自动变速器换挡规律研究

李莹，王晓娟，冯挽强，张楠

（1.辽宁营口职业技术学院，辽宁营口 115000;2.华晨汽车工程研究院，辽宁沈阳 110141）

0 前言

液力自动变速器AT（Automatic Transmission）以液力变矩器串接齿轮式机械自动变速器为特征，其特点是换挡冲击小、传动平稳，长期以来一直是汽车自动变速器产品中的主流机型。对其换挡规律的研究成果有较强的代表性和通用性。换挡规律指自动变速器根据车速、油门开度等参数进行换挡的规律，包括升挡、降挡和锁止规律等。在标定工作中常被直译为换挡MAP。

文中对某AT轿车进行动力学分析，建立整车的数学模型，在此基础上给出常规模式下换挡规律的制定过程。车辆根据路面状况不同，有多种换挡模式，如常规模式 （水平良好路面）、小坡路模式 （坡度5%以下）、大坡路模式 （坡度5%以上）、冰雪路面模式等。非常规模式下的换挡规律可沿用常规模式的计算方法，在常规换挡规律的基础上修改得到。文中的换挡规律，如无特殊说明都是指常规模式下的。

1 AT车动力学模型

某AT轿车采用自动变速器的型号为5F16，其结构简图如图1所示，该车动力传动系统由发动机、变矩器、变速机构、传动轴、主减速器、车轮等组成。该车采用4A92发动机，其发动机部分负荷特性曲线 （Pedal Map）如图2所示，利用5F16液力变矩器的无因次特性及AT车动力学模型为下面计算和修改换挡MAP，确定换挡规律提供了必要的理论依据。

2 基本升挡规律

由上面的AT车动力学模型，可计算基本升挡规律，包括动力性升挡规律和经济性升挡规律。

在这个过程中还需要用到如表1所示参数。

表1 AT车基本参数

实际计算过程中为简化起见，用F=δm来计算加速阻j力［1］。表1的质量换算系数为各挡位时的δ值。

2.1 动力性升挡规律

以车速为横坐标轴，踏板油门开度为纵坐标轴，建立坐标系。横坐标方向，单位为km/h，每隔1 km/h作一条竖线;纵坐标方向，单位为踏板油门开度，取0到100，每隔1开度作一条横线。这样，坐标系分为200×100的20 000个格子。由车速可求得发动机转速，由油门开度和发动机转速查发动机部分负荷特性 （Pedal Map）可求得发动机转矩，得到每个网格对应的发动机工况。在5个挡位下，分别计算出每个格子对应的车辆加速度，取最大值对应的挡位，根据挡位将格子涂成不同颜色，可得到动力性升挡规律，如图3所示。颜色从暖到冷代表从1挡到5挡。不同颜色的区域代表了动力性最好的挡位选择，显然，不同颜色的交界线即为动力性升挡线。

2.2 经济性升挡规律

制定经济性升挡规律，也要用到Pedal Map。此外，还需要发动机燃油经济性曲线，如图4所示。

建立坐标系，划分网格以及确定网格对应的发动机工况的过程与动力性升挡规律相同［2］。由发动机转速和转矩，对照图4，可求得每个格子对应的燃油消耗率。在5个挡位下，分别计算出每个格子对应的燃油消耗率，取最小值对应的挡位，根据挡位将格子涂成不同颜色，可得到经济性升挡规律，如图5所示，颜色从暖到冷代表从1挡到5挡。不同颜色的区域代表了经济性最好的挡位选择，显然，不同颜色的交界线即为经济性升挡线。

3 升挡规律

3.1 升挡规律的前处理

升挡规律通过修改动力性升挡规律和经济性升挡规律得到，这是一条表达油门与车速关系的曲线，该曲线不能有向横坐标轴负方向移动的趋势，因此前文得到的动力性升挡规律和经济性升挡规律需要前处理一下。具体原则为:每当颜色交线有向横坐标轴负方向移动的趋势时，将交线向纵坐标轴正方向延伸，直至与原交线相交或延伸至顶，并根据新交线确定网格颜色。

