基于某車型的自動(dòng)變速器經(jīng)濟(jì)性換擋線標(biāo)定研究與應(yīng)用

黃星，劉文彬，郭文松

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230022）

基于某車型的自動(dòng)變速器經(jīng)濟(jì)性換擋線標(biāo)定研究與應(yīng)用

黃星，劉文彬，郭文松

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230022）

對(duì)于自動(dòng)擋車輛來(lái)說(shuō)，經(jīng)濟(jì)性換擋線既要考慮燃油經(jīng)濟(jì)性又要兼顧駕駛性與排放要求。那么如何標(biāo)定換擋線就顯得尤為重要。文章根據(jù)經(jīng)濟(jì)性換擋線理論分析和實(shí)車標(biāo)定應(yīng)用，闡述了經(jīng)濟(jì)性換擋標(biāo)定內(nèi)容及優(yōu)化方向，并在整車上對(duì)換擋線進(jìn)行了標(biāo)定驗(yàn)證。

經(jīng)濟(jì)性換擋線；油耗；排放；標(biāo)定

引言

變速器作為車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的核心部件之一，對(duì)車輛的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和乘坐舒適性等都有著顯著的影響。目前越來(lái)越多車開始匹配自動(dòng)變速箱，尤其是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的雙離合器自動(dòng)變速器(Dual Clutch Transmission簡(jiǎn)稱DCT)具有傳動(dòng)效率高、換擋過(guò)程無(wú)動(dòng)力中斷、舒適性好、燃油經(jīng)濟(jì)性好等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]。

經(jīng)濟(jì)性換擋線(自動(dòng)變速器換擋車速)作為常用的換擋線，它的優(yōu)劣直接影響到整車的換擋品質(zhì)、動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和舒適性等性能。如果經(jīng)濟(jì)性換擋線太過(guò)于偏向經(jīng)濟(jì)性，雖然油耗有所降低但是對(duì)車輛駕駛性有很大影響，換擋過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)拖檔、抖動(dòng)等現(xiàn)象，影響主觀駕駛性評(píng)價(jià)，如果經(jīng)濟(jì)性換擋線偏向于動(dòng)力性則會(huì)影響油耗和排放測(cè)試結(jié)果，油耗和排放可能不滿足法規(guī)要求，所以經(jīng)濟(jì)性換擋線既要滿足駕駛性需求又要滿足法規(guī)對(duì)于排放和油耗的要求。

1 最佳燃油經(jīng)濟(jì)性換擋模型

1.1 汽車燃油消耗理論模型

汽車單位小時(shí)燃油消耗量為：

其中，ge為發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率，g/(KW·h)；Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)功率，KW。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)理論，發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷特性是發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速一定時(shí)燃油消耗與發(fā)動(dòng)機(jī)功率之間的函數(shù)關(guān)系。不同轉(zhuǎn)速下的負(fù)荷特性可以組合繪制出發(fā)動(dòng)機(jī)的萬(wàn)有特性，即將發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率表示為發(fā)動(dòng)機(jī)功率和轉(zhuǎn)速的函數(shù)(具體函數(shù)可以通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬獲得)：

其中，n 為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r／min。

汽車速度與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之問的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

式中，r為車輪滾動(dòng)半徑，m；ig為變速器當(dāng)前檔位速比；i0為主減速器速比。

將式(3)代入式(2)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率可以轉(zhuǎn)換為汽車車速和加速度的函數(shù)：

發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率為汽車驅(qū)動(dòng)力和速度的乘積，將單位換算為kW，則：

其中，ηT為傳動(dòng)系統(tǒng)效率；G為汽車重量，N；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；I為道路坡度系數(shù)；Cd為空氣阻力系數(shù)；Af為汽車迎風(fēng)面積，m2；u為車速，km/h；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；a為汽車加速度，m/s2；g為重力加速度，9.81m/s[2]。

根據(jù)上面公式推出，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率是汽車速度和加速度的函數(shù)：

將式(4)、式(6)代入式(1)，汽車單位時(shí)間燃油消耗量可以轉(zhuǎn)換為汽車速度和加速度的函數(shù)：

1.2 汽車最佳燃油經(jīng)濟(jì)性分析

在加速度值a一定時(shí)，汽車單位小時(shí)燃油耗量可以簡(jiǎn)化汽車速度的函數(shù)為：

將各個(gè)檔位對(duì)應(yīng)的汽車單位小時(shí)燃油消耗率繪制到同一坐標(biāo)系，如圖1所示：

汽車燃油消耗就是對(duì)圖1中曲線進(jìn)行積分，計(jì)算單位小時(shí)燃油消耗量曲線下方所圍的面積：

圖1 車速-燃油消耗率曲線圖

要燃油消耗Q值最小，也就是要使得單位小時(shí)燃油消耗量曲線下方所圍的面積最小。加速度一定時(shí)，在相鄰兩檔單位小時(shí)燃油消耗量曲線的交點(diǎn)處(最佳燃油經(jīng)濟(jì)型換擋點(diǎn))換擋，可以實(shí)現(xiàn)這一面積最小，即：

