自动挡汽车换挡质量评价系统研究

涂安全，罗贤虎，李 星，韩志军

（1.安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601；2.太原理工大学力学学院，山西 太原 030024）

自动挡汽车换挡质量评价系统研究

涂安全1，罗贤虎1，李 星1，韩志军2

（1.安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601；2.太原理工大学力学学院，山西 太原 030024）

换挡质量一直是双离合自动变速箱电控系统的重难点，基于车辆纵向加速度动态测量，提出一种自动挡车型换挡质量评价系统，该系统利用加速度传感器、NI数据采集器及CANape等设备，采集换挡过程中的换挡时间和纵向加速度信号，通过自编程序计算得到换挡过程中的振动剂量值（VDV）、加速度差值以及换挡时间，以此来客观评价车辆在踩油门升挡、踩油门降挡、松油门升挡、松油门降挡4类换挡工况下的换挡品质。利用某DCT车型，按照该评价系统对其换挡质量进行测试，结果表明：该系统能够准确对4类换挡工况进行客观的数据评价，能够准确识别出影响换挡质量的因素，证明此方法有效可行。

自动挡汽车；纵向加速度；换挡质量；换挡时间；振动剂量值

0 引 言

自动挡汽车不需要驾驶者在行驶过程中手动切换挡位，车辆会根据行驶的当前速度、油门、环境温度情况、路面坡度以及道路交通情况自动选择合适的挡位行驶。在换挡过程中如果存在明显的冲击，会影响乘坐的舒适性[1]，为此在自动变速箱标定开发过程中，需要关注整车的换挡质量[2]。

目前，国内外许多学者及工程师对自动挡汽车换挡质量的评价方法进行了诸多研究，且成果较为丰富。孙贤安等[3]通过径向基函数神经网络方法，建立了舒适性主、客观评价之间的联系手段；涂安全等[4]建立了一套挡位结合冲击度评价系统，基于挡位结合控制策略提升换挡质量；张建国等[5]结合换挡时间和冲击度等性能指标，开发了换挡品质客观评价系统，建立了主、客观评价指标之间的非线性关系。国内外汽车企业对自动挡汽车换挡质量的评价通常有测评人员主观评价[6]和测评系统客观评价两部分：主观评价主要根据测评人员的驾驶经验，因此主观评价容易受到评价者自身诸多因素的影响，很难完全客观公正反映实际换挡质量；客观评价多采用国外专业客观评价系统，常用的如AVL公司的Drive驾驶性评价系统，但国外客观评价系统不仅价格昂贵，而且需要专业人员进行测评，在标定开发过程中无法广泛使用。

本文使用标定软件CANape和测试软件NI Max，综合考虑影响换挡过程舒适性的换挡时间、加速度、换挡冲击度等指标，设计了一种能够普遍适用于自动挡车型、操作简单、成本低廉的换挡质量评价系统。

1 换挡评价系统设备选型与安装

1.1 设备选型

一般在整车CAN网络上可以获取ESC模块发出的加速度信号，但是测量精度满足不了换挡质量评价系统的要求，故需要在整车上安装加速度传感器。本换挡评价系统使用的加速度传感器有关参数如表1所示。加速度信号采集设备为NI采集卡；CAN信号解析使用VehSpy软件；数据采集与集成分析设备为CANape。

表1 加速度传感器主要性能指标

1.2 设备安装

由于座椅轨道与车身底盘为刚性连接，故将加速度传感器水平固定于驾驶座椅轨道上，这样能确保加速度传感器测量方向为车辆行驶方向。安装示意图，如图1所示。NI采集卡采集加速度信号通过USB接口连接电脑。

图1 加速度传感器的安装

1.3 信号采集与集成

除了加速度信号，换挡质量客观评价系统所需的CAN信号如表2所示。通过解析dbc文件由VehSpy软件获取。

表2 所需整车CAN信号列表1）

整车CAN信号和通过传感器获得的加速度信号的集成示意图，如图2所示。由NI采集卡测量得到加速度信号与通过VehSpy软件采集得到的整车CAN信号（如：加速踏板信号、当前挡位信号、离合器状态位信号、换挡标志位信号等）输入计算机，并通过CANape软件，利用自编程序计算得到VDV值。

图2 换挡质量评价系统信号集成示意图

2 换挡质量评价测试与分析

2.1 测试工况

本测试系统只针对自动挡汽车的换挡质量进行测评，对其他驾驶性（如蠕动、起步等工况）不予以评价，因此测试工况只对4种典型的换挡工况进行区分与测试，分别是踩油门升挡、踩油门降挡、松油门升挡和松油门降挡。具体测试工况见表3～表5。

