商用車AMT智能換擋規律設計及標定方法

侯圣棟，王 磊，劉恩良，張思遠，張帥帥

商用車AMT智能換擋規律設計及標定方法

侯圣棟，王 磊，劉恩良，張思遠，張帥帥

（陜西重型汽車有限公司 汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

文章以一款電控機械式自動變速器（AMT）車型為研究對象，基于坡度、載重、行駛環境等因素，開發不同工況下的控制策略，精準標定。在滿足細分市場客戶動力性需求的前提下，結合發動機燃油消耗率圖譜、排放熱管理圖譜，標定電控機械式自動變速器換擋升降擋曲線，保證車輛運營于發動機最優燃油經濟、排放性能區間，使整車油耗最優，實現排放一致性達標，以滿足法規及客戶需求。

商用車；AMT；智能換擋規律；標定方法

據統計，我國2020年電控機械式自動變速器重卡銷量同比增長近300%，電控機械式自動變速器憑借其高傳動效率、低成本、結構緊湊和工作可靠的優點將具備長久的技術生命力，中國的重卡電控機械式自動變速器時代即將到來[1]。商用車具有發動機后備功率低、變速器擋位數量多、行駛工況復雜等特點，在路況比較好時，應使發動機工作于最佳燃油區間，以達到節油的目的；在路況較惡劣的山區、坡道等工況，要求車輛有較好的動力性，而車輛的動力性與經濟性是一對矛盾的指標，所以，智能換擋規律要根據路況特點實時調節換擋線，以達到平衡油耗和駕駛性的目的。

本文以一款電控機械式自動變速器車型為研究對象，基于坡度、車重、行駛環境等因素設計換擋規律，智能切換不同模式，結合發動機燃油消耗率圖譜、排放熱管理圖譜，標定電控機械式自動變速器換擋升降擋曲線，保證車輛運營于發動機最優燃油經濟、排放性能區間，使整車油耗最優，實現排放一致性達標，以滿足法規及客戶需求。

1 整車仿真模型建立

1.1 換擋策略仿真計算流程

基于整車和動力傳動系參數生成基礎換擋Map，通過客觀評價指標對其駕駛性進行評價并優化，以快速應對自動變速箱的整車匹配標定開發。換擋策略生成—評價—優化計算流程如圖1所示。

圖1 換擋策略生成－優化－評價流程

1.2 仿真模型建立

通過Cruise建立整車仿真模型，如圖2所示，整車模型包括車身、發動機、離合器、變速器、后橋、車輪、掛車、AMT換擋模塊等部件。

圖2 整車AMT仿真模型

2 換擋規律設計

2.1 策略方案設計

換擋規律設計的好壞直接關系到車輛的動力性、燃油經濟性、排放特性、安全性與舒適性。商用車以追求經濟性為根本目標，但在惡劣的工況下又要有足夠的動力性。本文采用兩參數設計最佳經濟性和最佳動力性基本換擋規律，參考整車加速度進行躍級換擋[2]，根據整車載重及行駛環境實時進行動態修正，確保車輛在行駛過程中充分發揮其經濟性和動力性。策略方案設計如圖3所示。

圖3 換擋策略方案

2.2 基礎換擋策略設計

2.2.1最佳燃油經濟性換擋規律

在經濟模式下，著重考慮降低油耗兼顧駕駛性，本文最佳燃油經濟性換擋規律是根據發動機燃油消耗率制定的，根據發動機的萬有曲線，可以得到每個工作點相對應的燃油消耗率Be，比較相鄰兩個擋位的Be，當A擋位不小于B擋位Be時，則A擋位切換為B擋，此工作點對應的發動機扭矩和車速標定為該換擋點對應的油門開度和車速[3]。

為了避免頻繁換擋，升擋線和降擋線之間設置有一定緩沖區。降擋線比升擋線按一定收斂原則制定。換擋規律的發散和收斂程度用來評價[4]，如公式為

式中，u↑為油門全開時擋升為+1擋時的車速；u+1↓為油門全開時+1擋降為擋時的車速。

為了避免換擋循環，降擋車速比升擋車速低2～8 km/h[5]。

2.2.2最佳動力性換擋規律

動力性換擋要求汽車的牽引特性得到最好的利用，充分發揮發動機的功率，以便獲得最佳的加速能力和爬坡能力，提高平均行駛車速和最高車速[6]。

在汽車的行駛加速度曲線上選擇相同油門相鄰擋位加速度相同的點，如公式為：ddt=ddt+1，將不同油門加速度相同的點連接起來即動力性換擋規律。平路時車輛加速度為

根據行駛阻力的組成，公式（2）可以寫成：

根據動力性換擋規律設計原則，公式（3）可表示為

發動機轉速與汽車行駛速度之間的關系公式為

將發動機扭矩由車速擬合公式為

e=0+1+22（6）

式中，0、1、2為擬合系數。

聯立式（4）—式（6），求得即是相鄰兩擋位的換擋點，若無解，即相鄰兩擋加速度無交點，取每擋最高車速點為升擋點，仿真結果如圖4所示。

圖4 各擋位加速度曲線

2.3 換擋規律動態修正

整車載荷和坡度阻力是重型商用車換擋規律的兩個重要控制輸入量，可以根據動態載荷和坡度的識別對擋位進行差值修正[7]。

通過2.2節計算空載及滿載下的換擋點，任意載荷下的換擋線通過插值得到，表達式如下：

m=m(e)+e（7）

式中，m=(f-e)/(f-e)；為整車實際載荷；e為空載整車載荷；f為滿載整車載荷；e為空載換擋點車速；f為滿載換擋點轉速。

坡度修正原理與載荷修正相同，計算公式為

s=s(-0)+0（8）

式中，m=(max-0)/(max-0)；為實際坡度；0為平路坡度，近似為零；max為最大坡度；0為平路換擋點車速；max為最大坡度換擋點轉速。

3 換擋規律標定

3.1 桌面標定

桌面標定主要是輸入與變速器相關的技術參數，包括整車參數、車重、發動機臺架數據、功能模塊定義、變速器基礎數據等，基于這些參數設定基礎換擋線，再對該換擋線分析各項性能指標，并考慮坡度、車重等因素進行優化，其中在擋時間分析如圖5所示，降擋加速度分析如圖6所示，結果符合性能指標要求。

