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电控机械式自动变速器换挡规律的研究


武汉理工大学 硕士学位论文 电控机械式自动变速器换挡规律的研究 姓名:陈永东 申请学位级别:硕士 专业:车辆工程 指导教师:钟绍华 20070501





随着科学技术的发展,人们对汽车的要求越来越高。装配自动变速器能使 车辆实现自动换挡,降低了驾驶员的劳动强度,提高汽车的动力性、燃油经济 性及降低污染排放。电

控机械式自动变速器(AMT)是一种适合我国国情的机 电一体化高新技术产品,有着广阔的发展前景。 在电控机械式自动变速器的研究开发过程中,换挡规律是关键技术。本文 主要研究了动态三参数最佳动力性、最佳燃油经济性换挡规律的制定,并对换 挡规律进行了仿真分析. 首先介绍了电控机械式自动变速器的发展历程,讨论了AMT的结构与系统 原理,论述了AMT研究的主要问题及研究现状;接着分析了各种换挡规律的原 理及其性能,探讨了换挡规律的功能实现所需的软硬件组成;进一步分析了换 挡规律的影响因素,初步研究了换挡规律的智能化及换挡过程的智能控制。 通过对汽车动力学、燃油经济性和发动机特性进行分析,建立汽车行驶方 程式和燃油消耗方程式,重点研究了最佳动力性、最佳燃油经济性换挡规律的 制定方法。在试验数据的基础上,考虑坡度对换挡规律的影响,采用改进的解 析法制定了动态三参数最佳动力性换挡规律;针对汽车质量对换挡规律的影响, 提出一种修正方案,制定出动态三参数最佳燃油经济性换挡规律,解决了汽车
质量变化引起的问题。

在对汽车传动系统动力学及换挡过程的分析基础上,采用仿真软件 MATI..AB/Simulink建立了AMT换挡规律仿真模型。最后利用建立的仿真模型, 将改进前后的动态三参数最佳动力性换挡规律应用于整车的换挡仿真,分析比 较了二者对汽车动力性的影响;将修正前后的动态三参数最佳燃油经济性换挡 规律应用于整车的换挡仿真,分析比较了二者对汽车燃油经济性的影响。仿真 结果表明,该研究达到了预期的效果。 关键词;AMT,换挡规律,动力性,燃油经济性,仿真分析

Abstract

Along with the development of science technology,people have automobile.Vehicles transmission,which
can

hi曲Cr
of

request to automatic

automatically

gearshift

with

the

help

can

reduce driving fatigue,improve vehicle dynamic qualitB fuel

economy and redudng emission.Automatic mechanical

transmission(AMl)is a type

of high and new technology products that adapts to the sRuation of China nowadays. It has


wide development prospects.
schedule is


Shift

key

technology

during
on

the

COUrse of

the research and

development of and the

AMT.The

thesis focuses

how to establish the optimized power

optimized fuel

economy shift schedules,both controlled by

dynamic

three-parameter,then having the shift schedules simulated and analyzed.
Firstly,the

development of AMT is

introduced.The

structure and system

configuration
principle is what we

of AMT are also discussed.Besides these.each l【ind of shift well as their

schedule’s

analyzed,as

performance.The

thesis makes

an

approach to three

need

for realizing the functions of shift schedule

and analyzes
shift

influencing factors of shift schedule.Moreover'the intelligent

intellectualized

schedule and

control of

shift process are preliminary studied.

By analyzing auto dynamics,fuel economy vehicle running equation

and

engine characteristics,building

and fuel

consumption equation,the methods for establishing

optimized power and optimized fuel economy shift schedule are both primary studied.

The dynamic three-parameter-controlled
on

optimized

power

shift schedule is designed

the basis of test data,adopting

improved

analytical

methods,considering

the

effect of road grade.In view of the effect of vehicle mass to shift schedule,a

readjustment

plall is

proposed and applied

to design the

optimized
and

fuel economy shift

schedule.So the problems brought
Basing
1311

by vehicle mass are

resolved.
shift process,the

analyzing

automotive transmission

dynamics

thesis employs the simulation software MATLAB/Simulink

to build a simulation

model

for/kNIT shift

schedule.With

this

model,the optimized power and

the

optimized fuel

economy shift schedule above arc

simulated.nejr effects

to vehicle

dynamic quality and fuel economy are

analyzed

and

compared.The simulation results

show that the study achieves the expectation effect.

Keywords:automatic mechanical transmission(AMT),shift schedule,dynamic
quality,fuel economy,simulation and analysis


独创性声明
本人声明。所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果,也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料.与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了
谢意。

研究生签名:卫I盥日期—塑等蚪
关于论文使用授权的说明
本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留送交 论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部内容,可以采用影印、
缩印或其他复制手段保存论文。

(保密的论文在解密后应遵守此规定)

研究生签名:—牟姓导师签名 午年醐耸盟

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第1章绪论
随着社会经济的发展,汽车日益普及,驾驶汽车的人越来越多,尤其是大 量非职业司机的涌现,要求把汽车设计得更便于驾驶。于是,简化变速器的操 作成为了汽车的一个重要研究目标,自动变速器应运而生。 电控机械式自动变速器(AMT)作为自动变速器家族的重要一员,不但保 留了原手动变速器传动效率高的优点,而且具有液力自动变速器操纵方便的优 点。它是我国变速器的主要研究方向。

1.1电控机械式自动变速器概述
1.1.1

AMT的发展历程

汽车工业一百多年的历史,主要是动力传动系的技术史。在汽车技术发展 过程中,自动变速一直是人们追求的目标。传动系中变速的自动化是车辆发展 的高级阶段。经过50余年的发展,自动变速技术不断得到改进和完善,尤其是 近10年来,电子控制技术和计算机技术的飞速发展为车辆变速自动化提供了强 大的技术基础,自动变速技术水平已有很大提高。 自动变速器种类很多,目前世界上使用最多的汽车自动变速器主要有三种 类型【1】:液力自动变速器(Automatic Transmission,AT)、无级自动变速器 (ContinuouslyVariableTransmission,CVT)和电控机械式自动变速器(Automatic
MechanicalTransmission。ANrr)。

最早在汽车上实现自动换挡的是液力机械自动变速器(衄)。它由液力变矩
器和行星齿轮变速箱构成,这种变速器可以在不切断动力的情况下换挡,具有 结构紧凑、传动平稳、换挡冲击小等优点。AT自20世纪30年代诞生以来,一 直是汽车自动变速器产品中的主流结构。但由于其结构复杂,零件加工难度大, 生产成本较高,修理也较麻烦,传动效率低等缺点,使其在中国的产量较小,
市场占有率低。

无级自动变速(CVT)一直是人们追求的汽车理想变速方式121。CVT传动 系统主要由金属带在主动轮组和从动轮组上的回转半径发生变化,实现速比的 连续变化。目前全世界CVT在自动变速器中所占比率仅为1%。由于CVT生产 的设备更换量大、制造困难,因而产业化的时机还不成熟。 电控机械式自动变速器(AMT)是在原有手动变速器基本结构不变的情况 下,通过加装微机控制的自动操纵机构,取代原来由驾驶员人工完成的离合器 分离与结合、选挡与换挡以及发动机的油门调节等操作,从而实现换挡操纵自

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动化的。它主要有以下优点13】: 1)结构简单,可保留原来的齿轮变速器; 2)可在已有的手动变速器基础上改装,增加离合器和换挡执行机构; 3)高效率(低耗油量)。实践证明,AMT比传统的手动变速器(Mechanical Transmission,MT)省油5%,比液力自动变速器省油20%; 4)较低廉的开发及研制成本; 5)易于实现技术及零部件生产的国产化。 AMT揉合了AT与MT的优点,以其特有的经济、方便、安全、舒适而备 受驾驶者的青睐,已成为各国竞相研发的热点,也成为了我国最具潜力的自动 变速器之一。
1.1.2

AMT技术国内外发展概况
Mechanical

电控机械式自动变速传动在国外称为■dVIT(Automatic Gearbox),其研究始于上世纪70年代,其发展大致经历了三个阶段:

Transmission)、ASM(Automatic-Shift Manual Transmission)或ASG(Aum Shift

第一阶段,半自动化阶段,这一阶段属于半自动变速器发展与成熟阶段。 在AMT技术研究初期,由于受到电子技术和控制技术发展水平的限制,不能实 现真正意义上的自动控制,通常是将离合器控制和换挡控制分别考虑,单独实 现各自的自动控制功能,如瑞典Scania的CAG系统14】和德国Daimler Benz的 EPS系统【5l均采用半自动操纵方式,其实质是辅助换挡系统,即换挡时刻由驾驶 员踩离合器踏板来确定,电子显示器可提示驾驶员何时为最佳的换挡时刻,电 子控制的气动系统实现换挡的功能。 第二阶段,全自动化阶段。在此阶段,研究的重点是自动离合器、换挡控 制与换挡策略。进入二十世纪80年代初,AMT技术才得到突破性的进展并逐 步产品化。1983年底,日本五十铃公司在世界上最先研制成功电子控制机械式 自动变速器NAVI-5,装备于ASKA轿车投放市场【6】,标志着AMT进入了全自 动发展阶段。同期日野的蓝带大客车也装备了这种类型的EE(EasyandEconomy Drive)传动系统;美国Eaton公司在1983年宣布成功地将重型货车的手动变速 器实现了自动化;德国zF公司对“Ecosplit”变速器的16挡也实现了自动换挡, 称为“Autoshift”装置,1988年装于Geneva货车上。此后日本NISSAN公司、 瑞典Scania和v0LVO公司、美国Ford公司、法国Renault公司、意大利FIAT 公司也都开展了此方面的研究,陆续开发了全自动AMT,将换挡时离合器和发 动机的控制纳入自动控制系统,只要驾驶员通过简单的开关向系统发出升挡或 降挡信号,便能自动完成所有的换挡操作。


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第三阶段,智能化阶段。近年来随着电子技术和计算机技术的发展和应用, ■dVlT技术得到了快速发展,目前正在向智能化方向发展。由于起步、换挡时离 合器的控制和自动换挡规律都受环境因素、驾驶员的驾驶水平和车辆客观运行 状态的影响,日本五十铃(ISUZU)、尼桑(NISSAN)等开始引入模糊推理的 智能方法进行此方面的研究,采用模糊换挡策略和离合器结合速度的模糊控制, 使车辆能在复杂多变的工作条件下,自动采取正确的措施,进一步提高了起步、 变速性能和换挡品质。如今,神经网络方法也被引入到了jdVlT的挡位决策和控 制中;通过GPS获取更多的路面特征信息以提高AMT对路面的适应性。现代 AMT不仅换挡程序更加符合驾驶员的意愿,而且还利用现代控制方法,解决特 殊环境下变速程序的复杂问题,使控制能力及可靠性大幅度提高。 国内在PuMT研究方面已走过了近二十年的历程,开展这方面研究的主要有 吉林大学、北京理工大学、上海交通大学、重庆大学、哈尔滨埃姆特汽车电子 有限公司、烟台欣源晟有限公司等。北京理工大学丁华荣教授对装甲车辆的自 动变速进行了研制;吉林大学的葛安林教授对汽车AIVIT技术进行了系统化的研 究,提出了动态三参数匹配控制规律[71,在桑塔纳等轿车上装车运行。吉林大学 还率先将智能控制理论应用到工程机械中网,对工程机械模糊神经网络挡位控制 进行了试验研究【9】,研制出推土机的模糊换挡系统并进行了室内试验【10】;对轮式 装载机的模糊换挡策略也进行了研究【11】。西北工业大学汽车工程中心从2003年 开始与二汽汽车技术中心合作进行东风E06111RC客车AMT的研制,项目进展 顺利,此研究填补了我国在大型客车领域应用AMT的空白【121。上海交通大学张 建武教授、重庆交通学院的杨志刚、北京理工大学的汤霞清等对AMT和自动离 合器的智能化控制进行了研究呻-221.烟台欣源晟公司开发了电控电动AMT。 尽管国内在AMT研究方面投入了很多力量,也取得了不少成果,但迄今还 没有真正实现产业化。目前的关键就是要对困扰产业化进程的关键技术进行更 加深入的研究以求有所突破。
1.1.3

