雙參數(shù)組合型自動變速器換檔規(guī)律的仿真分析

季鑫，童欣　

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雙參數(shù)組合型自動變速器換檔規(guī)律的仿真分析

[摘要]采用了特點鮮明的雙參數(shù)(車速和節(jié)氣門位置)組合型自動換擋方法對自動變速器換檔規(guī)律進行設(shè)計；分析了影響變速器換檔特性的相關(guān)部件(包括發(fā)動機，自動變速器)的特性；利用Simulink軟件建立各個部件的動力學(xué)仿真模型，利用Stateflow建立雙參數(shù)組合型動態(tài)換檔規(guī)律的仿真控制模型；最后，采用汽車急加速工況對制定的自動換檔規(guī)律進行了詳細(xì)的仿真分析。仿真結(jié)果表明，制定的換檔規(guī)律能使汽車獲得較好的動力性，符合汽車實際行駛要求，是切實可行的。

[關(guān)鍵詞]自動變速器；雙參數(shù)組合型換檔規(guī)律；汽車動力性

目前，由于自動變速器核心技術(shù)的缺失，我國乘用車78%的自動變速器都是從國外公司進口。近年來，雖然國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)、學(xué)、研機構(gòu)在自動變速器研發(fā)方面取得了豐碩的成果，但同國外汽車工業(yè)發(fā)達國家相比仍有很大差距。統(tǒng)計資料[1]表明手動變速器的市場份額逐年降低，自動變速器的市場份額逐年上升。在4種自動變速器(液力機械式自動變速器AT、雙離合器自動變速器DCT、無級變速器CVT和電控機械式自動變速器AMT)中，AT所占市場份額是最大的，對AT核心技術(shù)進行研究，掌握先進的自動變速控制技術(shù)，就能增強技術(shù)開發(fā)能力，提高國產(chǎn)自動變速器的市場競爭力。自動變速器的動態(tài)換檔規(guī)律是其最重要的控制技術(shù)之一，被視為自動變速器綜合控制技術(shù)得以應(yīng)用的關(guān)鍵。換擋規(guī)律的好壞直接影響汽車的動力性和經(jīng)濟性，因此，研究自動換檔規(guī)律對于自動變速器的研發(fā)顯得至關(guān)重要。

換檔規(guī)律根據(jù)選檔控制參數(shù)通過邏輯判斷得到當(dāng)前最佳檔位狀態(tài)，從而提升汽車的動力性和燃油經(jīng)濟性。選檔控制參數(shù)有單參數(shù)、雙參數(shù)等。單參數(shù)換檔規(guī)律只以車速為控制參數(shù)，不論油門開度如何變化，換檔點和換檔延遲的大小都不改變，控制策略簡單，換檔舒適穩(wěn)定，但難于兼顧動力性和經(jīng)濟性的要求。雙參數(shù)換檔規(guī)律的控制參數(shù)有車速與節(jié)氣門開度(常用)、液力變矩器泵輪轉(zhuǎn)速與渦輪轉(zhuǎn)速、車速與發(fā)動機進氣歧管真空度等類型。從換檔延遲角度來看，雙參數(shù)換檔規(guī)律又分為等延遲型(降檔延遲的大小不隨油門變化，對整體動力性有很大的提升)、發(fā)散型(降檔延遲隨油門開度增大而增大)、收斂型(降檔延遲隨油門開度增大而減小，增大油門時，降檔速差小，所以升降檔都有好的功率利用，動力性好。減小油門時，延遲增大，避免過多的換檔，且發(fā)動機可以在較低轉(zhuǎn)速工作，燃油經(jīng)濟性好，噪聲低，行駛平穩(wěn)舒適)、組合型(2段或多段不同類型的變化規(guī)律組合而成，以實現(xiàn)不同油門下獲得不同的性能)4種[2]。

下面，筆者綜合各換擋參數(shù)模式的優(yōu)點，對自動變速器的動態(tài)換檔規(guī)律進行設(shè)計。設(shè)計采用常用的雙參數(shù)(車速和節(jié)氣門位置)的組合型自動換檔方法，以解決單參數(shù)換擋規(guī)律動力性與經(jīng)濟性不匹配的問題，保證了汽車在全工況運行狀態(tài)下最佳的動力性和經(jīng)濟性。其設(shè)計依據(jù)和特點如下：在小節(jié)氣門開度α<25%時，以舒適、穩(wěn)定、少污染為主，采用單參數(shù)規(guī)律；在中節(jié)氣門開度α介于5%～75%時，以保證最佳燃料經(jīng)濟性為主，兼顧動力性，采用收斂型；當(dāng)大節(jié)氣門開度α>75%時，則以獲得最佳動力性為準(zhǔn)，用等延遲型。

