AMT 变速器两参数换挡规律优化研究

吴 杨，曹 建，杨建森，刘忠海，董强强

（中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司，天津 300300）

换挡规律主要是针对换挡参数物理变量如何选取及如何优化合理传动比，使发动机输出的转矩最大限度地通过离合器及变速箱传动比分配给后桥及车轮。获取其传动比数据对车辆平稳顺畅换挡，提高燃油效率及车辆舒适性具有重要意义[1]。

控制参数的多少对车辆换挡有指导性，如单参数换挡规律通常可以选取油门开度[2]、发动机转速及车速等中的一个作为控制变量，车速可根据后文（3）式中公式积分求得，其控制系统结构相对简单，但道路条件不好时需要频繁换挡[3]；两参数换挡规律一般以车速和油门开度作为控制参数[3]；相较于两参数换挡规律，三参数换挡规律在其基础上引入了车辆加速度，进一步反映了车辆的实际操纵规律[3]，但由于车辆在行驶中很多时间处于非稳定状态，如车辆的起步、加速过程等，由于安装加速度传感器增加了成本且不利于控制，因此没大范围推广使用[4]。两参数换挡规律介于以上两者之间，既能满足要求又能控制成本，因此本文以两参数为基础，采用Cruise GSP 模块对汽车AMT 换挡规律进行分析，并结合相应工况进行优化，来提高车辆的燃油消耗率及排放性[1]。

1 汽车系统模型建立

1.1 整车建模参数

仿真车辆整车建模参数见表1。

表1 仿真车辆参数

1.2 Cruise 整车模型建立

Cruise 软件由奥地利李斯特公司研发，其良好的部件参数设置界面，为传统汽车、新能源汽车建模与仿真提供了方便，也对新车型的开发提供了指导。为研究AMT 的两参数换挡规律，选用Cruise 内置的换挡规律生成功能及优化模块——GSP Generation/Optimization.，可根据用户自定义的边界条对换挡进行控制和优化[5]。在Cruise 中建立的AMT 模型如图1 所示。

图1 Cruise 整车仿真计算模型及路试试验用车

1.3 换挡规律生成

换挡原理：传动系统的合理匹配及相关参数的选取直接决定车辆动力性与经济性的好坏。制定换挡规律就是为了求得在最佳油耗下某相邻两档位换挡点的速度ν，根据ν 即可得到发动机特性下的油门开度a，由（a，ν）计算出动力总成功率及发动机转矩，但由于换挡的延迟性，计算出的数据只能无线逼近理想特性曲线。因此根据加速度特性进行经济性换挡规律制定，输入整车各部件的参数之后，在GSP 模块的子目录下进行换挡参数设置，并在cycle run 下设置循环工况条件。图2 为相邻档位间车速与节气门开度关系，用于指导换挡参数设置。

图2 GSP 换挡原理[6]

为了生成换挡规律，需首先获得车辆加速度曲线。速度阻力是车辆加速时必须克服的惯性力，根据牛顿第二定律，加速度阻力使车辆产生线加速度。

而总的驱动力

因此，整车及加速度为

式中：a为整车加速度，Fte为牵引力，Frr为滚动阻尼，Frg为坡道阻尼，Fad为空气阻力，Mν为整车质量。根据公式得到整车加速度曲线及换挡时序曲线[2]，图3 为不同节气门开度下整车加速度曲线。

图3 整车加速度曲线

由AVL Cruise 软件仿真得到的换挡规律如图4所示。

图4 换挡时序

2 汽车传动系统仿真分析

2.1 传动系统优化流程

因汽车通常是根据某一循环工况行驶的，因此很有必要研究汽车换挡规律在某一循环工况内对汽车传动系统状态有何影响[7]。Cruise 的GSP 模块是基于Cruise 环境中搭建的车辆模型，主要设置两大参数，一个是固定任务里的不同档位下发动机在1 000 转时的车速、踏板采样点等。另一个为优化参数设置，燃油排放上限、循环工况等设置[8]。根据这些设置，考虑档位、油门开度、踏板等参数，并在所给工况条件下运行，得出优化数据，如工况优化、K 曲线优化、节气门开度优化等，进而得出燃油经济性能和排放性能的平衡曲线，如图5 所示。

图5 燃油经济性能和排放性能的平衡曲线

根据Cruise 优化流程，现对汽车换挡规律优化流程进行简要描述：GSP 模块读取设置的发动机转速数据与车速，然后拟合出发动机map 图，再根据设置的排放上限值和循环工况数据进行运行，来计算汽车燃油性和排放性，软件根据时间车速工况来计算相应工况下的功率，计算出不同的K 因子后，得到相应的传动系统状态[9]，燃油经济性能和排放性能的平衡曲线。任务结束后，根据GSP 生成的报告，即可查看不同挡位的工作情况、燃油消耗、尾气排放、循环工况敏感性分析等数据。

在GSP Optimization 中，Cruise 是通过K-Factor来实现给定的循环工况对燃油消耗量和NOx的排放进行平衡计算。最优K-因子的定义如下式

式中：Optimum 为最优，Consumption 为燃油消耗量，Emission 为尾气的排放量[9]。

2.2 传动系优化结果

1）图6 为K 因子曲线与尾气排放的叠加图，根据发动机设计的排放标准，综合考虑NEDC 工况和计算精度，计算得出NEDC 循环工况下该车结果，K 最优值可取为0.7（K 的取值与设置的尾气排放量有关），消耗燃油5.35 L/100 km；氮氧化物排放0.299 g/km。表2 为NEDC 循环工况换挡规律优化前后运行油耗对比，由图4 与图7 比较，将优化后的换挡参数输入到控制器后重新调校后，优化后的换挡规律曲线较之前平顺不少，重新进行路试时换挡更加平顺稳定，换挡时的顿足感明显减轻，燃油消耗和尾气排放也相应减少。

图6 最佳车速下的节气门开度

图7 换挡时序优化

表2 NEDC 循环工况换挡规律优化前后运行油耗对比

2）软件根据节气门位置传感器来测量驾驶员踩下加速踏板的程度，ECU 根据该信息来调整换挡规律、管路油压、换挡感觉和变矩锁止离合器的控制，通过调整K 因子曲线，车速节气门开度曲线及换挡曲线得到两者叠加图（图8），由采用叠加重合区域的数据进行整合，通过此方法能快速优化给定工况下的换挡规律，有利于车辆的开发[10]。

图8 节气门开度、变速器比与车速关系优化

3 结论

1）采用Cruise 优化模块，选取换挡参数，生成最佳经济性换挡规律。并根据NEDC 工况，对换挡规律数据进行优化整合，用整合后的数据生成新的换挡曲线，并再次对整车实际路况测试，事实证明，采用再次生成的换挡曲线进行换挡指导能提高整车性能。

2）本文较为深入地研究了改装电动车的AMT 换挡规律，取得一定成绩，但主要还是基于理论研究来对换挡规律进行研究与制定，因此还需要在实际使用中不断地修改和调整变速箱的标定数据。另外针对我国的道路情况与NEDC 工况的差异性，有必要采集相应的路谱数据，导入Cruise 中，用于检测优化后的换挡规律。