiàn)六西格瑪質(zhì)量水平，同時使產(chǎn)品/流程具有抵抗各種干擾的能力，在各種惡劣的環(huán)境下，產(chǎn)品仍能滿足用戶的需求[1，2]。其基本設(shè)計方法流程為問題識別—定義要求—開發(fā)概念—優(yōu)化設(shè)計—確認(rèn)和實施。

a.問題識別

在此階段需要組建團(tuán)隊，確認(rèn)立項目的、目標(biāo)、項目范圍、項目投入與項目計劃。

b.定義要求

在此階段需要定義用戶及收集用戶需求，并把用戶需求轉(zhuǎn)換成可測量、可評估的工程指標(biāo)。

c.開發(fā)概念

在此階段需要開發(fā)設(shè)計方案，根據(jù)工程指標(biāo)設(shè)定方案選擇標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行方案對比，最終選定方案。

d.優(yōu)化設(shè)計

在此階段需要確定優(yōu)化設(shè)計方案的主要參數(shù)，通過正交試驗，分析信噪比及均值，根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)特性，確定優(yōu)化設(shè)計方案。

e.確認(rèn)和實施

在此階段需要對優(yōu)化后的設(shè)計方案進(jìn)行驗證，確認(rèn)此優(yōu)化設(shè)計方案達(dá)到了設(shè)計要求。

DFSS設(shè)計方法在產(chǎn)品開發(fā)過程中的應(yīng)用為標(biāo)定自動變速器提供了一種新的思路與標(biāo)定方法，可以針對標(biāo)定過程第4與第5階段中主要控制方式的選擇與具體參數(shù)的詳細(xì)標(biāo)定利用DFSS設(shè)計方法對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提高變速器標(biāo)定的穩(wěn)健性。

4 DFSS設(shè)計方法應(yīng)用案例

以某匹配6速自動變速器的車輛在松油門踏板2擋升4擋換擋質(zhì)量問題作為研究對象，對DFSS設(shè)計方法在自動變速器標(biāo)定過程中的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

4.1 問題識別

開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)該車輛在低速、大扭矩下，松油門踏板2擋升4擋時，換擋沖擊比較明顯。因此，研究的目的是解決在松油門踏板2擋升4擋過程中出現(xiàn)的換擋沖擊，以提高換擋質(zhì)量的穩(wěn)健性，提高用戶的滿意度。

4.2 定義要求

收集整理的用戶要求如表1所列。使用質(zhì)量功能展開工具，利用質(zhì)量屋將用戶要求轉(zhuǎn)換成可測量、可評估的工程指標(biāo)，并且識別工程指標(biāo)與用戶要求之間的關(guān)系，計算工程指標(biāo)的權(quán)重，找出關(guān)鍵指標(biāo)，確定設(shè)計改進(jìn)對象。

表1 用戶類型及要求

圖1為質(zhì)量屋分析圖，其中Shock為車身加速度相鄰振動的波峰與波谷的最大振幅，Jerks為車身加速度連續(xù)振動的各振幅幅值；望大特性指目標(biāo)值越大越好，望目特性指目標(biāo)值趨向于某一固定值，望小特性指目標(biāo)值越小越好?？芍?，Shock和Jerks的權(quán)重值均為51，所占工程指標(biāo)權(quán)重的百分比均為38%，因此可以把Shock和Jerks作為關(guān)鍵性指標(biāo)來優(yōu)化換擋的平順性。

4.3 開發(fā)概念

根據(jù)自動變速器當(dāng)前的控制方式，松油門踏板2擋升4擋的控制邏輯主要有4種控制方式可以選擇[3～8]。第1種方案控制方式如圖2所示。在換擋過程中，分離離合器的控制油壓逐漸減小，在接合離合器充滿油后，分離離合器立刻放掉油壓，接合離合器通過控制油壓來完成換擋。換擋過程主要由接合離合器油壓控制來完成。此控制模式是當(dāng)前標(biāo)定所采用的控制方式。

第2種方案控制方式如圖3所示，其與第1種方案控制方式的主要區(qū)別是在換擋過程中加入了發(fā)動機(jī)扭矩控制。

第3種方案控制方式如圖4所示。在換擋過程中，分離離合器的油壓來控制換擋的完成，接合離合器在充完油后保持一定的油壓，直到換擋快結(jié)束時，快速接合，同時分離離合器快速放掉油壓，完成換擋。

第4種方案控制方式如圖5所示，其與第3種方案控制方式的主要區(qū)別在于在換擋過程中加入了發(fā)動機(jī)扭矩控制。

采用普氏概念選擇方法來確定開發(fā)方案的評價標(biāo)準(zhǔn)，表2為普氏概念選擇過程，其中+、-、s分別表示好于、差于、與基準(zhǔn)方案一樣。方案1為基準(zhǔn)方案，與其它方案對比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)初步試驗標(biāo)定后，方案2對shock和Jerks的控制明顯好于基準(zhǔn)方案；方案3和基準(zhǔn)方案基本一致，沒有改善；方案4有所改善。在標(biāo)定邏輯的復(fù)雜性方面，3種備選方案都比基準(zhǔn)方案復(fù)雜，方案3和方案4采用完全不同的壓力控制方式，控制邏輯比基準(zhǔn)方案要復(fù)雜很多，而且方案4在方案3的基礎(chǔ)上又增加了發(fā)動機(jī)的扭矩控制，所以在標(biāo)定工作量上又增加了很多。綜上所述，綜合性能和成本考慮，選擇方案2作為優(yōu)化方案。