1變速器換檔特性相關(guān)部件的動力學(xué)特性分析

圖1　汽車傳動系統(tǒng)模塊圖

裝有液力機械式自動變速器的汽車動力傳動

系統(tǒng)由發(fā)動機、液力機械式自動變速器(液力變矩器+行星齒輪傳動機構(gòu)+液壓控制系統(tǒng))和整車動力學(xué)模塊組成(見圖1)。

1.1發(fā)動機

發(fā)動機是整車動力傳動系統(tǒng)的動力源，其數(shù)學(xué)模型對其扭矩特性和負(fù)荷特性等特性的仿真精度將會影響整個仿真模型的準(zhǔn)確性。發(fā)動機模型通常分為動態(tài)模型和穩(wěn)態(tài)模型。動態(tài)模型考慮了發(fā)動機轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門位置等因素的影響，通過理論公式對發(fā)動機內(nèi)部工作過程進行描述，計算模擬發(fā)動機的輸出數(shù)據(jù)，能較為精確地表征發(fā)動機的動態(tài)響應(yīng)特性，更符合發(fā)動機的實際工作過程，但其缺點是模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建模工作量大。后者則是指發(fā)動機在保持水溫和機油溫度于規(guī)定值，并在各個轉(zhuǎn)速保持不變的穩(wěn)定工況下的輸出特性，是根據(jù)發(fā)動機臺架試驗得來，將試驗數(shù)據(jù)整理成表格形式，通過二維查表和數(shù)學(xué)插值的方法模擬發(fā)動機的工作特性[3]。發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)模型簡潔有效，而且可以保證足夠的使用精度。

采用發(fā)動機穩(wěn)態(tài)模型，由節(jié)氣門開度α和發(fā)動機轉(zhuǎn)速ne(r/min)求出發(fā)動機穩(wěn)態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩Te:

Te=f(α,ne)

(1)

(2)

式中，Iei為發(fā)動機和變矩器泵輪的轉(zhuǎn)動慣量，kg/m2；Te為發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩，N/m；Ti為變矩器泵輪的轉(zhuǎn)矩，N/m。

1.2變速器

液力變矩器是液力機械式自動變速器最重要的組成部件之一，是一種以液體為工作介質(zhì)進行能量轉(zhuǎn)換和動力傳遞的非剛性傳動裝置。液力變矩器由泵輪、渦輪和導(dǎo)輪組成，泵輪與發(fā)動機輸出軸相連，渦輪與變速器輸入軸相連[4]。泵輪將發(fā)動機輸出的動能傳遞給工作油，工作油在循環(huán)流動過程中通過泵輪葉片、渦輪葉片以及導(dǎo)輪之間的相互作用又將動能傳遞給渦輪，并通過渦輪軸進行動力輸出。

液力變矩器的動力學(xué)特性方程為：

Ti=(ne/K)2

(3)

K=f2(nin/ne)

(4)

Tin=RTQTi

(5)

RTQ=f3(nin/ne)

(6)

式中，變矩器系數(shù)K等于渦輪轉(zhuǎn)速與泵輪轉(zhuǎn)速之比(即速比)的函數(shù)(插值表)， nin為渦輪轉(zhuǎn)速，r/min；Tin為變矩器渦輪轉(zhuǎn)矩，N/m；RTQ為變矩比等于速比的函數(shù)(插值表)。

變速器轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的輸入和輸出關(guān)系式為：

Tout=igTin

(7)

nin=ignout

(8)

式中，Tin、Tout為變速器輸入、輸出轉(zhuǎn)矩，N/m；nin、nout為變速器輸入、輸出轉(zhuǎn)速，r/min；ig為變速器傳動比。

采用4檔變速器，其各檔傳動比如表1所示。

1.3汽車整車動力學(xué)特性分析

根據(jù)汽車?yán)碚揫5]可知，汽車行駛方程式為：

Ft=Ff+Fw+Fi+Fj

(9)

式中，F(xiàn)t為汽車的驅(qū)動力，N；Ff為汽車的滾動阻力，N；Fw為汽車的空氣阻力，N；Fi為汽車的坡度阻力，N；Fj為汽車的加速阻力，N。

為了簡化便于分析，不考慮路面坡度，即Fi=0，則式(9)可簡化為：

Ft=Ff+Fw+Fj

(10)

其中：

(11)

Ff=fG=fmg

(12)

(13)

(14)

δ主要與飛輪的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量∑Iw、車輪的轉(zhuǎn)動慣量If以及傳動比ig、i0有關(guān)：

(15)

