某重型车辆变速箱AMT开发冲坡特性仿真研究

贾伟健，权清达，孟博文

(陆军装甲兵学院车辆工程系，北京 100072)

在对某型号重型车辆变速箱进行AMT开发过程中，除了要制定合理的平路行驶换挡策略[1]外，还要根据不同的路面情况制定相应的行驶策略[2，3]。车辆在坡道行驶[4]时的换挡问题一直是AMT车辆[5，6]的一个难题。由于车辆较重，在上坡时坡道阻力迅速增加，如果在坡上换挡，由于离合器分离，动力切断，车辆速度迅速减小，如果操纵不当可能使车辆熄火甚至倒溜。现阶段AMT车辆针对坡道行驶的主要解决方法是：

1) 在进入坡道前，提前进行减速换挡，使车辆在上坡时拥有足够的驱动力。

2) 车辆在坡道行驶时，离合器分离后，通过电机进行动力补偿，使得速度不至于降低过快。

由于某型号重型车辆为传统的定轴式变速箱，在进行AMT开发时，并没有很大的空间安装大功率电机，以便在动力切断后进行动力补偿。因此本文的主要目的是研究车辆在各档位行驶时，到达某一上坡地段后，判断是否可以利用自身动能在不进行换挡的情况下以冲坡的方式驶过某一上坡路段，这样既可以减少坡道行驶时间又可以避免不必要的换挡，提高驾驶效率。

1 动力性换挡策略制定与加速特性仿真研究

在进行某重型车辆变速箱AMT开发的过程中，其加速特性是评价其开发效果的一个重要指标，也是研究其他直驶特性的基础。在进行AMT开发中，为保证其加速特性，在保持最大油门开度行驶的同时也必须要制定合理的动力性换挡策略[7]。动力性换挡策略是指车辆在行驶的各状态下都能使发动机保持最大牵引力，使车辆保持最大的加速度，一般由车辆的驱动力平衡曲线得出，其换挡点一般设置为同一节气门开度下相邻档位牵引力曲线的交点，如果各挡位牵引力曲线无交点，则一般在各挡位发动机达到最大允许转速时进行换挡。

通过实验得出，某重型车辆在最大油门开度时驱动力平衡曲线，为保证车辆在最大油门开度下可以在各状态下保持最大加速度，其驱动力变化曲线如图1所示。

图1 各挡车速驱动力情况

因此在最大油门开度下，换挡点分布情况如表1所示。

表1 各档位动力性换挡点

2 动力性换挡仿真实验

在制定完动力性换挡策略后，基于Matlab/Simulink建立整车仿真模型，分在水泥地(f=0.04)与良好土路(f=0.06)两种路面进行动力性换挡仿真实验，主要评价指标为车辆从起步开始达到32 km/h所用时间。

首先进行在水泥路面(f=0.04)行驶的加速特性研究，车辆以二挡起步，按照制定的动力性换挡策略进行换挡，仿真结果如图2所示。

图2 水泥路面行驶车速

由图2可以看出，车辆在水泥地路况上行驶时，在3.5 s时开始起步，在26.48 s时速度达到32 km/h，加速时间为22.98 s。

同理通过仿真得出，车辆在水泥地路况上行驶时，在3.5s时开始起步，在34.94 s时速度达到32 km/h，加速时间为31.44 s。

3 车辆冲坡行驶特性

本文主要研究车辆在水泥路面(f=0.04)行驶时，各挡位行驶时的冲坡特性，得到各挡位的最大冲坡角度以及在各允许冲坡角度下的最大冲坡距离为后续的坡道换挡策略提供参考。

3.1 水泥路面允许最大通过角度

由于最大附着力的存在以及随着坡度增高坡度阻力的迅速增大使得车辆在行驶时只能通过一定角度范围坡度，其中最大坡度角计算公式[8，9]为：

mgsinθ0=mgcosθ0·f0.

