電控機械式自動變速器對整車動力性與經(jīng)濟性的影響分析

陳 佳，王青春，呂 欣，劉文健

（1.成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院，四川 成都 610100；2.中嘉汽車制造（成都）有限公司，四川 成都 610100）

1 引言

電控機械式自動變速器（Automated Manual Transmission，簡稱AMT）是通過電子控制對齒輪結(jié)構(gòu)進行自動換擋的[1]，相較于其他的自動變速器，其生產(chǎn)繼承性好、結(jié)構(gòu)簡單，具有良好的市場前景[2]。

近年來，眾多學(xué)者對AMT進行了研究，文獻[3]建立了汽車自動變速器離合器動力降擋過程的數(shù)學(xué)模型，制定了控制策略，提出了兩離合器之間實現(xiàn)理想動力搭接的方法。文獻[4]提出了將離合器的控制與同步器的控制進行配合，實現(xiàn)無動力中斷，建立了離合器的動力學(xué)模型，制定了換擋控制策略，基于Matlab∕Simu‐link建立整車縱向動力學(xué)模型并進行仿真試驗。文獻[5]分析了AMT離合器的起步換擋過程，并建立了數(shù)學(xué)模型，制定了離合器的變論域模糊控制策略，通過仿真和試驗驗證了該控制器可提高換擋過程的平順性。文獻[6]建立了AMT動力學(xué)模型，設(shè)計了基于離散kalman濾波的發(fā)動機轉(zhuǎn)速和離合器轉(zhuǎn)矩算法，對起步進行分析。文獻[7]結(jié)合AMT的離合器起步換擋過程中汽車傳動系動力學(xué)分析，根據(jù)結(jié)合力的軌跡特征對優(yōu)化后汽車起步換擋時的性能指標(biāo)及離合器性能應(yīng)進行分析，仿真結(jié)果表明提高了離合器的接合品質(zhì)。文獻[8]分析了AMT車輛的離合器起步過程，建立了系統(tǒng)動力學(xué)模型，并對起步品質(zhì)提出了評價指標(biāo)，制定了基于駕駛員操縱意圖的四參數(shù)兩級閉環(huán)模糊控制，通過MATLAB∕Simulink進行了研究。以上學(xué)者都對AMT離合器的分離接合過程進行了分析，并建立了AMT的起步換擋數(shù)學(xué)模型，但均只對整車的動力性或者離合器起步換擋平順性進行分析，未對整車的經(jīng)濟性進行研究。文獻[9]基于商用車AMT離合器起步過程，提出一種可降低沖擊度的控制策略，通過試驗輸出摩擦片軸向剛度特性曲線方程，并通過搭建臺架驗證改控制策略對起步性能的影響。文獻[10]根據(jù)整車最高車速、加速時間、續(xù)駛里程等性能指標(biāo)對兩擋AMT速比、電機參數(shù)、動力電池等進行了匹配選型，并通過MATLAB∕Simulink搭建了整車前向仿真模型，對動力性和經(jīng)濟性進行了驗證。以上學(xué)者分析了AMT對整車動力性和經(jīng)濟性的影響，但未能對AMT離合器的分離接合過程進行分析，并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，未能直觀的展示離合器模型。

建立了AMT的起步換擋過程數(shù)學(xué)模型，提出了評價指標(biāo)，對NEDC循環(huán)工況進行了發(fā)動機節(jié)氣門模糊控制，并制定了最佳經(jīng)濟性換擋規(guī)律，通過MATLAB∕Simulink和Stateflow軟件，對AMT進行動力性和經(jīng)濟性的仿真分析，從而分析AMT對整車動力性和經(jīng)濟性的影響。

2 性能評價指標(biāo)

2.1 動力性

2.1.1 起步時間

起步時間通常以離合器主從動盤轉(zhuǎn)速變化為研究對象，從離合器從動盤轉(zhuǎn)速為零開始至與飛輪同步時所需的時間。

2.1.2 百公里加速時間

百公里加速時間是代表汽車動力性的重要指標(biāo)，由車速為零時開始起步，最大強度地提升將車速提升至100km∕h所需的時間。

2.1.3 最高車速

最高車速通常由汽車的最高檔位或次高擋位產(chǎn)生，是指汽車通過加速運動能達到的最高車速。

由于研究中不涉及爬坡路況，因此無坡度阻力，以上評價指標(biāo)均可以由式（1）與式（2）計算所得。

式中：Ft—驅(qū)動力，N；F f—滾動阻力，N；Fw—空氣阻力，N；Fj—加速阻力，N；T e—發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；i—變速器傳動比；i a—主減速器傳動比；ηT—機械效率，這里取0.92；r—車輪半徑，m；G—汽車重力，N（其中G=mg，m—汽車質(zhì)量，根據(jù)研究情況可為滿載、二人載或空載，kg，g—重力加速度，g=9.8m∕s2）；f—滾動阻力系數(shù)；CD—風(fēng)阻系數(shù)；A—迎風(fēng)面積，m2；v—車速，km∕h；δ—旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，δ>1，通常取δ=1.03。

