自動變速器自動變速的設計與研究

錢江，劉洪波，劉義強，李軍，王瑞平,2

（1.寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，浙江 寧波 315336；2.浙江吉利羅佑發動機有限公司，浙江 寧波 315800）

自動變速器自動變速的設計與研究

錢江1，劉洪波1，劉義強1，李軍1，王瑞平1,2

（1.寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，浙江 寧波 315336；2.浙江吉利羅佑發動機有限公司，浙江 寧波 315800）

隨著科技的發展、人類社會的進步，人們對生活質量的追求越來越高，對汽車的品質要求也越來越高。自動變速器的出現實現了車輛的自動變速，降低了駕駛員的勞動強度及污染排放，提高了汽車的動力性、經濟型及舒適性。自動變速技術作為自動變速器控制的核心策略之一，直接決定了自動變速器的性能優越。文章 首先介紹了當前市場上主流的幾款自動變速器的發展歷程，討論了電控液力自動變速器的結構與系統原理；論述了自動變速器的檔位控制策略及各個變速模式；接著分析了各種變速規律的原理及其性能，探討了降檔速差并且重點分析了換檔線的經濟型和動力性；最后簡述了雙離合變速器的檔位預掛功能。

自動變速器；變速模式；變速預測；變速規律

CLC NO.:U463.211Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-49-04

引言

汽車工業一百多年的歷史長河，自動變速一直是人們追求的目標。在汽車發展過程中，自動變速技術不斷的得到更新和完善。尤其是最近十幾年，電子技術和計算機技術的飛速發展為車輛的自動化變速改進提供了強大的支持，進入21世紀以來，自動變速技術的發展更是日新月異。

當今世界使用最多的汽車自動變速器主要有四種：雙離合變速器(Dual Clutch Transmission) 、電控液力自動變速器(Automatic Transmission)、電控機械式自動變速器(Automatic Mechanical Transmission)、電控機械無級自動變速器(Continuously Variable Transmission)。

自動變速器根據轉速、車速、動力負荷等因素自動變速，不需要駕駛者操作離合器換檔，使用很方便。尤其在交通比較擁擠的市區行駛，自動變速器更加體現出了便利性。自動變速器比手動變速器復雜得多，有很多方面不相同，但最大的區別在于控制方面。手動變速器由駕駛員操縱檔位，加檔或減檔均由人工操作，而自動變速器是由機器自動控制檔位，變換檔位是由液壓控制裝置進行的。以AT為例，液壓控制裝置根據節氣門（油門）開度和變速器輸出軸上輸送來的信號控制升降檔。根據節氣門開度變化，液壓控制裝置中的調節閥產生與加速踏板踏下量成正比的液壓，該液壓作為節氣門開度“信號”加到液壓控制裝置；另外有裝配在輸出軸上的速控液壓閥產生與轉速（車速）成正比的液壓，作為車速“信號”加到液壓控制裝置。因此，就有節氣門開度“信號”和車速“信號”，液壓控制裝置根據這兩個“信號”自動調節變速器油量，從而控制換檔時機。也就是說在汽車駕駛中，駕駛員踏下加速踏板（油門踏板），控制節氣門開度和汽車的行駛速度（變速器輸出軸轉速），就能自動控制變速器內的液壓控制裝置，液壓控制裝置會利用液力去控制行星齒輪系統的離合器和制動器，通過改變行星齒輪的傳動狀態，實現了自動變速。

1、檔位控制及變速模式

檔位控制就是根據汽車運行狀態、外界環境和駕駛員意圖，按照標定好的目標，確定當前車輛的最佳檔位，并通過選換檔執行機構和離合器控制機構控制自動變速器工作在最佳檔位。檔位控制策略的優劣是衡量車輛在采用自動變速技術后能否充分發揮其經濟型、動力性和駕駛性的關鍵。

最佳檔位控制策略的方法一直在不斷發展，早起的決策方案主要采用基于理論求解方法，即選擇一定的換檔控制參數（單參數、雙參數、三參數），按照某種指標的最優目標，通過汽車動力學方程求解，計算出最佳檔位。此方法相對成熟穩定，但它只參考了汽車的行駛狀態和駕駛員意志，而沒有考慮車輛的駕駛環境和駕駛員的意志對傳動系統自動變速控制的影響，缺乏靈活性。20世紀末申水文在雙參數換檔控制方法中，引入坡道和彎道等環境信息，通過修正二參數變速規律，實現了在坡道、彎道等特殊條件環境下按照駕駛員意志正確換檔，進一步優化了檔位控制策略。時至今日，檔位控制策略已經在二參數變速規律的基礎上，充分考慮了外界環境以及整車環境因素：高溫、高寒、高原、上坡、下坡、尾氣催化劑的催化活性、空調采暖效果、負載量等，最終設計出了一系列的變速模式(見表1)。車輛根據道路環境、駕駛員意志、車輛的運行狀態等信息，制定了自適應復雜行駛環境和不同駕駛意圖的換檔控制策略，并有效解決了特定路面上(彎道、坡道、冰面)上的頻繁和不期望的換檔問題。表1左邊列舉的是變速模式，右邊是綜合國內外法規、駕駛員意志以及外界環境定義出的各變速模式的優先級。