表2 普氏概念選擇

4.4 優(yōu)化設(shè)計

首先選擇控制參數(shù)。根據(jù)控制邏輯的關(guān)鍵控制量及其在換擋過程中起作用的重要性，選擇接合離合器基本控制壓力、分離離合器控制壓力偏移量、扭矩控制進(jìn)入的降低速率為控制因子；噪聲因子為車輛硬件之間的差異；響應(yīng)為換擋質(zhì)量；癥狀為換擋沖擊。

控制因子及噪聲因子的水平如表3所列。根據(jù)控制因子、噪聲因子及其水平制定試驗計劃。3個控制因子各有3個水平，一個噪聲因子2個水平，適用于L9正交列表正交試驗。根據(jù)控制因子不同水平生成不同的試驗標(biāo)定文件，在兩種狀態(tài)試驗車輛上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過AVL Drive軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、評估打分，得到不同控制因子水平、不同噪聲水平下的換擋質(zhì)量AVL Drive評價分?jǐn)?shù)，并計算出信噪比S/N及均值β，如表4所列。

該系統(tǒng)響應(yīng)為望大特性，S/N越大，換擋質(zhì)量越好。圖6為S/N響應(yīng)分析圖。從圖6可確定最優(yōu)設(shè)計方案為A1B1C2。因此，最終選擇的控制因子水平為接合離合器基本控制壓力為190 kPa，分離離合器控制壓力偏移量為0 kPa，扭矩控制進(jìn)入的降低速率為-400 N·m/s。

表3 控制因子和噪聲因子水平

表4 正交列表試驗及計算結(jié)果

4.5 確認(rèn)和實施

根據(jù)確定的最優(yōu)設(shè)計方案A1B1C2生成標(biāo)定文件，并與原設(shè)計的標(biāo)定文件進(jìn)行對比，分別在兩種不同狀態(tài)的車輛上進(jìn)行實車試驗并采集數(shù)據(jù)，然后通過AVL Drive進(jìn)行打分評估。評估結(jié)果如表5所列，可知優(yōu)化設(shè)計與原基準(zhǔn)設(shè)計預(yù)測的S/N有1.92的增益，β有1.49的增益。通過試驗驗證的實車數(shù)據(jù)顯示，優(yōu)化后的S/N增益達(dá)到了2.28，β增益達(dá)到了1.77。

表5 優(yōu)化設(shè)計結(jié)果分析

圖7為優(yōu)化設(shè)計前的2擋升4擋的換擋數(shù)據(jù)，可知加速度的波動非常明顯，換擋質(zhì)量差。圖8為優(yōu)化設(shè)計標(biāo)定后的2擋升4擋的換擋數(shù)據(jù)，從圖8中可以看出，加速度的波動得到明顯的改善，換擋質(zhì)量有很大提高。

5 結(jié)束語

在自動變速器標(biāo)定開發(fā)過程中，由于控制邏輯的復(fù)雜性及標(biāo)定參數(shù)眾多，應(yīng)用傳統(tǒng)標(biāo)定方法尋求最優(yōu)控制策略和參數(shù)的難度很大。結(jié)合某車型松油門踏板2擋升4擋換擋質(zhì)量優(yōu)化標(biāo)定，介紹了DFSS設(shè)計方法在自動變速器標(biāo)定中的優(yōu)化標(biāo)定流程，解決了自動變速器標(biāo)定中傳統(tǒng)標(biāo)定方法難以提高換擋質(zhì)量的穩(wěn)健性問題。實例結(jié)果經(jīng)確認(rèn)并實施后，換擋質(zhì)量的穩(wěn)健性得到了很大提高，滿足了用戶對車輛換擋質(zhì)量的要求。

1 葛安林.車輛自動變速理論與設(shè)計.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1993.

2 蘇比爾.喬杜里(Subir Chowdhury).六西格瑪設(shè)計.方海萍,魏青江譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

3 蘇比爾.喬杜里(Subir Chowdhury).六西格瑪設(shè)計的力量.張彥玲，胡楠譯.北京:電子工業(yè)出版社，2003.

4 John E Marano，Steven P Moorman,Matthew D Whitton，etal.Clutch-to-Clutch Transmission Control Strategy.SAE 2007-01-1313.

5 楊一凡.動力換擋系統(tǒng)和換擋策標(biāo)定.傳動技術(shù)，2013，27（1）:3～9.

6 李興華，葉偉，劉釗，等.液力自動變速器換擋過程動力學(xué)分析.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報，2013，31（5）:171～173.

7 高金武，劉志遠(yuǎn)，Zheng Quan.換擋過程中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的研究.汽車工程，2012，34（8）:669～674.

8 萬國強(qiáng)，黃英，張付軍，等.液力自動變速器換擋過程標(biāo)定方法研究.兵工學(xué)報,2012，33（2）:142～148.