液力機械傳動履帶車輛換擋規律優化方法研究

魏巍，曲婧瑤，武景燕，閆清東

(1.北京理工大學 車輛傳動國家重點實驗室，北京100081; 2.北京理工大學 機械與車輛學院，北京100081)

自動變速技術可以提高車輛動力性、燃油經濟性、操縱穩定性和舒適性，換擋規律是自動變速技術的核心內容，是保證實現自動變速系統最優性能的基礎，合理的換擋規律可以充分利用發動機的功率，提高車輛的平均行駛速度、通過性等性能。換擋規律目前有單參數、雙參數、動態三參數［1］、工程車輛四參數［2］和智能換擋控制等。

單參數換擋規律結構簡單，但不能實現駕駛員干預換擋，且噪聲大，難于兼顧動力性、經濟性要求，故目前已很少采用。雙參數換擋規律克服了單參數換擋規律的缺點，當前采用最多的控制參數是車速與油門開度，并且形成了最佳動力性和最佳經濟性換擋規律的制定方法。嚴格意義的動態三參數規律比較復雜，目前實用程度不高［3］。近年來，越來越多的研究將智能控制理論應用于換擋規律，利用駕駛者的經驗及其他專家的知識形成換擋知識庫，對傳統的二參數或三參數進行了修正和改進。但是，這種方法制定的換擋規律通常取決于駕駛員的經驗和水平以及設計人員的理解程度［4］。文獻［5］提出了一種基于傳統機械數學模型的換擋最優化方法，優化參數的提取和優化過程只是針對離合器的簡化模型，具有一定的局限性。

本文利用MATLAB/Simdriveline 構建了某履帶車輛動力傳動系統的仿真模型，基于車速與油門開度參數編制了雙參數換擋規律，應用iSight 優化軟件，聯合MATLAB 對換擋規律進行協同仿真優化設計，設計流程示意圖如圖1所示。

圖1 優化設計流程示意圖Fig.1 Sketch of optimum design process

1 自動換擋仿真模型

在構建液力機械傳動整車系統動力學模型過程中，利用面向對象的模塊化建模思想，按照自頂向下的方法將系統分解為發動機、閉鎖式液力變矩器、多擋齒輪變速機構、負載系統、換擋控制器等多個子模塊，并分別建立相應的具有無因果化和可重用性特征的MATLAB/Simdriveline 模型，如圖2所示。

并且在對實際系統的簡化的同時，遵循以下幾點原則:

1)忽略系統間隙;

2)各部件均以集中質量形式出現，其質量集中點位于回轉平面中心線上;

3)不考慮傳動系部件的彈性和阻尼。

1.1 發動機模型

模型發動機為全程調速式柴油機，根據實驗獲得的發動機不同油門開度和轉速下的輸出特性數據，形成一個二維查詢表模塊MAP 圖。發動機動力學方程為

式中:Ie為發動機飛輪等的慣量; ωe為發動機轉速;Te為發動機轉矩，在仿真過程中通過MAP 圖確定;Tac為輔助系統阻力矩;Tload為發動機負載轉矩。

1.2 閉鎖式液力變矩器模型

閉鎖式液力變矩器動態模型如圖3所示，其數學模型［6］為

圖2 車輛自動換擋無因果系統仿真模型Fig.2 Non-causal system simulation model of vehicle gear-shifting

式中:TDP和TDT為非穩定工況下，泵輪及渦輪軸上的動態轉矩;THP和THT為穩定工況下泵輪和渦輪軸上的液力轉矩;IP為泵輪及泵輪軸的轉動慣量(不含(1)式發動機飛輪等轉動慣量Ie);IT為渦輪及渦輪軸及與其剛性連接主要旋轉零件的轉動慣量; ωP和ωT為泵輪與渦輪的角速度; TF為閉鎖離合器摩擦轉矩。

圖3 閉鎖式液力變矩器動態模型Fig.3 Lock-up hydrodynamic torque converter model

當閉鎖離合器閉鎖時，離合器傳遞力矩按照換擋離合器的摩擦轉矩公式進行計算，并且在閉鎖動作完成時THP=THT=0;當閉鎖離合器處于分離狀態時TF=0.

