基于整車性能的自動變速器換擋策略優(yōu)化

劉治文，張學(xué)鋒，李巖，陳國棟，楊云波

摘? 要：針對某搭載六速手自一體變速器的開發(fā)車型，采用理論分析結(jié)合實車驗證的方法，通過換擋策略的標(biāo)定優(yōu)化有效解決了開發(fā)過程中遇到的整車動力性、駕駛性以及NVH等方面的問題，為整車性能的達(dá)標(biāo)提供了有力支持，同時也為新車型換擋策略的標(biāo)定開發(fā)提供了參考和依據(jù)，具有較高的工程參考價值和指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：自動變速器;換擋策略;標(biāo)定優(yōu)化;整車性能

中圖分類號：U467.1+1? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2021）05-0089-07

Shift Schedule Optimization of Automatic Transmission

Based on Vehicle Performance

LIU Zhi-wen， ZHANG Xue-feng， LI Yan， CHEN Guo-dong， YANG Yun-bo

（ R&D Institute， China FAW Co.， Ltd.， Changchun 130011， China）

Abstract： Considering a developing vehicle equipped with a six-speed automatic transmission， the vehicle dynamic performance， driveability and NVH performance occurred during development process were solved effectively through the calibration optimization of shift schedule with the method of theoretical analysis combined with real vehicle verification， which gave a strong support for the target hitting of vehicle performance. Also， it provided reference and accordance for the shift schedule calibration in new developing vehicle project with valuable engineering reference and guiding significance.

對于搭載自動變速器（AT，Automatic Transmission）的車輛而言，換擋策略的優(yōu)劣直接影響著整車動力性、駕駛性以及NVH等性能表現(xiàn)[1]。為了滿足用戶日益嚴(yán)苛的車輛性能要求，必須對整車各方面性能進(jìn)行兼顧優(yōu)化，使整車綜合性能達(dá)標(biāo)。本文針對某搭載六速手自一體變速器車型開發(fā)過程中遇到的部分整車性能問題，通過分析問題原因及發(fā)生機(jī)理，制定了相應(yīng)的換擋策略優(yōu)化方案，最終經(jīng)實車驗證，整車多項性能均得到提升，達(dá)到了工程目標(biāo)要求。

1? ? 整車動力性

1.1? ?動力性指標(biāo)及分析

動力性是汽車各種性能中最基本、最重要的性能，其優(yōu)劣可由汽車的最高車速、加速時間以及最大爬坡度三個指標(biāo)來評定。其中，汽車的加速時間表示汽車的加速能力，通常以原地起步加速時間和超越加速時間來表征。由于超車時汽車與被超車輛處于并行狀態(tài)，容易發(fā)生安全事故，此時如果車輛的超越加速能力較強(qiáng)，那么并行行程就會較短，超車就會比較安全[2]，因此，超越加速時間對于超車安全性非常重要。

針對由車速v1加速到車速v2（v2>v1）的超越加速過程，根據(jù)動能定理有：

（1）

式中：t為加速時間（s）;P為加速過程中的輪邊驅(qū)動功率（kW）;Pf 為加速過程中的阻力功率（kW）;m為整車質(zhì)量（kg）;v1為加速過程初始車速（km/h）;v2為加速過程終止車速（km/h）。

由式（1）進(jìn)一步有[2]：

（2）

式中：Te為加速過程中的發(fā)動機(jī)扭矩（N·m）;ne為加速過程中的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）;ηH為液力變矩器的傳動效率;ηm為液力變矩器后端傳動系的傳動效率，為一常數(shù);G為車輛重力（N）;f為滾動阻力系數(shù)，隨車速的增加而增大;CD為空氣阻力系數(shù);A為迎風(fēng)面積（m2）;v為車速（km/h）;δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，隨傳動系總速比的增加而增大;? ? 為整車加速度（m/s2）。

根據(jù)整個超越加速過程可知：

（3）

因此有：

（4）

式中： a為平均加速度（m/s2）。

由式（4）可知，整個超越加速過程可以等效為一個勻加速過程[3]，如圖1所示。圖中勻加速過程1的加速度為a1，從車速v1加速到車速v2所用的時間為t1，勻加速過程2的加速度為a2，從車速v1加速到車速v2所用的時間為t2，且a1>a2，t1

