液力机械传动履带车辆换挡规律优化方法研究

魏巍，曲婧瑶，武景燕，闫清东

(1.北京理工大学 车辆传动国家重点实验室，北京100081; 2.北京理工大学 机械与车辆学院，北京100081)

自动变速技术可以提高车辆动力性、燃油经济性、操纵稳定性和舒适性，换挡规律是自动变速技术的核心内容，是保证实现自动变速系统最优性能的基础，合理的换挡规律可以充分利用发动机的功率，提高车辆的平均行驶速度、通过性等性能。换挡规律目前有单参数、双参数、动态三参数［1］、工程车辆四参数［2］和智能换挡控制等。

单参数换挡规律结构简单，但不能实现驾驶员干预换挡，且噪声大，难于兼顾动力性、经济性要求，故目前已很少采用。双参数换挡规律克服了单参数换挡规律的缺点，当前采用最多的控制参数是车速与油门开度，并且形成了最佳动力性和最佳经济性换挡规律的制定方法。严格意义的动态三参数规律比较复杂，目前实用程度不高［3］。近年来，越来越多的研究将智能控制理论应用于换挡规律，利用驾驶者的经验及其他专家的知识形成换挡知识库，对传统的二参数或三参数进行了修正和改进。但是，这种方法制定的换挡规律通常取决于驾驶员的经验和水平以及设计人员的理解程度［4］。文献［5］提出了一种基于传统机械数学模型的换挡最优化方法，优化参数的提取和优化过程只是针对离合器的简化模型，具有一定的局限性。

本文利用MATLAB/Simdriveline 构建了某履带车辆动力传动系统的仿真模型，基于车速与油门开度参数编制了双参数换挡规律，应用iSight 优化软件，联合MATLAB 对换挡规律进行协同仿真优化设计，设计流程示意图如图1所示。

图1 优化设计流程示意图Fig.1 Sketch of optimum design process

1 自动换挡仿真模型

在构建液力机械传动整车系统动力学模型过程中，利用面向对象的模块化建模思想，按照自顶向下的方法将系统分解为发动机、闭锁式液力变矩器、多挡齿轮变速机构、负载系统、换挡控制器等多个子模块，并分别建立相应的具有无因果化和可重用性特征的MATLAB/Simdriveline 模型，如图2所示。

并且在对实际系统的简化的同时，遵循以下几点原则:

1)忽略系统间隙;

2)各部件均以集中质量形式出现，其质量集中点位于回转平面中心线上;

3)不考虑传动系部件的弹性和阻尼。

1.1 发动机模型

模型发动机为全程调速式柴油机，根据实验获得的发动机不同油门开度和转速下的输出特性数据，形成一个二维查询表模块MAP 图。发动机动力学方程为

式中:Ie为发动机飞轮等的惯量; ωe为发动机转速;Te为发动机转矩，在仿真过程中通过MAP 图确定;Tac为辅助系统阻力矩;Tload为发动机负载转矩。

1.2 闭锁式液力变矩器模型

闭锁式液力变矩器动态模型如图3所示，其数学模型［6］为

图2 车辆自动换挡无因果系统仿真模型Fig.2 Non-causal system simulation model of vehicle gear-shifting

式中:TDP和TDT为非稳定工况下，泵轮及涡轮轴上的动态转矩;THP和THT为稳定工况下泵轮和涡轮轴上的液力转矩;IP为泵轮及泵轮轴的转动惯量(不含(1)式发动机飞轮等转动惯量Ie);IT为涡轮及涡轮轴及与其刚性连接主要旋转零件的转动惯量; ωP和ωT为泵轮与涡轮的角速度; TF为闭锁离合器摩擦转矩。

图3 闭锁式液力变矩器动态模型Fig.3 Lock-up hydrodynamic torque converter model

当闭锁离合器闭锁时，离合器传递力矩按照换挡离合器的摩擦转矩公式进行计算，并且在闭锁动作完成时THP=THT=0;当闭锁离合器处于分离状态时TF=0.

1.3 多挡齿轮变速机构模型

本文研究的车辆采用的变速部分是三自由度定轴式变速机构，变速机构主要由3 根主轴和其上的6 个液压换挡离合器组成，其中行星机构定轴齿轮、离合器、旋转轴等传动装置由Simdriveline 标准组件构建。

图4 变速机构简化动力学模型Fig.4 Simplified dynamic model of speed-shifting mechanism

1.4 其它模块

负载模块利用动态实验数据按时间处理，事先将数据文件存储在仿真系统中，模拟不同路面进行仿真。此外模型中的换挡控制器采用基于有限状态机原理的MATLAB/Stateflow 构建，这一工具可用于解决如自动换挡等复杂的监控逻辑问题。

2 换挡规律优化设计问题描述

2.1 优化模型

设计变量:不同油门开度α 下，各挡升挡车速vi和降挡速差si;

不同开度下的目标函数:

1)动力性目标:(全油门开度下0～32 km/h 加速时间)

2)换挡平顺性目标:(冲击度及动载系数)

式中冲击度是纵向加速度的变化率，动载系数反映在一个典型工作(行驶或作业)循环内，传动系输出转矩的波动情况。

3)传动系统效率目标

其中

以传动系统效率为优化目标之一，是考虑到在动力与负载间的匹配问题，其主要目的是通过油门开度调整、作业负载主动控制及换挡和闭锁等操纵使液力元件处于高效区工作，避免履带车辆长时间行驶或作业而导致的发热等现象。

