商用車(chē)AMT智能換擋規(guī)律設(shè)計(jì)及標(biāo)定方法

侯圣棟，王 磊，劉恩良，張思遠(yuǎn)，張帥帥

商用車(chē)AMT智能換擋規(guī)律設(shè)計(jì)及標(biāo)定方法

侯圣棟，王 磊，劉恩良，張思遠(yuǎn)，張帥帥

（陜西重型汽車(chē)有限公司 汽車(chē)工程研究院，陜西 西安 710200）

文章以一款電控機(jī)械式自動(dòng)變速器（AMT）車(chē)型為研究對(duì)象，基于坡度、載重、行駛環(huán)境等因素，開(kāi)發(fā)不同工況下的控制策略，精準(zhǔn)標(biāo)定。在滿(mǎn)足細(xì)分市場(chǎng)客戶(hù)動(dòng)力性需求的前提下，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率圖譜、排放熱管理圖譜，標(biāo)定電控機(jī)械式自動(dòng)變速器換擋升降擋曲線，保證車(chē)輛運(yùn)營(yíng)于發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)燃油經(jīng)濟(jì)、排放性能區(qū)間，使整車(chē)油耗最優(yōu)，實(shí)現(xiàn)排放一致性達(dá)標(biāo)，以滿(mǎn)足法規(guī)及客戶(hù)需求。

商用車(chē)；AMT；智能換擋規(guī)律；標(biāo)定方法

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2020年電控機(jī)械式自動(dòng)變速器重卡銷(xiāo)量同比增長(zhǎng)近300%，電控機(jī)械式自動(dòng)變速器憑借其高傳動(dòng)效率、低成本、結(jié)構(gòu)緊湊和工作可靠的優(yōu)點(diǎn)將具備長(zhǎng)久的技術(shù)生命力，中國(guó)的重卡電控機(jī)械式自動(dòng)變速器時(shí)代即將到來(lái)[1]。商用車(chē)具有發(fā)動(dòng)機(jī)后備功率低、變速器擋位數(shù)量多、行駛工況復(fù)雜等特點(diǎn)，在路況比較好時(shí)，應(yīng)使發(fā)動(dòng)機(jī)工作于最佳燃油區(qū)間，以達(dá)到節(jié)油的目的；在路況較惡劣的山區(qū)、坡道等工況，要求車(chē)輛有較好的動(dòng)力性，而車(chē)輛的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性是一對(duì)矛盾的指標(biāo)，所以，智能換擋規(guī)律要根據(jù)路況特點(diǎn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)換擋線，以達(dá)到平衡油耗和駕駛性的目的。

本文以一款電控機(jī)械式自動(dòng)變速器車(chē)型為研究對(duì)象，基于坡度、車(chē)重、行駛環(huán)境等因素設(shè)計(jì)換擋規(guī)律，智能切換不同模式，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率圖譜、排放熱管理圖譜，標(biāo)定電控機(jī)械式自動(dòng)變速器換擋升降擋曲線，保證車(chē)輛運(yùn)營(yíng)于發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)燃油經(jīng)濟(jì)、排放性能區(qū)間，使整車(chē)油耗最優(yōu)，實(shí)現(xiàn)排放一致性達(dá)標(biāo)，以滿(mǎn)足法規(guī)及客戶(hù)需求。

1 整車(chē)仿真模型建立

1.1 換擋策略仿真計(jì)算流程

基于整車(chē)和動(dòng)力傳動(dòng)系參數(shù)生成基礎(chǔ)換擋Map，通過(guò)客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)其駕駛性進(jìn)行評(píng)價(jià)并優(yōu)化，以快速應(yīng)對(duì)自動(dòng)變速箱的整車(chē)匹配標(biāo)定開(kāi)發(fā)。換擋策略生成—評(píng)價(jià)—優(yōu)化計(jì)算流程如圖1所示。

圖1 換擋策略生成－優(yōu)化－評(píng)價(jià)流程

1.2 仿真模型建立

通過(guò)Cruise建立整車(chē)仿真模型，如圖2所示，整車(chē)模型包括車(chē)身、發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器、后橋、車(chē)輪、掛車(chē)、AMT換擋模塊等部件。

圖2 整車(chē)AMT仿真模型

2 換擋規(guī)律設(shè)計(jì)

2.1 策略方案設(shè)計(jì)

換擋規(guī)律設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到車(chē)輛的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放特性、安全性與舒適性。商用車(chē)以追求經(jīng)濟(jì)性為根本目標(biāo)，但在惡劣的工況下又要有足夠的動(dòng)力性。本文采用兩參數(shù)設(shè)計(jì)最佳經(jīng)濟(jì)性和最佳動(dòng)力性基本換擋規(guī)律，參考整車(chē)加速度進(jìn)行躍級(jí)換擋[2]，根據(jù)整車(chē)載重及行駛環(huán)境實(shí)時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，確保車(chē)輛在行駛過(guò)程中充分發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。策略方案設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 換擋策略方案