（5）

即：

（6）

式中：? ? ? 為加速過程1的阻力功率（kW），

為加速過程2的阻力功率（kW）。

由式（6）結(jié)合上述分析可知，若加速時間t減小，阻力功率Pf 則會增加，而整個加速過程的始末車速是不變的，因此車輛動能變化也是一個定值，結(jié)合式（1）、式（2），輪邊驅(qū)動功率P也應(yīng)該增大，亦即提高Te、ne與ηH的乘積即可實現(xiàn)輪邊驅(qū)動功率的提升[4]，進(jìn)而縮短超越加速時間。

1.2? ?整車動力性問題描述

將開發(fā)車型在運動模式下以小加速踏板開度維持在60km/h車速左右，然后立即踩加速踏板至100%使車輛加速至80km/h進(jìn)行超越加速動力性試驗，結(jié)果如圖2所示，超越加速：

時間超過2.5s，未達(dá)到工程目標(biāo)要求。此加速過程中由4擋降至3擋后，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速相對較低，且由于發(fā)動機(jī)渦輪增壓器的遲滯，達(dá)到發(fā)動機(jī)扭矩輸出外特性會有延遲，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)輸出功率較小，進(jìn)而輪邊驅(qū)動功率也較低，最終造成超越加速時間過長。

1.3? ?換擋策略優(yōu)化方案

運動模式原始換擋策略如圖3所示，開發(fā)車輛在進(jìn)行超越加速試驗時能夠?qū)崿F(xiàn)4擋降3擋，并能保持液力變矩器的閉鎖離合器為閉鎖狀態(tài)（下面均簡稱為“閉鎖”），2擋由于起步、爬坡等工況的動力性目的不閉鎖，即液力變矩器的閉鎖離合器處于解鎖狀態(tài)（下面均簡稱為“解鎖”）。

閉鎖時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與車速的關(guān)系[2]為：

（7）

式中：i0為主減速比（3.33），ig為各擋速比，r為車輪動力半徑（0.33 m）。

當(dāng)車速v=60km/h時，若由4擋降為3擋（3擋速比i3=1.56），由于換擋時間極短，故可忽略不計[2]，則發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速n3=2505 r/min;若由4擋降為2擋（2擋速比i2=2.51），由于2擋解鎖，則發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速n2≥4031r/min。當(dāng)車速v=80km/h時，若當(dāng)前處于3擋，則發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速n3=3340r/min;若當(dāng)前處于2擋，則發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速n2≥5375r/min。

發(fā)動機(jī)扭矩輸出外特性如圖4所示，2000 r/min～4500r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間的發(fā)動機(jī)扭扭外特性變化不大，結(jié)合上述發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速計算結(jié)果，可以得到分別在3擋和2擋進(jìn)行60km/h～80km/h超越加速時的發(fā)動機(jī)功率如圖4所示，很明顯：

（8）

式中：? ?為2擋加速時的發(fā)動機(jī)功率（kW），

為3擋加速時的發(fā)動機(jī)功率（kW）。

因此，若在60km/h車速踩100%加速踏板開度能夠降到2擋，并保證此時具備與3擋一樣的液力變矩器傳動效率（ηH=1），則由式（1）、式（2）及式（8）可知，必定有：

（9）

式中：P2為2擋加速時的輪邊驅(qū)動功率（kW），P3為3擋加速時的輪邊驅(qū)動功率（kW）。

因此，針對該動力性問題的具體換擋策略優(yōu)化方案為：提升60km/h車速附近100%加速踏板開度對應(yīng)的3擋降2擋的降擋點，使試驗工況下能夠?qū)崿F(xiàn)4擋降2擋進(jìn)行加速，且為了留有一定裕量，在保證升、降擋線間距足夠的前提下，具體將100%加速踏板開度下的3擋降2擋的降擋車速調(diào)整為63km/h，并對100%以下加速踏板開度對應(yīng)的3擋降2擋的降擋點進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整;2擋90%以上加速踏板開度開啟閉鎖控制功能，以保證超越加速試驗降到2擋時直接閉鎖，液力變矩器的傳動效率ηH為1，能夠維持較大的輪邊驅(qū)動功率，具體將閉鎖線設(shè)定為57km/h，解鎖線與閉鎖線間保持4 km/h的車速間距，以避免出現(xiàn)頻繁解、閉鎖現(xiàn)象;其他升、降擋線及解、閉鎖線保持不變，如圖5所示：