表3 踩油门升挡测试工况

表4 踩油门降挡、松油门升挡测试工况

表5 松油门降挡测试工况

测试过程中部分工况受各种条件限制（如10%油门4→5、100油门5→6等）而无法实现，不做强制要求；松油门升挡和踩油门降挡测试的车速条件需要根据实际情况进行适应性调整。

2.2 换挡质量评价指标

振动剂量值（VDV）综合考虑了加速度和换挡时间两种因素，是一种广泛被使用的综合性的评价指标[7-9]，使用非常方便，故本文的换挡质量评价指标为振动剂量VDV值。VDV值计算公式为

式中：a——加速度，m/s2；

t——测量时间，s；

t′——换挡总时间，s。

振动剂量值VDV值越小，表明传动系统冲击越小，换挡越平顺，舒适性越好[10]。

式中：t′——换挡总时间，s；

t1′——换挡准备时间，s；

t2′——扭矩交替时间，s；

t3′——转速同步时间，s。

图3 换挡过程示意图

图3是典型的换挡过程示意图，自上而下分别为换挡过程中发动机/变速箱的扭矩曲线、转速曲线以及加速度变化曲线；换挡时间主要基于换挡过程扭矩变化的阶段；换挡时间t′值越小，说明在换挡滑摩温度可控的前提下，换挡速度越快，动力中断所能造成的影响越小，舒适性越高[11]。

2.3 换挡质量评价指标计算

VDV值的计算基于换挡过程中的加速度信号值，在进行VDV计算之前，考虑车辆在加减速过程中，加速度信号会受到油门和刹车带来的低频加速信号以及其他因素导致的高频信号干扰，首先对加速度信号进行滤波处理；采用低阶连续时间滤波器对加速度信号进行滤波处理[12]，其加速度连续传递函数为

加速度信号滤波处理结束后，利用CANape自带编译功能，编写VDV值计算程序，依据式（1）以换挡标志信号持续时间作为VDV计算的积分时间长度，首先计算换挡积分时间长度内每个加速度点的4次幂，然后对升幂后的加速度信号进行时间积分，由于是离散信号，无法运用积分公式计算，但是10ms的采样周期已经足够短，因此可以采用积分原理进行无限划分求和计算每两个采集点与时间轴形成的梯形面积，无数个梯形面积之和即为积分结果。最后再对上面积分的结果开4次方根，便可得到VDV结果。软件计算流程如图4所示。

图4 VDV值程序计算流程图

换挡时间t′需要利用换挡标志位来读取，如果通过换挡标志位直接读取，不仅浪费时间，而且不利于持续工作；因此通过设置一个辅助信号，将其初始值设置为0，在换挡标志位为1而辅助信号为0的一瞬间，记录时间值并将辅助信号设置为1；当换挡标志位变为0，辅助信号为1的瞬间，记录时间值并将辅助信号设置为0；两个时间相减即得换挡时间。实际应用过程中，由于每个车型的换挡标志位信号是有差别的，因此需要根据实际车辆信号进行调整，但是算法不需要调整。

换挡过程中加速度差值da通过分别计算换挡时间t′内加速度a的最大值amax和最小值amin，然后作差即可求得。

综上，编写VDV值计算程序，采用C语言编写代码，利用CANape自带编译功能，直接在CANape中编写代码，无需专门编写工具。

3 试验验证

3.1 客观评价系统验证

利用上述测试方法及软件，选择两辆不同品牌量产在售的自动挡（DCT）车辆为测试对象，在相同测试条件下以踩油门（20%）升挡为例反复进行试验，整理试验结果见表6。

表6 20%油门升挡，实测换挡过程VDV计算值

两个车辆的试验结果表明，车型2所有挡位的换挡质量VDV值都小于车型1，说明车型2的换挡舒适性更高。

采用AVL客观评价系统DRIVE对上述车型1和车型2的换挡过程进行评价，DRIVE的评价评分标准为0～10分，评分越高，说明该项指标驾驶舒适性越好。选取换挡冲击、换挡时间和换挡加速度变化3个评价指标进行分析，测试对比结果如图5所示。从图中可知，综合3个评价指标，车型2的性能优于车型1。

图5 两种车型对应的AVL-DRIVE评价结果对比

与AVL-DRIVE评价结果对比可知：通过本文所述换挡质量评价系统测得的换挡质量指标值（VDV）与DRIVE系统所测结果趋势一致，本文所述换挡质量评价系统能够较准确地反映换挡质量的好坏。

3.2 客观评价结果及分析

根据VDV测试结果，以20%油门1挡升2挡为例，车型1的VDV值较车型2明显偏大，离线分析换挡过程数据，发现结合离合器充油出现超调时，导致离合器结合过快，因此加速度出现波动，如图6圈中所示。并且在1挡换2挡过程中离合器2充油存在明显的压力超调（图7圈中所示），这是导致出现换挡冲击的原因。