根据此原则，动力性升挡规律无需更改，更改后的经济性换挡规律如图6所示。

3.2 升挡规律的制定

在实际的换挡MAP中:在小油门时认为驾驶员更看重动力性，采用动力性升挡规律;在大油门时认为驾驶员更看重经济性，采用经济性升挡规律。因此，在油门0到25%的范围内，取经济性升挡规律，在油门70%到100%的范围内，取动力性换挡规律，将升挡线的2段用直线相连，可得综合升挡规律，如图7所示。

3.3 升挡规律的修改

观察图7的升挡规律，可发现存在两个问题:小油门升挡时发动机转速过低，大油门升挡时发动机转速过高。由理论分析和驾驶经验可知:若升挡时发动机转速过低，发动机扭矩输出不足，车辆抖动感明显，小油门时尤其明显;若升挡时发动机转速过高，发动机噪声较大，对发动机寿命和油耗也有不利影响，低挡位时尤其明显。因此，出于设计目标的考虑，需要将图7的升挡规律小油门段右移，大油门段左移，具体规定为:

（1）1挡升2挡时，20%油门开度及以下发动机转速1 500 r/min时升挡，70%油门开度及以上发动机转速5 000 r/min时升挡，中间部分用直线连接。

（2）2挡升3挡时，因为车速和挡位较1挡升2挡时更高，综合考虑动力经济性后，调整为15%油门开度及以下1 600 r/min升挡，75%油门开度及以上5 400 r/min升挡，中间部分用直线连接。

（3）3挡升4挡时，车速和挡位继续升高，综合考虑动力经济性后，调整为15%油门开度及以下1 600 r/min升挡，75%油门开度及以上5 600 r/min升挡，中间部分用直线连接。

（4）4挡升5挡时，车速和挡位已经很高，综合考虑动力经济性后，调整为20%油门开度及以下1 600 r/min升挡，60%油门开度及以上4 000 r/min（外特性最大扭矩点）升挡，70%油门开度及以上7 800 r/min升挡 （约最高车速的125%，在4挡4 000 r/min时车速已经130 km/h以上，此时还大油门表明驾驶员只考虑动力性，因此在此设置一个不可能达到的车速，保证60%油门开度及以上基本不升挡），各点中间部分用直线连接。

修改后的综合升挡规律与HPT初版升挡MAP对比如图8所示，黑色线条为HPT的升挡MAP。二者比较接近，差别主要在中间段。具体差别在于:1挡升2挡时，HPT的换挡MAP中间段更注重动力性，升挡线偏右;2挡升3挡和3挡升4挡时，HPT的换挡MAP中间段更注重经济性，升挡线偏左。可根据此原则修改MAP，后续标定工作只需根据经验和实际驾驶感觉继续微调即可。

4 降挡规律和锁止规律

降挡规律和锁止规律在升挡规律基础上作出，相关文献提及时往往没讲清楚，但仍可总结出如下基本原则。

4.1 降挡规律

（1）基本降挡线根据升挡线向左平移得到，称为等延迟原则。

（2）升挡线与降挡线最小间隔3 km/h，防止循环换挡。

（3）随着油门与车速升高，升挡线与降挡线间隔应逐渐加大，尽量在高挡位行驶，保证经济性。

（4）在大油门时，升挡线与降挡线间隔应较中油门时小，保证与Kick Down工况下降挡超车原则一致。

（5）降挡线与升挡线之间的区域应为上下窄，中间宽的形状［3］。

由以上原则可制定具体降挡规定如下:

（1）2挡降1挡时，88%油门开度及以下降挡线与1挡升2挡小油门时升挡线间隔3 km/h，90%油门开度及以上固定2 000 r/min降挡，中间部分直线相连。

（2）3挡降2挡时，40%油门开度及以下降挡线同2挡降1挡降挡线，50%油门开度时固定1 250 r/min降挡，88%油门开度时固定2 250 r/min降挡，90%油门开度及以上固定3 000 r/min降挡，其余部分直线相连。

（3）4挡降3挡时，25%油门开度及以下固定800 r/min降挡，88%油门开度时固定2 800 r/min降挡，90%油门开度及以上固定3 800 r/min降挡，其余部分直线相连。