1.4? ?結(jié)果驗證

采用優(yōu)化后的運動模式換擋策略進(jìn)行60km/h ～80km/h超越加速實車驗證試驗，結(jié)果如圖6所示，相比優(yōu)化前，優(yōu)化后的運動模式在進(jìn)行超越加速試驗時可降至2擋并保持閉鎖狀態(tài)，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速大幅提升，發(fā)動機(jī)扭矩在加速過程中后段由于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的提升，根據(jù)圖4，會有所下降，低于優(yōu)化前，但由于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速提升的幅度明顯大于扭矩下降的幅度，因此，最終發(fā)動機(jī)輸出功率也有明顯提升，且此時液力變矩器的傳動效率ηH=1，因此能夠獲得較高的輪邊驅(qū)動功率，整個加速過程車速遞增平順，加速時間在2.5s以內(nèi)，達(dá)到工程目標(biāo)要求。

2? ? 整車駕駛性

2.1? ?駕駛性評價指標(biāo)及分析

駕駛性是表征車輛動態(tài)性能的一個重要指標(biāo)，其主要關(guān)注車輛在行駛方向上的動態(tài)變化，計算和評估行駛方向的整車加速度變化。常見的駕駛性評價指標(biāo)包括沖擊、聳動、前涌、后座、響應(yīng)遲滯等，其中，沖擊在車輛駕駛性問題中最為常見。

沖擊的大小可用沖擊度j來衡量，而沖擊度j則是整車加速度的變化率[5]，即：

（10）

式中：a為整車加速度（m/s2）。

而整車加速度a為：

（11）

式中：nw為車輪轉(zhuǎn)速（r/min）。

由于本開發(fā)車型中的主減速器集成在變速器中，因此有：

（12）

式中：no為變速器輸出軸轉(zhuǎn)速（r/min）。

因此可得：

（13）

式中：αo為變速器輸出軸轉(zhuǎn)速加速度（r/s2）。

根據(jù)變速器內(nèi)齒輪變速機(jī)構(gòu)的速比關(guān)系又有：

（14）

式中：nt 為渦輪轉(zhuǎn)速（r/min）。

因此，變速器輸出軸轉(zhuǎn)速加速度α0為：

（15）

式中：αt 為渦輪轉(zhuǎn)速加速度（r/s2）。

將式（15）帶入式（13），最終得到：

（16）

由式（16）可知，一定擋位下沖擊度j的大小完全取決于液力變矩器渦輪轉(zhuǎn)速加速度αt的變化率。

2.2? ?整車駕駛性問題描述

開發(fā)車型在運動模式下行駛，當(dāng)駕駛員以中等制動力（約20bar）使車速逐漸降低進(jìn)行2擋降1擋時，出現(xiàn)沖擊，渦輪轉(zhuǎn)速有較大波動，其轉(zhuǎn)速加速度短時間內(nèi)變化較大，行駛工況如圖7所示。

踩制動減速降擋過程中，由2擋降到1擋，液力變矩器的渦輪轉(zhuǎn)速會提升至1擋同步轉(zhuǎn)速，由于變速器1擋速比最大，渦輪轉(zhuǎn)速提升的幅度會相對較大，若此時車速比較高，則會進(jìn)一步增加渦輪轉(zhuǎn)速的提升幅度[6]，同時此種情況下又踩著中等力度的制動，渦輪轉(zhuǎn)速在整車的制動作用下又會急劇下降，如圖7所示。由于此過程中渦輪轉(zhuǎn)速從開始上升到下降恢復(fù)的時間很短，因此當(dāng)車速較高時，基于上述分析，短時間內(nèi)由2擋降至1擋時的渦輪轉(zhuǎn)速nt 的提升幅度就比較大，其轉(zhuǎn)速加速度αt就會比較大，進(jìn)而渦輪轉(zhuǎn)速加速度的變化率