在進行汽車動力性初步計算時，可以借助經(jīng)驗公式估算其值：

(16)

其中， δ1≈δ2;δ2取值0.03～0.05。

2變速器換擋相關(guān)部件的仿真建模

使用Matlab軟件中的Simulink/Stateflow工具對自動變速器建立仿真分析建模：利用Simulink工具，根據(jù)動力學(xué)公式，建立發(fā)動機、變速器和整車動力學(xué)部分模型；利用Stateflow工具，根據(jù)所設(shè)計的自動變速器動態(tài)換檔圖，建立自動變速器的換檔邏輯仿真模型。

2.1發(fā)動機模型

首先根據(jù)發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)實驗數(shù)據(jù)，利用Simulink中的二維插值表(見圖2)，建立發(fā)動機穩(wěn)態(tài)輸出扭矩的模型，進而可以得到發(fā)動機扭矩map圖(見圖3)。

圖2　發(fā)動機穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)

圖3　發(fā)動機扭矩map圖

再結(jié)合式(2)建立整個發(fā)動機的模型(見圖4)，由發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門位置通過插值表可以得到發(fā)動機穩(wěn)態(tài)輸出扭矩，由式(2)計算得出發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速，由此發(fā)動機轉(zhuǎn)速的控制在節(jié)氣門位置下構(gòu)成了一個閉環(huán)回路。

2.2自動變速器模型

建立變速器的動態(tài)仿真模型，其目的是驗證換檔規(guī)律對汽車動力性的影響，在建模過程中可以忽略變速器的機械特性，只對其機械損失加以考慮。變速器由變速傳動機構(gòu)和變速操縱機構(gòu)2部分組成。發(fā)動機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的數(shù)值和方向的改變主要靠變速傳動機構(gòu)來完成；變速操縱機構(gòu)主要是用于控制傳動機構(gòu)，變換變速器傳動比，實現(xiàn)換檔操作[6]。

根據(jù)式(3)～式(6)可以建立液力變矩器的仿真模型圖(見圖5)，查表可得此時刻液力變矩器的K系數(shù)和扭矩比，關(guān)系走勢圖已在框中標(biāo)出，由泵輪轉(zhuǎn)矩按公式得出渦輪轉(zhuǎn)矩。

圖4　發(fā)動機模型圖

圖5　液力變矩器模型圖

根據(jù)式(7)、式(8)和表1建立變速器傳動比部分的仿真模型(見圖6)，可以得到整個變速器的仿真模型(見圖7)。

2.3整車動力學(xué)模型

汽車在行駛過程中面臨著各種復(fù)雜的工況環(huán)境，要得到實時精確的汽車動力學(xué)仿真模型是十分困難的。重點研究汽車換檔規(guī)律的仿真評價，在滿足仿真要求的前提下，建立汽車整車動力學(xué)模型過程中可以進行了適當(dāng)?shù)暮喕?。根?jù)式(9)~式(16)可以建立整車動力學(xué)的仿真模型，如圖8所示。車速是由發(fā)動機經(jīng)變速器輸出的驅(qū)動力在克服汽車行駛阻力(如滾動阻力，加速阻力等)條件下獲得的，在汽車加速時，相應(yīng)的加速度會產(chǎn)生不同的加速助力，不同的變速器傳動比會帶來與之相對應(yīng)的發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速。

圖6　變速器傳動比模型圖　　　　　　　　　　　　　　　　　圖7　變速器模型圖

圖8　整車動力學(xué)模型圖

2.4換擋控制邏輯模型

圖9　自動換檔控制方框圖

所設(shè)計的雙參數(shù)(車速和節(jié)氣門位置)組合型自動換檔控制方框圖如圖9所示。由節(jié)氣門位置依據(jù)所設(shè)計的方案，選擇相對應(yīng)的自動換檔參數(shù)模式，由汽車當(dāng)前車速和駕駛員通過踩下或松開油門踏板對節(jié)氣門位置開度大小、開啟或關(guān)閉快慢的控制，自動選擇升降檔情況(通過控制換檔電磁閥來實現(xiàn)的)。

所設(shè)計的變速器換檔點(具體根據(jù)不同的節(jié)氣門開度選擇不同的自動換檔規(guī)律、模式)控制圖如圖10所示。

圖10　雙參數(shù)組合型自動換檔控制圖

換檔控制邏輯模塊的主要作用在于它可以通過汽車當(dāng)前車速與節(jié)氣門開度得出汽車應(yīng)進行的行駛操作(升檔、降檔或保持不變)。根據(jù)雙參數(shù)組合型自動換檔控制圖,采用Simulink下的Stateflow工具進行換檔邏輯的仿真，換檔控制邏輯模型圖如圖11所示。

