某重型車輛變速箱AMT開發(fā)沖坡特性仿真研究

賈偉健，權(quán)清達(dá)，孟博文

(陸軍裝甲兵學(xué)院車輛工程系，北京 100072)

在對(duì)某型號(hào)重型車輛變速箱進(jìn)行AMT開發(fā)過(guò)程中，除了要制定合理的平路行駛換擋策略[1]外，還要根據(jù)不同的路面情況制定相應(yīng)的行駛策略[2，3]。車輛在坡道行駛[4]時(shí)的換擋問(wèn)題一直是AMT車輛[5，6]的一個(gè)難題。由于車輛較重，在上坡時(shí)坡道阻力迅速增加，如果在坡上換擋，由于離合器分離，動(dòng)力切斷，車輛速度迅速減小，如果操縱不當(dāng)可能使車輛熄火甚至倒溜?，F(xiàn)階段AMT車輛針對(duì)坡道行駛的主要解決方法是：

1) 在進(jìn)入坡道前，提前進(jìn)行減速換擋，使車輛在上坡時(shí)擁有足夠的驅(qū)動(dòng)力。

2) 車輛在坡道行駛時(shí)，離合器分離后，通過(guò)電機(jī)進(jìn)行動(dòng)力補(bǔ)償，使得速度不至于降低過(guò)快。

由于某型號(hào)重型車輛為傳統(tǒng)的定軸式變速箱，在進(jìn)行AMT開發(fā)時(shí)，并沒(méi)有很大的空間安裝大功率電機(jī)，以便在動(dòng)力切斷后進(jìn)行動(dòng)力補(bǔ)償。因此本文的主要目的是研究車輛在各檔位行駛時(shí)，到達(dá)某一上坡地段后，判斷是否可以利用自身動(dòng)能在不進(jìn)行換擋的情況下以沖坡的方式駛過(guò)某一上坡路段，這樣既可以減少坡道行駛時(shí)間又可以避免不必要的換擋，提高駕駛效率。

1 動(dòng)力性換擋策略制定與加速特性仿真研究

在進(jìn)行某重型車輛變速箱AMT開發(fā)的過(guò)程中，其加速特性是評(píng)價(jià)其開發(fā)效果的一個(gè)重要指標(biāo)，也是研究其他直駛特性的基礎(chǔ)。在進(jìn)行AMT開發(fā)中，為保證其加速特性，在保持最大油門開度行駛的同時(shí)也必須要制定合理的動(dòng)力性換擋策略[7]。動(dòng)力性換擋策略是指車輛在行駛的各狀態(tài)下都能使發(fā)動(dòng)機(jī)保持最大牽引力，使車輛保持最大的加速度，一般由車輛的驅(qū)動(dòng)力平衡曲線得出，其換擋點(diǎn)一般設(shè)置為同一節(jié)氣門開度下相鄰檔位牽引力曲線的交點(diǎn)，如果各擋位牽引力曲線無(wú)交點(diǎn)，則一般在各擋位發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最大允許轉(zhuǎn)速時(shí)進(jìn)行換擋。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出，某重型車輛在最大油門開度時(shí)驅(qū)動(dòng)力平衡曲線，為保證車輛在最大油門開度下可以在各狀態(tài)下保持最大加速度，其驅(qū)動(dòng)力變化曲線如圖1所示。

圖1 各擋車速驅(qū)動(dòng)力情況

因此在最大油門開度下，換擋點(diǎn)分布情況如表1所示。

表1 各檔位動(dòng)力性換擋點(diǎn)

2 動(dòng)力性換擋仿真實(shí)驗(yàn)

在制定完動(dòng)力性換擋策略后，基于Matlab/Simulink建立整車仿真模型，分在水泥地(f=0.04)與良好土路(f=0.06)兩種路面進(jìn)行動(dòng)力性換擋仿真實(shí)驗(yàn)，主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為車輛從起步開始達(dá)到32 km/h所用時(shí)間。

首先進(jìn)行在水泥路面(f=0.04)行駛的加速特性研究，車輛以二擋起步，按照制定的動(dòng)力性換擋策略進(jìn)行換擋，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 水泥路面行駛車速

由圖2可以看出，車輛在水泥地路況上行駛時(shí)，在3.5 s時(shí)開始起步，在26.48 s時(shí)速度達(dá)到32 km/h，加速時(shí)間為22.98 s。

同理通過(guò)仿真得出，車輛在水泥地路況上行駛時(shí)，在3.5s時(shí)開始起步，在34.94 s時(shí)速度達(dá)到32 km/h，加速時(shí)間為31.44 s。

3 車輛沖坡行駛特性

本文主要研究車輛在水泥路面(f=0.04)行駛時(shí)，各擋位行駛時(shí)的沖坡特性，得到各擋位的最大沖坡角度以及在各允許沖坡角度下的最大沖坡距離為后續(xù)的坡道換擋策略提供參考。

3.1 水泥路面允許最大通過(guò)角度

由于最大附著力的存在以及隨著坡度增高坡度阻力的迅速增大使得車輛在行駛時(shí)只能通過(guò)一定角度范圍坡度，其中最大坡度角計(jì)算公式[8，9]為：

mgsinθ0=mgcosθ0·f0.

