制動工況下機械式自動變速箱車輛換擋規(guī)律研究

薛 敏，高 崗，秦孝明，薛運軍

（東風汽車公司技術(shù)中心，武漢 430070）

制動工況下機械式自動變速箱車輛換擋規(guī)律研究

薛 敏，高 崗，秦孝明，薛運軍

（東風汽車公司技術(shù)中心，武漢 430070）

從采用一般換擋規(guī)律的AMT車輛在制動工況下容易出現(xiàn)的問題出發(fā)，分析了意外換擋和緊急制動意外加速的原因；按制動強度不同制定了中強度、高強度制動控制換擋規(guī)律。通過仿真分析，驗證此方法可以有效解決制動工況的換擋問題。

自動變速器；制動工況；意外換擋；換擋規(guī)律

AMT（Automated Mechanical Transmission）要實現(xiàn)自動換擋需制定合理的換擋控制策略。在實際生活中車輛只有10%~50%的時間處于穩(wěn)定行駛工況[1]，但基本的換擋控制策略多數(shù)是根據(jù)車輛行駛在這些穩(wěn)定工況上來確定的。當汽車處于動態(tài)變化的行駛工況時還繼續(xù)以基本換擋規(guī)律控制換擋，會出現(xiàn)意外換擋[2]，這不僅影響車輛的動力、經(jīng)濟性，同時還會降低乘坐舒適性和可駕駛性。因此，本文針對在制動行駛工況下車輛的自動換擋規(guī)律進行研究，并進行仿真，即對基本換擋進行修正以符合實際情況。

1 自動變速車輛制動工況下產(chǎn)生的問題

采用基本雙參數(shù)、三參數(shù)控制的電控機械自動變速器，不能準確反映路況信息。在制動時節(jié)氣門開度發(fā)生快速變化，車輛會發(fā)生意外換擋[2]，違背駕駛員意圖，引起車輛的換擋沖擊。

1.1 意外換擋問題

如圖1，假定汽車車速在定節(jié)氣門開度下由A點升高至B點，到達三、四擋擋換擋重合區(qū)。此時由于路況（彎道、坡道等）駕駛員突然急劇減小節(jié)氣門開度，在節(jié)氣門開度快速變化情況下，油門慣性小，而汽車慣性較大，車速變化相對于油門變化會存在滯后現(xiàn)象[3]，使得節(jié)氣門開度與車速的關(guān)系曲線按照BC線變化至C點，穿越四擋擋升擋擋線導致意外升擋擋。車輛升入四擋擋后，假設(shè)在此節(jié)氣門開度下車速降低至D點，若此時動態(tài)路況結(jié)束，駕駛員意圖加速保持行駛，由于油門與汽車慣性問題，且油門變化率過大，關(guān)系曲線按照DA線變化至A點，此時車輛意外降入三擋擋[4]。這些顯然與駕駛員的意圖不符。

1.2 緊急制動問題

目前人們大多數(shù)駕駛的為采用真空剎車助力器的汽油車，由于制動助力器真空管里的真空來自于進氣道，當汽車油門踏板深踩，節(jié)氣門開度很大時進氣道里的真空度非常小，此時制動助力器沒有充足的助力，傳給駕駛者最直接的感受就是制動好像“失靈”了。若車輛在超車或者上陡坡節(jié)氣門開度100%時有突發(fā)狀況需要緊急制動，這時由于制動系統(tǒng)沒有充足助力，車速不能立刻下降，車輛減速停止的時間變長，在此期間由于節(jié)氣門開度和車輛慣性過大，有可能造成自動變速器不正確換擋，這將嚴重影響車輛的行車安全。

2 制動行駛工況換擋規(guī)律制定

當車輛處于制動工況下，發(fā)動機由主動端變?yōu)楸粍佣耍⑴c制動器一同吸收車輛的運動能量以降低車速，即為發(fā)動機制動，此時，車輛的模型已發(fā)生改變，故原有基本換擋規(guī)律已不再適用[5]。