也會較大，結(jié)合式（16）可知，沖擊度j就比較大，沖擊明顯，如圖7所示;相反，若進(jìn)行2擋降1擋時的車速較低，則基于上述分析沖擊就會有所減弱。

2.3? ?換擋策略優(yōu)化方案

運動模式原始換擋策略如圖8所示，1擋由于動力性目的設(shè)定為解鎖，各擋位均未采用滑摩控制功能。根據(jù)上述分析，針對該駕駛性問題的具體換擋策略優(yōu)化方案為：將30%及以下加速踏板開度對應(yīng)的2擋降1擋的降擋線降低3km/h，50%以上加速踏板開度對應(yīng)的降擋線保持不變，同時對30%～50%加速踏板開度對應(yīng)的降擋線進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^渡調(diào)整，最終優(yōu)化后運動模式的換擋策略如圖8所示：

2.4? ?結(jié)果驗證

采用優(yōu)化后的運動模式換擋策略進(jìn)行制動減速2擋降1擋工況的實車驗證試驗，結(jié)果如圖9所示。對比圖9與圖7可知，優(yōu)化后渦輪轉(zhuǎn)速下降平順，無明顯波動，渦輪轉(zhuǎn)速加速度αt的幅值大幅下降，其變化率也明顯減小，如表1所示，相比優(yōu)化前，優(yōu)化后渦輪轉(zhuǎn)速加速度αt的幅值變化率減小了41%，同時，實車駕駛沖擊感消失，優(yōu)化效果較好。

3? ? 整車NVH性能

3.1? ?NVH問題發(fā)生機(jī)理及解決措施

對于搭載手自一體變速器的車輛而言，當(dāng)液力變矩器的閉鎖離合器閉鎖時，整個傳動系基本相當(dāng)于剛性連接，而發(fā)動機(jī)作為動力源，其扭矩不可避免地會存在一定程度的波動，對于傳動系而言，發(fā)動機(jī)是一個激勵源，當(dāng)激振頻率與傳動系固有頻率接近時，就會引起傳動系強(qiáng)烈的扭振，傳動系扭振傳遞到車身及駕駛室內(nèi)，進(jìn)而造成主駕座椅振動強(qiáng)烈[7]。

對于振動的消除和衰減，主要措施一般有兩種：消除振源和切斷傳遞路徑。由于發(fā)動機(jī)不可避免地會存在一定程度的振動，無法根本消除，因此消除振源這種方法不可行;而本開發(fā)車型搭載的是一臺六速手自一體變速器，內(nèi)含液力變矩器，當(dāng)液力變矩器的閉鎖離合器解鎖時，可以利用液力變矩器內(nèi)的流體很好地隔斷振動的傳遞，從而達(dá)到消除和衰減振動的目的，但解鎖時液力變矩器的速比較小，傳動效率較低，整車經(jīng)濟(jì)性不好，為此，可引入液力變矩器閉鎖離合器的滑摩控制功能。滑摩控制是介于閉鎖與解鎖之間的一種中間控制狀態(tài)，它兼有閉鎖和解鎖控制的雙重優(yōu)點：滑摩控制時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與液力變矩器渦輪轉(zhuǎn)速間可以維持幾十轉(zhuǎn)的速差，利用此速差可以消除和衰減一定程度的振動，同時此種狀態(tài)時液力變矩器的速比較大，傳動效率較高，整車經(jīng)濟(jì)性也較好，因此，滑摩控制兼有閉鎖狀態(tài)的高傳動效率和解鎖狀態(tài)的振動衰減特性，對于阻斷振動的傳遞路徑有一定的效果。

3.2? ?整車NVH問題描述

開發(fā)車型以舒適模式在6擋閉鎖狀態(tài)且發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在1000r/min～1200r/min之間進(jìn)行小油門（20%以下加速踏板開度）加速行駛時，車內(nèi)主駕座椅存在明顯振感，嚴(yán)重影響駕乘舒適性。對主駕座椅進(jìn)行振動測試，結(jié)果如圖10所示，主駕座椅二階振動烈度RSS的幅值高于可接受限值0.6 mm/s，未達(dá)到工程目標(biāo)要求。