AMT的系统结构与原理
Control

AlViT以发动机电子控制单元<ECu,Electrical

Unit)为核心,是运

用控制理论、微机控制技术、传感技术和信息处理技术改造传统手动变速器的 典型机电一体化产品。AMT有两种控制形式:电子机械和和电子液压。 1)AMT的系统结构
AIVlT系统由下列四部分组成:

a)被控对象:包括发动机、离合器和变速器。 b)执行机构:由选、换档执行机构、离合器执行机构和油门执行机构等组


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成;包括电机、电磁阀(普通电磁阀和高速电磁阀),液压缸(离合器作动缸和
选、换挡油缸)等。

c)传感器:包括速度传感器(发动机转速传感器、输入轴转速传感器、车 速传感器)、油门开度传感器、挡位传感器等。 d)电子控制单元(ECO):包括CPU、RAM、FO接口等。 2)AMT控制的基本原理 AMT根据传感器实时采集的驾驶员的操纵参数信息(油门踏板、制动踏板、 转向盘、选挡器的操纵等)和车辆的运行状态参数信息(发动机转速、变速器 输入轴转速、车速、挡位),进行综合判断和处理,按照控制器中存储的控制规 律(换挡规律、离合器接合规律等),借助于相应的执行机构(发动机转速调节 机构、选挡与换挡执行机构、离合器分离和接合执行机构),对车辆的动力传动 系统(发动机、离合器、变速器)进行联合自动操纵,完成车辆的平稳起步和 换挡。AMT的系统结构及控制原理如图1-1所示。

图1-1 AMT系统结构及控制原理图

1.2

AMT研究的主要问题及其研究现状
AMT是一个以换挡规律和离合器结合规律为核心的自动控制系统,AMT

系统的关键在于离合器控制、挡位决策与控制和换挡规律问题。

1.2.1离合器控制
离合器起步控制是AMT的关键技术之一,是实现传动系统操纵自动化的难 点问题。AMT车辆由于取消了离合器踏板,司机只能通过加速踏板表达其意愿。



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在起步过程中,离合器与发动机需要协调配合。同时离合器模型本身存在着非 线性、时变、滞后等问题,不同的环境条件、不同的车况及不同的驾驶习惯和 操纵意图,要求采用不同的控制策略。此外,离合器的控制存在着互相矛盾的 评判指标:起步平稳和离合器使用寿命长。这些使离合器控制问题变得复杂化。 为保证离合器的控制性能,国内外进行了长期的研究,关于离合器控制方 法的研究可概括为两种,一是采用理论模型的控制方法,即通过建立车辆动力 学模型,分析离合器接合过程影响起步品质的因素,以冲击度和滑摩功综合最 优为目标,得到离合器控制规律∞l。但由于车辆传动系统动力学特性的复杂性, 难以建立能够真正反映复杂多变的行驶环境和驾驶意图的动力学模型,只能采 取简化的方法,导致最终的控制效果并不理想。二是采用现代控制方法,对于 难于建立精确模型的离合器控制问题,采用模糊控制可使控制性能用所改善, 是一种行之有效的方法【17-20]。 1983年GL Faizoni根据油门开度来控制离合器负荷I刎。这样做需要建立正 确的发动机转速与油门开度、离合器传递负荷与离合器位移的函数关系。1995 年日本学者H.Tanaka和H.wada【251【蚓首次引入司机的经验,提出了一种对自动 变速器的离合器接合过程采用模糊控制技术的方法,并在一辆商用车上进行了 实车试验;试验表明,采用模糊控制是成功的。H.Tanaka利用发动机转速、加 速踏板角度、离合器输出轴转速以及发动机转速变化率,采用模糊规则获得离 合器接合过程的位移变化量陋l,实车试验时,无论在平坦路面还是坡道起步, 均获得了较为满意的效果。国内,吉林大学的葛安林教授根据离合器影响因素, 建立了结合规律的模型,并通过模糊评判方法实现最优控制。在起步控制策略 研究方面,雷雨龙提出了维持发动机恒转速的控制原则的基本思想127][zsl,起步 过程中根据油门开度制定发动机目标转速,并通过控制离合器的接合量和接合 速度以及发动机断油来减小实际转速与目标转速的偏差,达到减小滑摩功和发
动机排放的目的。

尽管在离合器控制方面已进行了大量的研究,但由于离合器控制是一个复 杂综合控制问题,所以给最佳接合规律的实现带来了相当大的难度。

1.2.2挡位决策与控制
挡位决策与控制就是根据车辆运行情况、道路情况和驾驶员意图,按照设 定的目标(如经济性、动力性)最佳的原则,确定当前车辆的最佳挡位,并通 过选换挡执行机构的控制使变速器工作在最佳挡位。换挡控制策略的优劣是衡 量车辆在采用自动变速技术后能否充分发挥其动力性、经济性及可驾驶性的关 键。

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最佳换挡规律的决策方法一直在不断发展,归纳起来主要有两种:基于理 论求解的方法和基于专家系统的方法。 最佳挡位的决策方法早期主要采用基于理论求解的方法,即选择一定的换 挡控制参数,如两参数(车速、油门)或动态三参数(车速、油门、加速度), 按照某种指标最优的目标,通过汽车动力学方程求解获得换挡控制规律。这种 方法已形成了完整的理论和求解步骤。目前所采用的控制理论,都只能反映汽 车的行驶状态,而没有考虑行驶环境和驾驶员操纵意愿对传动系统自动变速控
制的影响。

近年来较为成功的是基于专家系统的挡位决策方法,即利用优秀驾驶员的 操作经验和专家知识,通过模糊控制和神经网络控制,建立换挡决策的智能系 统,实现拟人化的控制效果。HiroshiYamaguchi根据试验分析和经验,采用车速、 油门开度、发动机转速和挡位为控制参数,归纳出控制规则,模仿熟练驾驶员

的操作以改善自动换挡性能咧。1998年上海交通大学的申水文在前苏联B.A彼
得罗夫提出的二参数换挡控制方法中,引入了坡道和弯道等环境信息和模糊推 理技术,在线修正二参数换挡规律,实现了在坡道、弯道等特殊环境条件下按 驾驶员意图正确换挡l删。 基于专家系统的挡位决策方法还在研究的初期,应用在实际控制中还不是 很稳定,而基于理论求解的方法由于其控制性能比较稳定,控制效果良好,所 以目前应用比较广泛;但仍存在一些问题。如何根据道路环境、驾驶员的操作 特点、车辆的运行状况等信息,制定自动适应复杂行驶环境条件和不同驾驶意 图的换挡控制策略,并有效解决特定的路面上(如弯道、坡道等)的频繁和意 外换挡问题,实现自动变速智能控制是AMT技术研究和发展的重要方向,也是 当前AMT的一大技术难题【31】。

1.2.3换挡规律
换挡规律是指用选择什么样的控制换挡参数,在何时进行换挡。最佳换挡 规律也是AMT应用研究的一大内容,它的好坏直接影响车辆的燃油经济性和动 力性的优劣。按照控制参数的多少,换挡规律可分为单参数、两参数和三参数
换挡规律。

单参数换挡规律以车速作为控制参数。它不论油门开度如何变化,换挡点、 换挡延迟的大小都不变,不能实现驾驶员干预换挡。这种规律很难兼顾动力性 和经济性的要求,因此在车辆上已很少采用。 两参数换挡规律是当前采用最多的形式,控制参数多为油门开度和车速。 两参数换挡规律是以稳定行驶为前提的,它没有很好地解决在坡道等道路环境

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下的意外换挡问题。 三参数换挡规律是由吉林大学的葛安林教授提出的。1992年原吉林工业大 学的葛安林教授等人经过对换挡规律的多年研究,将反映车辆动态过程的三个 参数,即车速,油门开度和加速度作为换挡控制参数【_1。其研究表明,在较大油 门开度加速行驶时,以稳定工况决定的最佳换挡规律与实际有较大偏差,应以 非稳定工况下相邻两挡换挡前后加速度相等的条件确定换挡规律。 为了改进AMT最佳换挡规律的获取方法,中国科学院的王丽芳提出了确定 动力性换挡规律的动态驱动力曲线法和确定经济性换挡规律的油门法和车速法 【32】。为了更好地采用解析法确定最佳换挡规律,建立准确的汽车换挡过程数学 模型是很重要的。对此,吉林大学的研究者们作过不少的工作1331341。清华大学 的张风桐也以原苏联产品JTA-4207汽车作为研究对象,建立了完整的换挡过程 的数学模型[351,并以汽车传动系数学模型为基础讨论了换挡规律的制定方法I硐。 清华大学的张俊智提出了边界点换挡规律【371,克服了原有换挡规律在实际运用 过程中出现的缺陷,提高了车辆的动力性和经济性。日本的Toshimichi
Minowa

等人提出采用估计发动机和变速器输出轴转矩的方法来对自动变速器加以控 制,以便提高汽车的动力性能,改善燃油经济性能l矧。三参数换挡规律进一步 反映了车辆的实际操纵规律,与两参数换挡规律相比,提高了车辆的动力性和 燃油经济性。

1.3课题研究的意义
装有自动变速器的汽车,换挡平顺、操作方便,而且能按最佳的换挡时机 进行自动换挡,有助于汽车动力性和经济性的提高。国内车辆自动变速传动系 统研制开发尚处于起步阶段,存在AT和AMT两条道路。虽然AT技术已很成 熟,并受到了广泛的欢迎,但在国内,产品易变型、多品种、批量小、汽车工