由于小強度制動下駕駛員一般采用點剎，對整個車輛控制系統(tǒng)的影響不大，故本文選擇考慮車輛連續(xù)下坡時的中強度制動工況和在加速中電子油門卡死或失靈時遇到緊急情況的高強度制動優(yōu)先工況來制定修正制動工況下的自動變速器的換擋控制策略。

2.1 中強度制動工況換擋規(guī)律的制定

中強度持續(xù)制動是指車輛以0.2 g～0.5 g的制動強度且時間較長的制動[6]。這種制動常見于車輛在連續(xù)下長坡時的持續(xù)制動。下坡時若只靠制動踏板剎車來控制車速，剎車片易由于溫度過高而失效，十分危險。因此下坡時需要采用發(fā)動機的內(nèi)部阻力矩輔助制動，且常見的下坡制動工況下自動變速器換擋策略是保持擋位不變，禁止升擋。

根據(jù)汽車行駛方程式，且取δn= 1，cosα≈1，sinα≈i，那么在下長坡時發(fā)動機輔助制動，發(fā)動機輸出扭矩等效于阻力矩，相當于是整車帶著發(fā)動機轉(zhuǎn)動，故車輛行駛方程式變?yōu)槭剑?）[7]：

本文設(shè)定Fx為 等效路面的總阻力，且Fx=Ff+Fw+Fi。根據(jù)上式可以得出各擋位驅(qū)動力和等效路面總阻力隨車速變化的曲線，如圖2所示，其中，實線為各擋位Ft， 虛線分別為坡度為10°、15°時的。

從圖2中可以看出，只有一擋驅(qū)動力曲線基本在15°阻力曲線之上，二擋驅(qū)動力曲線大部分在10°阻力曲線之上，這說明車輛只有在一擋或二擋才能在坡度10°以上的路面正常行駛。而對于三擋、四擋，即便車速達到了很高，大部分區(qū)域Ft均 小于Fx， 此時發(fā)動機制動效果較弱，若保持擋位不變，則會導致車輛加速，十分危險。因此，在下坡時，僅僅做到保持擋位是不夠的，還要根據(jù)當前坡度和擋位適時降擋，才能有效利用發(fā)動機制動控制車速[7]。

制動初期，車輛會利用發(fā)動機的制動力矩，減少制動摩擦所造成的磨損以及能量損失，此時駕駛員主要通過點剎的方式來控制車速，因此制動踏板信號處于實時變化的不穩(wěn)定狀態(tài)，不能作為辨識該工況的依據(jù)[6]。當制動踏板開度超過一定的制動強度時，則應(yīng)該在適當?shù)臅r機降入抵擋。

由文獻[8]可知，發(fā)動機輔助制動力矩可以表示為：

式中：Mm0為與轉(zhuǎn)速無關(guān)的常量；ne為發(fā)動機轉(zhuǎn)速；k為由發(fā)動機特性確定的常數(shù)。

傳遞到驅(qū)動輪的輔助制動力為：

式中：η為傳動系統(tǒng)的傳遞效率；ig、i0為當前擋位和主減速器的傳動比；r為車輪半徑。

根據(jù)國家標準文獻[9]的要求，車輛在各種裝載狀態(tài)時，前軸利用附著系數(shù)應(yīng)在后軸利用附著系數(shù)曲線之上[6]。由此可知，為了保證車輛行駛的穩(wěn)定性，需要在后軸利用附著系數(shù)大于前軸利用附著系數(shù)之前降擋，使車輛進入主動降擋換擋規(guī)律控制狀態(tài)[6]。