1.3 多擋齒輪變速機構模型

本文研究的車輛采用的變速部分是三自由度定軸式變速機構，變速機構主要由3 根主軸和其上的6 個液壓換擋離合器組成，其中行星機構定軸齒輪、離合器、旋轉軸等傳動裝置由Simdriveline 標準組件構建。

圖4 變速機構簡化動力學模型Fig.4 Simplified dynamic model of speed-shifting mechanism

1.4 其它模塊

負載模塊利用動態實驗數據按時間處理，事先將數據文件存儲在仿真系統中，模擬不同路面進行仿真。此外模型中的換擋控制器采用基于有限狀態機原理的MATLAB/Stateflow 構建，這一工具可用于解決如自動換擋等復雜的監控邏輯問題。

2 換擋規律優化設計問題描述

2.1 優化模型

設計變量:不同油門開度α 下，各擋升擋車速vi和降擋速差si;

不同開度下的目標函數:

1)動力性目標:(全油門開度下0～32 km/h 加速時間)

2)換擋平順性目標:(沖擊度及動載系數)

式中沖擊度是縱向加速度的變化率，動載系數反映在一個典型工作(行駛或作業)循環內，傳動系輸出轉矩的波動情況。

3)傳動系統效率目標

其中

以傳動系統效率為優化目標之一，是考慮到在動力與負載間的匹配問題，其主要目的是通過油門開度調整、作業負載主動控制及換擋和閉鎖等操縱使液力元件處于高效區工作，避免履帶車輛長時間行駛或作業而導致的發熱等現象。

約束條件

1)升擋點車速

應充分利用發動機功率，升擋車速取各擋額定功率對應的車速，v*min和v*max分別為以加速時間等為優化目標的升擋車速取值搜索范圍上下限。

2)降擋速差

降擋速差的約束根據具體換擋規律(如發散型、收斂型或綜合型等)，在不同的油門開度范圍進行不同的調整。給出的速差范圍是算法在優化換擋規律時降擋車速的搜索區間。

2.2 優化方案特點

在對換擋規律進行優化的過程中，上述自動換擋仿真模型可看作一個在優化過程中被不斷調用的求解器系統，將由算法根據輸出結果修正的優化變量作為系統的輸入，將運行后的結果作為系統的輸出，直至獲得理想性能。這種優化方案特點在于:

1)可根據不同動力傳動系統建立差異化仿真模型;

2)優化參數的提取只取決于技術指標和使用性能的要求，除給定優化約束外對參數的設置和選擇沒有局限性;

3)便于修改動力學和優化模型，根據不同的優化問題，對應的單一或復合優化算法選取靈活。例如針對復雜的多目標問題進行優化時，可以選擇遺傳算法，它模擬自然界中的生物進化過程，在解空間進行全局并行搜索，使種群向全局最優的方向收斂;針對單個優化目標的問題時，可以選擇二次序列規劃方法，收斂速度較快。

3 算例分析

在進行設計變量優化時，往往需要根據不同的行駛工況來選擇不同的目標函數進行優化。不同的行駛工況往往對應著不同的換擋模式，如對良好路面的動力性模式、針對起伏路面的越野模式、針對坡道的坡路模式等。而在換擋規律優化設計中，不同模式的優化過程和原理完全相同，只是仿真條件和目標參數選擇的差別。本文為驗證換擋規律優化設計方法的可行性，取具有典型意義的良好道路條件下、車輛進行2～6 擋的機動行駛的算例進行分析，在計算中α 分別取55%，77%和100%，如圖5所示。

