乘用車雙離合器式自動變速器坡路模式換擋規律標定的研究

張學鋒 楊俊 陳國棟 王昊 武斐

（中國第一汽車股份有限公司技術中心）

乘用車雙離合器式自動變速器坡路模式換擋規律標定的研究

張學鋒 楊俊 陳國棟 王昊 武斐

（中國第一汽車股份有限公司技術中心）

通過理論計算和實車驗證分析雙離合器自動變速器車輛在坡路行駛時產生的換擋循環、換擋頻繁、動力不足等問題。為獲得更好的駕駛性，根據上坡模式的基本設定原則和零加速度點的計算方法，制定一種針對坡路模式的換擋規律，并進行實車試驗。試驗結果表明，在坡路上行駛時使用坡路模式換擋規律的車輛動力性明顯增強，換擋次數明顯減少，在保證經濟性的情況下提高了車輛在坡路上的駕駛性。

1 前言

雙離合器式自動變速器（Dual Clutch Transmission，DCT）即可以克服MT換擋動力中斷的缺點，又具有傳動效率高的優點[1]。其換擋規律的好壞對車輛的動力性、燃油經濟性、安全性及舒適性等都有較大影響，是DCT的關鍵技術之一[2]。

坡路模式分為上坡模式和下坡模式，由于上坡模式對坡路模式駕駛性影響最大，因此只針對上坡模式進行討論。當車輛在坡路行駛時因受力狀態的改變，行駛時會產生換擋循環、換擋頻繁、動力不足等問題，因此引入單獨針對坡路模式的換擋規律就非常必要。本文對坡路行駛時的受力進行分析和計算，并通過改變升擋線、降擋線和禁止使用特定高擋位制定出坡路模式的換擋規律[3]。

2 車輛坡路行駛時問題分析

裝有固定傳動比變速器的車輛行駛時受力為[4]：

式中，Ft為車輛驅動力；Ff為車輛滾動阻力；Fi為車輛坡度阻力；Fw為車輛空氣阻力；Fj為車輛加速阻力。

在平路穩速行駛的車輛受力示意如圖1所示，其中m為車輛質量，v為車速。其受力公式為：

在坡路上穩速行駛的車輛受力示意如圖2所示，其中G為車輛重量，其受力公式為：

汽車驅動力和行駛阻力的關系如圖3所示，其中Ft、Ft+1分別為低擋和高擋的驅動力，Ff+Fw+Fi、Ff+Fw分別為坡度和平路情況下的行駛阻力。

由圖3可以看出，當上坡時車輛額外增加了坡路阻力，與平路行駛情況下的受力不同，因此可能導致平路情況下的換擋規律應用到坡路時出現如圖4所示情況[5]，其中實線代表1～7擋升擋線，虛線代表7～1擋降擋線，具體有以下情況：

a.換擋循環。在坡路行駛時，當定油門加速從b點到a點，越過升擋線升擋后動力不足，車速又從a點降回到b點，降擋后又開始加速到a點升擋，如此循環后就在a與b點之間產生了換擋循環。

b.頻繁換擋。當出現上述換擋循環時，駕駛員有可能在a點踩油門到c點，但是如果操作不慎很可能落在d點而出現降擋，這與駕駛員的意愿不符；到d點后，車輛加速度增加，駕駛員松油門，此時可能落在c點（在同一擋位），也可能落在a點（升擋，導致a點與d點的換擋循環）。這種不希望的換擋一直重復進行，如此造成頻繁換擋，駕駛員無法找到一個合適的油門來維持車速，行駛舒適性變差。

c.由于坡度阻力的增加，某些高擋位已不適用。

由于頻繁換擋，不僅不能省油或提高動力性,還可能由于換擋時無用能量消耗和動力切斷時間比例過高而損失經濟性和動力性，并且造成換擋部件的磨損[6]。為了避免這種問題的發生，在坡路時應用特定的坡路模式換擋規律就顯得尤為必要[7]。

3 坡路模式換擋規律的標定原則

上坡模式的基本標定原則如下：

a.應提高低擋的使用范圍，以產生較大的功率用于克服較大的行駛阻力，維持較大的加速度。升擋線可在運動模式的基礎上右移確定，但是要考慮噪聲問題。

b.降擋線與升擋線的豎向間距適當減小，通過提早降擋獲取額外動力。

c.由于松開油門踏板后車輛減速較快，因此降擋線與升擋線之間的橫向間距可適當加大以避免換擋頻繁。

d.由于驅動力不足，可禁止使用某些速比較小的高擋位（直接擋或高擋位）。

車輛有加速能力時才能進行上坡行駛，當車輛加速度小于零時，車輛上坡時會產生困難，所以確定坡度時的各擋位零加速度線就顯得非常重要。

車輛行駛時的行駛方程式為：

其中，車速計算公式為：

式中，Ttq為發動機扭矩；i0為主減速比；ig為擋位速比；η為轉動效率；r為車輪半徑；f為滾動阻力系數；CD為迎風面積；A為空氣阻力系數；i為坡度阻力系數；δ為汽車旋轉質量轉換系數；du/dt為加速度；ne為發動機轉速。

發動機扭矩是節氣門開度和發動機轉速的函數：

式中，α為節氣門開度。

令加速度du/dt=0，由式（4）、式（5）確定ne和Ttq的關系，且根據公式（6）進行插值可確定節氣門開度大小，從而可以確定不同擋位對應的零加速度線。發動機特性曲線如圖5所示。