2.2 經(jīng)濟性

2.2.1 等速百公里燃油消耗量

半載情況下，以固定擋位勻速行駛，單位時間內(nèi)的燃油消耗量Qt(mL)[11]為：

式中：Pe—發(fā)動機功率，kW（其中，ne—發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r∕min）；b e—燃油消耗率，g∕(kW?h)；ρ—燃油密度，kg∕L，這里研究對象為汽油，因此取ρg=7N∕L[11]。以某車速勻速行駛時的百公里油耗Qc(L∕100k m)為：

式中：t—行駛總時間，s。

2.2.2 NEDC循環(huán)工況油耗

NEDC循環(huán)工況，如圖1所示。基于NEDC循環(huán)工況模擬市區(qū)和市郊工況[12]，可以分為ECE市區(qū)工況和EUDC市郊工況兩部分。

圖1 NEDC循環(huán)工況Fig.1 The New Europe Drive Cycle（NEDC）

在NEDC循環(huán)工況中，主要包括了怠速停車和行駛兩種情況，其百公里油耗由其兩部分組成：

式中：Qs—NEDC百公里油耗，L∕100km；ty—速度大于0時的行駛時間，s；Qi—怠速時的油耗率，L∕h；td—怠速的總時間，s；t=t y+td。

3 動力學(xué)分析與控制

3.1 動力學(xué)分析

AMT的起步過程主要包括離合器自由間隙階段、整車起步阻力階段、整車開始起步階段和離合器同步階段。離合器自由間隙階段，無任何轉(zhuǎn)矩傳遞。當(dāng)離合器主從動盤開始接觸后，進入整車起步阻力階段，但汽車仍未行駛。當(dāng)離合器從動盤輸出轉(zhuǎn)矩克服了整車行駛阻力時，車輛開始起步，但此時離合器主從動盤仍處于滑磨狀態(tài)，此階段為整車開始起步階段，其動力學(xué)模型如式（6）所示。離合器同步階段即當(dāng)離合器主從動盤轉(zhuǎn)速相同，無相對滑動時，車輛起步完成，動力學(xué)模型如式（7）所示。隨著車速的升高，AMT會進入換擋階段，此時離合器主從動盤分離，即離合器主從動盤轉(zhuǎn)速不同時，其動力學(xué)模型如式（6）所示。當(dāng)AMT完成換擋動作后，離合器主從動盤開始接合，其接合過程同起步過程相同，會經(jīng)歷四個階段，其動力學(xué)模型如式（6）所示。當(dāng)離合器主從動盤轉(zhuǎn)速相同時，換擋過程結(jié)束，進入穩(wěn)定行駛階段，其動力學(xué)模型如式（7）所示。

式中：T cl—離合器轉(zhuǎn)矩，N?m；TL—整車阻力矩，N?m；J e—發(fā)動機等效轉(zhuǎn)動慣量，kg?m2；Jw—整車等效轉(zhuǎn)動慣量，kg?m2；ωe—發(fā)動機端的角速度，rad∕s；ωw—車輪端的角速度，rad∕s。

3.2 NEDC循環(huán)工況下發(fā)動機的模糊控制

在NEDC循環(huán)工況中，節(jié)氣門開度會隨著車速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速等進行變化，節(jié)氣門開度與該工況的速度跟隨符合度關(guān)系較大，考慮到整車工況的真實性，將采用前向仿真模型，并對NEDC循環(huán)工況的節(jié)氣門開度進行模糊控制。采用NEDC循環(huán)工況的目標(biāo)車速和實際輸出車速的相差值Δv及該差值的變化率Δv?為這里模糊控制的采集變量，從而輸出節(jié)氣門開度變化率th?r，其隸屬度函數(shù)。如圖2所示，其控制規(guī)則，如表1所示。

圖2 節(jié)氣門開度變化率隸屬度函數(shù)Fig.2 The Membership Functions of Fuzzy Control Variable for Throttle Opening

表1 基于模糊控制的節(jié)氣門開度規(guī)則Tab.1 The Fuzzy Control Principle of Throttle Opening

4 仿真模型

根據(jù)這里所建動力學(xué)模型及控制方法，在MATLAB∕Simulink和MATLAB∕Stateflow環(huán)境下，建立了動力性和經(jīng)濟性仿真模型。