业整体技术水平尚不高的情况,使得AT的适用范围受到了局限㈣。AMT在自
动变速器家族中占有重要的位置,近年来已在国内外得以应用,是自动变速器 领域的一个重要研究与开发方向。 目前,国产轿车上使用的大多是手动变速器(MT)。然而手动变速器存在 起动不平稳、发动机转速变化突然、发动机工况不稳、易对传动系统造成冲击、 驾驶员操纵频繁等一系列缺点,满足不了人们的舒适性需求,因而正逐步被自 动变速器所取代。AMT由于继承了手动变速传动效率高、结构紧凑、工作可靠 等优点,并可以实现手动和自动两种模式选择,因此有较强的适应性。开发生 产AMT可以保留原有的手动变速器生产线,可大大节省用于重建专业生产线及 设备的投资,因而在国内具有广阔的市场前景。


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尽管在AMT研究方面,经过多年的不懈努力,已取得了非常显著的成就, 但因其技术的复杂性,一些关键技术还存在着较多的问题,致使其性能还不能 令人满意。自动变速器的换挡规律是车辆自动变速的核心,是AMT开发的重要 内容。它关系到动力传动系统各总成潜力的挖掘与整车最优性能的发挥,直接 影响车辆的动力性、燃油经济性、通过性及对环境的适应能力,故它是自动控

制系统中最核心的技术㈣。
因此,在当今能源紧张和汽车市场竞争激烈的社会环境下,研究AMT是适 合我国国情的【“。开展AMT换挡规律的研究不仅具有深远的理论意义,而且对 推动我国车辆自动变速系统的开发和产业化,提高汽车工业的技术水平具有巨 大的现实意义和实际应用价值。

1.4论文的主要研究内容
为实现自动变速汽车的最佳动力性和燃油经济性,本论文在前人工作的基 础上,采用某轿车的技术数据,针对电控机械式自动变速器(AMT)的换挡规 律进行了研究,主要内容如下: 1)探讨了AMT的结构与系统原理,初步研究了换挡规律的智能化及换挡
过程的智能控制。

2)利用发动机台架试验数据,采用曲线拟合的方法构造出发动机的转矩模 型、油耗模型和特性曲线。 3)分析各类换挡规律的特点,采用动态三参数换挡规律,重点研究了最佳 动力性、最佳燃油经济性换挡规律的制定方法。 4)利用发动机台架试验数据,结合汽车行驶方程式,考虑坡度的影响,制 定了动态三参数最佳动力性换挡规律;结合汽车燃油消耗方程式,制定了动态 三参数最佳燃油经济性换挡规律,提出了一种修正方案,解决了汽车质量变化 对换挡规律的影响问题。 5)通过对汽车传动系统动力学及换挡过程的分析,在MATLAB/Simulink 仿真环境下构建了AMT换挡规律仿真模型;利用该模型对本文所设计的换挡规 律进行仿真分析,讨论了换挡规律对汽车性能的影响。



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第2章换挡规律与换挡过程智能控制
换挡规律是指相邻两排挡间自动换挡时刻随控制参数变化的规律。它是自 动变速器控制系统的核心技术,关系到动力传动系统各总成潜力的挖掘与整体 最优性能的发挥。换挡规律的好坏直接影响车辆的动力性、燃油经济性、排放 特性、安全性和舒适性等的优劣【411。换挡规律应该是单值的,即对输入变量(换 挡控制参数)的每一组合,仅存在唯一的输出状态——升挡、降挡或维持现状【矧。

2.1换挡规律的类型
2.1.1单参数换挡规律
作为控制参数,有油门开度口、发动机转速吃或车速也等。 若用油门开度作为控制参数,则如图2-1(a)所示,大油门升高挡,小油 门回低挡,这就无法在低挡发挥出较大的牵引力以适应爬坡、超车的需要;而 且松油门制动时,系统仍然在挡,也形成矛盾,加之道路条件复杂,经常要改 变油门位置势必造成换挡频繁。既影响乘客舒适性,也降低系统寿命。故不应 取油门开度为单参数换挡规律的控制参数。 若选发动机转速作为控制参数,尽管它最容易被检测,但在换挡过渡过程 中,其值处于变动之中,可能模棱两可。如与变矩器匹配,在低速时由于变矩 器滑转,也难于检测到精确的发动机转速。所以发动机转速也不适于作为单参 数换挡规律的控制参数。 一般选取相对稳定的车速作为单参数换挡规律的控制参数。

(b)

图2-1单参数换挡规律



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如图2-1(b)所示,当车速达到Ⅱ。:时升入2挡,反之当车速降至“。,时换回 1挡。升降挡时发动机转速变化用血表示。“。,与“。:之问是两挡都可能的工作区, 视车辆原来的行驶状况而定。这种往返换挡之间的交错现象,称之为换挡重叠 或换挡延迟。其作用是: 1)换入新挡后,不会因油门踏板的振动或车速稍有降低而重新换回原来的 排挡,保证了换挡过程的稳定性; 2)有利于减少换挡循环,防止控制系统元件的加速磨损与降低乘坐舒适性。 单参数换挡规律虽然结构最简单,但它不论油门开度如何变化,换挡点以 及换挡延迟的大小都不变,不能实现驾驶员干预换挡。另一方面,为了保证动 力性,升挡点多设计在发动机最大转速%。,这就造成中小油门开度也要在心一 时才换挡,噪声大,难以兼顾动力性与燃油经济性的要求。因此,车辆上已很 少采用这类规律,只有少数城市公共汽车、军用越野车上有所应用,目的是减
少换挡次数。

2.1.2两参数换挡规律
两参数换挡规律是当前采用最多的形式,它克服了单参数换挡规律的缺点, 其控制参数多为:车速虬与油门开度口;液力变矩器泵轮转速n。与涡轮转速nr; 车速“.与发动机转矩t等。在AMT车辆上,控制参数多为车速虬与油门开度口。 由于换挡规律决定了控制参数和换挡延迟,故它又分为:等延迟型、发散型、 收敛型与组合型等四种。 1)等延迟型

等延迟型的概念是换挡延迟细的大小不随油门开度的改变而变化。由图2.2
(a)可见,它的特点是:引入了驾驶员的干预,在小油门时可提前换入高挡, 既减小发动机噪声又可延迟换回低挡,改善了车辆的燃油经济性。
2)发散型

发散型的概念是换挡延迟随油门开度增大而增大,呈发散状分布,亦称增 延迟换挡规律。由图2.2(b)可见,其特点是:驾驶员可以干预换挡,快松油 门时可提前换入高挡,不仅能够降低噪声,而且改善了燃油经济性;大油门时 升挡,发动机转速高,接近最大功率点,动力性好;换挡延迟增大,减少了换

挡次数,提高了舒适性。但因此大油门降挡时的发动机转速以必须降得很低,血
大,功率利用差,故该型仅适用于后备功率大的轿车。
3)带强制低挡的发散型

这是发散型的改进,目的是克服其缺点能提早降挡,以便充分发挥发动机 大功率的潜力,满足超车、爬坡等工况需要。如图2-2(c)所示,当驾驶员猛

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踩油门踏板超过行程Aa时,车辆被强迫换入低挡,使△,l小,获得良好的功率 和牵引力。它保留了发散型换挡次数较少、舒适性高的优点,又克服了其缺点, 故得到广泛应用,但需防止发动机超速。 4)收敛型 收敛型的概念是换挡延迟随油门开度的增大而减小,呈收敛状分布,故为 收敛型规律,亦称减延迟型换挡规律。如图2.2(d)所示,其特点是:大油门 时降挡速差最小,△,l小,所以升降挡都有好的功率利用,动力性好;减小油门 时,延迟增大,避免过多的换挡,且发动机可以在较低转速下工作,燃油经济 性好,噪声低,行驶平稳舒适。该规律适合于比功率较低的货车。由于收敛型 明显优于上述其它类型,因此是换挡规律的发展方向,可推广应用到其它类型 的车辆。

(c)

(d)

图2-2两参数换挡规律

5)组合型

组合型是由上述各种类型综合而成的规律。它更便于在不同油门下获得不 同的车辆性能。通常在小油门开度时,以舒适、稳定、少污染为主,采用单参

11

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数换挡规律;在中油门开度时,以保证最佳燃油经济性为主,兼顾动力性,采 用收敛型;而在大油门开度时,则以获得最佳动力性为主,采用等延迟型。组 合型扬长避短地运用了各种换挡规律。在实际车辆中用的全是组合型。

2.1.3三参数换挡规律
上述换挡规律都是以稳定行驶为前提的,然而实际上车辆在起步、换挡及 道路条件变化时均处于加速或减速的非稳定状态。因而换挡点的速度存在较大 误差,同时由于没有考虑坡道、弯道等环境因素,会导致车辆在坡道和弯道频 繁换挡或意外换挡。显然两参数控制不符合实际,也就不可能保证车辆始终处 于最佳挡位行驶,从而影响整车最佳性能的发挥。 三参数换挡规律是由吉林大学的葛安林教授提出的。它将反映车辆动态过 程的三个参数,即车速“。、油门开度口和加速度du/出作为换挡控制参数。其, 研究表明,在较大油门开度加速行驶时,以稳定工况确定的最佳换挡规律与实 际有较大偏差,应以非稳定工况下相邻两挡换挡前后加速度相等的条件确定换 挡规律[71。三参数换挡规律进一步反映了车辆的实际操纵规律,与以稳定牵引力 相等所制定的两参数换挡规律相比,能显著改善汽车的加速性、燃油经济性、 乘坐舒适性,并有效延长零部件寿命。本文采用三参数换挡规律进行AMT换挡 控制策略的设计。

2.1.4边界点换挡规律
换挡点分为两种,一般换挡点和边界换挡点。一般换挡点是指换挡前后车 辆的加速度不发生变化,为同一点的换挡点。边界换挡点是指换挡前后车辆的 加速度发生变化,为不同点的换挡点。二者的换挡规律有不同的确定方法。 三参数换挡规律处理边界点换挡规律采用的方法是I捌;若升挡前后的相应

du。/出一f(u。)曲线不相交,则取该挡相应油门开度下加速度曲线的最高车速为
换挡点。由于未具体分析换挡前后的幽。/出,三参数换挡规律在边界点可能发 生下列两种情况【明:一是升挡后驱动力小于外界阻力,使车速下降造成换挡循 环或发动机熄火;二是降挡后车速的提高受到发动机转速的限制造成换挡循环 或引起发动机高速噪声。 边界点换挡规律的考虑原则是:对于升挡,若升挡后汽车的加速度为正, 则可以升挡;若升挡后汽车的加速度为负,即驱动力小于阻力,车辆处于减速 状态,则不应升挡。对于降挡,若降挡前汽车的加速度为负,则必需降挡,否 则动力性不足,可能造成发动机熄火;若降挡前汽车的加速度为正,此时若降 挡,发动机工作于高转速状态,为改善发动机的工作状态,不应降挡。

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综上所述,边界点的升挡规律归纳如下:
1)若升挡后加速度吒+。,0,则升挡;

2)若升挡后加速度a。s 0,则保持原挡。 边界点的降挡规律归纳如下: 1)若原挡4.,0,则为了防止换挡循环,不在t'/一1挡所对应的最高车速处 降挡;
2)若原挡吼c 0,则在砧一1挡最高发动机转速所对应的车速点降挡。