在動力學仿真的過程中發現，隨著油門開度減小，變速機構輸出扭矩波動系數增大，并且在加速過程中要以全開度來測試戰技指標。因此對于油門開度55%時，選取阻力系數平均值在0.015，目標為扭矩波動系數; 對于油門開度77%時，選取阻力系數均值0.04，目標為扭矩波動系數; 對于全開度，增設32 km/h 的加速時間為目標，阻力系數0.04，進行優化。

優化前后參數對比見表1，在優化的過程中，當不滿意多目標的優化結果時(通常取多目標時參量變化幅度較小)，可以將其中的一個目標作為約束，控制在一定的范圍內，圖5(a)、(b)的優化結果顯示，經過多次優化迭代后，變速機構輸出的扭矩波動系數得到明顯的改善，并且可以看到傳動系統效率與之變化趨勢相反，驗證了這2 個指標對系統要求的矛盾性。此外，隨著油門開度的增大，系統功率利用率有所降低，扭矩波動有所減小。

表1 優化前后參數比較Tab.1 Parameters comparison before and after optimization

全開度下，增加了衡量車輛動力性的加速時間，以多目標的方式進行計算，得到了既減少車輛加速時間，又減少變速機構輸出扭矩波動的換擋點。從結果中也可以證明: 1)要想提高車輛的加速性要提前換入高擋，但同時會降低傳動系統對發動機功率的利用; 2)經過多次優化結果中換擋點的變化趨勢可以看出，對于本次算例中的傳動機構，減少換入最高擋位的車速或者減小3～4 擋和4～5 擋之間換擋點的差值，對變速機構輸出扭矩的波動有較大影響。

4 結論

針對某型液力機械傳動履帶車輛，提出一種可應用于一般車輛的自動換擋規律集成優化設計方法。根據不同行駛工況可分別選用功率利用率、轉矩波動系數和加速時間等作為優化目標，對換擋點進行優化計算。仿真結果表明，該方法對提高車輛動力性和換擋平順性有理論和實際意義。

References)

［1］葛安林，李煥松，武文治.動態三參數最佳換擋規律的研究［J］.汽車工程，1992，(4):239 -246.GE An-lin，LI Huan-song，WU Wen-zhi.Optimized shift schedule controlled by dynamic 3-parameter［J］.Automotive Engineering，1992，(4):239 -246.(in Chinese)

［2］丁春鳳.工程車輛四參數自動變速技術研究［D］.吉林:吉林大學，2004.DING Chun-feng.Study on automatic shift technology with fourparameter of construction vehicle［D］.Jilin: Jilin University，2004.(in Chinese)

［3］葉丹.工程車輛三參數自動變速理論研究［D］.吉林:吉林大學，2004.YE Dan.Study on three parameters for automatic transmission theory of engineering vehicle［D］.Jilin: Jilin University，2004.(in Chinese)

［4］龔捷，趙丁選.工程車輛自動變速器換擋規律研究及自動控制仿真［J］.西安交通大學學報，2001，35(9):930 -934.GONG Jie，ZHAO Ding-xuan.Study on shift schedule and autocontrolling simulation of automatic transmission ［J］.Journal of Xi’an Jiaotong University，2001，35(9): 930 -934.(in Chinese)

［5］張金柱.基于模型的自動變速器換擋最優化方法［J］.黑龍江工程學院學報，2005，6:45 -47.ZHANG Jin-zhu.Optimization of shifting process for automatic transmission based on a model［J］.Journal of Heilongjiang Institute of Technology，2005，6:45 -47.(in Chinese)

［6］陳東升，項昌樂，劉輝.液力變矩器的動態特性和動力學模型研究［J］.中國機械工程，2002，6(11):913 -916.CHEN Dong-sheng，XIANG Chang-le，LIU Hui.Study on the dynamic characteristic and dynamics model of hydrodynamic torque converter［J］.China Mechnical Engineering，2002，6(11):913 -916.(in Chinese)