4.1 動力性仿真模型

動力性仿真模型分為起步和加速兩個過程。按照動力學(xué)分析，起步主要由節(jié)氣門、離合器、離合器控制組成，如圖3所示。

圖3 AMT起步階段仿真模型Fig.3 The Simulation Model of Startup Process for AMT

AMT換擋模型（1擋升2擋），如圖4所示。該換擋階段模型主要包括了節(jié)氣門控制模塊、離合器控制模塊及換擋模塊，其中，換擋模塊按照其動力學(xué)分析可以分為三個過程，分別為離合器分離過程、換擋過程和離合器同步過程。

圖4 AMT換擋模型（1擋升2擋）Fig.4 The Simulation Model of 1st Gear to 2nd Gear Process for AMT

這里所用驅(qū)動部件為JL478QEA-L型發(fā)動機，發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩，如圖5所示。發(fā)動機燃油消耗率，如圖6所示。發(fā)動機萬有特性，如圖7所示。整車參數(shù)，如表2所示。

圖5 發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩Fig.5 The Engine Output Torque with Steady State

圖6 發(fā)動機燃油消耗率Fig.6 The Fuel Consumption Rate of Engine

圖7 發(fā)動機萬有特性圖Fig.7 The Engine Map

表2 整車參數(shù)Tab.2 The Vehicle Parameters

將采用五擋、六擋、八擋、十擋共四種不同擋位數(shù)和速比范圍的AMT，對其性能進行仿真分析，從而能夠更好的對比出不同的速比對整車的動力性和經(jīng)濟性的影響。五擋、六擋、八擋和十擋AMT的傳動比，主減速器傳動比為4.294，如表3所示。

表3 五擋、六擋、八擋、十擋AMT傳動比Tab.3 The Gear Ratio of 5-Gear，6-Gear，8-Gear and 10-Gear AMT

4.2 經(jīng)濟性模型

五擋AMT的NEDC循環(huán)工況仿真模型，如圖8所示。為了保證仿真結(jié)果與該工況的符合度較高，這里采用前向仿真及節(jié)氣門模糊控制進行分析，基于MATLAB∕Stateflow平臺的換擋模型，如圖9所示。

圖8 AMT經(jīng)濟性仿真模型Fig.8 The Economy Simulation Model of AMT

圖9 Stateflow平臺的換擋模型Fig.9 The Shift Model Based on Stateflow

根據(jù)發(fā)動機參數(shù)，在相同規(guī)則下制定了經(jīng)濟性換擋規(guī)律，并載入Stateflow換擋模塊中，使該NEDC工況的燃油經(jīng)濟性性分析更加符合實際結(jié)果，如圖10所示。

圖10 經(jīng)濟性換擋規(guī)律Fig.10 The Economy Shift Principle

5 仿真分析

5.1 起步時間

加速過程中整車最大驅(qū)動力與行駛阻力的平衡圖，如圖11所示。可以看出，各AMT在車速未達到最大值時，均按照換擋規(guī)律進行了換擋，且八擋和五擋AMT的一擋驅(qū)動力分別為最大和最小，這取決于該擋位的傳動比。

圖11 驅(qū)動力與行駛阻力Fig.11 The Diagram of Driving Force and Resistance

根據(jù)起步的真實加速踏板控制情況，以發(fā)動機飛輪轉(zhuǎn)速與離合器從動盤轉(zhuǎn)速相等為起步完成標(biāo)準(zhǔn)，得到起步時間，如表4所示。可以看出，八擋AMT的起步時間1.48s相較于五擋1.61s縮短了8.1%。因此，起步時間由最低擋傳動比大小決定，傳動比越大，起步時間越短。

表4 起步時間Tab.4 The Startup Time

5.2 加速時間

對各變速器的百公里加速過程進行了仿真，并得到了如圖12所示的車速與時間的關(guān)系。經(jīng)計算，六擋AMT和五擋AMT的百公里加速時間分別為13.16s和14.18s，如表5所示。

圖12 車速隨時間的變化關(guān)系Fig.12 The Relationship Between Velocity and Time During Acceleration Process

表5 百公里加速時間Tab.5 The Acceleration Time to 100km Per Hour

由前文可知，雖然八擋AMT的起步時間最短，但百公里加速性能卻略遜于六擋和十擋AMT。為了更好的分析各變速器動力性能，這里將進一步研究各變速器在百公里加速過程中的換擋過程。八擋AMT的發(fā)動機轉(zhuǎn)速與離合器從動盤轉(zhuǎn)速與時間的關(guān)系，如圖13所示。

圖13 八擋AMT發(fā)動機轉(zhuǎn)速與離合器從動盤轉(zhuǎn)速變化關(guān)系Fig.13 The Relationship Between Engine Speed and Clutch Speed During Startup and Acceleration Process for 8-Gear AMT