(1)

其中:m為整車質(zhì)量，取m=36 500 kg;θ0為允許通過(guò)最大坡度角;f0為水泥路面的附著系數(shù)，取f0=0.4。

計(jì)算求得θ≈22°

3.2 車輛各擋位行駛最大坡度

在車輛進(jìn)行動(dòng)能沖坡時(shí)，有時(shí)雖然自身動(dòng)能可以通過(guò)一定坡度，但由于坡度阻力過(guò)大，導(dǎo)致車輛在沖坡過(guò)程中，由于傳動(dòng)系統(tǒng)回傳阻力過(guò)大，超過(guò)了離合器的最大傳遞轉(zhuǎn)矩，使得離合器產(chǎn)生磨滑，加速離合器的損壞。因此必須在離合器工作范圍內(nèi)，進(jìn)行各擋位的動(dòng)能沖坡。各擋位最大沖坡角度[10]計(jì)算如下：

(2)

其中:θ為各擋位最大通過(guò)坡度角；CD為空氣阻力系數(shù)，取CD=0.45；A為重型車輛迎風(fēng)面積，取A=4 m2；δ為質(zhì)量增加系數(shù)；ig為主減速器傳動(dòng)比，ig=6.78；i0為各擋位傳動(dòng)比；TC0為離合器允許最大傳遞扭矩，TC0=3 659N·m。

計(jì)算得到各擋位下，水泥路面行駛時(shí)允許沖坡的最大坡度角如表2所示。

表2 各擋位最大沖坡角

4 仿真實(shí)驗(yàn)

在得到水泥路面最大允許通過(guò)坡度以及各擋位最大沖坡角度后，在允許的坡度范圍內(nèi)進(jìn)行各擋位的沖坡仿真實(shí)驗(yàn)。

4.1 五擋水泥路面沖坡仿真實(shí)驗(yàn)

車輛以二擋起步開始在最大油門開度下升至五擋，并達(dá)到穩(wěn)定車速50 km/h,在行駛1 000 m后進(jìn)入7°的上坡路段，仿真情況如圖3所示。

圖3 五擋沖坡行駛速度

由圖3可以看出，在駛?cè)肫露葹?°的上坡路段后，車速迅速下降，在99s時(shí)車速由50 km/h下降到14.7 km/h，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也下降到最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速600 r/min，如果繼續(xù)行駛會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，此時(shí)車輛共在7°上坡路段行駛111 m，因此認(rèn)為五擋在7°上坡路段的最大沖坡距離為111 m，在坡度行駛時(shí)回傳阻力在離合器傳遞阻力的允許范圍內(nèi)。

4.2 二擋水泥路面沖坡仿真實(shí)驗(yàn)

車輛以二擋起步，保持最大油門開度達(dá)到最大穩(wěn)定車速17.4 km/h，在平路行駛200 m后進(jìn)入起步開始在最大油門開度下升至五擋，并達(dá)到穩(wěn)定車速50 km/h,在行駛1 000 m后進(jìn)入22°的上坡路段，仿真情況如圖4所示。

圖4 二擋沖坡行駛速度

由圖4可以看出，在駛?cè)肫露葹?2°的上坡路段后，車速迅速下降，在52 s時(shí)車速由17.4 km/h下降到4.76 km/h，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也下降到最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速600 r/min，如果繼續(xù)行駛會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，此時(shí)車輛共在22°上坡路段行駛8.2 m，因此認(rèn)為二擋在22°上坡路段的最大沖坡距離為8.2 m，在坡度行駛時(shí)回傳阻力在離合器傳遞阻力的允許范圍內(nèi)。

本文進(jìn)行了車輛在水泥路面上最大油門開度下達(dá)到最高車速后在允許的各角度坡度上的沖坡仿真實(shí)驗(yàn)，得到了在各角度坡上的最大沖坡距離，具體關(guān)系如圖5所示。

圖5 各擋沖坡角度與沖坡距離關(guān)系

5 結(jié)論

本文主要針對(duì)需要進(jìn)行AMT開發(fā)的某重型車輛進(jìn)行兩種路面的加速特性以及水泥路面的沖坡特性的仿真分析，通過(guò)分析可以得出水泥路面從起步到達(dá)到32 km/h需要22.98 s，在良好土路需要31.44 s。在沖坡仿真實(shí)驗(yàn)中得出各檔位在達(dá)到最高穩(wěn)定車速后在進(jìn)行各角度沖坡時(shí)的最大沖坡距離，并且通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得出二擋在沖8°坡時(shí)，可以在坡上達(dá)到另一穩(wěn)定車速，即通過(guò)二擋可以在8°坡上穩(wěn)速行駛，同樣三擋也可以在4°坡上穩(wěn)定行駛。通過(guò)仿真得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為后期此型號(hào)重型車輛變速進(jìn)行AMT開發(fā)制定坡道換擋策略提供了非常有價(jià)值的依據(jù)，具有一定的實(shí)際意義，同時(shí)本仿真模型具有一定的通用性，可以為后續(xù)其他型號(hào)車輛的仿真實(shí)驗(yàn)提供參考。