其中，igc代表DCT正在使用的檔位；ign代表DCT準(zhǔn)備切換的相鄰檔位。

如果方程有解，如圖1中c點(diǎn)，即為最佳燃油經(jīng)濟(jì)性換擋點(diǎn)。如果方程無(wú)解，則兩曲線在同一速度下Qt，差值最小的位置就是最佳燃油經(jīng)濟(jì)性換擋點(diǎn)，如圖1中A點(diǎn)和B點(diǎn)[3]。

在DCT車輛中，換擋切換由電子控制單元自動(dòng)完成，可實(shí)現(xiàn)車輛在最佳燃油經(jīng)濟(jì)性換擋點(diǎn)進(jìn)行換擋，獲得最小的燃油消耗[4]。

2 整車轉(zhuǎn)轂油耗測(cè)試

根據(jù)理論分析結(jié)果，在小時(shí)燃油消耗曲線圖上,同一油門下相鄰兩檔小時(shí)燃油消耗曲線的交點(diǎn)即為該行駛條件下燃油經(jīng)濟(jì)性最佳的換檔點(diǎn)，因此需要測(cè)試車輛在不同檔位、不同油門開度下的燃油消耗率。

2.1 某車型樣車基本參數(shù)

表1 某車型樣車基本參數(shù)

2.2 測(cè)試方法

在整車轉(zhuǎn)轂上根據(jù)單點(diǎn)法進(jìn)行加載測(cè)試車輛熱機(jī)狀態(tài)下各檔位、各固定油門對(duì)應(yīng)的油耗、車速、驅(qū)動(dòng)力、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等信息，其中油耗是在油箱出油口串聯(lián)一個(gè)油耗儀，通過(guò)轉(zhuǎn)轂連接的電腦記錄單位時(shí)間內(nèi)的油箱出油口的汽油流量，從而得到單位時(shí)間內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗量。

2.3 測(cè)試工況

為了與后期換擋線標(biāo)定設(shè)置的油門一致，試驗(yàn)過(guò)程所用油門開度就是換擋線對(duì)應(yīng)的油門開度即從0開始每隔6.25%油門變化做一次試驗(yàn)，檔位分別為6個(gè)，具體的試驗(yàn)測(cè)試工況如下表2所示，每種工況的數(shù)據(jù)從發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1000轉(zhuǎn)到發(fā)動(dòng)機(jī)斷油轉(zhuǎn)速5600轉(zhuǎn)或能到達(dá)的最高轉(zhuǎn)速為止。

表2 整車轉(zhuǎn)轂油耗測(cè)試工況

2.4 數(shù)據(jù)處理

在轉(zhuǎn)轂上進(jìn)行油耗測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)完成所有檔位對(duì)應(yīng)油門開度的測(cè)試后，不同油門開度下的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、瞬時(shí)油耗、車速等信息，然后根據(jù)選出的信息繪制出各檔位不同油門的車速-油耗曲線圖，如下圖所示：

圖2 12.5%油門車速-油耗曲線圖

圖3 25%油門車速- 油耗曲線圖

圖4 37.5%油門車速-油耗曲線圖

圖5 50%油門車速- 油耗曲線圖

圖6 62.5%油門車速-油耗曲線圖

圖7 75%油門車速- 油耗曲線圖

圖8 87.5%油門車速-油耗曲線圖

圖9 100%油門車速- 油耗曲線圖

3 換擋線標(biāo)定

3.1 換擋點(diǎn)選取

根據(jù)車速-油耗曲線圖挑選不同檔位對(duì)應(yīng)的不同油門升降檔車速。

3.1.1 小油門升檔點(diǎn)選取

小油門情況下（油門小于 30%）升檔點(diǎn)選取一般是要求獲得較好的燃油經(jīng)濟(jì)性，在同樣車速下，盡量使用高檔位，當(dāng)高檔位不能滿足動(dòng)力需求時(shí)，才采用低檔位。所以，一般選擇換檔后滿足發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不低于某一值，即升檔之后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不低于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載情況下最低穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，即1000rpm。此時(shí)應(yīng)以車速單參數(shù)進(jìn)行換檔。

如下表2為某車型部分轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的車速，根據(jù)小油門情況下汽車換檔點(diǎn)的選取原則，利用插值法可獲得不同油門對(duì)應(yīng)不同檔位的換檔點(diǎn)，如表3為10%油門開度下的升檔車速。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與汽車速度關(guān)系