2.2实现换挡规律的软硬件组成
2.2.1换挡规律实现的硬件组成
AMT系统是典型的实时控制系统,控制实时性强。电控硬件系统主要包括 控制单元ECU、各种传感器、线束和显示装置等。在自动换挡系统中ECU相当 于人的大脑,采集数据信号并通过分析判断发出控制指令;各传感器相当于人 的感觉器官感知车辆运行状态;线束相当于神经将各运行参数传递给ECU并把 ECU发出的指令传递到执行机构。电控单元ECU由中央处理器CPU、外扩程序 存储器、数据存储器及输入输出电路等组成。

图2-3

ECU控制单元框图

换挡规律的选择和执行主要由ECU来控制,图2-3为ECU的控制单元框图。 ECU中以数表形式存储有最佳动力性及最佳燃油经济性换挡规律,同时还存储

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着实现自动换挡的控制规律;在自动变速器工作过程中来自油门开度传感器、

速度传感器和质量传感器的信号,经信号转换与放大电路及A/D转换后按一走
周期采集到ECU中,ECU根据自动换挡系统换挡规律判断是否换挡;如果需要 换挡,换挡信号将通过相应驱动电路驱动换挡执行机构实现自动换挡操作142】。

2.2.2换挡规律实现的控制流程
实现换挡规律的控制流程是指ECU中所存储的换挡规律执行程序的流程, 它是自动变速器的核心,通过这一控制流程可以实现最佳换挡规律的功能。控 制程序通过处理车辆状态、环境和驾驶员操作意图等信息的数据,依据其设定 的控制逻辑和规律对车辆的执行机构发出控制指令,使车辆自动完成起步、倒 车,刹车、换挡等动作。

图2-4换挡规律应用流程

图2-4为本研究所设计的换挡规律应用程序的基本流程,其主要由四个模块
组成:

1)质量分段模块:将质量传感器测得的质量信息转化到一定的质量段内, 然后按照设定的标准进行归类,并输出分段号; 2)换挡规律选择模块:根据质量分段模块得到的分段号在ECU存储器中 选择相应的最佳动力性或最佳燃油经济性换挡规律; 3)最佳换挡点确定模块:根据传感器测得的油门开度信号、加速度信号, 在最佳换挡规律数据表中应用插值方法求得此时刻最佳升挡、降挡点,并输出 最佳升挡速度Ua 和最佳降挡速度‰ down pu_; 4)换挡控制模块:通过将当前速度与得到的最佳换挡点相比较,从而判断 是否换挡,并发出相应的换挡信号,驱动换挡执行机构进行换挡操作。

2.3换挡规律的影响因素
车辆系统动力学是一个闭环系统,其性能受到驾驶员、车辆使用技术参数 及车辆使用环境的共同影响。车辆的最佳换挡点应该根据驾驶员的意图、车辆

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的运行参数、使用环境等多因素来确定。换挡规律受较多因素的影响,本节主 要讨论汽车质量、道路坡度及汽车转向这三大因素。

2.3.1汽车质量
在传统的换挡规律研究中,一般假设车辆行驶过程中运动质量不发生变化。 事实上,在不同的运输工况中,由于装载质量以及乘载人数的变化,车载质量 变化比较大,即车辆的运动质量并不完全相同,故质量对换挡规律的影响应加 以考虑。 汽车质量可以通过CAN总线,将AMT的ECU和主动悬架部分的ECU连 接起来。在汽车行驶时,将主动悬架中ECU采集到的车身高度传到AMT的ECU 中,通过计算得到此时汽车的质量。 图2-5为某越野车分别在空载与满载情况下,以特定加速度在标准路面上直 线行驶时的最佳燃油经济性换挡规律。它反映了不同汽车质量对换挡规律的影 响。由图2-5可以看出,空载、满载换挡规律的差异明显,挡位越低,差异越大。 汽车质量对最佳换挡点存在相对大的影响,因而换挡规律应考虑质量参数的影 响。为了保证汽车的使用性能,使汽车的换挡规律更能适应各种工况,汽车质 量参数应该作为换挡控制参数,即换挡规律的修改参数使用。实际应用中根据 估计的汽车质量,由下式插值求得对应质量的换挡点车速:
Af,

‰-”。+兰(坍一肼I)
£斗H


(2-1)

式中:血——满载与空载换挡速度差;△m——满载与空载质量差; m——车辆的实际质量: 删。——空载质量。


}tԬ)
图2-5汽车质量对换挡规律的影响

车麓‘■响)

图2-6道路坡度对换挡规律的影响

2.3.2道路坡度
通常自动变速器在坡道或弯道转弯行驶时,很容易出现换挡频繁,而且由

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于AMT换挡时的动力中断,降低了车辆的动力性和经济性,加剧了传动系统和 换挡执行机构部件的磨损。因此,为了解决这些问题,提高自动变速器的整体 性能,需考虑道路坡度对换挡规律的影响。 图2-6所示为不同道路坡度对换挡规律的影响。由图可知:在水平路面与上 坡路面的换挡规律差异明显,但这与挡位无关。坡度越大,换挡规律的差异越 明显。为了避免频繁换挡,确保汽车的使用性能,使汽车的换挡规律能够适应 各种工况,实际应用中也把它作为换挡规律的修改参数使用,利用插值求对应 坡度的换挡点车速。

2.3.3汽车转向
在传统的换挡规律控制系统中,汽车即将驶入弯道时,驾驶员通常要提前 收油或制动减速,转弯时速度进一步降低,换挡规律往往使其快要驶出弯道时 才降挡,然后驾驶员再加大油门,则汽车很快就升挡,如图2.7(a)所示。这 样就降低了汽车的性能。为了提高汽车通过弯道的安全性,采用的方法是换挡 规律应在汽车进入弯道前就降挡,如图2.7(b)所示。可见,有转向控制的换 挡规律(图2-7(b))比传统的无转向控制的换挡规律(图2-7(a))合理。

(a)

(b)

图2-7传统和有转向控制两种换挡规律的比较

图2.8为汽车在各种路面上行驶的挡位控制图。图中A为最高允许三挡行 驶,由于坡度或转弯曲率半径比较大,为了限制车速,保持三挡以下行驶;B由 于在下大坡制动时为了充分利用发动机制动,所以最高允许三挡行驶;C为松开 加速踏板按原挡行驶、进一步利用制动降速时可进入三挡行驶;D为松开加速踏 板按四挡行驶;E为制动时四挡允许行驶;F为最高允许四挡行驶。很显然,转 向半径越小,坡度越大,越不宜高挡行驶。在弯道上如果车速过高将引起翻车, 由(2.2)式来判断,若不满足下式就必须降挡。

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路面
J I







且臻
繁止

升口挡


水耳 路面


C F
D D

禁止




升三挡

l。

E C B 1



图2-8汽车行驶的挡位控制图

‰t厢
式中;4,——允许横向加速度,一般取4J=(O.2~0.3)g;


(2.2)

足——转向半径,转向半径与方向盘转角的关系由实验确定,而方向
盘转角可以直接测量。

2.4换挡规律的智能化
在人—车一路的大系统中,汽车控制的优劣,主要反映在车辆与环境(路) 的协调、车辆与人的协调,故电子自动控制系统可存储多种规律供驾驶员选用, 不仅有经济性规律、动力性规律,而且还有一般(日常)规律、环境温度以及 随外界条件变化的规律等,即换挡点可以自由设定为各种规律。我国赛欧轿车 有运动、经济与雪地3种规律;而富康轿车则存储了10种规律,它们可分别或 同时交替工作,共同控制自动变速状态【43】。特别是采用了模糊逻辑控制和动力 传动系统的综合控制技术,使其实现了智能化控制。但仍然以两参数或动态三 参数为基本控制规律,其它因素视为确定换挡规律的辅助条件。电子控制单元

(ECU)根据选挡杆位置,从存储器中调出相应的规律,再按砌。/dr、“。、口等
控制参数值与规律比较,当达到设定选挡点时,ECU便向电磁阀发出指令,实
现自动换挡。


由于ECU运算控制功能的提高,在日常规律行驶时,已不再用操纵手柄调

用所需规律,而可自动选择。在前进挡(D)中,当加速踏板踩下的速率da/dt
超过程序中设定的速率时,ECU由经济性转变为动力性规律。故将车速%和油 门开度a的组合分成一定数量的区域,如图2-9所示,每个区域有不同的油门开 启速率程序值。当实际值大于它时,为动力性规律,反之为经济性规律。程序 值的分布规律是:车速越低或油门开度越大,其值越小,即越容易进入动力性 换挡规律;当油门开度低于1/8时,动力性换挡规律立即转为经济性换挡规律。
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为了使驾驶者在享受自动变速器的简便操作之余,也能体验亲自驾驶的乐趣,

近来手动一自动一体化变速器在中高级轿车上日益增多。

车速'I-

图2-9自动选择模式控制示意图

为了避免换挡循环,在换挡规律中引入自适应控制装置。当控制系统识别

行驶阻力较大且持续时间较长时,增大换挡延迟血。;当发动机熄火或识别出行
驶阻力小时,自适应模式自动取消。 系统中有驾驶员类型识别、环境条件识别、行驶状态识别等功能模块。驾 驶员类型识别是通过对其加速踏板、制动和转向操作的特点评价来判断的,据 此自动选择换挡规律,从而给自动变速器赋予灵性;环境条件识别是识别行驶 阻力或轮胎与路面的附着状况等,调用或修正换挡规律;行驶状态识别是针对 当时行驶状况(如减速、下坡、曲线行驶或停停走走等工况)对换挡曲线作适 当的改变等。通过这些功能模块,可以使AMT能够因人、因时、因地进行换挡 控制。此外,汽车性能随使用时间的增加会发生改变,也需要能被识别并在控
制中反映出来。

2.5

AMT换挡过程智能控制
为保证车辆的自适应能力,智能化操纵是车辆技术发展的重要方向,而智

能换挡是车辆动力传动系统智能化控制的关键。AMT换挡过程智能控制是根据 车辆的行驶状况、道路环境及驾驶员的操作意图等多方面的信息,确定所采取 的换挡控制策略,使车辆具有模仿优秀驾驶员的挡位决策能力和控制执行能力。

2.5.1最佳挡位决策系统
最佳挡位决策系统如图2—10所示,根据车辆运行和操作特征参数的实时数 据和道路条件、驾驶意图、驾驶员特征的辨识结果,以及所制定的各种条件下 的换挡控制规则库中控制策略,进行综合判断,确定当前条件下的最佳挡位, 然后对该最佳挡位进行可行性分析后输出换挡控制指令。

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I节气门开度卜- I t、n*t,”卜 I车速卜_ I加速度卜. I挡位卜_ I制动程度卜_ l方向盘角度卜一
—_|■