分別在5%坡度和8%坡度下確定零加速度線后畫入換擋圖中，如圖6和圖7所示。

由圖6可以看出，6、7擋使用區間幾乎都在對應換擋線的右面，說明在5%坡度下6、7擋加速度小于零，驅動力不足，在5%坡度上坡時不可用。

由圖7可以看出，5、6、7擋使用區間幾乎都在對應擋換擋線的右面，說明在8%坡度下5、6、7擋加速度小于零，驅動力不足，在8%坡度上坡時不可用。

中華人民共和國行業標準《公路工程技術標準-JTG B01 2003》公路等級標準如表1所列，公路坡度標準如表2所列[8]。

表1 公路等級標準

表2 公路最大縱坡度標準

為了更好的利用坡路模式的換擋規律，根據坡度的不同可以分為兩個坡路模式，在3%～8%坡度一般利用坡路模式1，在8%～13%坡度激活坡路模式2，對于大于13%的大坡度建議使用手動模式駕駛。坡路模式1主要覆蓋高速公路、一級公路，坡路模式2主要覆蓋二、三、四級公路和鄉村道路及坡度比較大的山路。坡路模式激活、解除坡度方式如表3所列。

表3 坡路模式激活、解除坡度方式

4 試驗驗證

為驗證本換擋規律的實用性，以某DCT車輛（總成結構及技術參數如表4所列）為研究對象，選取具有典型山路工況的海南五指山進行實車試驗，從五指山農林技術學校至阿陀嶺的坡度長8.4 km，平均坡度5.64%，坡度覆蓋范圍為0～16%，完全符合試驗坡路模式換擋規律的試驗條件。

表4 車輛總成結構及技術參數

4.1 駕駛性驗證

在海南五指山實車試驗中，在五指山農林技術學校到阿陀嶺這段山路上，同一車輛、同一駕駛員使用前進擋駕駛，分別應用激活坡路模式和不激活坡路模式進行試驗，試驗結果如圖8和圖9所示。

兩次試驗的各擋位利用率和各性能指標統計如表5和表6所列。

表5 試驗各擋位利用率統計 %

表6 試驗各指標對比

試驗表明，兩次試驗的平均車速和駕駛時間幾乎相同，但是激活坡路模式后，平均油門開度減小，使用率最高的擋位也從5擋變為3擋，換擋次數減少，并且19次激活了坡路模式。

4.2 經濟性驗證

兩種模式試驗的經濟性比較如圖10所示，其中實線為等油耗率線，虛線為等功率線。

在圖10中，點a′、b′分別為未激活坡路模式和激活坡路模式發動機行駛的平均有效扭矩、平均發動機轉速標記到發動機萬有特性圖上的兩點，由萬有特性圖可以看出a′、b′兩點對應的油耗率分別為253g/（kW·h）和260g/（kW·h）。由圖10可以看出，激活坡路模式后駕駛性有明顯的改善，但是油耗只增加2.77%。

5 結束語

a.應用坡路模式換擋規律后，在激活坡路模式的駕駛中，低擋位利用率明顯增高，相同車速下油門踏板開度減小22.22%，換擋次數減少了49.23%，駕駛性明顯增強，而油耗增加量不到3%。

b.通過分析自動擋汽車在坡路行駛時由于受力情況的改變而產生的頻繁換擋、循環換擋、動力不足的情況，根據設定的原則和計算分析制定了坡路模式的換擋規律，此方法可操作性強且易于實現。

1 孫冬野,王聰.發動機負扭矩工況下的DCT傳動系統換擋控制策略.中國機械工程,2013,24（19）:2692～2697.

2 何寧,趙治國，李瑜婷.雙離合器自動變速器換擋規律及其仿真評價.中國機械工程,2011,22（3）:367～373.

3 何曉鵬.車輛自動換擋規律的研究：[學位論文].天津：河北工業大學，2007.

4 余志生.汽車理論.北京:機械工業出版社,2006.

5 李磊,章國勝,宋健,等.基于等效坡度的自動手動變速器換擋規律研究.公路交通科技,2011,28（2）:144～148.

6 SUN Dongye,LUO Yong,QIN Datong.Integrated Control Strategy for CVT Powertrains with Consideration of Vehicle Drivability.CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGI?NEERING，2012,25（3）:515～523.

7 朱小佩.轎車自動變速器換擋規律的研究與仿真：[學位論文].上海：同濟大學，2006.

8 中華人民共和國行業標準，JBG B01—2003公路工程技術標準.中華人民共和國交通部.2004.3.1.

（責任編輯晨 曦）

修改稿收到日期為2015年3月1日。

Research on Calibration of Slope Shift Schedule for DCT Passenger Car

Zhang Xuefeng,Yang Jun,Chen Guodong,Wang Hao,Wu Fei
（China FAW Co.,Ltd R&D Center）

The paper analyzes the problems of cyclic shifting,frequent shifting and insufficient power of DCT vehicle with theoretical calculation and real vehicle test.In order to obtain a better driveability,a slope mode shiftschedule is established based on the basic setting principle of upslope mode and the calculation method of zero acceleration point,and is put to vehicle test.Test results show that the vehicle power improves obviously and the number of shift times reduces significantly with the slope mode shift schedule when driving in slope conditions.This shift schedule can improve the driveability while guaranteeing the fuel economy.

Passenger car,DCT,Slope mode,Shift schedule

乘用車 雙離合器式自動變速器 坡路模式 換擋規律

U463.2

A

1000-3703（2015）05-0041-04