圖5 在擋時間分析

圖6 降擋加速度分析

3.2 換擋線及其確定方法

換擋曲線的標定要基于整車參數、發動機Pedal-map，綜合考慮駕駛性、燃油經濟性、ECU的排放，自主AMT采用兩參數換擋規律，即根據油門開度和車速決定最佳擋位，標定原則如下：

1）小轉矩區油耗都比較高，盡量使用中大轉矩區；

2）在同樣的油耗率情況下，選擇較低的發動機轉速，這樣可以避免發動機高速時的噪聲及降低機械磨損；

3）負荷率決定排溫水平，動力系統決定負荷率，使車輛盡可能運行在高擋位，提高發動機負荷率，提升系統熱管理水平。低負荷工況，主要要求舒適、穩定、發動機噪聲小，減少發動機熱管理時長；中高負工況，保證動力性相當，通過降低換擋線轉速，提升負荷率，遠離熱管理區間；怠速工況，提高空擋滑行占比，優化怠速油耗。發動機萬有特性及熱管理如圖7所示。

圖7 發動機萬有特性及熱管理示意圖

4 實車驗證

本文所述的換擋規律應用于16擋AMT重型商用車上，選擇平路及山區進行正常駕駛，行駛車速范圍為0～95 km/h。在動態修正換擋規律模式下，對于不同油門及坡度下均能夠計算合適擋位，沒有出現循環換擋現象。通過大數據對行駛數據分析如圖8、圖9所示，平原工況轉速集中在最優經濟轉速區間，山區工況滿足駕駛員動力需求的前提下盡量保證整車經濟性的要求。

圖8 平原工況發動機工作點分析

圖9 山區工況發動機工作點分析

AMT換擋中斷造成車速下降，尤其在坡道車速下降更迅速，因此，車輛在坡道行駛過程中盡量不換擋，必須換擋時最好減少換擋次數，采用越級換擋策略。圖10坡度為8%，彎道工況，行駛阻力增加，換擋系統進行越級降擋，直接由10擋降入7擋。彎道通過后阻力減小，由7擋逐級升至9擋。

圖10 坡道彎道換擋工況

5 結論

本文通過分析商用車細分市場特點，對換擋規律進行了研究，提出了根據行駛環境實時進行動態修正的換擋策略方案和標定方法，在基礎換擋策略基礎上，針對車重、彎道及坡道等特殊工況設計了符合駕駛人意圖的動態換擋策略，最后通過MATLAB/Simulink搭建控制模型進行實車驗證，試驗表明，本文提出的換擋規律和標定方法滿足駕駛員對駕駛動力、舒適性、燃油經濟性和耐久性的需求。

[1] 張國旭.AMT車輛低速巡航過程的離合器轉速控制研究[D].長春:吉林大學,2021.

[2] 劉貽樟.AMT控制技術[M].北京:機械工業出版社, 2016.

[3] 王建忠.商用機械式自動變速器控制策略關鍵技術研究[D].長春:吉林大學,2014.

[4] 叢曉妍.重卡AMT自動換擋策略及關鍵參數研究[D].濟南:山東大學,2017.

[5] 劉文營.重型商用車電控機械式自動變速器換擋規律的研究[D].長春:吉林大學,2009.

[6] 張蘇文.基于駕駛員意圖的AMT換擋控制策略研究[D].重慶:重慶大學,2014.

[7] 師帥,劉四海,呂二華,等.基于載荷和坡度的商用車AMT換擋規律修正方法[J].傳動技術,2018,32(2): 18-20.

Design and Calibration Method of AMT Intelligent Shift Law for Commercial Vehicle

HOU Shengdong, WANG Lei, LIU Enliang, ZHANG Siyuan, ZHANG Shuaishuai

( Institute of Automotive Engineering R&D,Shaanxi Heavy Duty Automobile Company Limited, Xi'an 710200, China )

This paper takes an electronic mechanical automatic transmission (AMT) model as the research object. Based on slope, load, driving environment and other factors, the control strategy under different working conditions is developed and calibrated accurately.On the premise of meeting the power needs of customers in market segments, the shifting and lifting curves of electronically controlled mechanical automatic transmission are calibrated in combination with the engine fuel consumption ratio graph and emission thermal management graph, so as to ensure that the vehicle is operated within the optimal fuel economy and emission performance range of the engine, optimize the vehicle fuel consumption and achieve emission consistency standards,and meet the requirements of regulations and customers.

Commercial vehicle; AMT; Intelligent shift schedule; Calibration method

U463.212

A

1671-7988(2023)10-61-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.010.012

侯圣棟（1986—），男，碩士，工程師，研究方向為AMT自動變速器控制理論及應用，E-mail:hsd7531346 @126.com。