根據(jù)式（2）、（3），當車速為vx，擋位傳動比為ix時，傳遞至車輪的輔助制動力和等效制動強度分別為：

由上式可知，在擋位低ix大 時輔助制動力較大，制動效果好，當相鄰兩擋位傳動比相差多的時候制動效果的增強會更加明顯。

根據(jù)傳動系與發(fā)動機的特性，主動降擋時需設(shè)定發(fā)動機轉(zhuǎn)速在特定的運行范圍之內(nèi)[10]，否則轉(zhuǎn)速過小會導致發(fā)動機一發(fā)生降擋動作就熄火，轉(zhuǎn)速過大會導致發(fā)動機降擋后由于傳動比的增大而轉(zhuǎn)速過高。本文根據(jù)設(shè)定的發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍和式（5），得出在該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)對應(yīng)的等效制動強度ze范 圍為[zemin,zemax]。設(shè)定當實際制動強度在[zemin, zemax]范圍內(nèi)時主動降擋規(guī)律才起作用，把對應(yīng)的期望等效制動強度記為ze(z)，則有以下關(guān)系：

當z＞ze( z)時，擋位保持不降擋；當z≤ze( z)時，在當前擋位降低一擋。

在相應(yīng)各擋位的傳動比下計算前、后軸利用附著系數(shù)相等時所對應(yīng)的車速，并根據(jù)上述公式結(jié)合文獻[11]即可得到中強度持續(xù)制動時不同制動強度下降入抵擋的車速[6]。所制定的主動降擋換擋規(guī)律的曲線如圖3所示。

由圖可知降擋原則為制動強度越大，換入低擋的時刻越早。按圖3中換擋規(guī)律建立主動降擋控制模塊，并建立制動強度識別模塊，當制動強度滿足中強度制動標準時，主動降擋換擋策略啟動使用。

2.2 高強度制動工況換擋規(guī)律的制定

高強度制動狀態(tài)是指制動踏板行程很大，此時駕駛員的主要意圖是使車速盡快平穩(wěn)下降至安全速度或者停車，一般該過程的制動強度大于0.5 g[7]。對于此類制動工況，在制動期間車速v已降到臨界值以下，因此車輛不會出現(xiàn)因制動程度過深或發(fā)動機減速過快而造成的發(fā)動機熄火現(xiàn)象。且一般針對高強度制動的自動變速器換擋策略是在制動強度超過一定界限時在適當?shù)臅r機換入空擋[12]。

由上所述，本小節(jié)只考慮當車輛電子節(jié)氣門卡死或者判斷滯后的時候，節(jié)氣門開度很大且高強度制動時車輛的換擋控制策略，采用以車速為控制參數(shù)的單參數(shù)換擋規(guī)律，并且當制動踏板和油門踏板都顯示有行程時優(yōu)先考慮制動。

具體換擋控制策略為當傳感器反饋制動踏板有行程且節(jié)氣門開度較大時通過ECU判斷切斷油門信號，并快速將發(fā)動機轉(zhuǎn)速降至怠速狀態(tài)，即在基本換擋模型中加入制動優(yōu)先判斷模塊，如圖4所示。

3 仿真分析

3.1 中強度制動工況仿真分析

使用Simulink中的Signal Builder模塊建立中強度制動行駛工況如圖5所示，模擬車輛在下長坡時駕駛員松開油門并踩下制動踏板，且加入坡度為10°的道路環(huán)境，其中模擬的制動輸入為制動力矩，單位N·m，設(shè)置仿真時間為100 s，采樣時間為1 s。

得到的仿真結(jié)果如圖6所示。

從圖6（b）所示在坡度為10°的下坡工況下?lián)跷蛔罱K降至二擋，車速也維持在20~30 km/h之間，對照圖2可知此自動降擋模型運行正確。

對比圖6中兩個仿真結(jié)果可以明顯得出按照基本換擋規(guī)律換擋的模型在仿真時間22 s出現(xiàn)制動時開始降速，在25 s坡度出現(xiàn)的時候繼續(xù)降速但由于坡度較小制動強度不夠速度降低較慢且在60 s才開始降擋，降至二擋的時間為85 s左右；而采用自動降擋控制策略的模型在25 s坡度出現(xiàn)是識別出下坡工況，速度繼續(xù)迅速下降且在25s坡度出現(xiàn)時自動降一擋，識別坡度持續(xù)出現(xiàn)后繼續(xù)降擋，在45 s左右就達到二擋擋位。以上說明采用自動降擋控制策略的模型可以很好的識別下坡工況，降擋及時，能夠快速跟隨駕駛員的操作意圖。