表3 換檔點(diǎn)車速（節(jié)氣門開度10%）

3.1.2 中油門升檔點(diǎn)選取

中油門（油門 30%-60%）升檔點(diǎn)選取時(shí)，為保證汽車的最佳燃油經(jīng)濟(jì)性，從經(jīng)濟(jì)性換擋線理論分析可知，在小時(shí)燃油消耗曲線圖上，同一油門下相鄰兩檔小時(shí)燃油消耗曲線的交點(diǎn)即為汽車在該行駛條件下燃油經(jīng)濟(jì)性最佳的換檔點(diǎn)，如各檔位車速-油耗曲線有交點(diǎn)，則取交點(diǎn)對(duì)應(yīng)車速為換檔點(diǎn)車速，如沒有交點(diǎn)，則取參照?qǐng)D1中的A點(diǎn)車速或者B點(diǎn)車速選取升檔點(diǎn)，通過(guò)此方法選取的 37.5%油門開度的各檔位升檔車速如表4所示。

表4 汽車換檔點(diǎn)（節(jié)氣門開度為37.5%）

3.1.3 大油門升檔點(diǎn)選取

圖10 車速與牽引力關(guān)系圖

表5 汽車換檔點(diǎn)（節(jié)氣門開度為90%）

大油門（油門大于60%）升檔點(diǎn)選取時(shí)主要是為了獲得較強(qiáng)的加速性能，所以取同一油門開度下相鄰兩檔的驅(qū)動(dòng)力曲線交點(diǎn)為最佳換檔點(diǎn)，或取同一油門開度下相鄰兩檔的功率曲線的交點(diǎn)為最佳換檔點(diǎn)(如不存在交點(diǎn)，則取低檔下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)最大驅(qū)動(dòng)力工況點(diǎn)為換檔點(diǎn))，通過(guò)分析整理轉(zhuǎn)轂測(cè)試的車速-驅(qū)動(dòng)力曲線圖如圖10所示，根據(jù)前面大油門換檔點(diǎn)選取規(guī)則，如各檔位驅(qū)動(dòng)力曲線有交點(diǎn)，則取交點(diǎn)對(duì)應(yīng)車速為換檔點(diǎn)車速，如沒有交點(diǎn)，則取前一檔位最大驅(qū)動(dòng)力對(duì)應(yīng)的車速為換檔點(diǎn)，所以可得下表5所示的90%油門升檔圖。

3.1.4 降檔點(diǎn)選取

為了保證汽車不出現(xiàn)循環(huán)換擋，降檔車速點(diǎn)的確定，必須滿足以下兩個(gè)條件：

1）在保證節(jié)氣門開度不變的情況下，汽車在較低檔產(chǎn)生的加速度，使汽車車速再次達(dá)到升檔曲線中的升檔點(diǎn)的車速時(shí)間間隔最少為1.3s；

2）降檔后，在低檔位時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)低于發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速的75%。

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，汽車在降檔的情況下，往往希望獲得較大的牽引力來(lái)滿足汽車動(dòng)力的需求。以 90%油門開度降檔點(diǎn)選取為例，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在4400rpm時(shí)驅(qū)動(dòng)力達(dá)到峰值，由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與車速的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以查到在4400rpm時(shí)對(duì)應(yīng)的車速，以及此時(shí)汽車的牽引力如下表6所示。

表6 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速4400rpm時(shí)，汽車速度與驅(qū)動(dòng)力

選出降檔點(diǎn)后需要對(duì)換擋點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，以2降1檔為例，從2→1降檔點(diǎn)車速到1→2升檔點(diǎn)車速時(shí)間間隔為t=0.77s，不滿足最少為1.3s的要求，所以根據(jù)1.3s的最小時(shí)間間隔計(jì)算 1檔的車速和對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 3600rpm時(shí)車速為v=29.55km/h。對(duì)其他檔位點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，如果滿足使汽車車速再次達(dá)到升檔曲線中的升檔點(diǎn)的車速時(shí)間間隔最少為 1.3s的要求，此換擋點(diǎn)能夠確認(rèn)，如果時(shí)間小于1.3s，就要根據(jù)上述最短的1.3s來(lái)計(jì)算降檔的車速。

按照以上降檔點(diǎn)選取方法可以求得節(jié)氣門開度為37.5%、10%油門開度下汽車降檔點(diǎn)的車速。由于在 10%油門開度以下汽車的升檔點(diǎn)車速根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)在1000rpm左右確定的，為了避免換檔循環(huán)，降檔點(diǎn)車速定在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為800rpm時(shí)對(duì)應(yīng)的車速。

3.1.5 經(jīng)濟(jì)性換擋點(diǎn)確認(rèn)

