AMT 變速器兩參數(shù)換擋規(guī)律優(yōu)化研究

吳 楊，曹 建，楊建森，劉忠海，董強強

（中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300）

換擋規(guī)律主要是針對換擋參數(shù)物理變量如何選取及如何優(yōu)化合理傳動比，使發(fā)動機輸出的轉(zhuǎn)矩最大限度地通過離合器及變速箱傳動比分配給后橋及車輪。獲取其傳動比數(shù)據(jù)對車輛平穩(wěn)順暢換擋，提高燃油效率及車輛舒適性具有重要意義[1]。

控制參數(shù)的多少對車輛換擋有指導(dǎo)性，如單參數(shù)換擋規(guī)律通常可以選取油門開度[2]、發(fā)動機轉(zhuǎn)速及車速等中的一個作為控制變量，車速可根據(jù)后文（3）式中公式積分求得，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，但道路條件不好時需要頻繁換擋[3]；兩參數(shù)換擋規(guī)律一般以車速和油門開度作為控制參數(shù)[3]；相較于兩參數(shù)換擋規(guī)律，三參數(shù)換擋規(guī)律在其基礎(chǔ)上引入了車輛加速度，進一步反映了車輛的實際操縱規(guī)律[3]，但由于車輛在行駛中很多時間處于非穩(wěn)定狀態(tài)，如車輛的起步、加速過程等，由于安裝加速度傳感器增加了成本且不利于控制，因此沒大范圍推廣使用[4]。兩參數(shù)換擋規(guī)律介于以上兩者之間，既能滿足要求又能控制成本，因此本文以兩參數(shù)為基礎(chǔ)，采用Cruise GSP 模塊對汽車AMT 換擋規(guī)律進行分析，并結(jié)合相應(yīng)工況進行優(yōu)化，來提高車輛的燃油消耗率及排放性[1]。

1 汽車系統(tǒng)模型建立

1.1 整車建模參數(shù)

仿真車輛整車建模參數(shù)見表1。

表1 仿真車輛參數(shù)

1.2 Cruise 整車模型建立

Cruise 軟件由奧地利李斯特公司研發(fā)，其良好的部件參數(shù)設(shè)置界面，為傳統(tǒng)汽車、新能源汽車建模與仿真提供了方便，也對新車型的開發(fā)提供了指導(dǎo)。為研究AMT 的兩參數(shù)換擋規(guī)律，選用Cruise 內(nèi)置的換擋規(guī)律生成功能及優(yōu)化模塊——GSP Generation/Optimization.，可根據(jù)用戶自定義的邊界條對換擋進行控制和優(yōu)化[5]。在Cruise 中建立的AMT 模型如圖1 所示。

圖1 Cruise 整車仿真計算模型及路試試驗用車

1.3 換擋規(guī)律生成

換擋原理：傳動系統(tǒng)的合理匹配及相關(guān)參數(shù)的選取直接決定車輛動力性與經(jīng)濟性的好壞。制定換擋規(guī)律就是為了求得在最佳油耗下某相鄰兩檔位換擋點的速度ν，根據(jù)ν 即可得到發(fā)動機特性下的油門開度a，由（a，ν）計算出動力總成功率及發(fā)動機轉(zhuǎn)矩，但由于換擋的延遲性，計算出的數(shù)據(jù)只能無線逼近理想特性曲線。因此根據(jù)加速度特性進行經(jīng)濟性換擋規(guī)律制定，輸入整車各部件的參數(shù)之后，在GSP 模塊的子目錄下進行換擋參數(shù)設(shè)置，并在cycle run 下設(shè)置循環(huán)工況條件。圖2 為相鄰檔位間車速與節(jié)氣門開度關(guān)系，用于指導(dǎo)換擋參數(shù)設(shè)置。

圖2 GSP 換擋原理[6]

為了生成換擋規(guī)律，需首先獲得車輛加速度曲線。速度阻力是車輛加速時必須克服的慣性力，根據(jù)牛頓第二定律，加速度阻力使車輛產(chǎn)生線加速度。

而總的驅(qū)動力

因此，整車及加速度為

式中：a為整車加速度，F(xiàn)te為牽引力，F(xiàn)rr為滾動阻尼，F(xiàn)rg為坡道阻尼，F(xiàn)ad為空氣阻力，Mν為整車質(zhì)量。根據(jù)公式得到整車加速度曲線及換擋時序曲線[2]，圖3 為不同節(jié)氣門開度下整車加速度曲線。

