基于駕駛質(zhì)量和油耗綜合性能的換擋策略設(shè)計(jì)

常 朕 馬綺蔚

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200438)

0 引言

中國(guó)汽車行業(yè)的發(fā)展到現(xiàn)在，乘用車以自動(dòng)變速器為主，自動(dòng)變速器操作性強(qiáng)、駕駛舒適性好等方面的優(yōu)勢(shì)成為未來的發(fā)展方向。自動(dòng)變速器可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋，其控制技術(shù)主要是換擋策略，即shift pattern。目前主流廠家的換擋策略是以加速踏板深度和車速為換擋參考的雙參數(shù)換擋策略。

一般來說，越小的加速踏板深度，其換擋會(huì)更早發(fā)生，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行更經(jīng)濟(jì)，油耗更好；反之，加速踏板深度越大，換擋會(huì)更晚發(fā)生，動(dòng)力性和駕駛性越好。根據(jù)加速踏板大小不同，相應(yīng)調(diào)整換擋的時(shí)機(jī)，同時(shí)滿足駕駛質(zhì)量和油耗的需求。因此，換擋策略的顯得非常重要。

1 雙參數(shù)換擋策略概述

換擋策略，又稱換擋時(shí)機(jī)，是檔位之間自動(dòng)換擋時(shí)刻隨控制參數(shù)而變化的規(guī)律。兩參數(shù)控制的換擋規(guī)律是目前企業(yè)采用最多的形式，控制參數(shù)通常使用車速與加速踏板深度。換擋策略的制定，同時(shí)影響多個(gè)性能，包括車輛動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性、駕駛質(zhì)量和NVH等性能，換擋策略是自動(dòng)變速箱控制的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。

換擋策略如下圖所示，橫坐標(biāo)為車速，縱坐標(biāo)為加速踏板百分比，不同的線條分別代表相鄰檔位間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，實(shí)線代表升檔線，如4-5和5-6，虛線代表降檔線，如6-5和5-4。

2 駕駛需求分析與換擋原則

加速踏板深度是駕駛員的駕駛需求的反映，加速踏板深度越小，整車動(dòng)力性能會(huì)越差，加速踏板深度越大則越好。較小加速踏板深度，主要用于車輛緩慢加速、穩(wěn)速和由高車速減速的行駛工況，駕駛員往往需求良好的燃油經(jīng)濟(jì)性，沒有較多的動(dòng)力性要求。

中大加速踏板深度，主要用于車輛快速起步、行車過程中的加速、超車等工況，此時(shí)需要車輛發(fā)揮出足夠的動(dòng)力，同時(shí)還要兼顧油耗水平，駕駛需求平衡動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性、駕駛質(zhì)量。

全加速踏板深度，主要用于緊急加速、應(yīng)急逃逸等特殊工況，此時(shí)需要車輛最大動(dòng)力輸出，駕駛需求為最佳動(dòng)力性。

按加速踏板深度大小將換擋規(guī)律可以分成三種情況討論，分別對(duì)應(yīng)三種主要駕駛需求，包括經(jīng)濟(jì)需求的經(jīng)濟(jì)區(qū)，動(dòng)力需求的動(dòng)力區(qū)，以及綜合需求的駕駛區(qū)，根據(jù)每個(gè)區(qū)域的駕駛需求制定不同的策略，滿足任意工況下的駕駛需求的目的。

圖1 換擋策略

圖2 換擋策略注解圖

3 動(dòng)力區(qū)換擋策略設(shè)計(jì)

動(dòng)力區(qū)最求最佳動(dòng)力性能。通過計(jì)算不同擋位的加速度曲線和外特性曲線確定該區(qū)域換擋策略。

對(duì)于現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)外特性扭矩曲線的形狀，各擋加速度曲線一般不會(huì)產(chǎn)生交點(diǎn)，通常選擇在達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率后升擋(根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線)。

針對(duì)換擋過程時(shí)間較長(zhǎng)，換擋開始至換擋結(jié)束過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較原設(shè)定換擋轉(zhuǎn)速有一定程度的增加，導(dǎo)致?lián)Q當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速接近、甚至突破斷油轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生扭矩突降帶來的換擋頓挫。因此，在考慮全加速踏板工況換擋時(shí)，要將此轉(zhuǎn)速偏移考慮進(jìn)去。

通過計(jì)算各檔位驅(qū)動(dòng)力和整車道路阻力，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，初步確定整車最高車速(滿載)所在檔位。