自動變速器動態(tài)換檔規(guī)律的總體仿真模型如圖12所示。

3仿真結(jié)果分析

建好自動變速器動態(tài)換檔規(guī)律的仿真模型之后，就要向模型輸入仿真的參數(shù)，使用Matlab的mat文件編寫模型的輸入?yún)?shù)。為驗證制定的自動換檔規(guī)律對汽車動力性的影響，可以對汽車采用急加速的行駛工況進行仿真分析。

圖11　換檔控制邏輯模型圖

圖12　自動變速器動態(tài)換檔規(guī)律的總體仿真模型圖

圖13　急加速工況下車速和節(jié)氣門位置變化曲線圖

在急加速工況下，車速和節(jié)氣門位置變化曲線圖如圖13所示，可以看出，汽車急加速時節(jié)氣門開度突然增大，節(jié)氣門開度在0到15s內(nèi)由60%逐漸降至20%，在15s時直接增至100%后逐漸降低，仿真汽車起步加速15s后急加速行駛。當(dāng)節(jié)氣門開度在15s 突然增大時，車速也隨之突然增大，速度變化曲線接近于二次曲線，符合汽車在急加速行駛工況下的實際行駛要求。

圖14為發(fā)動機轉(zhuǎn)速和變速器檔位變化曲線圖，圖15顯示了當(dāng)前時刻的檔位。當(dāng)t=0s，節(jié)氣門處于60%的位置時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升的速度比車速上升的速度大很多。這會導(dǎo)致變矩器中K系數(shù)較小，扭矩比較大。此后，汽車快速加速(此模型中不考慮輪胎滑移現(xiàn)象)，發(fā)動機轉(zhuǎn)速和車速都會快速增大。當(dāng)t=7s時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速迅速下降，變速器由1檔升為2檔。當(dāng)t=15s時，節(jié)氣門開度突然增大到100%，發(fā)動機轉(zhuǎn)速又突然增加到最大值，變速器由2檔降為1檔。當(dāng)t=25s時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速迅速下降，變速器由1檔升為2檔。當(dāng)t=36s時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速迅速下降，變速器由2檔升為3檔。當(dāng)t=47s時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速迅速下降，變速器由3檔升為4檔。2檔升為3檔和3檔升為4檔分別發(fā)生在36s和47s左右，此時車速變化比較光滑，這是因為汽車存在較大的轉(zhuǎn)動慣量的原因。所以，制定的換檔規(guī)律能使汽車獲得較好的動力性，符合汽車實際行駛要求，是切實可用的。

圖14　發(fā)動機轉(zhuǎn)速和變速器檔位變化曲線圖　　　　　　　　　　　圖15　變速器檔位圖

4結(jié)論

1)介紹了自動變速器換檔規(guī)律獲得途徑，在分析了自動變速器換檔規(guī)律的選檔控制參數(shù)、各種模式條件下，通過對4種換檔規(guī)律的綜合比較，設(shè)計了雙參數(shù)(車速和節(jié)氣門位置)組合型自動換擋方法，提出了其設(shè)計依據(jù)、特點。

2)分析了影響變速器換檔特性的相關(guān)部件(包括發(fā)動機、自動變速器)的動力傳遞路徑和動力學(xué)特性方程；依據(jù)各部分動力學(xué)特性方程和插值表利用Simulink軟件建立各個部件的動力學(xué)仿真模型；制定了自動換檔控制圖(節(jié)氣門位置、車速和升降檔曲線)，利用Stateflow建立了雙參數(shù)(車速和節(jié)氣門位置)動態(tài)換檔規(guī)律的仿真控制模型。

3)對汽車采用急加速的行駛工況進行仿真分析，分析了急加速工況下節(jié)氣門位置、車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和變速器檔位與時間的變化關(guān)系，驗證了制定的自動換檔規(guī)律滿足汽車動力性的要求，并且證明了所建模型的正確性，可為自動變速器的自動換檔控制規(guī)律提供一定的理論基礎(chǔ)。

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[編輯]辛長靜

[引著格式]季鑫，童欣.雙參數(shù)組合型自動變速器換檔規(guī)律的仿真分析[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版)，2015,12(34)：19~26.

[中圖分類號]U463.2

[文獻標(biāo)志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)34-0019-08

[作者簡介]季鑫(1993-)，男，碩士生，現(xiàn)主要從事汽車動力學(xué)、汽車制動系統(tǒng)及電子駐車制動方面的研究工作；E-mail ：934989575@qq.com。

[基金項目]湖北省校企科研合作基金項目 (611307931)。

[收稿日期]2015-09-16