经济性换挡提示理论及其仿真

彭慧文，任　平，马康康，潘　龙(安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽合肥　230601)



经济性换挡提示理论及其仿真

彭慧文，任平，马康康，潘龙
(安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽合肥230601)

摘要:针对某款6挡手动变速器车辆，对其匹配换挡提示方案，制定换挡策略。通过油门开度、车速、燃油消耗率3个参数，用Origin软件绘制MAP图，针对图形制定换挡提示的方法，设定合理的升、降挡时机，绘制换挡曲线。利用Cruise仿真计算软件对换挡提示方案进行分析，并对结果进行优化处理。油耗分析结果表明，使用换挡提示时，车辆在城区、郊区和综合工况下的节油比例分别为6．08%、7．56%和6．16%，说明车辆增加换挡提示功能的可行性。

关键词:换挡提示; MAP图;燃油消耗率;升挡线;降挡线;仿真

面对国内日趋严格的油耗法规标准，以及用户在汽车使用过程中对燃油经济性的高度关注，降低油耗已经成为各大汽车企业研究的共同课题。换挡提示作为节油措施之一，此项配置开发成本低，节油效果明显，深受汽车厂家欢迎。

换挡提示是针对手动挡车型在行驶过程中，依据ECU中标定的换挡规律，对车辆行驶在不同工况下仪表显示器上出现相应的挡位提示数字显示的一种配置。换挡提示的核心是换挡规律的设定，目前应用较多的是二参数换挡规律［1］，即根据车速及油门开度决定换挡时机及挡位。但由于汽车起步及换挡过程是加速或者减速的动态过程，为了更好地反映动态过程中的换挡规律，文献［2］提出了三参数换挡规律，三参数为油门开度、车速、加速度。以上二参数或者三参数换挡规律，都没有加入燃油经济性作为约束。而在实际驾驶过程中，驾驶员除了关注车辆的动力性能之外，还会关注车辆的油耗情况。因此在换挡提示中，加入新参数约束换挡规律很有必要。本文针对手动挡变速箱增加换挡提示功能，设定油门开度、车速、燃油消耗率三参数换挡规律，考虑经济性并兼顾动力性优化升降挡策略。利用Cruise软件建立运动仿真模型［3－4］，对比计算模型在NEDC工况下依照换挡提示行驶前后的节油情况。

1　整车边界参数

1．1整车数据

变速器1～6挡的速比分别为3．769、2．053、1．370、0．970、0．778、0．681，主减速器速比为3．842，轮胎滚动半径为0．283 m。

1．2发动机数据

基于现有发动机台架试验数据，可以得到发动机燃油消耗量和扭矩，计算等速情况下汽车的燃油消耗率b为［5］

式中qt为燃油消耗量，kg/h; P为发动机功率，kW，P=Ttqn/9 550，其中Ttq为发动机扭矩，N·m，n为发动机转速。不同发动机转速和油门开度下的燃油消耗率［6］如表1所示。

表1　不同发动机转速和油门开度下的燃油消耗率

1．3各挡位燃油消耗率MAP图

各挡位下不同发动机转速对应的车速ua为

式中r为轮胎滚动半径，m; ig为变速器速比; i0为主减器速比。

依据车速、油门开度、燃油消耗率参数［7］，利用origin软件绘制1挡燃油消耗率MAP图［8］。对燃油消耗率数据进行筛选，保留具有代表性的区间，最终选择燃油消耗率区间为220～350 g/(kW·h)。1挡燃油消耗率MAP图如图1a)所示。同理绘制2挡和3挡燃油消耗率MAP图，如图1b)、1c)所示。对比图1的a)、b)、c) 3个图可以看出，三者纵坐标油门开度数值相同，而横坐标车速按照一定比例变化。按照一定比例横向拉伸图b)、c)的横坐标，可以得到与图a)重合的图形。依据此方法分别得到4挡、5挡、6挡的MAP图。各挡位车速标尺依据变速器速比计算得出，这样可以在1张图中进行换挡提示方案的编制［9］。