針對(duì)全加速踏板工況的降檔時(shí)機(jī)設(shè)計(jì)，通常滿足與升檔線保持一定車速的差距，或者降檔后轉(zhuǎn)速與接下來的升檔前轉(zhuǎn)速之間保持一定轉(zhuǎn)速的差距。

4 經(jīng)濟(jì)區(qū)換擋策略設(shè)計(jì)

經(jīng)濟(jì)區(qū)換擋通常結(jié)合穩(wěn)態(tài)車速和NEDC循環(huán)工況考慮，二者盡可能在高檔位，適當(dāng)?shù)娃D(zhuǎn)速，亦可獲得更高的傳動(dòng)效率。

另外，以常用行駛車速對(duì)應(yīng)的加速踏板深度為參考，車速主要包括20 km/h、40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h、120 km/h，對(duì)應(yīng)深度通常與車速成線性關(guān)系，從而與駕駛員的預(yù)期相符合，尤其是120 km/h高速工況，駕駛員長(zhǎng)時(shí)間開車，25%～30%的油門深度較為符合人機(jī)工程[2]。因此，優(yōu)先選取120 km/h勻速，定義加速踏板深度為30%，其他車速勻速加速踏板深度均在此以下。

常用穩(wěn)態(tài)車速對(duì)應(yīng)的加速踏板深度如圖3所示：

圖3 穩(wěn)態(tài)車速加速踏板深度

NEDC循環(huán)工況如圖4：

圖4 NEDC綜合工況

NEDC測(cè)試循環(huán)中，穩(wěn)速點(diǎn)如下表1：

表1 特征車速及其運(yùn)行時(shí)間

所有穩(wěn)速點(diǎn)均在120 km/h及以下，加速踏板深度均在30%及以下的經(jīng)濟(jì)區(qū)，因此，單參數(shù)區(qū)拐點(diǎn)一般設(shè)在30%左右。根據(jù)該車型所使用的發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性，找到燃油消耗率較低的轉(zhuǎn)速區(qū)域，同時(shí)考慮發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)扭矩響應(yīng)，因此，初步確定各穩(wěn)速點(diǎn)的檔位。

加速后的穩(wěn)速檔位主要根據(jù)升檔線產(chǎn)生，減速后的穩(wěn)速是根據(jù)降檔線產(chǎn)生，因此加速后的穩(wěn)速點(diǎn)主要關(guān)注升檔線，減速后的穩(wěn)速主要關(guān)注降檔線。

根據(jù)整車動(dòng)力學(xué)功率平衡和扭矩平衡方程，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)的轉(zhuǎn)速、扭矩[3](默認(rèn)鎖止離合器為鎖止?fàn)顟B(tài))。計(jì)算公式如下：

Ff=Ft=a+b×ua+c×ua2

(1)

式中，F(xiàn)f為整車行駛阻力；Ft為整車行駛驅(qū)動(dòng)力；a、b、c是整車道路阻力系數(shù)，a=204.8，b=1.332，c=0.041 9；ua為整車行駛車速。

企業(yè)通常情況下，整車阻力采用工程方法，滑行阻力系數(shù)使用a、b、c代表，通過道路滑行試驗(yàn)得到，擬合成一個(gè)關(guān)于速度v的二次函數(shù)，表示整車阻力之和。

(2)

式中，r代表車輪滾動(dòng)半徑，單位為m，本文開發(fā)的車型的r=0.37；n代表發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；ig代表變速箱速比，此處選擇8檔自動(dòng)變速箱(8AT)，各檔速比分別為5、3.2、2.1、1.7、1.3、1、0.8、0.6，i0代表主減速器速比，本文車型主減速器速比為3.6。

(3)

式中，Tiq代表發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，單位為N·m；ηt代表整車傳動(dòng)系效率，根據(jù)傳動(dòng)系效率map查得ηt=0.82；r為車輪半徑。

換算上述公式(3)，推導(dǎo)出如下公式：

(4)

將各個(gè)參數(shù)代入公式(1)、(2)、(3)、(4)中，求出對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，同時(shí)考慮單參數(shù)區(qū)升降檔間距至少保證3 km/h～5 km/h差距，設(shè)計(jì)換檔線。結(jié)合穩(wěn)態(tài)車速加速踏板深度的期望檔位定義、減速斷油設(shè)置、TCC鎖止策略等，確定經(jīng)濟(jì)區(qū)換擋策略設(shè)計(jì)。

5 綜合區(qū)(駕駛區(qū))換擋策略設(shè)計(jì)

