基于載荷和坡度的商用車(chē)AMT換擋規(guī)律修正方法

師 帥 劉四海 呂二華 曲白雪中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心電子控制研究部，長(zhǎng)春 300

0 引言

換擋規(guī)律是自動(dòng)變速器研究的核心技術(shù)，直接關(guān)系到汽車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性[1]。目前廣泛使用的換擋規(guī)律是考慮油門(mén)和車(chē)速的兩參數(shù)換擋規(guī)律，一般基于平路標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)工況下的最佳動(dòng)力性和最佳經(jīng)濟(jì)性條件來(lái)制定[2]。當(dāng)車(chē)輛負(fù)載或者路況等因素發(fā)生變化，加之駕駛員作出的動(dòng)態(tài)響應(yīng)復(fù)雜，會(huì)導(dǎo)致非設(shè)計(jì)工況下的性能下降甚至惡化[3]。研究表明[4]，對(duì)二參數(shù)換擋規(guī)律影響最大的變化因素是坡度和載重質(zhì)量，對(duì)載重變化大、行駛工況多變的商用車(chē)更是如此。這兩種因素會(huì)導(dǎo)致頻繁換擋現(xiàn)象，如果檔位選擇不正確還會(huì)導(dǎo)致燃油經(jīng)濟(jì)性變差，車(chē)輛整體性能惡化等問(wèn)題，所以需要針對(duì)路況對(duì)基本換擋規(guī)律進(jìn)行自適應(yīng)修正以滿(mǎn)足最佳動(dòng)力性的需要。本文將車(chē)輛載重和坡度作為動(dòng)態(tài)變量，對(duì)現(xiàn)有換擋規(guī)律進(jìn)行修正，確保AMT車(chē)輛在行駛過(guò)程中充分發(fā)揮其動(dòng)力性。

1 最佳動(dòng)力性換擋規(guī)律

最佳動(dòng)力性換擋規(guī)律一般應(yīng)用加速度法確定，其設(shè)計(jì)原則為：繪制車(chē)輛不同檔位的行駛加速度曲線圖，相鄰檔位同油門(mén)下的交點(diǎn)即為動(dòng)力性升檔點(diǎn)。具體求解如下：

(1)

式中，δ為汽車(chē)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)，m為整車(chē)質(zhì)量，F(xiàn)t為汽車(chē)行駛牽引力，CD為空氣阻力系數(shù)，Aarea為汽車(chē)迎風(fēng)面積，u為汽車(chē)行駛速度，f為道路阻力系數(shù)，i為道路坡度。

汽車(chē)行駛牽引力可表示為

(2)

式中，Ttq為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩，ig為各檔傳動(dòng)比，io為主傳動(dòng)比，ηT為傳動(dòng)效率，r為車(chē)輪半徑。

Ttq=42.92+3.36×10-4a3-0.079a2+5.16a-

1.37×10-5n2-0.039n+9.96×10-4an

(3)

通過(guò)最小二乘法，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩可擬合為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和加速度的函數(shù)[5]，如式(3)

其中，n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，與車(chē)速之間的關(guān)系為

(4)

將式(4)以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的形式代入公式(3)可得扭矩表示：

(5)

C=42.92+3.36×10-4a3-0.079a2+5.16a

根據(jù)最佳動(dòng)力性換擋規(guī)律制定規(guī)則得到的計(jì)算公式為

(6)

將式子(1)～(5)代入(6)得：

a′u2+b′u+c′=0

(7)

其中，

mg(δ(n)-δ(n+1))(f+i)

根據(jù)式(7)，令m為整車(chē)空載質(zhì)量，坡度i為0，可求出升檔車(chē)速u(mài)(n)，再與該檔位下的最高車(chē)速和待升擋位的最低車(chē)速進(jìn)行比較，若在其區(qū)間內(nèi)，則求出的車(chē)速為最佳動(dòng)力性升檔車(chē)速。如果相鄰檔位同油門(mén)下的行駛加速度曲線沒(méi)有交點(diǎn)，則取各檔的最高車(chē)速作為升檔點(diǎn)，一般稱(chēng)作邊界升檔點(diǎn)。但邊界升檔點(diǎn)作為升檔點(diǎn)時(shí)，升檔后可能會(huì)出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)力小于行駛阻力，造成車(chē)速下降，甚至發(fā)動(dòng)機(jī)熄火的問(wèn)題。所以邊界點(diǎn)的選擇一般要遵循以下判斷規(guī)則：如果升檔后加速度小于0，則保持原擋位；如果升擋后加速度大于0，則升檔；如果升檔后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于怠速，則保持原擋位。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)改變汽車(chē)載荷和坡度值時(shí)對(duì)換擋規(guī)律有較大的影響，不同載荷和坡度的動(dòng)態(tài)變化使得最佳升檔車(chē)速不同，擋位越高差異越大。根據(jù)實(shí)車(chē)標(biāo)定情況來(lái)看，這種差異呈現(xiàn)出一定的比例規(guī)律，即動(dòng)態(tài)變化的程度越高差異越大，因此可以根據(jù)動(dòng)態(tài)載荷和坡度的識(shí)別來(lái)對(duì)擋位進(jìn)行插值修正。

