基于Cruise GSP的AMT整車(chē)換檔研究

程 洋

（西華大學(xué)汽車(chē)與交通學(xué)院，四川 成都 610039）

前言

在配置有自動(dòng)變速器的汽車(chē)中，除了無(wú)極變速器之外，其他類(lèi)型變速器都會(huì)涉及到到換擋規(guī)律的確定。換擋規(guī)律主要是研究選擇什么樣的換擋參數(shù)，在何時(shí)進(jìn)行換擋等問(wèn)題，其好壞直接影響車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放性的優(yōu)劣和乘坐舒適性，故換擋規(guī)律是自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心之一[1]。

換擋規(guī)律按照換擋的控制參數(shù)多少可分為單參數(shù)、雙參數(shù)、三參數(shù)以及四參數(shù)換擋規(guī)律。單參數(shù)換擋規(guī)律是單一的將車(chē)速作為控制參數(shù)，即到了指定車(chē)速就換擋，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但駕駛員無(wú)法干預(yù)換擋。雙參數(shù)是目前普遍采用的基于車(chē)速和油門(mén)開(kāi)度為控制參數(shù)的換擋規(guī)律，有穩(wěn)定可靠和實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。三參數(shù)換擋規(guī)律相比兩參數(shù)換擋規(guī)律增加了車(chē)輛的加速度參數(shù)，能更進(jìn)一步反映了車(chē)輛的實(shí)際操縱規(guī)律，但三參數(shù)換擋規(guī)律的制定非常復(fù)雜，工程運(yùn)用的較少。而四參數(shù)換擋規(guī)律是在三參數(shù)換擋規(guī)律的基礎(chǔ)上再添加節(jié)氣門(mén)開(kāi)度變化率，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度變化率能反映駕車(chē)者對(duì)車(chē)輛動(dòng)力性的需求程度[2]，目前對(duì)于此換擋規(guī)律僅局限于工程車(chē)輛理論研究方面。

本文采用工程應(yīng)用中使用廣泛與成熟的兩參數(shù)換擋規(guī)律為基礎(chǔ)，應(yīng)用AVL Cruise軟件GSP模塊中GSP Generation對(duì)裝備5檔AMT的某商用汽車(chē)進(jìn)行快速準(zhǔn)確地生成最佳經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律，并以整車(chē)燃油消耗為基礎(chǔ)，運(yùn)用 GSP Optimization對(duì)換擋規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化，從而更進(jìn)一步提高了汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

1 整車(chē)模型搭建

利用 AVL List 公司開(kāi)發(fā)的 Cruise 軟件，可以對(duì)任意結(jié)構(gòu)形式的汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系進(jìn)行建模和仿真。整車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系模型中發(fā)動(dòng)機(jī)、主減速器、輪胎等模型根據(jù)所輸入的整車(chē)技術(shù)參數(shù)即可參與仿真計(jì)算[3]。整車(chē)基本參數(shù)如表1所示，AMT各檔速比如表2所示，主減速器速比為4.529。

表1 整車(chē)基本參數(shù)

表2 AMT各檔速比

依據(jù)汽車(chē)構(gòu)型，在AVL Cruise軟件平臺(tái)上，通過(guò)從模塊庫(kù)中直接拖拽出汽車(chē)相對(duì)應(yīng)部件模塊的方式來(lái)搭建整車(chē)模型，并依據(jù)整車(chē)參數(shù)修改各部件的屬性來(lái)快速完成整車(chē)模型參數(shù)設(shè)定。然后依據(jù)部件之間的關(guān)系完成各部件間的機(jī)械連接以及電氣連接，如圖1所示。

圖1 AVL Cruise整車(chē)模型

2 換擋規(guī)律生成

運(yùn)用Cruise GSP Generation制定換擋規(guī)律時(shí)，首先需要發(fā)動(dòng)機(jī)的部分負(fù)載曲線以及萬(wàn)有特性曲線，依據(jù)該曲線通過(guò)Cruise里的靜態(tài)計(jì)算得到各個(gè)檔位在各油門(mén)踏板開(kāi)度下的整車(chē)加速度曲線圖以及汽車(chē)輪邊功率曲線圖，如圖2、圖3所示。整車(chē)的加速度[4]a：