從圖中可看出，八擋AMT在百公里加速過程中共有5次換擋，當(dāng)換擋開始時，離合器分離，其從動盤轉(zhuǎn)速會陡然下降，當(dāng)完成換擋動作后，離合器從動盤與發(fā)動機飛輪端再一次接合至同步，因此，發(fā)動機轉(zhuǎn)速與離合器轉(zhuǎn)速再一次相等。同理可得四種變速器在百公里加速過程中的換擋次數(shù)：當(dāng)車速升至100km∕h后，五擋AMT為第3擋，共有2次換擋過程；六擋AMT為第4擋，共有3次換擋過程；八擋和十擋AMT均為第6擋，共有5次換擋過程，如表6所示。

表6 車速升至100km/h時的換擋次數(shù)Tab.6 The Shift Times to 100km Per Hour During Acceleration Process

由此可以看出，在同等條件下，起步時間由1擋傳動比大小決定，傳動比越大，起步時間越短，而加速時間不僅與起步時間有關(guān)，還在很大程度上由換擋次數(shù)決定，因此，變速器的加速時間與其擋位數(shù)量、各擋傳動比大小和換擋規(guī)律息息相關(guān)，相較于五擋AMT，六擋AMT的加速時間縮短了7.2%。

5.3 最高車速

當(dāng)驅(qū)動力Ft與整車行駛阻力Ff+Fw相等時，即代表整車加速度為零，此時，整車只能勻速行駛，無加速能力。在圖11中，可以看到兩者的交點所在車速即為最高車速。針對每個單獨的擋位，也有對應(yīng)的擋位最高車速。由圖11可以看出，各變速器的最高車速所在擋位均為最高擋，由于三種變速器的最高擋傳動比相等，因此，其最高車速也相同；十擋AMT最高車速則為次高擋，這是由其兩個超速擋傳動比大小決定的。經(jīng)計算，四種變速器的最高擋與次高檔的最高車速，如表7所示。

表7 最高車速Tab.7 The Maximum Velocity

5.4 等速油耗

對各變速器最高三擋的等速油耗進行了分析，如表8所示。由表可以看出，六擋AMT的等速油耗最高，十擋AMT最低；各變速器在中等車速時油耗最低。

表8 等速油耗Tab.8 The Fuel Consumption with Constant Velocity

5.5 NEDC循環(huán)工況油耗

基于NEDC循環(huán)工況和制定的經(jīng)濟性換擋規(guī)律，可得到其百公里油耗，如表9所示。相較于五擋AMT，十擋AMT的NEDC循環(huán)工況百公里油耗縮短了3.8%。這是因為擋位數(shù)越多，各擋位之間的傳動比相差較小，AMT有更多擋位選擇來滿足路況的復(fù)雜性需求，從而使發(fā)動機可大概率一直工作在低燃油消耗率區(qū)，從而降低了油耗。

表9 NEDC工況百公里油耗Tab.9 The Fuel Consumption with New Europe Drive Cycle

為了檢驗變速器在NEDC循環(huán)工況下?lián)跷磺袚Q情況是否有問題，本文將擋位、車速及時間進行了對比，如圖14所示?？梢钥闯觯瑩跷坏那袚Q符合了制定的經(jīng)濟性換擋規(guī)律。

圖14 NEDC循環(huán)工況換擋過程Fig.14 The Shift Process with NEDC

6 結(jié)論

提出了汽車動力性和經(jīng)濟性的評價指標(biāo)，并建立了搭載AMT的汽車動力學(xué)模型，對NEDC循環(huán)工況進行了發(fā)動機節(jié)氣門模糊控制，制定了經(jīng)濟性換擋規(guī)律，在MATLAB∕Simulink和MATLAB∕Stateflow環(huán)境下，對AMT的動力性和經(jīng)濟性進行了仿真分析。結(jié)果表明：起步時間與一擋傳動比大小有關(guān)，一檔傳動比越大，起步時間越短，這里八擋AMT起步時間最短，僅為1.48s，相較于最長起步時間1.61s的六擋AMT縮短了8.1%；加速時間不僅與起步時間有關(guān)，還在很大程度上由換擋次數(shù)決定，因此，變速器的加速時間與其擋位數(shù)量、各擋傳動比大小和換擋規(guī)律息息相關(guān)，六擋AMT的百公里加速時間最短，為13.16s，相較于最長加速時間14.18s的五擋AMT縮短了7.2%；同等情況下，擋位數(shù)增多，可提高整車的燃油經(jīng)濟性，十擋AMT的NEDC循環(huán)工況的百公里油耗最低，為6.533L∕100km，相較于最高百公里油耗6.793L∕100km的五擋AMT縮短了3.8%。