图1　仿真车1～3挡燃油消耗率MAP图

根据各挡位发动机的最低稳定转速换算得出标尺的最低车速，如表2所示。

表2　各挡标尺最低车速

发动机最高转速5 200 r/min，由式(1)计算得到1挡标尺的最高车速u1为37. 84 km/h。

根据1挡标尺的最高车速及各挡位的变速器速比，求得2～6挡标尺的最高车速，最高车速的计算公式为

式中i1，in分别为变速器1挡及2～6挡变速比。

依据式(2)计算2～6挡标尺的最高车速分别为66．63，98．20，132．67，175．80，200．87 km/h。

由各挡位标尺最低车速和最高车速绘制出1～6挡车速标尺，得到仿真车各挡燃油消耗率MAP图如图2所示，利用图2进行换挡提示方案的编制。

2　升挡线设计

图2　仿真车辆各挡燃油消耗率MAP图

2．1设定原则

1)小油门踏板开度时，主要考虑升挡后的最低稳定车速特性，防止升挡后由于转速过低而产生发动机抖动的问题;

2)让升挡前车辆所在的挡位尽可能走过更长的经济区域，升挡后仍有很长的经济区域可走;

3)对于升挡前和升挡后均有很长经济区域的挡位，优先考虑升挡后的挡位，即尽量提前升挡。

2．2 10%油门开度升挡线设计

各挡位10%油门开度下，升挡车速以各挡位升挡后保证一定驾驶性为前提，即以各挡位标尺的最低车速为准。

2．3其它开度下升挡车速设定

以1挡升2挡，20%油门开度为例，将图2中油门20%开度以下的图形剪切掉，对齐1挡与2挡的车速标尺，选择升挡点。依据升挡设定原则，选择升挡车速为18 km/h时，升挡前(1挡)已走完了11～18 km/h的燃油消耗率260 g/(kW·h－1)以下的经济区域，升挡后(2挡)还可以走18～33 km/h的燃油消耗率260 g/(kW· h－1)以下的经济区域。根据以上分析，编制1→2、2→3、3→4、4→5、5→6升挡曲线如图3所示。

2．4升挡曲线修正

将每条升挡线按照油门踏板开度的大小划分为低区、过渡区与高区，由图3可见低区与过渡区分界点为10%油门开度，过渡区与高区分界点为30%油门开度。

由于10%的油门开度实际驾驶时很不好控制，因此，将低区与过渡区踏板开度分界点设置为20%。为了保证小油门开度下的驾驶性能［10］，需要修正小油门开度下的发动机转速。在图3中，以各挡20%油门开度对应的车速向下做垂直延长线，20%油门开度以下的低区油门开度升挡车速均与20%油门开度的升挡车速保持一致。

在实际驾驶过程中，当油门踏板开度达到40%以上时，判定驾驶员有较高的动力需求［11］，基于这一特点，将过渡区与高区分界点设定为40%油门开度。当油门踏板开度超过40%以后，升挡车速不随油门开度增加而改变，与40%油门开度下的升挡车速保持一致，以40%油门开度对应的车速向上做延长线。

基于以上分析，对图3的升挡线进行修正，修正后的升挡线如图4所示。

图3　升挡线设计

3　降挡线设计

3．1设定原则

按照一定的收敛度设置换挡规律［12］，设定降挡线。

1)为了避免频繁提示升挡和降挡，小油门踏板开度区域，降挡车速应该比对应的升挡车速低3～10 km/h，一般随挡位增加，车速差增加;

2)为了避免发动机熄火，某挡的降挡车速必须大于该挡的最低车速，设定某挡降挡车速为大于等于该挡最低稳定车速1 km/h;

3)高区降挡后转速不得超过发动机额定功率转速，如超过，则以额定功率转速对应车速为降挡车速。

3．2各挡降挡点分析

基于降挡线设定原则，各挡各油门开度下升、降挡车速如表3所示。

图4　升挡线修正图

表3　不同油门开度时各挡的升、降挡车速

由表3可以看出:各挡位油门小开度下，降挡前转速偏低，易导致发动机熄火，因此不满足降挡线设定原则2)的要求;各挡位油门大开度下，降挡后转速不高，未达到额定功率转速，因此满足降挡线设定原则3)要求［13］。经过调整之后，升挡车速和降挡车速如表4所示。