2.2 基礎(chǔ)換擋策略設(shè)計(jì)

2.2.1最佳燃油經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律

在經(jīng)濟(jì)模式下，著重考慮降低油耗兼顧駕駛性，本文最佳燃油經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率制定的，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的萬(wàn)有曲線，可以得到每個(gè)工作點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的燃油消耗率Be，比較相鄰兩個(gè)擋位的Be，當(dāng)A擋位不小于B擋位Be時(shí)，則A擋位切換為B擋，此工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和車(chē)速標(biāo)定為該換擋點(diǎn)對(duì)應(yīng)的油門(mén)開(kāi)度和車(chē)速[3]。

為了避免頻繁換擋，升擋線和降擋線之間設(shè)置有一定緩沖區(qū)。降擋線比升擋線按一定收斂原則制定。換擋規(guī)律的發(fā)散和收斂程度用來(lái)評(píng)價(jià)[4]，如公式為

式中，u↑為油門(mén)全開(kāi)時(shí)擋升為+1擋時(shí)的車(chē)速；u+1↓為油門(mén)全開(kāi)時(shí)+1擋降為擋時(shí)的車(chē)速。

為了避免換擋循環(huán)，降擋車(chē)速比升擋車(chē)速低2～8 km/h[5]。

2.2.2最佳動(dòng)力性換擋規(guī)律

動(dòng)力性換擋要求汽車(chē)的牽引特性得到最好的利用，充分發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，以便獲得最佳的加速能力和爬坡能力，提高平均行駛車(chē)速和最高車(chē)速[6]。

在汽車(chē)的行駛加速度曲線上選擇相同油門(mén)相鄰擋位加速度相同的點(diǎn)，如公式為：ddt=ddt+1，將不同油門(mén)加速度相同的點(diǎn)連接起來(lái)即動(dòng)力性換擋規(guī)律。平路時(shí)車(chē)輛加速度為

根據(jù)行駛阻力的組成，公式（2）可以寫(xiě)成：

根據(jù)動(dòng)力性換擋規(guī)律設(shè)計(jì)原則，公式（3）可表示為

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與汽車(chē)行駛速度之間的關(guān)系公式為

將發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩由車(chē)速擬合公式為

e=0+1+22（6）

式中，0、1、2為擬合系數(shù)。

聯(lián)立式（4）—式（6），求得即是相鄰兩擋位的換擋點(diǎn)，若無(wú)解，即相鄰兩擋加速度無(wú)交點(diǎn)，取每擋最高車(chē)速點(diǎn)為升擋點(diǎn)，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 各擋位加速度曲線

2.3 換擋規(guī)律動(dòng)態(tài)修正

整車(chē)載荷和坡度阻力是重型商用車(chē)換擋規(guī)律的兩個(gè)重要控制輸入量，可以根據(jù)動(dòng)態(tài)載荷和坡度的識(shí)別對(duì)擋位進(jìn)行差值修正[7]。

通過(guò)2.2節(jié)計(jì)算空載及滿(mǎn)載下的換擋點(diǎn)，任意載荷下的換擋線通過(guò)插值得到，表達(dá)式如下：

m=m(e)+e（7）

式中，m=(f-e)/(f-e)；為整車(chē)實(shí)際載荷；e為空載整車(chē)載荷；f為滿(mǎn)載整車(chē)載荷；e為空載換擋點(diǎn)車(chē)速；f為滿(mǎn)載換擋點(diǎn)轉(zhuǎn)速。

坡度修正原理與載荷修正相同，計(jì)算公式為

s=s(-0)+0（8）

式中，m=(max-0)/(max-0)；為實(shí)際坡度；0為平路坡度，近似為零；max為最大坡度；0為平路換擋點(diǎn)車(chē)速；max為最大坡度換擋點(diǎn)轉(zhuǎn)速。

3 換擋規(guī)律標(biāo)定

3.1 桌面標(biāo)定

桌面標(biāo)定主要是輸入與變速器相關(guān)的技術(shù)參數(shù)，包括整車(chē)參數(shù)、車(chē)重、發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架數(shù)據(jù)、功能模塊定義、變速器基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等，基于這些參數(shù)設(shè)定基礎(chǔ)換擋線，再對(duì)該換擋線分析各項(xiàng)性能指標(biāo)，并考慮坡度、車(chē)重等因素進(jìn)行優(yōu)化，其中在擋時(shí)間分析如圖5所示，降擋加速度分析如圖6所示，結(jié)果符合性能指標(biāo)要求。

圖5 在擋時(shí)間分析

圖6 降擋加速度分析

3.2 換擋線及其確定方法

換擋曲線的標(biāo)定要基于整車(chē)參數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)Pedal-map，綜合考慮駕駛性、燃油經(jīng)濟(jì)性、ECU的排放，自主AMT采用兩參數(shù)換擋規(guī)律，即根據(jù)油門(mén)開(kāi)度和車(chē)速?zèng)Q定最佳擋位，標(biāo)定原則如下：