结合VDV测试结果和离线数据分析的原因，对该换挡过程的离合器充油期望压力与充油时间进行优化调节，并进行再次测试验证，相同油门下1挡升2挡VDV值降为0.1380，较原值0.2033下降了32.1%。同时离线数据分析发现换挡过程充油控制平稳，未出现压力超调或充油不足现象，加速度信号未出现明显波动，如图8和图9所示。

综上，对比试验结果也验证了本文客观评价系统的有效性。

图6 优化前换挡过程加速度信号分析（1挡→2挡）

图7 优化前换挡过程离合器压力分析（1挡→2挡）

图8 优化后换挡过程离合器压力分析（1挡→2挡）

图9 优化后换挡过程加速度信号分析（1挡→2挡）

4 结束语

1）本文基于车辆纵向加速度动态测量建立了一套自动挡车型换挡质量评价系统，其换挡冲击测试结果与AVL DRIVE系统所测结果 （评分）趋势一致，能够较准确地评价换挡质量的优劣。

2）该系统利用换挡过程压力、时间等离线采集数据，可以精确对比分析和准确识别影响换挡质量的要素，方便问题分析和解决。

3）通过实车对比测试验证，该测试系统能够较准确地评价自动挡汽车换挡质量，为换挡品质提升提供有效方法。

[1]于德泽.湿式双离合器自动变速器换挡控制策略的试验研究[J].农业装备与车辆工程，2011（6）：26-29.

[2]胡健，汪韶杰.一种新型双离合自动变速器的换挡品质研究[J].农业装备与车辆工程，2013，12（51）：35-49.

[3]孙贤安，吴光强.双离合器器式自动变速器车辆换挡品质评价系统[J].机械工程学报，2011，47（8）：146-151.

[4]涂安全，李星，罗贤虎，等.一种湿式双离合自动变速器档位结合控制研究[J].车辆与动力技术，2007，6（2）：33-37.

[5]ZHANG J G， LEI Y L， HUA X.Proposed shift quality metrics and experimentation on AMT shift quality evaluation[C]∥Third InternationalConference on Natural Computation.Haikou：IEEE，2007.

[6]葛安林，沈波.AMT换挡品质的研究[J].汽车技术，2003（3）：43-45.

[7]王健.换挡质量综合评价系统的研究[D].长春：吉林大学，2007.

[8]胡健，汪韶杰.一种新型双离合器自动变速器的换挡品质研究[J].农业装备与车辆工程，2013，51（12）：35-38.

[9]PENNETRÌ E， STEFANELLI R， VALENTINI P P， et al.Using a virtual dummy to simulate vibration dose value for different caroccupants[C]∥20th Biennial Conference on MechanicalVibration and Noise.Long Beach：ASME，2005.

[10]张建国.双离合器式自动变速器控制品质评价与优化[D].长春：吉林大学，2011.

[11]葛安林.车辆自动变速理论与设计[M].北京：机械工业出版社，1993：186-196.

[12]ZUO L，NAYFEH S A.Low order continuous-time filters for approximation of the ISO 2631-1 human vibration sensitivity weightings[J].Journal of Sound and Vibration，2003，265（2）：459-465.

（编辑：李妮）

Study on shift quality evaluation system of automatic car

TU Anquan1， LUO Xianhu1， LI Xing1， HAN Zhijun2
（1.Ramp;D Center，Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd.，Hefei 230601，China；2.College of Mechanics，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

The shift quality has always been a key and difficult point in the electronic control system of dual-clutch transmission. Based on vehicle longitudinal acceleration dynamic measurement， an automatic shiftquality evaluation system was proposed.The system used acceleration sensor， NI data acquisition and CANape， to collectthe shifttime and the longitudinal acceleration signals.In calculating the vibration dose value （VDV）， acceleration difference and shift time by self-compiled software，and in order to objectively evaluate the shift quality of the vehicle in four types of gear shift such as power on up shift， power on down shift，power off up shift， power off down shift.Using a DCT vehicles， according to the evaluation system to test the quality of its shift.The results show that the system can accurately evaluate four kinds of shift conditions，can accurately identify the factors that affect the quality of the shift，it is proved that this method is effective and feasible.

automatic car； longitudinal acceleration； shift quality； shift time； vibration dose value

A

1674-5124（2017）11-0124-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.11.024

2017-03-25；

2017-05-10

国家“863”高技术研究发展计划（2012AA111711）

涂安全（1982-），男，安徽合肥市人，工程师，硕士，主要从事发动机、自动变速箱电控系统研究。