约束条件

1)升挡点车速

应充分利用发动机功率，升挡车速取各挡额定功率对应的车速，v*min和v*max分别为以加速时间等为优化目标的升挡车速取值搜索范围上下限。

2)降挡速差

降挡速差的约束根据具体换挡规律(如发散型、收敛型或综合型等)，在不同的油门开度范围进行不同的调整。给出的速差范围是算法在优化换挡规律时降挡车速的搜索区间。

2.2 优化方案特点

在对换挡规律进行优化的过程中，上述自动换挡仿真模型可看作一个在优化过程中被不断调用的求解器系统，将由算法根据输出结果修正的优化变量作为系统的输入，将运行后的结果作为系统的输出，直至获得理想性能。这种优化方案特点在于:

1)可根据不同动力传动系统建立差异化仿真模型;

2)优化参数的提取只取决于技术指标和使用性能的要求，除给定优化约束外对参数的设置和选择没有局限性;

3)便于修改动力学和优化模型，根据不同的优化问题，对应的单一或复合优化算法选取灵活。例如针对复杂的多目标问题进行优化时，可以选择遗传算法，它模拟自然界中的生物进化过程，在解空间进行全局并行搜索，使种群向全局最优的方向收敛;针对单个优化目标的问题时，可以选择二次序列规划方法，收敛速度较快。

3 算例分析

在进行设计变量优化时，往往需要根据不同的行驶工况来选择不同的目标函数进行优化。不同的行驶工况往往对应着不同的换挡模式，如对良好路面的动力性模式、针对起伏路面的越野模式、针对坡道的坡路模式等。而在换挡规律优化设计中，不同模式的优化过程和原理完全相同，只是仿真条件和目标参数选择的差别。本文为验证换挡规律优化设计方法的可行性，取具有典型意义的良好道路条件下、车辆进行2～6 挡的机动行驶的算例进行分析，在计算中α 分别取55%，77%和100%，如图5所示。

在动力学仿真的过程中发现，随着油门开度减小，变速机构输出扭矩波动系数增大，并且在加速过程中要以全开度来测试战技指标。因此对于油门开度55%时，选取阻力系数平均值在0.015，目标为扭矩波动系数; 对于油门开度77%时，选取阻力系数均值0.04，目标为扭矩波动系数; 对于全开度，增设32 km/h 的加速时间为目标，阻力系数0.04，进行优化。

优化前后参数对比见表1，在优化的过程中，当不满意多目标的优化结果时(通常取多目标时参量变化幅度较小)，可以将其中的一个目标作为约束，控制在一定的范围内，图5(a)、(b)的优化结果显示，经过多次优化迭代后，变速机构输出的扭矩波动系数得到明显的改善，并且可以看到传动系统效率与之变化趋势相反，验证了这2 个指标对系统要求的矛盾性。此外，随着油门开度的增大，系统功率利用率有所降低，扭矩波动有所减小。

表1 优化前后参数比较Tab.1 Parameters comparison before and after optimization

全开度下，增加了衡量车辆动力性的加速时间，以多目标的方式进行计算，得到了既减少车辆加速时间，又减少变速机构输出扭矩波动的换挡点。从结果中也可以证明: 1)要想提高车辆的加速性要提前换入高挡，但同时会降低传动系统对发动机功率的利用; 2)经过多次优化结果中换挡点的变化趋势可以看出，对于本次算例中的传动机构，减少换入最高挡位的车速或者减小3～4 挡和4～5 挡之间换挡点的差值，对变速机构输出扭矩的波动有较大影响。

4 结论

针对某型液力机械传动履带车辆，提出一种可应用于一般车辆的自动换挡规律集成优化设计方法。根据不同行驶工况可分别选用功率利用率、转矩波动系数和加速时间等作为优化目标，对换挡点进行优化计算。仿真结果表明，该方法对提高车辆动力性和换挡平顺性有理论和实际意义。

References)

［1］葛安林，李焕松，武文治.动态三参数最佳换挡规律的研究［J］.汽车工程，1992，(4):239 -246.GE An-lin，LI Huan-song，WU Wen-zhi.Optimized shift schedule controlled by dynamic 3-parameter［J］.Automotive Engineering，1992，(4):239 -246.(in Chinese)

［2］丁春凤.工程车辆四参数自动变速技术研究［D］.吉林:吉林大学，2004.DING Chun-feng.Study on automatic shift technology with fourparameter of construction vehicle［D］.Jilin: Jilin University，2004.(in Chinese)

［3］叶丹.工程车辆三参数自动变速理论研究［D］.吉林:吉林大学，2004.YE Dan.Study on three parameters for automatic transmission theory of engineering vehicle［D］.Jilin: Jilin University，2004.(in Chinese)

［4］龚捷，赵丁选.工程车辆自动变速器换挡规律研究及自动控制仿真［J］.西安交通大学学报，2001，35(9):930 -934.GONG Jie，ZHAO Ding-xuan.Study on shift schedule and autocontrolling simulation of automatic transmission ［J］.Journal of Xi’an Jiaotong University，2001，35(9): 930 -934.(in Chinese)

［5］张金柱.基于模型的自动变速器换挡最优化方法［J］.黑龙江工程学院学报，2005，6:45 -47.ZHANG Jin-zhu.Optimization of shifting process for automatic transmission based on a model［J］.Journal of Heilongjiang Institute of Technology，2005，6:45 -47.(in Chinese)

［6］陈东升，项昌乐，刘辉.液力变矩器的动态特性和动力学模型研究［J］.中国机械工程，2002，6(11):913 -916.CHEN Dong-sheng，XIANG Chang-le，LIU Hui.Study on the dynamic characteristic and dynamics model of hydrodynamic torque converter［J］.China Mechnical Engineering，2002，6(11):913 -916.(in Chinese)