-t坡道辨识I- -i车载辨识t- -I弯道辨识I- -I路况辨识J- -I驾驶意图辨识I-
-I驾驶特征辨识I-



图2-10最佳挡位决策系统框图

2.5.2综合智能挡位决策
换挡控制策略是在利用车辆运行、操作特征等控制信号的实时数据,以及 对道路条件、驾驶员意图识别的基础上,通过对基本换挡规律进行修正得到的。 这些换挡规律只能适应某些特定的条件。然而,车辆行驶环境的复杂性决定了 实际运行工况往往是上述两个或者多个特殊环境条件的耦合。因此,必须根据 多特征耦合情况对上述修正参数进行必要的加权控制,使之符合复杂环境条件 下的换挡控制需求。 模糊综合智能化的挡位决策就是在车辆行驶过程中,根据路面状况和驾驶 员的操作意图对换挡规律进行实时修正,使车辆始终按照驾驶员的实际需要进 行换挡,既满足人对车辆的可驾驶性要求,又满足车辆的动力性、经济性要求。 图2-11为综合挡位决策示意图。在进行综合智能挡位决策时,首先需要对车辆 运行和操纵特征参数进行归一化处理,然后对道路条件、驾驶员意图的识别结 果进行模糊判断,按照优先原则进行加权处理,再根据加权结果确定基本换挡 规律的修正量,对基本换挡规律进行修正。因为道路条件和驾驶员意图的区分, 特征参数的识别和综合判断相当复杂,而且对特征参数的提取受到车辆传感器 数量和方法的影响。因此,简化综合判断过程不但可以减少换挡规律的修正数 据量,而且可以满足复杂工况下挡位决策和实时控制的需要。


辆 特




—÷1驾驶员意图模期判断卜 —叫道路条件模糊判断}-争
图2.11综合挡位决策示意图







—'

化 处 理

输 入

量 加 权 控 制

—+

基 盘 换 挡 规 律 修


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道路环境划分为:良好路段、复杂路段、颠簸路段、陡坡CA:坡)路段、 陡坡(下坡)路段、转弯路段;驾驶员意图划分为:加速、减速、超车、停车、 滑行、冲坡。在进行复杂环境条件和驾驶员意图下多种耦合工况的综合挡位决 策时需要考虑以下原则: 1)安全性原则,在任何条件下必须优先考虑车辆的安全性: 2)“人机”协调原则,充分体现驾驶员的意图,保证车辆的可控性; 3)适应性原则,充分利用各种信息,使换挡选择与道路环境相适应; 4)最优化原则,保证动力性、经济性和部件寿命最优。 其中安全性和“人机”协调原则是综合控制的必要条件,而适应性和最优 化原则为充分条件。因此,综合控制中的驾驶员意图确定的修正量和道路条件 确定的加权量,要充分体现优先的控制原则。 由驾驶员意图和道路条件决定的对基本换挡规律的修正量在进行加权控制 中考虑下列原则: 1)良好路面和复杂路况,驾驶员意图修正信息占优,道路修正信息占次; 2)颠簸,上、下坡等路况下,道路修正信息占优,驾驶员意图占次; 3)道路耦合工况下,坡道信息占优,其余占次; 4)无驾驶员特殊意图修正信息,则道路修正信息占优; 5)无特殊道路修正信息,则驾驶员意图修正占优。 利用道路特征和操纵意图识别结果的模糊集,对相应的换挡规律进行综合 加权判断的控制规则见表2.1。
表2-1综合加权控制 道路修正参数 颠簸
’,

加权控制规则 超车 驾驶员 意图修 正参数 减速 加速 滑行 无

上坡


下坡
● √ ● √

复杂


良好

√ ’,

√ √ √ √

’, √
● √

√ ’, √ ’,

√ √



其中,√表示存在加权控制,●表示不存在加权控制。 加权控制的权重设定如下: 1)超车和减速意图占优时权值为O.8,道路条件权值依据上述原则分类为: 良好道路权值均为O.2,复杂路段权值为0.2; 2)加速和滑行意图占优时权值为0.6,道路条件权值依据上述原则分类为: 良好道路权值0.4,复杂路段为0.4; 3)驾驶员意图占次时,超车和减速意图权值为0.2,道路条件权值为0.8;

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加速和滑行意图权值为0.1,道路条件权值为0.9; 4)特殊道路耦合工况出现,则信息占优权值为1; 5)无驾驶员意图修正参数时,所有道路修正权值为1; 上述加权控制以归一化的修正量为基础,为主观评价设置,因此需要在仿 真和实验的基础上进一步验证和调整。依据上述设定的权值,对驾驶员意图和 道路条件的修正值进行加权控制,得到综合控制参数,可以获得基本换挡规律
的最终修正。

2.6本章小结
本章主要研究内容如下: 1)详细介绍了不同类型的自动变速器换挡规律,分析了各自的特点和优劣, 阐述了实现换挡规律的软硬件组成; 2)论述了换挡规律的影响因素,初步研究了换挡规律的智能化及换挡过程 的智能控制,为换挡规律的制定打下了基础。

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第3章最佳动力性换挡规律的制定
汽车是一种高效率的运输工具,运输效率之高低在很大程度上取决于汽车 的动力性。汽车的动力性系指汽车在良好路面上直线行驶时由汽车受到的纵向 外力决定的、所能达到的平均行驶速度㈣。动力性在很大程度上决定了汽车运 输效率的高低,所以动力性是汽车各种性能中最基本、最重要的性能。最佳动 力性换挡规律就是使汽车牵引力得到最充分的利用、发动机功率获得最大发挥 的换挡规律。本章将根据汽车行驶动力学,在考虑发动机动态特性的情况下, 对最佳动力性三参数换挡规律的制定进行分析研究。

3.1汽车动力性分析
要建立汽车的三参数最佳动力性换挡规律,首先要对汽车的动力性进行分 析。研究汽车的动力性,就是研究汽车沿行驶方向的运动状况。为此,需要分

析在汽车行驶方向上作用于汽车的各种外力,即驱动力与行驶阻力M,根据这
些力的平衡关系建立汽车的行驶方程式,即可获得汽车的加速度公式,进而根 据同一油门开度下,相邻两挡换挡加速度相等的条件建立汽车的动力性换挡规
律。

3.1.1汽车动力性的评价
从获得尽可能高的平均行驶速度的观点出发,汽车的动力性主要由以下三 方面的指标来评定【卅。 1)最高车速 最高车速是指在水平良好路面上汽车能达到的最高行驶速度。它仅仅反映 汽车本身具有的极限能力,并不反映汽车实际行驶中的平均速度。现代轿车的 最高车速一般在120~250km/h之间,货车的最高车速一般在80~120km/h之
间。 2)加速时间

汽车的加速时间表示汽车的加速能力,它对汽车平均行驶速度有着很大影 响。常用原地起步加速时间与超车加速时间来表示汽车的加速性能。 原地起步加速时间是指汽车由第1挡或第Ⅱ挡起步,并以最大的加速强度 (包括选择恰当的换挡时机)逐步换至最高挡后到某一预定的距离或车速所需 的时间。超车加速时间是指用最高挡或次高挡由某一较低车速全力加速至某一 高速所需的时间。

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3)最大爬坡度 汽车的上坡能力是用满载(或某一载质量)时汽车在良好路面上的最大爬 坡度表示的。显然,最大爬坡度是指l挡最大爬坡度。 轿车最高车速大,加速时间短,经常在较好的道路上行驶,一般不强调它 的爬坡能力;货车在各种地区的各种道路上行驶,所以必须具有足够的爬坡能 力,一般最大爬坡度在30%即16.7。左右;越野汽车要在坏路或无路条件下行 驶,因而爬坡能力是一个很重要的指标,它的最大爬坡度可达60%即31。左右。

3.1.2汽车的驱动力
汽车发动机产生的转矩,经传动系传至驱动轮上。此时作用于驱动轮上的 转矩Z产生一对地面的圆周力昂,地面对驱动轮的反作用力E(方向与磊相反) 即是驱动汽车的外力,此外力称为汽车的驱动力,单位为N,如图3-1所示。其 数值为:

声.互—r,/一,io,7,(3-1)
式中:只——驱动力(N); ,——车轮半径(m); t——变速器的传动比; f0——主减速器的传动比; %——传动系的机械效率。 乙——发动机转矩(N?m)。 Z——作用于驱动轮上的转矩(N?m); 3.1.3汽车的行驶阻力
汽车行驶时,发动机发出的驱动力矩主要是克服汽车受到的各种阻力的作 用,这些阻力包括滚动阻力F,、空气阻力兄、坡度阻力E和加速阻力耳。如果
图3-1汽车的驱动力

用了F表示各种行驶阻力之和,则有:

∑,一易+E+互+弓
1)滚动阻力

(3-2)

滚动阻力等于滚动阻力系数与车轮负荷之乘积,即:

F,?Wf一肼g(/o+/m。)cos∥

(3?3)

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式中:W——汽车车轮法向负荷(N); g——重力加速度,取9.8m/s2;

m——汽车质量(kg); 口——坡度角。

,,,o+妇。——滚动阻力系数,而、k的取值p5】可参考表3-1;
表3-1滚动阻力系数 轮胎类型
9.00.20 260-508p 300-508p 320-508p 340-508p

载荷(1潮)
22.5 22.5
25.0


O.0086 O.0070 0.0130 0.0110 O.0128

七 O.000148 0.000168 O.000260 0.o(耵220 O.0(10230

25.O 25.O

2)空气阻力

汽车直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的分力称为空气阻力。在

汽车行驶范围内,空气阻力的数值通常都总结成与气流相对速度的动压力p,,,2/2
成正比例的形式,即:

瓦-:1LD^∥,2(3-4) 式中:C0——空气阻力系数; 彳——迎风面积,即汽车行驶方向的投影面积(m2); P——空气密度,一般P=1.2258N?s2?m4: 以——相对速度,在无风时即汽车的行驶速度(m/s)。
本文只讨论无风条件下汽车的运动,所以“,即为汽车行驶速度“。。如“。以 km/h、A以m2计,则空气阻力(N)为:

F.-案
可见空气阻力是与Cj及4值成正比的。
3)坡度阻力 只一Gsinfl—mgsin芦

(3-5)

当汽车上坡行驶时,汽车重力沿坡道的分力表现为汽车坡度阻力,即:
(3—6)

式中:G——作用于汽车上的重力(N); 芦——坡度角(。)。
道路坡度i是以坡高与底长之比来表示的,即:

f…h

tan口

(3.7)

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根据我国的公路路线设计规范,一般道路的坡度均较小,此时
sin口一tanp-i 故 E—Gsin卢一Gtan卢一Gi—mgi
(3—8) (3—9)

由于坡度阻力与滚动阻力均属于与道路相关的阻力,而且均与汽车重力成 正比,故可把这两种阻力合在一起称作道路阻力,以E表示,即:

‘一‘+E-G厂cosp+Gsinp
4)加速阻力

(3-10)

汽车加速行驶时,需要克服其质量加速运动时的惯性力,就是加速阻力一。 对于固定传动比的汽车,常以系数6作为计入旋转质量惯性力偶矩后的汽车旋转 质量换算系数,因而汽车加速时的阻力(N)可表示为:

F。。6m!监


(3.11)

df

式中:6——汽车旋转质量换算系数(6>1); m——汽车质量(1唔);du。/出——行驶加速度(m/s2)o
6主要与飞轮的转动惯量、车轮的转动惯量以及传动系的传动比有关,可用 下式来计算:

Ⅲ+三耳+三卫I-2婴.2(3-12)
m,‘ m
,‘

式中:L——车轮的转动惯量(1【g?m2);
根据公式(3.2)至(3.12),可得:

,,——飞轮的转动惯量(1【g?m2)。

∑F一‘+匕+只+‘

一mg(fo+ku舾卢+mgsin卢+%等嘲警 -箍”2(mgkcos/1)Ua+mg(foCO泖sin芦)砌等
一A:u2,+Bi.ua+c/¨埘警
式中的系数分别为;
(3-13)

4-篆
B,-m醇cos#
(3—14)

C/-mg(focosfl+sinfl)

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故道路阻力和空气阻力之和E+,可表示为:

‘+,一4“:+Blu。+c,
3.1.4汽车行驶方程式
根据上面逐项分析的汽车行驶阻力,可VA得到汽车行驶方程式为:

(3-15)

E-乃+巴+互+C


(3?16)

迎r-何删+罴Ⅱ2+Gsin川所等
考虑到实际中正常道路的坡度角不大,故常将上式写为:

(3.17)

_rj,t铆T—G,+箍pG/21 15嘲盟dt


(3-18)





.。

公式(3.18)表示了无风天气、正常道路上行驶汽车的驱动力与行驶阻力的 数量关系,是建立整车动力学模型的基础。

3.2发动机特性
发动机是车辆的动力输出部分,在AMT系统中,发动机是一重要控制对象。

发动机性能指标随调整情况及运转工况而变化的关系称为发动机特性嗣。发动
机特性种类很多,其中有速度特性、负荷特性、万有特性、排放特性等。这些 特性中与AMT控制系统直接相关的是发动机的速度特性,因为在起步和换挡的 自动控制过程中要通过控制油门开度来控制发动机转速以及输出转矩来协调离 合器、发动机和变速器的联合控制。

3.2.1发动机的速度特性
发动机的速度特性是指油门开度保持不变,工况处于最佳调整状态时,发 动机的性能指标和特性参数随转速的变化关系。它包括全负荷时的速度特性(外

特性)和部分负荷时的速度特性(部分特性)两大类M。
将发动机油门全开时,转矩己、功率£以及燃油消耗率玩与发动机转速以之 间的函数关系以曲线表示,此特性曲线称为发动机外特性曲线。外特性曲线上 的每一个点,对应发动机在不同转速下能发出的最大功率和最大转矩。发动机 油门部分开启时,瓦、£与他之间的函数关系曲线称为发动机部分负荷特性血 线。图3.2为某发动机的外特性曲线,图3-3是某轿车的电子喷射发动机部分负

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荷特性曲线。任意油门开度和转速下的发动机稳态输出转矩,都可以利用双线 性插值法从部分负荷特性曲线中获得。

垂隅i善需 乳幽3豳



;』—斗—寸—叶、、三

|稠
1)转矩曲线 2)功率曲线

熏{
图3-3发动机部分负荷特性曲线 (3.19)


图3-2发动机外特性曲线

以下对发动机的外特性曲线进行简要分析【档1:

发动机的转矩曲线是一条上凸的曲线,随着发动机转速增加,发动机发出 的转矩增加,再增加发动机转速时,瓦先有所下降。转矩的理论计算式为:


己。啦

式中:毛——比例系数; %——指示热效率;

仉——充气效率; ‰——机械效率; 口——过量空气系数。

随着发动机转速的增加,功率持续增加, 一直达到最大功率£。,此时发 动机转速为以一。功率与转矩有直接关系:
‘‘9550

P.堡

(3.20)

3)比油耗曲线

比油耗曲线随着转速的增加,先减后增。燃油消耗率的理论计算式为:

院.七—L
礓,k

(3.21)

式中:k——常数。 3.2.2发动机的稳态转矩特性
汽车动力性、燃油经济性模拟计算是以发动机数学模型为重要依据的。发 动机数学模型的描述,包括汽车发动机外特性和万有特性。研究表明,发动机

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的外特性曲线和部分负荷特性曲线均是发动机油门开度和发动机转速的函数,

即t?,(口,ne)。在一定的油门开度下发动机输出转矩曲线可由试验数据三次样
条插值拟合达到满意的精度。因此可用有限的试验数据建立发动机的数值模型。 本文所研究的某轿车的发动机稳态转矩特性试验数据如表3.2所示1491,其中

转速%的单位为ffmin,转矩乙的单位为N‘in。
表3-2发动机稳态转矩特性试验数据


1200

12%

22%

29%

38%

47%

57%

67%

80%

100%

50.∞
28.44

76.67 57.11
38.67

93.56 84.89

99.78 102.89 94.44 81.11 70.00 57.33 47.78 37.33 35.11 23.33

104.44 111.56

108.89
120.44

1∞.89
126.56
129.33 129.11

108.89 125.56 131.11 131.11 138.67 137.78 135.56 133.11 132.22 128.89 121.33

118.67 131.56 137.78
142.44

16∞

2咖 2枷
2800 3200

∞56
51.11 40.00 28.44
20.22

1鸺.89
100.44 91.11 82.67 72.22 61.1l 58.89 47.78 40.00

122.44
120.00

26.67

115.78
110.00 101.11

13133 131.11 128.89
124.44 124.44

148.89
150.67

36∞
4000 4400

145.56 137.78

92.89 91.56 79.56 69.56

140瑚
140.44

48∞
5200

118.89

1吣.44

130.∞

根据发动机的试验数据及其应用范围,分别绘出油门开度和发动机转速的

坐标向量,即:油门开度口一[q,%,…,‰]r和发动机转速以《以,,%:,…,%]r,
其中口l和%分别表示发动机最小和最大油门开度。~和k分别代表发动机最
低和最高转速。坐标间隔为三次样条的插值步长,插值步长分别相等,为

Aa—q。一q一(%-口1)/m,△心-%(i枷一%-魄.一%)加。坐标值的间隔大小
决定了数表的网格数,坐标间隔越小则数表的网格越密,插值结果越精确,但 数表的数据存储量越大。 发动机的输出特性可以采用二元三次多项式得到比较满意的拟合精度。

t-,(口,,k)mao+4以3+a2n2口f+a3nea2+口4口3+45,‘2+口6以口+47口2+a/t,+口9口
(3.22)

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其中q,i=0,1,2,…,9为待定系数。图34为根据试验数据拟合构造的发动 机油门开度、发动机转速与稳态输出转矩的关系。根据曲面图,若给定发动机 油门开度和转速即可确定在稳态工况下的输出转矩。

图3.4发动机稳态输出转矩

3.2.3发动机的动态转矩特性
发动机在工作中,有66%~80%的时间是处于非稳态工况下的【501。在正常 热力状态下工作的汽油发动机,通常是通过曲轴的转速、油门开度和空燃比这

三项来实现发动机的调速和控制的。如果以时间t来看,当出现西l。/出一0或者 da/at-0时,发动机就进入了动态工况。车辆在起步或换挡时,发动机均处于
动态工况。

研究表明,非稳态工况下的发动机特性与稳态工况下的发动机特性是不同 的。当汽车加速时,由于混合气浓度逐渐变稀,使发动机转矩比稳态工况下的 转矩低,发动机转矩下降量与曲轴角加速度近似成线性关系,并且下降量不超 过发动机最大转矩的4%~5%。同理,当汽车减速时,由于混合气浓度逐渐变浓, 使发动机转矩比稳态工况下的转矩高,转矩上升量与曲轴减速度也近似成线性 关系【511。因此,常采用修正系数的方法来对发动机稳态工况下的输出转矩进行 修正,并作为非稳态工况下的输出转矩。修正后,得到发动机的动态输出转矩
为:

譬一毛一A等.an2,+bn,+c
式中:霉——发动机动态输出转矩(N.m); 己——发动机稳态输出转矩(N.m); a04at——发动机曲轴角加速度(1/s2);

(3—23)

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A——非稳态工况下发动机输出转矩下降系数,一般为0.07,4).09。
虽然式(3—23)只是发动机动态工况的一般规律,鉴于有载模型在起步过程 中仅居次要地位,是可以满足基本要求的。

3.3动态三参数最佳动力性换挡规律的制定
自动变速器一般采用的是以发动机稳态特性为基础制定的二参数(口和“.) 换挡规律,而实际上汽车在起步和换挡时均处于加速、减速的非稳定状态。文 献【23】表明,稳态与动态的换挡点速度误差最大达13%以上。故采用动态三参数 换挡规律更能保证车辆始终处于最佳挡位行驶,从而充分发挥整车的最佳性能。 动态三参数换挡规律的制定方法有经验法、图解法与解析法三种,因经验 法以司机主观评价为依据,难以达到最佳效果,故仅讨论后两种方法。

3.3.1图解法
1)加速度曲线法

根据汽车加速度方程式;

idua.击『华一(弓+E训1


6历I



、,



(3.24)

”I

可以求得在一定油门开度和车速下的加速度值,并以此绘制加速度曲线图。 同一油门开度下相邻两挡动态加速度特性曲线的交点即为所求。若加速度特

性曲线du,/缸I/(u。)两者并不相交时,则取该挡下相应油门开度下加速度曲线
的最高车速为换挡点。各种不同油门开度下加速度曲线交点的连线,即为该相 邻两挡的动态三参数最佳动力性换挡规律m,如图3-5中的曲线ab、cd、cf所示。 同理可求其它挡位。显然,这与以相邻两挡静态牵引力特性曲线所决定的二参 数换挡规律有本质的区别。

:一
。,毫^~、、
图3-5加速度曲线法示意图
30

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2)动态驱功力四线纭

车辆在第一挡时的动态驱动力霹为:

霹即L心(m睾)等
同样,在第疗+1挡时,互:+Il为:

(3.25)

撕‰峨州∥卜擎)等
式中:E——滚动阻力; 己——空气阻力;

(3-26)

E一坡度阻力;卜挚1鲁一汽车加速阻力。

(b)

图3-6动态驱动力曲线法示意图

由加速度曲线法田】知,在相同的油门开度下,在曲线du。/出一口.与

du。o.q/西一%的交点处,du。/缸-du。扣+1)/出,H。--Um+q,厶?弓”q, E。-j0+q,瓦=互o+1),故动态驱动力砰一E:+ll。由此可见,在相同油门开
度下,加速度曲线du。/出~“。与du小+q/出一%的交点也就是该种条件下曲线 硭~%与E:+ll一“。的交点。反过来,可由相同油门开度、相同加速度下,曲线 霹一%与C:+1)一心的交点来找换挡点。
具体方法为:绘制不同加速度、不同油门开度下相邻两挡的动态驱动力曲 线,相同油门开度的交点即为换挡点,对应的车速为该油门开度、该加速度下 的车速,从而确定了一个换挡点,不同油门开度交点的连线构成了该加速度下 的换挡曲线。图3-6中,AA线为匀速行驶时,二挡升至三挡的换挡曲线;BB 线是加速度为0.3m/s2时,二挡升至三挡的换挡曲线。