3.2 高強度制動工況仿真分析

同上節(jié)，使用Simulink中的Signal Builder模塊建立制動優(yōu)先行駛工況如圖7所示，在節(jié)氣門開度100%時突發(fā)狀況緊急制動，但由于電子油門卡死，在制動力矩出現(xiàn)時節(jié)氣門開度沒有及時發(fā)生變化。設(shè)置仿真時間為50 s，采樣時間為1 s進行仿真。

仿真結(jié)果如圖8所示，圖中從上至下依次表示車速(虛線)、節(jié)氣門開度、擋位、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和液力變矩器閉鎖信號。

從圖8（a）、（b）兩圖的對比可以明顯看出，未采用制動優(yōu)先系統(tǒng)的車輛在仿真時間10 s時，制動力突然出現(xiàn)但節(jié)氣門開度沒有變化的情況下沒有立刻減速，而是繼續(xù)加速至15 s在節(jié)氣門開度變化后才開始減速；采用制動優(yōu)先系統(tǒng)依照制動優(yōu)先判斷換擋規(guī)律的車輛在相同狀況下，在10 s時立刻開始減速，在制動踏板、油門踏板均有行程的時候優(yōu)先考慮依照制動控制，由于本文模型沒有建立制動系統(tǒng)，在減速過程中出現(xiàn)車速小幅度提升，但此時油門踏板開度沒有深踩，制動力恢復可以保證安全制動。兩種換擋策略都可以按照要求完成降擋操作，但很明顯可以看出，未采用制動優(yōu)先系統(tǒng)的車輛在35 s左右開始降擋到達一擋時間為42 s；采用制動優(yōu)先系統(tǒng)車輛在27 s左右開始降擋，在37 s左右到達一擋擋位，能保證快速反應(yīng)降擋且保持車輛的安全制動距離。

4 結(jié)束語

本文在傳統(tǒng)雙參數(shù)換擋規(guī)律的基礎(chǔ)上，根據(jù)車輛在制動工況上遇到的各種問題，建立了中、高強度制動工況下的換擋控制策略，并用Matlab建模仿真，對傳統(tǒng)換擋規(guī)律和制動換擋規(guī)律進行對比。結(jié)果表明，修正后的換擋策略能有效解決制動工況下車輛的意外換擋等問題，使車輛更加符合駕駛意圖換擋，能夠提高車輛的換擋品質(zhì)。

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專家推薦

陳 跡：

作為對車輛行駛過程中AMT基本換擋策略的補充和完善，本文分析了在不同制動工況下發(fā)動機和整車的相應(yīng)工況，結(jié)合駕駛者所期望的整車表現(xiàn)，總結(jié)出AMT在制動工況下的換擋規(guī)律和策略，以解決制動工況中的換擋問題，提高車輛的換擋品質(zhì)，對AMT換擋策略的制定開發(fā)具有參考借鑒意義。

The Study about Gear Shift Rules for Mechanical Automatic Transmission Vehicles on Braking Condition

XUE Min, GAO Gang, QIN Xiao-ming, XUE Yun-jun
（Dongfeng Motor Corporation Technical Center, Wuhan, 430070, China）

Based on the problems what appears when AMT vehicle with traditional shift rule is traveling in brake conditions, this paper analyzed the reasons of unexpected shift up and emergency brake with unexpected acceleration, established shift rules about high strength braking condition and middle strength braking condition, established a comprehensive control shift strategy.By simulation analysis, effectiveness of this measure is verified.

automatic transmission; brake recognition; unexpected gear shift; brake shift rule

U463.2

A

1005-2550（2014）05-0016-06

10.3969/j.issn.1005-2550.2014.05.004

2014-02-14