AMT 變速器兩參數(shù)換擋規(guī)律優(yōu)化研究

吳 楊，曹 建，楊建森，劉忠海，董強(qiáng)強(qiáng)

（中汽研（天津）汽車(chē)工程研究院有限公司，天津 300300）

換擋規(guī)律主要是針對(duì)換擋參數(shù)物理變量如何選取及如何優(yōu)化合理傳動(dòng)比，使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩最大限度地通過(guò)離合器及變速箱傳動(dòng)比分配給后橋及車(chē)輪。獲取其傳動(dòng)比數(shù)據(jù)對(duì)車(chē)輛平穩(wěn)順暢換擋，提高燃油效率及車(chē)輛舒適性具有重要意義[1]。

控制參數(shù)的多少對(duì)車(chē)輛換擋有指導(dǎo)性，如單參數(shù)換擋規(guī)律通常可以選取油門(mén)開(kāi)度[2]、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及車(chē)速等中的一個(gè)作為控制變量，車(chē)速可根據(jù)后文（3）式中公式積分求得，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但道路條件不好時(shí)需要頻繁換擋[3]；兩參數(shù)換擋規(guī)律一般以車(chē)速和油門(mén)開(kāi)度作為控制參數(shù)[3]；相較于兩參數(shù)換擋規(guī)律，三參數(shù)換擋規(guī)律在其基礎(chǔ)上引入了車(chē)輛加速度，進(jìn)一步反映了車(chē)輛的實(shí)際操縱規(guī)律[3]，但由于車(chē)輛在行駛中很多時(shí)間處于非穩(wěn)定狀態(tài)，如車(chē)輛的起步、加速過(guò)程等，由于安裝加速度傳感器增加了成本且不利于控制，因此沒(méi)大范圍推廣使用[4]。兩參數(shù)換擋規(guī)律介于以上兩者之間，既能滿足要求又能控制成本，因此本文以兩參數(shù)為基礎(chǔ)，采用Cruise GSP 模塊對(duì)汽車(chē)AMT 換擋規(guī)律進(jìn)行分析，并結(jié)合相應(yīng)工況進(jìn)行優(yōu)化，來(lái)提高車(chē)輛的燃油消耗率及排放性[1]。

1 汽車(chē)系統(tǒng)模型建立

1.1 整車(chē)建模參數(shù)

仿真車(chē)輛整車(chē)建模參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 仿真車(chē)輛參數(shù)

1.2 Cruise 整車(chē)模型建立

Cruise 軟件由奧地利李斯特公司研發(fā)，其良好的部件參數(shù)設(shè)置界面，為傳統(tǒng)汽車(chē)、新能源汽車(chē)建模與仿真提供了方便，也對(duì)新車(chē)型的開(kāi)發(fā)提供了指導(dǎo)。為研究AMT 的兩參數(shù)換擋規(guī)律，選用Cruise 內(nèi)置的換擋規(guī)律生成功能及優(yōu)化模塊——GSP Generation/Optimization.，可根據(jù)用戶自定義的邊界條對(duì)換擋進(jìn)行控制和優(yōu)化[5]。在Cruise 中建立的AMT 模型如圖1 所示。

圖1 Cruise 整車(chē)仿真計(jì)算模型及路試試驗(yàn)用車(chē)

1.3 換擋規(guī)律生成

換擋原理：傳動(dòng)系統(tǒng)的合理匹配及相關(guān)參數(shù)的選取直接決定車(chē)輛動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性的好壞。制定換擋規(guī)律就是為了求得在最佳油耗下某相鄰兩檔位換擋點(diǎn)的速度ν，根據(jù)ν 即可得到發(fā)動(dòng)機(jī)特性下的油門(mén)開(kāi)度a，由（a，ν）計(jì)算出動(dòng)力總成功率及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，但由于換擋的延遲性，計(jì)算出的數(shù)據(jù)只能無(wú)線逼近理想特性曲線。因此根據(jù)加速度特性進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律制定，輸入整車(chē)各部件的參數(shù)之后，在GSP 模塊的子目錄下進(jìn)行換擋參數(shù)設(shè)置，并在cycle run 下設(shè)置循環(huán)工況條件。圖2 為相鄰檔位間車(chē)速與節(jié)氣門(mén)開(kāi)度關(guān)系，用于指導(dǎo)換擋參數(shù)設(shè)置。

圖2 GSP 換擋原理[6]

為了生成換擋規(guī)律，需首先獲得車(chē)輛加速度曲線。速度阻力是車(chē)輛加速時(shí)必須克服的慣性力，根據(jù)牛頓第二定律，加速度阻力使車(chē)輛產(chǎn)生線加速度。

而總的驅(qū)動(dòng)力

因此，整車(chē)及加速度為

式中：a為整車(chē)加速度，F(xiàn)te為牽引力，F(xiàn)rr為滾動(dòng)阻尼，F(xiàn)rg為坡道阻尼，F(xiàn)ad為空氣阻力，Mν為整車(chē)質(zhì)量。根據(jù)公式得到整車(chē)加速度曲線及換擋時(shí)序曲線[2]，圖3 為不同節(jié)氣門(mén)開(kāi)度下整車(chē)加速度曲線。