表1 變速模式及優先級

2、變速規律

2.1 變速規律的類型

變速規律可分為單參數變速規律、雙參數變速規律以及三參數變速規律。單參數變速規律僅僅考慮車速作為控制參數，此時駕駛員無法直接干預換檔，即無論怎么控制油門都無法觸發換檔，屬于早期的變速規律，現今已很少有整車廠使用。雙參數變速規律則同時參考了車門和油門開度，它是當前世界上主流的變速規律，也是最成熟最穩定的一套規律，配上不同的變速模式，可以很完美的實現在各種外界環境及路況下滿足駕駛員的意圖換檔。最后一種是三參數變速規律，它在雙參數變速規律的基礎上參考了加速度。相比雙參數變速規律相比，它更好的提高了車輛的動力性和經濟型。但缺點是技術不夠成熟穩定。下面主要針對主流的雙參數變速規律來研究。

自動變速器的雙參數變速規律按照油門開度和行駛速度兩個參數來控制換檔。當油門開度（汽油機為節氣門、采油機為高壓油泵齒條位置）及行駛速度變化到某一數值時，就會自動換入新的檔位。汽車變換檔位時候，油門開度a和速度v的關系稱為變速規律（見圖1）。變速規律用換檔圖來表示，換檔圖的橫坐標用車速或者變速器輸入/出軸轉速表示，以每分鐘轉速或每小時公里數為單位；縱坐標用發動機節氣門開度表示，以百分比為單位。圖1中的任何一點，都是有節氣門開度和車速大小所決定的，也稱為變速點或者換檔點。實線表示各升檔線，比如1-2實線決定從1檔升入2檔的時刻。虛線表示各降檔線，比如2-1虛線決定從2檔降到1檔的時刻。這一變速規律決定了變速器系統的結構和調整。

圖1 經濟型換檔線

除此之外，采用換檔圖檢查換檔點是否符合行駛期間自動變速器正確變速規律，也可以對變速器進行道路試驗和故障診斷，因此換檔圖對自動變速器故障診斷檢修也十分重要的。

2.2 降檔速差

汽車在行駛過程中，假設油門穩定在某一開度，當行駛阻力逐漸減小而速度增大并且擊穿圖1中任何一條實線，將實現自動升檔；反之，當車輛速度減小到擊穿任一條虛線時，將自動降檔。這樣，在升、降檔之間就有個重疊區。例如，油門開度穩定在40%時，4-5升檔點速度為50km/h，5-4降檔點速度為40km/h，則在40km/h到50km/h之間，4檔和5檔都有可能工作的。這個速度差(50km/h - 40km/h = 10km/h)稱之為降檔速差。意在將降檔點滯后于升檔點。它是自動變速的一個必要條件，也是進行故障診斷的一個重要指標。

降檔速差的存在也為人工干預換檔提供了可能。如圖1中，我們假設當前檔位在4檔,油門開度穩定在50%左右，此時4-5升檔線在65km/h左右，5-4降檔線在45km/h左右,車輛的行駛速度v在此降檔速差內的50km/h左右(65km/h ＞ v ＞45km/h),如果駕駛員突然急松油門踏板，導致油門開度突然從50%回到0%，此時由于慣性，車速是基本沒變化的，然而油門開度瞬間到達了0%的位置，并且已經起作用了，變速點瞬間垂直往下移到X軸上，擊穿了4-5升檔線，于是升到了5檔。若駕駛員立即又將油門恢復到50%左右，此時車輛可以繼續維持在5檔，不會又回到4檔，實現了干預升檔。反之，駕駛員若突然加大油門后立即恢復到原來的油門開度可實現干預降檔。不必要的升降檔會加速底盤和變速箱的磨損，同時影響汽車的駕駛品質。因此變速器必須要有降檔速差。但是如果一味追求降檔速差大，又會導致經濟型變差。所以在標定降檔速差的時候需要綜合考慮，根據客戶需求，變速器硬件特性取一個平衡點。

目前世界上各大變速器供應商雖然都采用主流的雙參數變速規律來設計換檔線，但是不同廠商之間還是有細微的差別。比如愛信的變速箱一般使用輸出軸轉速來代替車速，大眾用的就是車速。還有一些廠商用輸入軸轉速和油門開度組合來計算換檔線。