1）小轉(zhuǎn)矩區(qū)油耗都比較高，盡量使用中大轉(zhuǎn)矩區(qū)；

2）在同樣的油耗率情況下，選擇較低的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，這樣可以避免發(fā)動(dòng)機(jī)高速時(shí)的噪聲及降低機(jī)械磨損；

3）負(fù)荷率決定排溫水平，動(dòng)力系統(tǒng)決定負(fù)荷率，使車(chē)輛盡可能運(yùn)行在高擋位，提高發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率，提升系統(tǒng)熱管理水平。低負(fù)荷工況，主要要求舒適、穩(wěn)定、發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲小，減少發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理時(shí)長(zhǎng)；中高負(fù)工況，保證動(dòng)力性相當(dāng)，通過(guò)降低換擋線轉(zhuǎn)速，提升負(fù)荷率，遠(yuǎn)離熱管理區(qū)間；怠速工況，提高空擋滑行占比，優(yōu)化怠速油耗。發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性及熱管理如圖7所示。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性及熱管理示意圖

4 實(shí)車(chē)驗(yàn)證

本文所述的換擋規(guī)律應(yīng)用于16擋AMT重型商用車(chē)上，選擇平路及山區(qū)進(jìn)行正常駕駛，行駛車(chē)速范圍為0～95 km/h。在動(dòng)態(tài)修正換擋規(guī)律模式下，對(duì)于不同油門(mén)及坡度下均能夠計(jì)算合適擋位，沒(méi)有出現(xiàn)循環(huán)換擋現(xiàn)象。通過(guò)大數(shù)據(jù)對(duì)行駛數(shù)據(jù)分析如圖8、圖9所示，平原工況轉(zhuǎn)速集中在最優(yōu)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速區(qū)間，山區(qū)工況滿(mǎn)足駕駛員動(dòng)力需求的前提下盡量保證整車(chē)經(jīng)濟(jì)性的要求。

圖8 平原工況發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分析

圖9 山區(qū)工況發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分析

AMT換擋中斷造成車(chē)速下降，尤其在坡道車(chē)速下降更迅速，因此，車(chē)輛在坡道行駛過(guò)程中盡量不換擋，必須換擋時(shí)最好減少換擋次數(shù)，采用越級(jí)換擋策略。圖10坡度為8%，彎道工況，行駛阻力增加，換擋系統(tǒng)進(jìn)行越級(jí)降擋，直接由10擋降入7擋。彎道通過(guò)后阻力減小，由7擋逐級(jí)升至9擋。

圖10 坡道彎道換擋工況

5 結(jié)論

本文通過(guò)分析商用車(chē)細(xì)分市場(chǎng)特點(diǎn)，對(duì)換擋規(guī)律進(jìn)行了研究，提出了根據(jù)行駛環(huán)境實(shí)時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正的換擋策略方案和標(biāo)定方法，在基礎(chǔ)換擋策略基礎(chǔ)上，針對(duì)車(chē)重、彎道及坡道等特殊工況設(shè)計(jì)了符合駕駛?cè)艘鈭D的動(dòng)態(tài)換擋策略，最后通過(guò)MATLAB/Simulink搭建控制模型進(jìn)行實(shí)車(chē)驗(yàn)證，試驗(yàn)表明，本文提出的換擋規(guī)律和標(biāo)定方法滿(mǎn)足駕駛員對(duì)駕駛動(dòng)力、舒適性、燃油經(jīng)濟(jì)性和耐久性的需求。

[1] 張國(guó)旭.AMT車(chē)輛低速巡航過(guò)程的離合器轉(zhuǎn)速控制研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2021.

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Design and Calibration Method of AMT Intelligent Shift Law for Commercial Vehicle

HOU Shengdong, WANG Lei, LIU Enliang, ZHANG Siyuan, ZHANG Shuaishuai

( Institute of Automotive Engineering R&D,Shaanxi Heavy Duty Automobile Company Limited, Xi'an 710200, China )

This paper takes an electronic mechanical automatic transmission (AMT) model as the research object. Based on slope, load, driving environment and other factors, the control strategy under different working conditions is developed and calibrated accurately.On the premise of meeting the power needs of customers in market segments, the shifting and lifting curves of electronically controlled mechanical automatic transmission are calibrated in combination with the engine fuel consumption ratio graph and emission thermal management graph, so as to ensure that the vehicle is operated within the optimal fuel economy and emission performance range of the engine, optimize the vehicle fuel consumption and achieve emission consistency standards,and meet the requirements of regulations and customers.

Commercial vehicle; AMT; Intelligent shift schedule; Calibration method

U463.212

A

1671-7988(2023)10-61-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.010.012

侯圣棟（1986—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)锳MT自動(dòng)變速器控制理論及應(yīng)用，E-mail:hsd7531346 @126.com。