圖3 整車加速度曲線

由AVL Cruise 軟件仿真得到的換擋規(guī)律如圖4所示。

圖4 換擋時序

2 汽車傳動系統(tǒng)仿真分析

2.1 傳動系統(tǒng)優(yōu)化流程

因汽車通常是根據(jù)某一循環(huán)工況行駛的，因此很有必要研究汽車換擋規(guī)律在某一循環(huán)工況內(nèi)對汽車傳動系統(tǒng)狀態(tài)有何影響[7]。Cruise 的GSP 模塊是基于Cruise 環(huán)境中搭建的車輛模型，主要設(shè)置兩大參數(shù)，一個是固定任務(wù)里的不同檔位下發(fā)動機在1 000 轉(zhuǎn)時的車速、踏板采樣點等。另一個為優(yōu)化參數(shù)設(shè)置，燃油排放上限、循環(huán)工況等設(shè)置[8]。根據(jù)這些設(shè)置，考慮檔位、油門開度、踏板等參數(shù)，并在所給工況條件下運行，得出優(yōu)化數(shù)據(jù)，如工況優(yōu)化、K 曲線優(yōu)化、節(jié)氣門開度優(yōu)化等，進而得出燃油經(jīng)濟性能和排放性能的平衡曲線，如圖5 所示。

圖5 燃油經(jīng)濟性能和排放性能的平衡曲線

根據(jù)Cruise 優(yōu)化流程，現(xiàn)對汽車換擋規(guī)律優(yōu)化流程進行簡要描述：GSP 模塊讀取設(shè)置的發(fā)動機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)與車速，然后擬合出發(fā)動機map 圖，再根據(jù)設(shè)置的排放上限值和循環(huán)工況數(shù)據(jù)進行運行，來計算汽車燃油性和排放性，軟件根據(jù)時間車速工況來計算相應(yīng)工況下的功率，計算出不同的K 因子后，得到相應(yīng)的傳動系統(tǒng)狀態(tài)[9]，燃油經(jīng)濟性能和排放性能的平衡曲線。任務(wù)結(jié)束后，根據(jù)GSP 生成的報告，即可查看不同擋位的工作情況、燃油消耗、尾氣排放、循環(huán)工況敏感性分析等數(shù)據(jù)。

在GSP Optimization 中，Cruise 是通過K-Factor來實現(xiàn)給定的循環(huán)工況對燃油消耗量和NOx的排放進行平衡計算。最優(yōu)K-因子的定義如下式

式中：Optimum 為最優(yōu)，Consumption 為燃油消耗量，Emission 為尾氣的排放量[9]。

2.2 傳動系優(yōu)化結(jié)果

1）圖6 為K 因子曲線與尾氣排放的疊加圖，根據(jù)發(fā)動機設(shè)計的排放標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮NEDC 工況和計算精度，計算得出NEDC 循環(huán)工況下該車結(jié)果，K 最優(yōu)值可取為0.7（K 的取值與設(shè)置的尾氣排放量有關(guān)），消耗燃油5.35 L/100 km；氮氧化物排放0.299 g/km。表2 為NEDC 循環(huán)工況換擋規(guī)律優(yōu)化前后運行油耗對比，由圖4 與圖7 比較，將優(yōu)化后的換擋參數(shù)輸入到控制器后重新調(diào)校后，優(yōu)化后的換擋規(guī)律曲線較之前平順不少，重新進行路試時換擋更加平順穩(wěn)定，換擋時的頓足感明顯減輕，燃油消耗和尾氣排放也相應(yīng)減少。

圖6 最佳車速下的節(jié)氣門開度

圖7 換擋時序優(yōu)化

表2 NEDC 循環(huán)工況換擋規(guī)律優(yōu)化前后運行油耗對比

2）軟件根據(jù)節(jié)氣門位置傳感器來測量駕駛員踩下加速踏板的程度，ECU 根據(jù)該信息來調(diào)整換擋規(guī)律、管路油壓、換擋感覺和變矩鎖止離合器的控制，通過調(diào)整K 因子曲線，車速節(jié)氣門開度曲線及換擋曲線得到兩者疊加圖（圖8），由采用疊加重合區(qū)域的數(shù)據(jù)進行整合，通過此方法能快速優(yōu)化給定工況下的換擋規(guī)律，有利于車輛的開發(fā)[10]。

圖8 節(jié)氣門開度、變速器比與車速關(guān)系優(yōu)化

3 結(jié)論

1）采用Cruise 優(yōu)化模塊，選取換擋參數(shù)，生成最佳經(jīng)濟性換擋規(guī)律。并根據(jù)NEDC 工況，對換擋規(guī)律數(shù)據(jù)進行優(yōu)化整合，用整合后的數(shù)據(jù)生成新的換擋曲線，并再次對整車實際路況測試，事實證明，采用再次生成的換擋曲線進行換擋指導(dǎo)能提高整車性能。

2）本文較為深入地研究了改裝電動車的AMT 換擋規(guī)律，取得一定成績，但主要還是基于理論研究來對換擋規(guī)律進行研究與制定，因此還需要在實際使用中不斷地修改和調(diào)整變速箱的標(biāo)定數(shù)據(jù)。另外針對我國的道路情況與NEDC 工況的差異性，有必要采集相應(yīng)的路譜數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Cruise 中，用于檢測優(yōu)化后的換擋規(guī)律。