2.3 換檔線經濟型和動力性

整車廠在設計汽車的時候，都會著重定義車輛的經濟性和動力性，因為這直接涉及到車輛的油耗和駕駛性。一般而言，一輛新車的油耗和動力就是顧客選擇的重要參數，所以如何設計換檔線的經濟型和動力性就至關重要了。前面介紹了經濟型的換檔線，圖2則代表動力性換檔線，可以明顯的看出動力性換檔線比經濟型換檔線分散且往高車速方向伸展。這是因為動力性換檔線追求的是動力性，所以它主要集中在高功率高轉速階段。

圖2 動力性換檔線

換檔線的經濟型還是動力性需要基于發動機特性曲線。發動機特性曲線將發動機功率、轉矩與發動機曲軸轉速之間的函數關系以曲線表示。

發動機的速度特性曲線表示有效功率、扭矩和比燃料消耗量隨發動機轉速變化而變化的表現，它是由制動試驗臺架上測試得出的。比如保持發動機在一定節氣門開度的情況下，穩定轉速，測取在這一工況下的功率、比耗油。按照一定的轉速間隔依次進行上述步驟。就能測出不同轉速下的數值，這些數值點最終組成了連續曲線，如圖3所示。

圖3 發動機特性曲線

一般而言，在80%節氣門以上的負荷時，由于混合氣加濃使燃油消耗增大，經濟性較差。

在40% - 80%節氣門負荷時，經濟性較好，其中60%節氣門負荷、2000rpm時經濟性最佳。

在20%節氣門以下負荷時，變速器的機械摩擦損失幾乎等于發動機有效輸出功率，經濟性差，車輛不宜工作在該范圍。

在標定各個模式下的換檔線，尤其經濟模式和運動模式，一定要基于發動機特性曲線而定。

3、變速預測

目前主流的汽車自動變速器中，電控液力自動變速器（AT）、電控機械式自動變速器（AMT）和電控機械無級自動變速器（CVT）由于各自的硬件特性，一般不具備變速預測功能。而雙離合變速器（DCT），它得硬件構造相當于是把兩個MT智能的結合在一起，當一根軸在傳遞動力工作的同時，另一根軸是可以提前去掛檔，只要相應的離合器完全打開，則互不干擾。這就為變速預測功能提供了可能性。

變速預測功能根據當前檔位、外界環境和當前的車輛狀況，設計一個檔位預測功能，它可以預測出下一個新的目標檔位，然后命令檔位執行機構先一步掛上此檔位，而當真的目標檔位正式發出請求時，只需要進行扭矩交替即可。變速預測功能可以極大的減少換檔時間，同時也可以實現無動力丟失換檔，但實際上目前的檔位預測技術還不夠穩定。現實中的駕駛工況千變萬化，當今的變速預測功能很難正確的預測到所有目標檔位，它仍然需要不斷的更新和改善。

4、結語

本文介紹了當今世界上的一些主流自動變速器。以電控液力自動變速器和雙離合變速器為研究原型，全面解析了換檔模式及檔位控制策略。同時對自動變速器的變速規律進行了分類，分析了各種變速規律的原理及其性能，介紹了降檔速差和換檔線的經濟型、動力性。初步研究了雙離合變速器的智能化檔位預測功能。

隨著科學技術的發展，人們對車輛的要求越來越高，對汽車企業的要求也越來越高。我們只有不斷投入研發、設計才能滿足客戶日益增加的需求。

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Design and Study of Automatic shift of Automatic Transmission

Qian Jiang1, Liu Hongbo1, Liu Yiqiang1, Li John1, Wang Ruiping1,2
( 1.Ningbo Geely Royal Engine Components Co., Ltd, Zhejiang Ningbo 315336; 2. Zhejiang Geely Royal Engine Co., Ltd, Zhejiang Ningbo 315800 )

Along with the development of science technology and the progress of human society, People's pursuit of the quality of life is getting higher and higher. The quality requirement of the car is also getting higher and higher. The Automatic Transmission of the vehicle makes the automatic shift possibly. It reduces the driver's labor intensity and decreases the pollution emissions. It also improves the power, economy and comfortable for drivers at the same time. Automatic shift technology is one of the key strategies for Automatic Transmission control. It determines the performance of the Automatic Transmission directly. Here firstly introduces the development history of several Automatic Transmissions in the current market, discusses the structure and system principle of Automatic Transmission, describe the strategy of target gear control and the shift mode. Here also introduces each shift’s principle and performance, it analysis the Economy shift maps and Sport shift maps. It shows the Pre-selecting function strategy for Dual Clutch Transmission.

Automatic Transmission; Shift Mode; Shift Pre-selection; Shift Rule

U463.211

A

1671-7988 (2017)02-49-04

錢江，就職于寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.017