參考以上升降檔選點(diǎn)要求挑選出各檔位對(duì)應(yīng)不同油門的升降檔車速，根據(jù)換擋數(shù)據(jù)繪制出換檔map圖。

圖19 經(jīng)濟(jì)性性換檔曲線圖

3.2 換擋點(diǎn)優(yōu)化

通過(guò)上述換擋點(diǎn)選取原則選出的換擋點(diǎn)雖是最經(jīng)濟(jì)的換擋線，但是在整車換擋線應(yīng)用中還得考慮車輛的駕駛性和換擋線對(duì)排放結(jié)果的影響，所以基本換擋線確認(rèn)以后需要在實(shí)車上根據(jù)主觀駕駛性評(píng)價(jià)結(jié)果和排放循壞工況測(cè)試結(jié)果兩方面對(duì)換擋線進(jìn)行優(yōu)化。

3.2.1 換擋線主觀評(píng)價(jià)結(jié)果優(yōu)化

經(jīng)濟(jì)性換擋線主觀評(píng)價(jià)結(jié)果優(yōu)化主要是將基本換擋線應(yīng)用到實(shí)車上后根據(jù)主觀駕駛性評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)換擋線中一些工況下的換擋點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化依據(jù)主要有以下幾點(diǎn)：

1）正常駕駛瞬態(tài)工況下，無(wú)頻繁換檔現(xiàn)象發(fā)生；

2）主觀駕駛過(guò)程中升檔后沒有明顯的拖檔感覺；

3）升檔后無(wú)加速無(wú)力的主觀感受。

3.2.2 排放工況換擋線優(yōu)化

排放工況換擋線優(yōu)化主要是將通過(guò)主觀駕駛評(píng)價(jià)結(jié)果優(yōu)化后的換擋線應(yīng)用到排放循環(huán)工況中，根據(jù)排放測(cè)試結(jié)果和采集數(shù)據(jù)對(duì)換擋線進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

優(yōu)化原則主要有以下兩方面：

1）排放工況中穩(wěn)定車速時(shí)的檔位盡可能是最高檔位并且穩(wěn)定車速過(guò)程中不能出現(xiàn)換擋；

2）根據(jù)排放結(jié)果來(lái)優(yōu)化，如果排放結(jié)果滿足法規(guī)要求，則換擋線可以進(jìn)行確認(rèn)，如果排放結(jié)果不滿足要求，根據(jù)排放測(cè)試采集到的秒采數(shù)據(jù)分析哪段工況排放結(jié)果不滿足，針對(duì)不滿排放結(jié)果的工況對(duì)此工況下的換擋線進(jìn)行調(diào)整。

3.3 最終換擋點(diǎn)確認(rèn)

根據(jù)最經(jīng)濟(jì)的原則選出的基本換擋點(diǎn)從主觀駕駛性評(píng)價(jià)和排放循環(huán)工況兩方面優(yōu)化后得到最終的經(jīng)濟(jì)性換擋線，此版換擋線是滿足主觀駕駛性和排放測(cè)試結(jié)果下的最經(jīng)濟(jì)模式的換擋線。

4 總結(jié)

本文根據(jù)經(jīng)濟(jì)性換擋線理論分析結(jié)果，提出了在整車上根據(jù)轉(zhuǎn)轂油耗測(cè)試結(jié)果、主觀駕駛性評(píng)價(jià)、排放測(cè)試結(jié)果對(duì)換擋線進(jìn)行標(biāo)定優(yōu)化的方法，通過(guò)本方法標(biāo)定優(yōu)化后的經(jīng)濟(jì)換擋線不僅滿足油耗測(cè)試結(jié)果，同時(shí)還兼顧了主觀駕駛感受。

[1] 葛安林.車輛自動(dòng)變速器理論與設(shè)計(jì).[M]北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1993.

[2] 葛安林,李煥松,武文治.動(dòng)態(tài)三參數(shù)最佳換擋規(guī)律的研究.[J]汽車工程,1992.14 (4):239～247.

[3] 張國(guó)勝,牛勤魚等.最佳燃油經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律理論及其應(yīng)用研究.[J]中國(guó)機(jī)械工程,2005,3.

[4] 孫龍林.雙離合自動(dòng)變速器最佳燃油經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律探討.[J]深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2008（1）.

Shifts gears the line demarcation research based on some vehicle automatic transmission efficiency and the application

Huang Xing, Liu Wenbin, Guo Wensong
( Anhui Jianghuai Automobile group CO., LTD, Anhui Hefei 230022 )

For automatic vehicle, the economy shift line should not only consider to both handling and fuel economy and emission requirements. So it is very important how to calibrate shift line.Based on the theory of economic shift line analysis and real logo application, this paper expounds the economic shift calibration content and optimizing direction, and transmission line on the vehicle calibration verification.

Economy shift line; Fuel consumption; Emissions; calibration

CLC NO.: U462.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-21-04

U462.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)12-21-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.008

黃星，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。