綜合區(qū)(駕駛區(qū))換擋通常以燃油經(jīng)濟(jì)性和駕駛性平衡、滿足行駛加速度響應(yīng)為優(yōu)化目標(biāo)。通常結(jié)合整車行駛加速度響應(yīng)增益考慮。主要是指在勻速行駛時(shí)，繼續(xù)踩下加速踏板后的加速響應(yīng)增益, 只考察12.5 mm的情況[4]，即在某個(gè)穩(wěn)速的情況下，踩下12.5 mm后，整車該車速下產(chǎn)生一個(gè)加速度a(g)，此時(shí)的整車加速響應(yīng)增益為a/12.5(g/mm)。

通過競(jìng)品對(duì)標(biāo)，將某MPV作為參考，定義行駛加速度響應(yīng)增益目標(biāo)為運(yùn)動(dòng)(SPORT)。

圖5 行駛加速度響應(yīng)增益

結(jié)合穩(wěn)速加速踏板深度和行駛加速度響應(yīng)增益目標(biāo)，定義符合目標(biāo)的整車加速度需求map，需要包括加速踏板深度和車速兩個(gè)維度，即車輛的加速度響應(yīng)map(ARM)。

圖6 加速響應(yīng)目標(biāo)

根據(jù)車輛的加速度響應(yīng)map(ARM)要求，通過虛擬分析，計(jì)算出不同特征工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)，從而推導(dǎo)出基于運(yùn)行工況點(diǎn)的換擋策略優(yōu)化圖。同時(shí)校核升檔前，各加速踏板深度下的升檔轉(zhuǎn)速；降檔前，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩利用率。

圖7 換擋策略

6 NVH 性能校核

穩(wěn)速線以下，整車處于滑行減速狀態(tài)，此時(shí)，避開了方向盤模態(tài)共振頻率；

穩(wěn)速線以上，整車處于加速狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較快避開1 350 r/min共振頻率，避開Booming產(chǎn)生；

同一換擋線，不同加速踏板情況下，轉(zhuǎn)速上升線性均勻；各換擋線在同一加速踏板下，升檔轉(zhuǎn)速相近，40%以內(nèi)常用加速踏板深度，避開整車Booming點(diǎn)。

7 實(shí)車駕駛質(zhì)量測(cè)試與驗(yàn)證

針對(duì)駕駛質(zhì)量和油耗理論設(shè)計(jì)的變速器shift pattern進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證，整車加速度響應(yīng)達(dá)到了既定的設(shè)計(jì)目標(biāo)，同時(shí)行駛加速度響應(yīng)增益也達(dá)到了要求。

圖8 加速響應(yīng)

圖9 穩(wěn)態(tài)車速下油門踏板深度的設(shè)計(jì)值和仿真值

圖10 加速度系統(tǒng)增益的仿真值和實(shí)測(cè)值

針對(duì)NEDC工況進(jìn)行摸底，循環(huán)工況中，實(shí)際運(yùn)行檔位符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。

實(shí)車驗(yàn)證此方法設(shè)計(jì)的換擋策略，整車駕駛質(zhì)量和NEDC循環(huán)工況中檔位符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。

分析圖8到圖11的實(shí)測(cè)值，虛擬仿真的換擋線與實(shí)車驗(yàn)證相吻合，駕駛質(zhì)量虛擬仿真與實(shí)車驗(yàn)證結(jié)果相吻合，該換擋策略滿足整車駕駛質(zhì)量和油耗綜合性能的要求，即行駛加速度響應(yīng)增益目標(biāo)為SPORT，綜合油耗循環(huán)運(yùn)行在合適的預(yù)設(shè)檔位，全加速踏板加速性能充分發(fā)揮。因此，該換擋策略設(shè)計(jì)方法的可行。

圖11 NEDC循環(huán)中變速器檔位

8 結(jié)論

(1)根據(jù)定義的動(dòng)力區(qū)、經(jīng)濟(jì)區(qū)和綜合區(qū)的換擋性能目標(biāo)，分別計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)，包括對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩，推導(dǎo)出基于運(yùn)行工況點(diǎn)的初版換擋策略。

(2)通過仿真分析和實(shí)車試驗(yàn)對(duì)比，仿真值與整車試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)的實(shí)測(cè)值能夠較好的吻合，該換擋策略的設(shè)計(jì)方法滿足整車駕駛質(zhì)量和油耗綜合性能的要求。

(3)將該車型優(yōu)化駕駛質(zhì)量和綜合油耗，同時(shí)避免整車NVH Booming風(fēng)險(xiǎn)，具有一定的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，可以很好的滿足市場(chǎng)需求。