式中：δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，m為整車(chē)質(zhì)量，F(xiàn)t整車(chē)驅(qū)動(dòng)力，F(xiàn)f為滾動(dòng)阻力，F(xiàn)i為坡道阻力，F(xiàn)w為空氣阻力。

輪邊功率P：

式中M為汽車(chē)質(zhì)量，v為車(chē)速，a為整車(chē)加速度。

圖3 整車(chē)各個(gè)檔位下輪邊功率曲線

換檔模式設(shè)置分為3個(gè)主要部分[5]，低負(fù)荷區(qū)域、中負(fù)荷區(qū)域以及高負(fù)荷區(qū)域，如圖4所示。每個(gè)區(qū)域的具體范圍依據(jù)變速器標(biāo)定工程師的工程經(jīng)驗(yàn)而定。

圖4 GSP設(shè)置—區(qū)域

本文界定 20%負(fù)荷以下為低負(fù)荷區(qū)，中負(fù)荷區(qū)范圍為20%～100%，而100%～110%為高負(fù)荷區(qū)域。對(duì)于高負(fù)荷區(qū)域的升檔線，Kick Down (110%)表示延遲升檔，即表示駕駛員持續(xù)將油門(mén)踩在100%位置處，110%油門(mén)踏板開(kāi)度為假想值，實(shí)際并不存在，而降檔線Kick Down (110%)表示強(qiáng)制降檔，即駕駛員急踩油門(mén)到100%位置處來(lái)實(shí)現(xiàn)降檔加速。

2.1 低負(fù)荷區(qū)換擋規(guī)律

對(duì)于雙參數(shù)換擋車(chē)輛，設(shè)置低負(fù)荷區(qū)域換擋規(guī)律時(shí)，汽車(chē)性能以舒適、穩(wěn)定、少污染為主，對(duì)加速度無(wú)明顯需求。降檔時(shí)主要考慮 NVH限制轉(zhuǎn)速，而在此基礎(chǔ)上盡量降低發(fā)動(dòng)機(jī)降擋轉(zhuǎn)速以提高燃油經(jīng)濟(jì)性，并根據(jù)駕駛性的需求確定升擋的延遲車(chē)速，從而獲得升擋車(chē)速。升檔車(chē)速Vup[i]：

式中Vdown[i]為降檔車(chē)速，在Cruise GSP中設(shè)置與之相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速值；VHysteresis[i]為升降擋延遲車(chē)速。

低負(fù)荷區(qū)域相關(guān)參數(shù)設(shè)置值如表3所示。

表3 低負(fù)荷區(qū)相關(guān)參數(shù)設(shè)置

2.2 中負(fù)荷區(qū)換擋規(guī)律

中負(fù)荷區(qū)域參數(shù)設(shè)置主要保證燃油經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上兼顧動(dòng)力性。GSP Generation在中負(fù)荷區(qū)的設(shè)置則是基于預(yù)先靜態(tài)計(jì)算得到的車(chē)速-輪邊功率曲線來(lái)設(shè)置相關(guān)參數(shù)，其中1擋升到2擋和2擋降到1擋的設(shè)置與其它擋位的設(shè)置不同。這兩個(gè)擋位的設(shè)置是根據(jù)換擋點(diǎn)的輪邊功率所占最大輪邊功率的百分比來(lái)設(shè)置的。Cruise軟件提供不同驅(qū)動(dòng)模式的參考值，如表4。

表4 不同驅(qū)動(dòng)模式下參考值

經(jīng)濟(jì)模式下其他檔位升降檔規(guī)律依據(jù)公式（4）和公式（5）來(lái)設(shè)置以及設(shè)置值如表5所示，設(shè)置升檔轉(zhuǎn)速公差目的是為了提高駕駛舒適性和穩(wěn)定性而將各檔位升檔轉(zhuǎn)速限制在一定范圍內(nèi)。

表5 中負(fù)荷區(qū)相關(guān)參數(shù)設(shè)置

2.3 高負(fù)荷區(qū)換擋規(guī)律

高負(fù)荷區(qū)域汽車(chē)是以能夠獲得最佳動(dòng)力性能為前提，主要確定四個(gè)點(diǎn)，升檔線的Kick Down點(diǎn)（110%LS）和PAF點(diǎn)（100%LS）以及降檔線的Kick Down點(diǎn)（110%LS）和PAF點(diǎn)（100%LS），Kick換擋點(diǎn)在最大加速?gòu)?qiáng)度（相鄰兩檔位加速度曲線的交點(diǎn)）處換擋，在實(shí)際換檔