3.3? ?換擋策略優(yōu)化方案

舒適模式原始換擋策略如圖11所示，5擋升6擋后立即進(jìn)入閉鎖狀態(tài)，無滑摩控制，圖中陰影部分對應(yīng)主駕座椅振感明顯區(qū)域。針對該NVH問題的具體換擋策略優(yōu)化方案為：引入滑摩控制功能，使滑摩控制區(qū)域?qū)?yīng)原始狀態(tài)的閉鎖區(qū)域，并將解鎖線提升至1200r/min，使得1200r/min以下的6擋區(qū)域不進(jìn)入閉鎖狀態(tài)而進(jìn)入滑摩控制，利用滑摩來消減振動，同時將閉鎖線提升至1300 r/min，使解、閉鎖線間維持一定速差，以避免出現(xiàn)頻繁解、閉鎖的現(xiàn)象，升、降擋線則維持不變，如圖12所示。

3.4? ?結(jié)果驗證

采用優(yōu)化后的舒適模式換擋策略進(jìn)行1000 r/min～1200r/min發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速區(qū)間的6擋小油門加速實車驗證試驗，實車感受主駕座椅振感明顯減弱，處于可接受水平，主駕座椅振動測試結(jié)果如圖13所示，座椅二階振動烈度RSS幅值明顯降低，且均低于0.6mm/s，達(dá)到工程目標(biāo)要求，優(yōu)化效果明顯。

4? ? 結(jié)論

本文針對某搭載六速手自一體變速器車型在開發(fā)過程中遇到的部分整車動力性、駕駛性以及NVH性能問題，首先理論分析了問題原因及發(fā)生機(jī)理，然后從換擋策略的角度制定了相應(yīng)的優(yōu)化解決方案，最后實車驗證了優(yōu)化方案的有效性。具體結(jié)論如下：

（1）對于整車動力性，通過提升降擋線提高發(fā)動機(jī)輸出功率，開啟閉鎖以保證液力變矩器具備較高的傳動效率，從而獲得較高的輪邊驅(qū)動功率，有效縮短了超越加速過程的加速時間，保障超車工況的安全性。

（2）對于整車駕駛性，通過降低降擋點減小制動降擋過程中液力變矩器渦輪轉(zhuǎn)速加速度的變化率，有效消減了制動降擋沖擊感。

（3）對于整車NVH性能，通過引入液力變矩器閉鎖離合器的滑摩控制功能阻隔傳動系扭振的傳遞路徑，大幅降低了駕駛室內(nèi)主駕座椅的振動幅值。

本文論述的自動變速器換擋策略優(yōu)化方法雖基于手自一體變速器展開，但其對于DCT及AMT等變速器也具有一定的適用性，同時對于新車型自動變速器換擋策略的標(biāo)定開發(fā)也有一定的啟迪和指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]何寧，趙治國，李瑜婷. 雙離合器自動變速器換擋策略及其仿真評價[J]. 中國機(jī)械工程，2011，22（3）：367-373.

[2]余志生. 汽車?yán)碚揫M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：7-47.

[3]黃英，石獻(xiàn)磊，徐世利，等. 基于動力性和經(jīng)濟(jì)性的轎車換擋策略設(shè)計與試驗研究[J]. 汽車技術(shù)，2004（11）：28-32.

[4]李宏才，閆正軍，王偉達(dá)，等. 并聯(lián)混合動力汽車改進(jìn)雙參數(shù)換擋策略設(shè)計[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2019，51（1）：102-107.

[5]張俊智，李波，薛俊亮，等. 混合動力電動汽車沖擊度的試驗[J]. 機(jī)械工程學(xué)報，2008，44（4）：87-91.

[6]沈濤，夏鑫鑫，李飛，等.車輛液力變矩器及經(jīng)濟(jì)性換擋策略的研究[J]. 汽車實用技術(shù)，2018（3）.

[7]林道福，欒文博，劉濤. 基于整車傳動系匹配的傳動系加速抖動問題研究[J]. 上海汽車，2018（5）：40-43.