（4）5挡降4挡时，25%油门开度及以下固定900 r/min降挡，60%油门开度时固定2 000 r/min降挡，90%油门开度及以上固定3 900 r/min降挡，其余部分直线相连。

由此得到的降挡线与HPT的降挡线对比如图9所示。

4.2 锁止规律

（1）低挡时 （一般1、2挡）变矩器不闭锁，保证动力性和车辆平稳性;高挡时 （一般3挡和3挡以上）变矩器闭锁，提高变矩器效率和经济性。

（2）锁止线以对应升挡线 （如5挡锁止线与4挡升5挡升挡线对应）为参考制定，解锁线对应降挡线 （如5挡解锁线与5挡降4挡降挡线对应）为参考制定。

（3）锁止时:小油门时发动机扭矩输出不足，为防止车辆抖动，要先换挡后锁止，此时锁止线应在升挡线右侧;中油门时为保证经济性，提升变矩器效率，要锁止后换挡，此时锁止线应在升挡线左;大油门时为保证动力性，提升变矩器效率，要先换挡后锁止，此时锁止线应在升挡线右侧。

（4）解锁时:小油门和中油门时为保证行车辆驶平稳，要先解锁后换挡，此时解锁线应在降挡线右侧;大油门时为保证动力性，要先降挡后解锁，此时解锁线应在降挡线左侧。

（5）闭锁线与对应解锁线之间的区域应为上下窄，中间宽的形状。

由以上原则可制定具体锁止和解锁规定如下:

（1）3挡时:0到40%油门开度时车速40 km/h闭锁，70%油门以上闭锁车速比对应升挡车速低1 km/h，其余部分直线相连;0到35%油门开度时车速20 km/h解锁，80%油门以上车速50 km/h解锁，其余部分直线相连。

（2）4挡时:0到35%油门开度时车速55 km/h闭锁，80%油门以上闭锁车速比对应升挡车速低1 km/h，其余部分直线相连;0到30%油门开度时车速35 km/h解锁，85%油门以上车速90 km/h解锁，其余部分直线相连。

（3）5挡时:0到25%油门开度时车速60 km/h闭锁，将25%油门60 km/h车速这一点和4升5升挡线约140 km/h处的折点直线相连，再与65%油门车速340 km/h直线相连 （设定的一个不可能达到的车速），65%油门以上340 km/h闭锁;0到35%油门开度时车速50 km/h解锁，65%油门时车速100 km/h解锁，70%油门级以上340 km/h（设定的一个不可能达到的车速）解锁。

修改后的锁止和解锁规律与HPT初版升挡MAP对比如图10所示，黑色线条为HPT的升挡MAP。二者比较接近，可在此基础上修改MAP，后续标定工作只需根据经验和实际驾驶感觉继续微调即可。

5 结论

文中在动力学分析的基础上建立整车的数学模型，根据发动机万有特性曲线与设计目标得到基本的动力性和经济性升挡规律，结合理论分析和实际经验修改，得到了包括变矩器锁止和解锁规律在内的常规模式下换挡规律。该换挡规律与HPT给出的常规模式下MAP很接近，后续工作只需在此基础上依据驾驶感觉，继续完善即可。非常规模式下的换挡规律，基本升挡规律计算方法与常规模式相同，部分参数 （如坡度、滚动阻力等）需要相应变动，结合理论分析和实际经验修改，可得到非常规模式的升挡规律，并据此得到非常规模式的换挡规律。

文中的换挡规律研究不仅给出了某AT轿车换挡MAP制定的过程，也可用来指导其他自动变速车辆 （如AMT，DCT等）的换挡MAP标定工作 （具体计算时需要对传动系效率等参数进行相应调整），具有一定的通用价值和借鉴意义。

【1】葛安林.车辆自动变速理论与设计［M］.北京:机械工业出版社，1993.

【2】中国汽车技术研究中心标准化研究所，中国质检出版社第三编辑室.汽车标准汇编2010［M］.北京:中国标准出版社，2011.

【3】吕晓明.利用 GT-DRIVE进行整车动力性经济性仿真分析［C］//CDAJ公司2008中国区用户年会论文集，2008.