過(guò)程中還需要考慮換擋響應(yīng)時(shí)間的影響。而PAF換擋點(diǎn)依據(jù)與Kick換擋點(diǎn)的轉(zhuǎn)速差來(lái)確定。

表6 高負(fù)荷區(qū)相關(guān)參數(shù)設(shè)置

2.4 換擋規(guī)律結(jié)果

根據(jù)上述的各個(gè)負(fù)荷區(qū)設(shè)置，計(jì)算求得的換擋規(guī)律如圖5所示。

圖5 經(jīng)濟(jì)模式升檔與降檔規(guī)律

從圖5分析可以得出，該換擋規(guī)律是一種組合型的換擋規(guī)律，是由多段不同變化規(guī)律組合而成的換擋規(guī)律。低負(fù)荷區(qū)采用的是等延遲型換擋規(guī)律，中高負(fù)荷區(qū)采用的是帶強(qiáng)制降檔的發(fā)散型換擋規(guī)律，這是發(fā)散型換擋規(guī)律的改進(jìn)，目的是為了克服其缺點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)提前降檔，以充分發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)大功率的潛力，滿足爬坡、超車(chē)等工況需求。

3 換擋規(guī)律優(yōu)化

3.1 GSP優(yōu)化

為了進(jìn)一步提升汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性，需要對(duì)生成的換擋規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化處理。利用Cruise中的GSP Optimization對(duì)生成的經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律基于NEDC循環(huán)工況進(jìn)行優(yōu)化，從而得到更優(yōu)的換擋規(guī)律。

在完成靜態(tài)任務(wù)參數(shù)設(shè)置后，根據(jù)給定工況下傳動(dòng)系優(yōu)化流程[6]，通過(guò)仿真計(jì)算得到不同車(chē)速對(duì)應(yīng)的優(yōu)化節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，如圖6，以及給定循環(huán)工況下的最優(yōu)換擋情況，如圖7。將生成的Optimal Maps (圖8)疊加到GSP Generation生成的換擋規(guī)律圖，調(diào)整升降擋換擋曲線以得到優(yōu)化后的換擋規(guī)律曲線，如圖 9。最終將優(yōu)化后的換擋曲線數(shù)據(jù)導(dǎo)入到機(jī)械式自動(dòng)變速器的控制單元中。

圖6 NEDC工況下的換擋優(yōu)化

圖7 NEDC工況優(yōu)化圖

圖8 優(yōu)化Map圖

圖9 優(yōu)化后的換擋規(guī)律

3.2 優(yōu)化前后仿真結(jié)果

基于給定的NEDC循環(huán)工況對(duì)優(yōu)化前后的換擋規(guī)律進(jìn)行仿真分析，汽車(chē)的綜合油耗結(jié)果如表 7，優(yōu)化后相較于優(yōu)化前油耗減少4%左右。

表7 優(yōu)化前后的仿真結(jié)果對(duì)比

汽車(chē)在駕駛過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩分布如圖10、圖11，換擋規(guī)律優(yōu)化后，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)能更長(zhǎng)時(shí)間工作在高效區(qū)，整車(chē)的燃油消耗得以改善。

圖10 優(yōu)化前的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩分布

圖11 優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩分布

4 結(jié)論

（1）本文以某款裝備AMT的商用轎車(chē)作為研究對(duì)象，利用 AVL Cruise 軟件，建立整車(chē)仿真模型，使用Cruise GSP模塊快速生成換擋規(guī)律并且基于給定的循環(huán)工況下優(yōu)化燃油消耗，對(duì)于快捷地進(jìn)行變速器標(biāo)定有一定的借鑒意義。

（2）優(yōu)化后的換擋規(guī)律較優(yōu)化前能夠進(jìn)一步提升車(chē)輛性能。

（3）在車(chē)輛實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中，計(jì)算求得的換擋規(guī)律并不能直接在實(shí)車(chē)上運(yùn)用，需要不斷地調(diào)試和優(yōu)化。