2 最佳動(dòng)力性換擋規(guī)律的動(dòng)態(tài)修正

2.1 整車(chē)質(zhì)量與道路坡度識(shí)別

經(jīng)過(guò)上述分析可知，整車(chē)質(zhì)量和行駛坡度是動(dòng)力性換擋規(guī)律修正中兩項(xiàng)最重要的參數(shù)。本文使用經(jīng)典最小二乘法對(duì)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別，并通過(guò)實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)證明其有效性。

根據(jù)汽車(chē)行駛動(dòng)力學(xué)方程，汽車(chē)整車(chē)行駛時(shí)狀態(tài)可表示為

(8)

γo為與輪胎相連的各轉(zhuǎn)動(dòng)部件等效于輪胎的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ωw為車(chē)輪角加速度，β為廣義坡度。

將上式表示為線性形式如下，

y=φTθ

(9)

其中，y=a+gf，

對(duì)上述線性形式采用最小二乘形式的準(zhǔn)則函數(shù)，既觀測(cè)值與計(jì)算值之間誤差的平方和最小。形式如下：

(10)

2.2 換擋規(guī)律的動(dòng)態(tài)修正

根據(jù)動(dòng)態(tài)載荷修正換擋規(guī)律，首先通過(guò)前述計(jì)算最佳換擋點(diǎn)的方法計(jì)算出空載質(zhì)量和滿(mǎn)載質(zhì)量下的換擋點(diǎn)：

(11)

設(shè)當(dāng)前整車(chē)質(zhì)量為m，則通過(guò)線性插值的方法在空載和滿(mǎn)載換擋線之間插值可以得到任意車(chē)重下的換擋曲線，其表達(dá)式如下，

um=Lmumo+(1-Lm)umz

(12)

其中，Lm=(m-mz)/(m0-mz)。

以一擋升二擋為例，圖1所示為基于整車(chē)質(zhì)量的換擋規(guī)律修正。

坡度對(duì)換擋規(guī)律的影響從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)和整車(chē)質(zhì)量是一樣的，都是阻力矩的改變，所以根據(jù)動(dòng)態(tài)坡度修正換擋規(guī)律與整車(chē)質(zhì)量修正原理相同，采用相同的插值修正方法。計(jì)算公式為，

ua=Lauao+(1-La)uamax

(13)

其中，La=(a-amax)/(a0-amax)。

圖1 基于整車(chē)質(zhì)量修正的換擋規(guī)律

同樣以一擋升二擋為例，圖2所示為基于坡度的換擋規(guī)律修正。

圖2 基于坡度修正的上坡?lián)Q擋規(guī)律

3 實(shí)車(chē)驗(yàn)證

本文所述的換擋規(guī)律修正方法應(yīng)用于12擋機(jī)械式自動(dòng)變速器的商用車(chē)上，具體參數(shù)如上表1所示,實(shí)驗(yàn)車(chē)輛分別選擇一段較大坡度和一段平路正常行駛，行駛車(chē)速為：10～30 km/h。如圖3所示，在動(dòng)態(tài)修正換擋規(guī)律模式下，應(yīng)對(duì)不同的油門(mén)變化，能夠響應(yīng)正常的檔位變換而不出現(xiàn)循環(huán)換擋情況。圖4是整車(chē)載重為30000 kg時(shí)的換擋規(guī)律修正，可以看到，擋位根據(jù)載重的變化進(jìn)行了修正，擋位越大換擋車(chē)速延遲越大，車(chē)速平穩(wěn)增加而不出現(xiàn)循環(huán)換擋的情況，修正作用良好。

表1 車(chē)輛參數(shù)

圖3 大坡度換擋修正實(shí)驗(yàn)曲線

圖4 平路變載荷換擋修正曲線

4 結(jié)論

AMT車(chē)輛在載重和坡度出現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化的行駛過(guò)程中，容易出現(xiàn)頻繁換擋、動(dòng)力性差、駕駛性差等主要問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)主要影響因子載重和坡度的動(dòng)態(tài)識(shí)別，采用比例插值法修正對(duì)應(yīng)的換擋規(guī)律。在12檔AMT商用車(chē)上進(jìn)行了坡路實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，修正后的換擋規(guī)律不但能夠避免循環(huán)換擋的問(wèn)題，還能響應(yīng)駕駛員的油門(mén)操作，并做出正確的擋位選擇，滿(mǎn)足了動(dòng)力性和操作性。

[1] 葛安林，李煥松，武文治等.動(dòng)態(tài)三參數(shù)最佳換擋規(guī)律[J].汽車(chē)工程，1992,14(4)；239-247.

[2] Yang Gao, Yong Chen, Daguo Luo et al. Optimization study of automatic transmission power shift schedule[C].Mech Autom Control Eng MACE, 2011, 5094-5097.

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