液力自動變速器車輛坡道行駛換檔策略研究?

傅亮奇，熊 銳，張 寧，鐘凱弦

（廣東工業大學 機電工程學院，廣東 廣州 510006）

0 引言

車輛的道路行駛環境非常復雜，其中坡道是最常見的工況之一。如果單純地采用基于平坦路面和穩定工況下制定的換檔策略，汽車在坡道工況行駛過程中，會出現大量的循環換檔以及意外換檔情況。目前國內對坡道換檔規律的研究偏重于基本道路工況，較少考慮駕駛員意圖［1］，對如何精確地制定坡道換檔策略的研究相對較少。本文基于模糊控制算法，結合道路坡度值以及駕駛員意圖［2］，分別對車輛在上、下坡工況下的換檔時刻進行修正，以綜合提升車輛坡道工況行駛的動力性。

1 坡道工況分析及換檔修正方案制定

1.1 坡道工況分析

車輛在坡道行駛時，受坡道阻力影響，其換檔特性與在平坦路面上行駛時具有很大的差異，同時坡道工況又分為上坡工況與下坡工況。如圖1所示，在上坡工況下，當汽車行駛至B點時，變速器自動換入三檔即C點，但由于坡道阻力的作用，使得汽車驅動力不足，此時汽車將減速至D點即三檔的降檔點，變速器將換入二檔并行駛到達A點。但這時汽車的行駛驅動力大于坡道阻力，將又再次加速至B點，循環往復。這種現象稱為換檔循環。

如圖2所示，車輛在某一油門開度即圖中A點下坡行駛，車輛因自重獲得額外的沿坡道向下的加速度，使車速越過升檔線達到B點，此時檔位升高，車速增加，為了避免車速過快，駕駛員通常會操作制動踏板以降低車速，車速將從C點降至D點。否則車輛會持續加速，直至升到高檔，這種非駕駛員意愿的升檔稱之為意外換檔。

圖1 上坡工況行駛檔循環示意圖

圖2 下坡工況行駛意外換檔示意圖

結合對坡道行駛特性的分析，針對坡道路況，提出了基于模糊修正的坡道換檔策略，不僅考慮車輛發動機工況與車速變化等常見因素［3］，而且結合坡度和駕駛員意圖，對換檔時刻進行修正，從而保證車輛能夠根據實際情況實時對檔位進行調整，保證車輛在坡道上安全且穩定地行駛。

1.2 上坡工況換檔時刻修正

對升檔點的修正：

對降檔點的修正：

其中：un，un－1為n檔的原始升、降檔車速；u′n，u′n－1為修正后的n檔升、降檔車速；Δun為n檔換檔時刻修正量；k1為上坡工況換檔時刻修正系數。

1.3 下坡工況換檔時刻修正

對升檔點的修正：

對降檔點的修正：

其中：k2為下坡工況換檔時刻修正系數。

2 模糊控制器設計

本文所設計的換檔規律是在以車速和油門開度為基礎制定的二參數換檔規律的基礎上，增加不同的行駛環境因素與駕駛員意圖，利用豐富的駕駛員經驗總結［4］，通過模糊推理，對基本的二參數換檔規律（如圖3所示）進行換檔時刻修正，輸出更加準確穩定的檔位。模糊修正換檔規律原理圖如圖4所示。

圖3 基本二參數最佳動力性換檔曲線

圖4 模糊修正換檔規律原理圖

針對坡道行駛工況，本文設計的模糊換檔控制器分為兩個模塊，分別對上坡路況和下坡路況的換檔時刻進行控制。定義模糊輸入變量道路坡度i的論域為［0，15］，模糊集為［VB B LB M LS S VS］。油門開度與制動強度的變化輸入范圍均為［0，100］，模糊集為［VB B LB M LS S VS］。輸出變量為換檔時刻修正系數k1與k2，論域為［0，1］，量化論域為［0，14］，模糊集為［VB B LB M LS S VS］。兩個控制模塊的主要區別在于控制器的規則。確定好模糊規則后，需設定模糊子集的隸屬度函數的形狀與位置［5］，本文采用高斯函數作為隸屬度函數［6］。上、下坡工況換檔模糊修正曲面如圖5、圖6所示。

圖5 上坡工況換檔模糊修正曲面

圖6 下坡工況換檔模糊修正曲面

3 汽車仿真模型及仿真結果

為了定性地研究本文所設計的換檔控制的有效性，對其進行信真分析。首先對汽車的傳動系統做了相應的簡化，以保證車輛的常規動態性能。采用MATLAB/Simulink軟件對車輛傳動系進行建模，模型主要由5個部件組成：整車、發動機、驅動副、變矩器及減速箱。將各部件當做多剛體系統，忽略傳動系部件的彈性阻尼，除傳動軸之外，其余部件都以集中質量的形式代替［7］。仿真試驗中仿真模型的主要參數如表1所示。

表1 仿真模型的主要參數

對基于動態的模糊修正換檔策略和二參數換檔策略分別進行坡道行駛換檔仿真試驗。設定仿真時長為150s，模擬坡度為5°～6°路況，仿真得到二參數與模糊修正換檔規律上、下坡的換檔時刻圖，如圖7、圖8所示。

由圖7可以看得出，所采用的模糊換檔修正方法能夠通過駕駛員意圖及坡道坡度對換檔時刻進行修正，降低了換檔頻率，對換檔循環有一定的抑制作用。由圖8可以看出，采用模糊換檔修正方法后升檔點有所改善，避免了過多的意外升檔，并且降檔點相應地有所提前，較好地利用了低檔位時發動機牽引作用實現制動。

圖7 上坡工況下二參數與模糊修正控制規律換檔時刻圖

圖8 下坡工況下二參數與模糊修正控制規律換檔時刻圖

4 結論

研究分析了通過傳統基本二參數換檔規律控制的車輛在坡道行駛情況下，易產生換檔循環和意外換檔等問題，通過結合駕駛員意圖，提出換檔時刻修正的方法。分別設計基于模糊修正的上、下坡控制決策單元，采用模糊算法對基本坡道換檔時刻進行修正。利用仿真分析，驗證了基于模糊修正的AT車輛坡道換檔策略的可行性和有效性。

［1］周末.自動變速器換檔規律的研究［D］.武漢：武漢理工大學，2006：11－13.

［2］呂歡歡.基于模糊修正的AT車輛坡道換檔策略研究［D］.長春：吉林大學，2010：8－9.

［3］薛敏，孫瓊.自動變速車輛坡道行駛工況下換檔規律的研究［J］.上海汽車，2011，12（5）：15－18.

［4］Shen Shuiwen，Ge Anlin.Fuzzy shift technology and shift schedule［J］.Transactions of the CSAE，1997，13（3）：145－149.

［5］王玉海，宋健，李興坤.基于模糊控制推理的駕駛人意圖識別研究［J］.公路交通科技，2005，22（12）：25－27.

［6］朱振宇.工程車輛自動變速器智能控制系統試驗研究［D］.長春：吉林大學，2004：8－11.

［7］巫世晶，路紅山，潛波.規則可選的四參數模糊換檔控制仿真［J］.系統仿真學報，2007（8）：1176－1179.