(1)

其中:m为整车质量，取m=36 500 kg;θ0为允许通过最大坡度角;f0为水泥路面的附着系数，取f0=0.4。

计算求得θ≈22°

3.2 车辆各挡位行驶最大坡度

在车辆进行动能冲坡时，有时虽然自身动能可以通过一定坡度，但由于坡度阻力过大，导致车辆在冲坡过程中，由于传动系统回传阻力过大，超过了离合器的最大传递转矩，使得离合器产生磨滑，加速离合器的损坏。因此必须在离合器工作范围内，进行各挡位的动能冲坡。各挡位最大冲坡角度[10]计算如下：

(2)

其中:θ为各挡位最大通过坡度角；CD为空气阻力系数，取CD=0.45；A为重型车辆迎风面积，取A=4 m2；δ为质量增加系数；ig为主减速器传动比，ig=6.78；i0为各挡位传动比；TC0为离合器允许最大传递扭矩，TC0=3 659N·m。

计算得到各挡位下，水泥路面行驶时允许冲坡的最大坡度角如表2所示。

表2 各挡位最大冲坡角

4 仿真实验

在得到水泥路面最大允许通过坡度以及各挡位最大冲坡角度后，在允许的坡度范围内进行各挡位的冲坡仿真实验。

4.1 五挡水泥路面冲坡仿真实验

车辆以二挡起步开始在最大油门开度下升至五挡，并达到稳定车速50 km/h,在行驶1 000 m后进入7°的上坡路段，仿真情况如图3所示。

图3 五挡冲坡行驶速度

由图3可以看出，在驶入坡度为7°的上坡路段后，车速迅速下降，在99s时车速由50 km/h下降到14.7 km/h，发动机转速也下降到最低稳定转速600 r/min，如果继续行驶会造成发动机熄火，此时车辆共在7°上坡路段行驶111 m，因此认为五挡在7°上坡路段的最大冲坡距离为111 m，在坡度行驶时回传阻力在离合器传递阻力的允许范围内。

4.2 二挡水泥路面冲坡仿真实验

车辆以二挡起步，保持最大油门开度达到最大稳定车速17.4 km/h，在平路行驶200 m后进入起步开始在最大油门开度下升至五挡，并达到稳定车速50 km/h,在行驶1 000 m后进入22°的上坡路段，仿真情况如图4所示。

图4 二挡冲坡行驶速度

由图4可以看出，在驶入坡度为22°的上坡路段后，车速迅速下降，在52 s时车速由17.4 km/h下降到4.76 km/h，发动机转速也下降到最低稳定转速600 r/min，如果继续行驶会造成发动机熄火，此时车辆共在22°上坡路段行驶8.2 m，因此认为二挡在22°上坡路段的最大冲坡距离为8.2 m，在坡度行驶时回传阻力在离合器传递阻力的允许范围内。

本文进行了车辆在水泥路面上最大油门开度下达到最高车速后在允许的各角度坡度上的冲坡仿真实验，得到了在各角度坡上的最大冲坡距离，具体关系如图5所示。

图5 各挡冲坡角度与冲坡距离关系

5 结论

本文主要针对需要进行AMT开发的某重型车辆进行两种路面的加速特性以及水泥路面的冲坡特性的仿真分析，通过分析可以得出水泥路面从起步到达到32 km/h需要22.98 s，在良好土路需要31.44 s。在冲坡仿真实验中得出各档位在达到最高稳定车速后在进行各角度冲坡时的最大冲坡距离，并且通过仿真实验得出二挡在冲8°坡时，可以在坡上达到另一稳定车速，即通过二挡可以在8°坡上稳速行驶，同样三挡也可以在4°坡上稳定行驶。通过仿真得到的实验数据为后期此型号重型车辆变速进行AMT开发制定坡道换挡策略提供了非常有价值的依据，具有一定的实际意义，同时本仿真模型具有一定的通用性，可以为后续其他型号车辆的仿真实验提供参考。