表4　各挡各油门开度下的升、降挡车速

4　仿真结果优化及分析

4．1建立仿真计算模型

利用仿真计算软件Cruise进行仿真计算分析，对比换挡提示前后的油耗情况。先建立仿真车辆的计算模型，输入整车边界参数，如整备质量、发动机参数、变速箱速比、主减器速比、整车滑行阻力等，把各模块建立机械连接和信号总线连接［14］。把表4的升、降挡车速输入变速箱控制模块中。

4．2仿真结果分析

1)挡位可用性判断。利用Cruise中的AMT模块进行计算，考虑到实际用户驾驶时，驾驶员从接收到仪表显示的换挡提示到完成换挡需要一段时间，因此在Cruise中输入换挡延迟时间为1．5 s。计算NEDC工况油耗，得到车速与换挡特性图如图5所示。

图5　NEDC工况车速、挡位对比图

由图5可知，NEDC工况中出现动力不足的现象，导致异常降挡，分析原因可知:城区工况的35～50 km/h加速，从5挡升至6挡后动力不足，从而降挡至4挡(标示Ⅰ处) ;郊区工况的35～50 km/h加速，从5挡升至6挡后动力不足，从而降挡至4挡(标示Ⅱ处)。为了改善此种状况，将5挡油门踏板20%开度下的升挡车速提高到50 km/h，降挡车速提高到43 km/h，从而避免了强制降挡的状况。

2)数据优化后NEDC工况下的挡位对比。采用换挡提示后，NEDC工况下车速与挡位特性对比图6所示。

图6　优化后NEDC工况车速、挡位对比图

由图6可以看出，采用换挡提示后，图5中的2处动力不足现象消失，并且在城区与郊区工况，均有较多的挡位提升现象。

3)经济性仿真结果分析［15］。对比NEDC工况下，无换挡提示和有换挡提示的油耗情况，如表5所示。城区工况节油比例为6．08%，郊区工况节油比例为7．56%，综合工况下节油比例为6．16%，可以看出，车辆增加换挡提示功能后，节油效果明显。

表5　节油比例及差异

5　　结论

1)通过油门开度、车速、燃油消耗率三参数设定换挡规律，设定合理的升、降挡时机，综合考虑3个参数在实际应用中对油耗和驾驶性的影响，设计了换挡曲线。

2)利用仿真软件Cruise计算无换挡提示和使用换挡提示车辆的油耗情况，使用换挡提示时，车辆在城区、郊区和综合工况下的节油比例分别为6．08%、7．56%和6．16%，说明了车辆增加换挡提示功能的可行性。

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(责任编辑:杨秀红)

Economic Shift Prompt Theory and Its Simulation

PENG Huiwen，REN Ping，MA Kangkang，PAN Long
(Technical Center，Anhui Jianghuai Auto Co．，Ltd．，Hefei 230601，China)

Abstract:In this paper，for a model of a six manual transmission vehicle，the shift strategy on matching shift prompt is developed．Based on the three processing parameters such as throttle opening，speed and fuel，consumption rate，the Origin software is used to draw the MAP figure．According to the shift prompt graphicmaking method，the shift curve is drawn by setting up the proper upshift and downshift time．Then，the Cruise

simulation calculation software is used to analyze the shifting strategy and optimize the result．The fuel consumption analysis result shows that when shift prompt is used，the fuel-saving ratios of vehicle are 6. 08%，7. 56% and 6. 16% respectively in the urban，suburban and complicated conditions，which indicates the feasibility of shift prompt function．

Key words:shift prompt; MAP diagram; fuel consumption rate; upshift line; downshift line; simulation

作者简介:彭慧文(1988—)，男，黑龙江齐齐哈尔人，助理工程师，主要研究方向为汽车动力性经济性匹配及动力总成布置．

收稿日期:2014－10－30

DOI:10．3969/j．issn．1672－0032．2015．01．004

文章编号:1672－0032(2015) 01－0015－06

文献标志码:A

中图分类号:U463．212