圖3 整車(chē)加速度曲線

由AVL Cruise 軟件仿真得到的換擋規(guī)律如圖4所示。

圖4 換擋時(shí)序

2 汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)仿真分析

2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化流程

因汽車(chē)通常是根據(jù)某一循環(huán)工況行駛的，因此很有必要研究汽車(chē)換擋規(guī)律在某一循環(huán)工況內(nèi)對(duì)汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)有何影響[7]。Cruise 的GSP 模塊是基于Cruise 環(huán)境中搭建的車(chē)輛模型，主要設(shè)置兩大參數(shù)，一個(gè)是固定任務(wù)里的不同檔位下發(fā)動(dòng)機(jī)在1 000 轉(zhuǎn)時(shí)的車(chē)速、踏板采樣點(diǎn)等。另一個(gè)為優(yōu)化參數(shù)設(shè)置，燃油排放上限、循環(huán)工況等設(shè)置[8]。根據(jù)這些設(shè)置，考慮檔位、油門(mén)開(kāi)度、踏板等參數(shù)，并在所給工況條件下運(yùn)行，得出優(yōu)化數(shù)據(jù)，如工況優(yōu)化、K 曲線優(yōu)化、節(jié)氣門(mén)開(kāi)度優(yōu)化等，進(jìn)而得出燃油經(jīng)濟(jì)性能和排放性能的平衡曲線，如圖5 所示。

圖5 燃油經(jīng)濟(jì)性能和排放性能的平衡曲線

根據(jù)Cruise 優(yōu)化流程，現(xiàn)對(duì)汽車(chē)換擋規(guī)律優(yōu)化流程進(jìn)行簡(jiǎn)要描述：GSP 模塊讀取設(shè)置的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)與車(chē)速，然后擬合出發(fā)動(dòng)機(jī)map 圖，再根據(jù)設(shè)置的排放上限值和循環(huán)工況數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)行，來(lái)計(jì)算汽車(chē)燃油性和排放性，軟件根據(jù)時(shí)間車(chē)速工況來(lái)計(jì)算相應(yīng)工況下的功率，計(jì)算出不同的K 因子后，得到相應(yīng)的傳動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)[9]，燃油經(jīng)濟(jì)性能和排放性能的平衡曲線。任務(wù)結(jié)束后，根據(jù)GSP 生成的報(bào)告，即可查看不同擋位的工作情況、燃油消耗、尾氣排放、循環(huán)工況敏感性分析等數(shù)據(jù)。

在GSP Optimization 中，Cruise 是通過(guò)K-Factor來(lái)實(shí)現(xiàn)給定的循環(huán)工況對(duì)燃油消耗量和NOx的排放進(jìn)行平衡計(jì)算。最優(yōu)K-因子的定義如下式

式中：Optimum 為最優(yōu)，Consumption 為燃油消耗量，Emission 為尾氣的排放量[9]。

2.2 傳動(dòng)系優(yōu)化結(jié)果

1）圖6 為K 因子曲線與尾氣排放的疊加圖，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的排放標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮NEDC 工況和計(jì)算精度，計(jì)算得出NEDC 循環(huán)工況下該車(chē)結(jié)果，K 最優(yōu)值可取為0.7（K 的取值與設(shè)置的尾氣排放量有關(guān)），消耗燃油5.35 L/100 km；氮氧化物排放0.299 g/km。表2 為NEDC 循環(huán)工況換擋規(guī)律優(yōu)化前后運(yùn)行油耗對(duì)比，由圖4 與圖7 比較，將優(yōu)化后的換擋參數(shù)輸入到控制器后重新調(diào)校后，優(yōu)化后的換擋規(guī)律曲線較之前平順不少，重新進(jìn)行路試時(shí)換擋更加平順?lè)€(wěn)定，換擋時(shí)的頓足感明顯減輕，燃油消耗和尾氣排放也相應(yīng)減少。

圖6 最佳車(chē)速下的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度

圖7 換擋時(shí)序優(yōu)化

表2 NEDC 循環(huán)工況換擋規(guī)律優(yōu)化前后運(yùn)行油耗對(duì)比

2）軟件根據(jù)節(jié)氣門(mén)位置傳感器來(lái)測(cè)量駕駛員踩下加速踏板的程度，ECU 根據(jù)該信息來(lái)調(diào)整換擋規(guī)律、管路油壓、換擋感覺(jué)和變矩鎖止離合器的控制，通過(guò)調(diào)整K 因子曲線，車(chē)速節(jié)氣門(mén)開(kāi)度曲線及換擋曲線得到兩者疊加圖（圖8），由采用疊加重合區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，通過(guò)此方法能快速優(yōu)化給定工況下的換擋規(guī)律，有利于車(chē)輛的開(kāi)發(fā)[10]。

圖8 節(jié)氣門(mén)開(kāi)度、變速器比與車(chē)速關(guān)系優(yōu)化

3 結(jié)論

1）采用Cruise 優(yōu)化模塊，選取換擋參數(shù)，生成最佳經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律。并根據(jù)NEDC 工況，對(duì)換擋規(guī)律數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化整合，用整合后的數(shù)據(jù)生成新的換擋曲線，并再次對(duì)整車(chē)實(shí)際路況測(cè)試，事實(shí)證明，采用再次生成的換擋曲線進(jìn)行換擋指導(dǎo)能提高整車(chē)性能。

2）本文較為深入地研究了改裝電動(dòng)車(chē)的AMT 換擋規(guī)律，取得一定成績(jī)，但主要還是基于理論研究來(lái)對(duì)換擋規(guī)律進(jìn)行研究與制定，因此還需要在實(shí)際使用中不斷地修改和調(diào)整變速箱的標(biāo)定數(shù)據(jù)。另外針對(duì)我國(guó)的道路情況與NEDC 工況的差異性，有必要采集相應(yīng)的路譜數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Cruise 中，用于檢測(cè)優(yōu)化后的換擋規(guī)律。