3.3.2解析法
图解法本身并不复杂,但事前需计算各种行驶阻力下、不同油门开度时的

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加速度,工作量很大。解析法可通过计算机编程,不仅省时,而且换挡规律精 度高,还能用积分求出相应的加速时间。解析法从微分方程开始:

_duo..毕(3-27)
at

Ohm

式中:珊——车辆总质量(kg): 瓦——相应于第n挡的稳态牵引力; E+,——道路阻力与空气阻力之和(N); 屯——考虑了发动机非稳定特性A及飞轮转动惯量,,、车轮转动惯量L
影响的旋转质量系数:

纠+擎+学
H。一0.377__rne

@28,

在定油门开度时,根据发动机试验数据,可拟合转矩特性譬-,(%)为二次
曲线;

。T:。4n21+bn,+c
由发动机转速与汽车行驶速度之间的关系式:

(3.29)

(3.30)

kb

则可将牵引力表示为:

瓦.华呻。2瑚以
式中各系数分别为:

(3-31)

以。赫口 以-器口
吃-嘉6
巳-揣c
屯 以+。 在相同油门开度下,由相邻两挡加速度相等得:

竿一%导(3-32)

将式(3.15)和式(3.31)代入式(3.32)得:

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以+-[(A一厶)%2+(瓦一%)心+(c甜一q)】 一瓯【(4t。+n一4t一,)‰2+(4。哪一毋。枷Ua.4-(e。椰一c,。q)】
移项化简可得: 4“。2+只球。+C:一0 式中各系数分别为:
(3—33)

4一t。(以一厶)一瓯(40+"一爿,o哪) E-戌+。(瓦一%)一瓯(耳(n+1)--B/“哪) c:一屯。(ck-C舟)一瓯(c扣+1)一c,o+1))
公式(3—33)为某一油门开度下n挡与n+1挡间求最佳动力性换挡点的方程。 解此方程可求出两个相邻两挡的最佳动力性换挡点速度:

‰一(一只±厩)肚



(3.34)

再与该挡下相应的最高速度Ⅳ。一及换入下一挡的最低速度“。“+1)。比较
【矧,若满足

“埘>0.Ru。“枷血‘“耐‘球埘眦



(3-35)

则“。为升挡点速度,按照一定速差即可求得降挡点的速度。将不同的油门开度、

不同的行驶阻力(五,、‘:+,、气.,……)下的一系列相应的最佳动力性换挡
点按相同加速度下的换挡点归类,即获得动态三参数控制的最佳动力性换挡规 律。 与此同时,还可求出在某油门开度下,从原地起步连续换i个挡,加速至某 期望车速Ⅳ。的加速时间r:

n耋£,丧舢C若》c驴∞@ss,

因群。是最佳动力性换挡点速度,故所求加速时间r为最佳值。

3.3.3改进的最佳动力性换挡规律的制定
虽然上述动态三参数最佳动力性换挡规律的制定方法考虑了发动机的动态 特性,但是应用这种换挡规律的汽车在坡道行驶时,由于没有考虑坡道的影响 以及换挡前后加速度的变化,会出现循环换挡现象。为此,本文提出并制定了 改进的动态三参数最佳动力性换挡规律。另外结合文献【37】综合考虑汽车的边界 点换挡规律,从而减少换挡循环的产生。 坡道参数是描述外部环境的一个重要参数,可以通过车辆的运行状态进行

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辨识【52】,其原理是:如果车辆在坡道上运行,其加速度较之在标准平直路面将 发生变化,这种变化隐含了坡道信息。辨识道路坡度时有以下两种情况。 1)坡道不大时

”量堡兰生 瓯坍


,(3-37)

‰准一气竽
平直路面上行驶的加速度。根据式(3.39)即可辨识道路的坡度。 2)坡道较大时

c3㈣

口赤准一aR-—g—s=in—fll(3-39) 式中,a。为第n挡时车辆在坡道上行驶的加速度;口椭为第甩挡是车辆在

令‘一乃+互-mg(fcosfls+sinp,)(3-40)
贝U:E标准一ms/"

‰川一警一出半(3-41)

根据式(3--41)的超越方向可以辨识道路的坡度。 参考三参数换挡规律的制定,改进的动态三参数最佳动力性换挡规律的具 体制定步骤如下: 1)首先将汽车经常遇到的坡度范围(-卢。,芦一)划分为七个区间,取每一区

间中心值作为该区间的计算坡度;取定某一发动机曲轴角加速度dR/at。

2)对每一坡度展(xE[1,k]),利用公式(3-34)计算某一油门开度q下各
相邻两挡(厅挡和行+1挡)的加速度曲线的交点速度“。。根据公式(3—35)判

断速度U4,a是否为换挡速度。其中,//'a(a+1)。为n+1挡最低速度,‰一为意挡最 高速度。如果满足公式(3?35)则‰为一般换挡点,该速度即为升挡点。
3)当所求交点速度“。不满足公式(3.35)时,则H。为边界换挡点【卅,根 据以下判断条件决定换挡速度: a)若雄+1挡的最低速度“a(-+O。处的加速度大于此速度下万挡的加速度,则 换挡点为玎+1挡的发动机最低转速点,即换挡速度为“m枷。; b)若弹挡的最高速度“。。处的加速度大于此速度下行+1挡的加速度,则 换挡点为弗挡的发动机最高转速点,即换挡速度为“—。。

4)计算该坡度展、该油门开度q及换挡速度Ⅱ。下的换挡加速度幽。/出的

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值,由此得到动态三参数最佳动力性换挡规律的换挡点(q,“。,如。/引。
5)在不同油门开度、不同挡位下反复执行步骤24,可得到在坡度皮下的 动态三参数最佳动力性换挡规律。其中当坡度为0时,求得1—2挡、2~3挡的动 力性换挡规律数据分别如表3.3和表3-4所示。 6)顺序改变坡度口,重复执行步骤2巧,则求得在不同坡度下的动态三参 数最佳动力性换挡规律。 7)将得到的各坡度下的动态三参数最佳动力性换挡规律按相邻挡位进行分 类,并分别进行曲面拟合,则得到相邻挡位间的最佳动力性换挡规律曲面图。 图3.7至图3.10为坡度为。时,各挡问的最佳动力性换挡规律曲面图。
表3-3

1以挡动力性换挡规律数据
40% 25 24 23
22


0 0.2 0.4 0.6 O.8 1.0
1.2 1.4

10% 15
14

20%

30%
20

50% 30 28
28

60% 35 34 32 32 33 33
33

70%
37

踟%
38 37 36 35 36 35 35 35 35

90% 39 38 37 36 36 36 36 36 35

100% 39 38 37 36 36 37 37 37
36

15
14

19 18 17 15
14

36 34 34
34

13
12

13
12 12

26 27 25
24

12
ll

20 19 19 19 18



34
33

14
14 14

24 23

33 33

33 33

1.6

表3-4

2旬挡动力性换挡规律数据




10%

20%

30%

40% 37 36 34 34
36

50%

60%

70% 52 50 50 49
59

80%

90% 63 62 60 60 62 61 61
61

100%

24 23 22

24 23 22

33 32 31 31
26

41

47 45 44 43

56 55
54

65

0.2 0.4 0。6 O.8 1.0
1.2 1.4

40 38 38 50 4.8 47

64 63
62

22

22 18

54
61 60 59

59 58
58

63 63
62

35

59 58 61
61

60

61
62

62 62

1.6

62

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图3-7

1也挡动态三参数最佳动力性
换挡规律曲面

图3-8

2-3挡动态三参数最佳动力性 换挡规律曲面

图3-9

3-4挡动态三参数最佳动力性 换挡规律曲面

图3.10

4-5挡动态三参数最佳动力性 换挡规律曲面

3.4本章小结
本章主要研究内容如下: 1)探讨了汽车动力性的评价指标,通过分析汽车的驱动力和行驶阻力,建 立了汽车行驶方程式,为三参数动力性换挡规律的制定打下理论基础; 2)分析了发动机的速度特性和转矩特性,利用曲线拟合和三次样条插值, 构造出发动机的转矩模型和特性曲线; 3)论述了动态三参数动力性换挡规律的制定方法,考虑坡度的影响,制定 了各挡间的动态三参数最佳动力性换挡规律,并拟合出换挡规律曲面。

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第4章最佳燃油经济性换挡规律的制定
在保证动力性的条件下,汽车以尽量少的燃油消耗量经济行驶的能力,称 作汽车的燃油经济性f44】。燃油经济性也是汽车的一个很重要的性能。最佳燃油 经济性换挡规律是指使汽车以最小的燃油消耗工况来进行换挡的规律。本章将 采用解析法制定动态三参数最佳燃油经济性换挡规律,并针对质量对换挡规律 的影响,提出一种改进的解决方案。

4.1汽车燃油经济性分析
要建立汽车的最佳燃油经济性换挡规律,首先要对汽车的燃油经济性进行 分析,根据汽车燃油消耗量与汽车发动机经济性、汽车结构参数及环境条件间 的关系,建立汽车的燃油消耗量方程式,进而推导出制定最佳燃油经济性换挡 规律的方法。

4.1.1汽车燃油经济-陛的评价
从以最少的燃油消耗完成尽可能多的运输量的观点出发,汽车燃油经济性 常用一定运输工况下汽车行驶百公里的燃油消耗量或一定燃油量能使汽车行驶 的里程来衡量。 在我国及欧洲,燃油经济性指标的单位为I./lOOkm,即行驶lOOkm所消耗 的燃油升数。其数值越大,汽车燃油经济性越差。美国为MPG或mile/USgal, 指的是每加仑燃油能行驶的英里数。这个数值越大,汽车燃油经济性越好。 等速行驶百公里燃油消耗量是常用的一种评价指标,指汽车在一定载荷(我 国标准规定轿车为半载、货车为满载)下,.以最高挡在水平良好路面上等速行 驶lOOkm的燃油消耗量。通常测出每隔lOkm/h或20km/h速度间隔的等速百公 里燃油消耗量,然后在图上连成曲线,称为等速百公里燃油消耗量曲线,用它 来评价汽车的燃油经济性。但是,等速行驶工况并没有全面反映汽车的实际运 行情况,特别是在市区行驶中频繁出现的加速、减速、怠速停车等行驶工况。 因此,在对实际行驶车辆进行跟踪测试统计的基础上,各国都制定了一些典型 的循环行驶试验工况来模拟实际汽车运行状况,并以其百公里燃油消耗量(或 MPG)来评定相应行驶工况的燃油经济性。

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4.1.2汽车燃油经济性的计算
1)等速行驶工况燃油消耗量的计算 根据汽车发动机的万有特性图和汽车功率平衡图,可以确定发动机在一定 转速%、发出一定功率£(kw)时的燃油消耗率b(e,/(kW?h))。车辆以速度心 行驶时,单位时间内的燃油消耗量Q(m1./s)为:

Q?丽P丽b(4-1)
式中:P——阻力功率(kW)t P——燃油密度(kg/L); g——重力加速度(m/s2).
折算成等速百公里燃油消耗量QJ(1./lOOkm)为:

QJ。丽P丽b
2)等加速行驶工况燃油消耗量的计算

(4.2)

汽车等加速行驶时,将加速过程分隔成若干区间,按速度每增加lkm/h为 一个区间,即把U。。一虬:分成若干个小区间,然后分别计算每个区间燃油消耗量, 再将所以区间的燃油消耗量相加,则可得到等加速行驶工况的燃油消耗量。 其中,每个区间的燃油消耗量可根据其平均的单位时间燃油消耗量与行驶 时间之积来求得;各区间起始或终了车速所对应时刻的单位时间燃油消耗量Q 可由公式(4-1)求得。而汽车行驶速度每增加lkm/h所需时间(s)为:

At.土
3.6du,

(4.3)



若汽车由车速“。。等加速行驶至心:,设Q表示车速为(‰。+f)km/h时,即 ‘时刻的单位时间燃油消耗量(mI./s),Q为行驶速度从(U。。+f一1)km/h加速 il!(u。。+i)km/h所需燃油量(mL),则整个加速过程的燃油消耗量Q(mL)为:

Q-Xo,?Q1+Q2+…+Q
式中:

(“)

Q-妻(Qo.1)+幺)垃(i-L2,…,盯)(4-5)
其中,Q。为行驶初速“。时,即fo时刻的单位时间燃油消耗量(mI./s)。 3)等减速行驶工况燃油消耗量的计算 减速行驶时,油门松开(关至最小位置)并进行轻微制动,发动机处于强 制怠速状态,其油耗量即为正常怠速油耗。所以,减速工况燃油消耗量等于减

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速行驶时间与怠速油耗的乘积。假设汽车由车速心2(km/h)减至心,(km/h), 则减速时间(s)为:’

t。—U—a2—--_:U—a3(4-6)
3.6望鳖
dlt

式中:磐——减速度(111/¥2)。
40

减速过程燃油消耗量(mL)为:

卵如茬Q

式中:Q——怠速燃油消耗率(mUs)。
4)怠速停车时的燃油消耗量 若怠速停车时间为fI(s),则燃油消耗量(mL)为:

∽7)

玩?Q乞
5)整个循环工况的百公里燃油消耗量

(4-8)

对于由等速、等加速、等减速、怠速停车等行驶工况组成的循环,整个试 验循环的百公里燃油消耗量(UlOOkm)为:

Q。卫舢(4-9)
式中:∑Q——所有过程油耗之和(mL);
s——整个循环的行驶距离(m)。 4.1.3汽车燃油消耗方程式
发动机每小时燃油消耗量幺(kg/h)由单位时间内的燃油消耗量Q(m1.Js) 与燃油密度p(kg/L)相乘得到:

幺?Q|p一矽(4-10)
等速百公里燃油消耗量Ql(kg/lOOkm)可由发动机每小时燃油消耗量Q (kg/h)与车速U。(km/h)确定,即:

QJ.盟×100。丝×100(4-11)
“_ H4

根据汽车动力学知识,发动机的功率平衡方程为:

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£。土f盟+堕+鱼垡+业丝1(4-12) ‘嘶13600 J
3600 76140 3600 dt

将公式(4-12)代入公式(4.11)中,整理得:


Q。去(G,+G/+筹椰所等)
G——汽车重力(N); i——道路坡度; 爿——迎风面积(m2); m——汽车质量(kg)。

∽拼

式中:诉——传动系的机械效率; ,——滚动阻力系数; C。——空气阻力系数; 6——旋转质量转换系数;

公式(4-13)即为汽车的燃油消耗量方程式,它反映了汽车燃油消耗量与发 动机经济性、汽车结构参数及环境条件的关系,下面将利用燃油消耗量方程式 推导制定三参数最佳燃油经济性换挡规律的方法。

4.2发动机负荷特性
发动机的负荷特性是指发动机转速不变,其经济性能指标随负荷而变化的 关系,可表示为燃油消耗率6与功率£(转矩乙)及转速啦的对应关系【53】,即;

b-6(£,以)(4-14)
制定发动机负荷特性首先通过发动机台架试验得到发动机的转速以、功率 £及燃油消耗率b的对应采样点,然后将得到的试验数据应用多元线性回归的方 法进行曲面拟合而得到。图4—1为发动机负荷特性曲线示意图,其中各条曲线为 定速度下燃油消耗率与发动机功率的关系曲线。 根据台架试验同时得到发动机速度特性【5,】,及发动机功率与转速和油门开 度之问的关系:

£?P(%,口)(4-15)
故由式(4-14)、(4-15)及(4-10)郎可得到每小时耗油量幺与发动机转速也以 及油门开度口的对应关系,即:

Q^-,(%,口)(4-16)
由式(4-14)、(4-15)及(3-30),可得:

6-b(u。,口)(4-17)
发动机负荷特性曲线给出了在不同发动机转速下负荷与燃油消耗率的关 系。本文所研究的某轿车的发动机油耗特性试验数据1541如表缸1所示,其中每小 时耗油量单位为kgna。将得到的试验数据利用插值拟合出图4-2所示的关于发动 机每小时耗油量与发动机转速及油门开度的关系曲面,即发动机油耗特性曲面。
40

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由于发动机动态特性对发动机的燃油消耗率影响不大,因此,可以用发动机的 稳态油耗量近似代替其动态油耗量。

窨l宝f_豢并I_簟

图4.1发动机负荷特性曲线


#●P?M
12% 22% 29% 1200 2.20 2.18 2.89 3.16 3.13 3.11



图4_2发动机稳态油耗特性曲面

表4-1发动机油耗特性试验数据


16∞

38%

47%

57%

67%

80%

100%

3.44
4.11 4.33 4.31 4.44 4.49 4.53

3.56
4.76 5.51 5.98 6.31 6.47 6.58 6.67 7.11 6.67

3.78 5.11 6t20 6.93 7.64 &22 8.62 8.89 9.44 9.33 9.33

3.89 5.51

3.98
5.56 7.11 8.71 10.44 11.84 13.11 14.31 15.89 16.89 1"7.67

4.∞
5.60 7.16 8.84

4.56 6.40

2咖
2400 2800 3200 3600 4I)00 4400 4800 5200

6.舳
8.18 9.22 10.11

8.42
10.44 12.44 14.22 15.82 17.11 19.20 21.00 23.00

10.89
12.51 13.69 15.16 16.84 18.22 19.22

10.89
11.56 12.56 1256 12.67

4.3动态三参数最佳燃油经济性换挡规律的制定
4.3.1图解法
1)加速度法 假设: a)因换挡时间短,可视速度不变;
4l

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b)为保证良好的动力性和乘坐舒适性,换挡前后加速度相等。 制定步骤为: a)画出各油门开度下的加速特性(同3.3.1节中的图3-5); b)按汽车实际行驶中的加速度范围,将不同的加速度值幽。,/出,

幽。:/函,……绘于图3—5中,得到不同挡位、不同油门开度下相交的车速;

c)根据式秽-q+&拜+4作2绘制不同挡位时的钟一,@。)曲线。如图钙
所示;以幽。/出为例,根据图3.5上交点对应的挡位、油门开度和车速,在图

4-3上找出相应的秽,再将相同挡位下的秽一,也)画于图4-4中,得到相邻挡
位曲线的交点U。,即为出。。/出行驶时最佳燃油经济性的换挡点;

d)从图4.4上A点所对应的车速‰与油耗Q尸,返回到图4_3上,可求出以
du,,/出行驶时,该相邻两挡对应的升挡和降挡的油门开度,从而获得了最佳燃

油经济性换挡规律上的一个点。再给出不同的加速度妇。:/办、也。,/出……则最
后的换挡规律便可求出。



§

2,矗尊&一



。左



/√


n.(kin/h)

u.o,mrn)

图钙汽车的小时油耗特性
2)油门法 该方法的思路1321是:确定高挡某一 油门q似+”,在加速度图上找出它与低挡 各油门的交点,通过这些交点在低挡和 高挡时分别对应的油耗线的交点可确定 此油门开度下的换挡点,如图4-5所示, 具体步骤如下: a)给定道路阻力,画相邻挡位不同

图4.4最佳燃油经济性换挡点

油门的du。/at~“。曲线图;
b)取高挡下的某一油门开度呸n+n,

得到其与低挡各油门开度曲线的交点,

图4.5油门法示意图

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从动态油耗图中找出在高挡下所对应的动态油耗曲线AA; c)绘制各交点在低挡相应油门上所对应的动态油耗曲线BB; d)曲线AA、BB的交点c处的车速为““,当H。‘Il《时,Q埘<Qf(Ⅲ);当“。>“d

时,玩,Q‘.。);所以%为换挡点对应车速; e)交点c返回到幽。/缸一“。图中,对应点为c’,c’点对应的车辆加速度 幽。/出为换挡点的加速度,对应的低挡油门开度吒为换挡点的低挡油门开度,

到此确定了一对换挡点(幽。/出,%,o‰)和(毗/出,%,啦“+1));
f)依次改变高挡油门开度a。。、和道路阻力,就可求出所有换挡点。

4.3.2解析法
汽车等速行驶时的最佳燃油经济性换挡规律的目标函数就是使等速百公里 燃油消耗量QI(式4-2)最小。即令
de,.0(4-18)
du。

得到关于车速“。的二阶微分方程,解得满足条件的心ePiC,车等速行驶工况下 最佳燃油经济性换挡点。 现重点研究当油门踏板位置不变时,加速行驶状态下最佳燃油经济性的换挡特 性。目标函数是原地起步连续换f挡位加速至某一要求车速“。时,总油耗Q最小。

Q。毫丘(掣矿L疵+r(啪”.出 。蠢丘璐出+Jrtl绒出

一耋£孥。+c帮。,船0。c伽,
名J一一瓦一‘+,4 J-E一弓。4

If0-

式中;Q?——发动机动态每小时耗油量(kgea)。

发动机稳态油耗模型可以表示为二次曲线Q-4。《+‰%+c覃,经过修正后
可以得到发动机的动态油耗模型为:

Q:;a:n1+《nf+c:-An.:+B一。+Cq(4-20)
其中:

4一蒜%D

(蚴)

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E。』£o_砖


0.377r



(4.22)

cl-c:(4-23) 求最小加速油耗Q,应对式(4-19)求极值dQ/du。t 0,则对相邻两挡有:

丢k怒蚶c”尝a衰m机】 一老虹.器砒一£,尝。衰m帆】一。
即;

线屯(E(^+1)一0。)一Q:。+1)戌+。(兄一‘+,)
将式(4-20)代入式(4-24)得:

(4-24)

a,u:+%Ⅳ:+‘;“:+dqH。+%-0(4-25) 式中4覃,‰,‘,‘,岛等系数是与相应的钟、E及‘+,的系数及戌有
关。解方程(4-25)得出“。,即为保证车辆最佳燃油经济性的相邻挡n与n+IZ 间的换挡点。同理可求其它油门开度及其它挡位之间的最佳换挡点。按照同一

加速度幽。/出值下的a一,@。)归类,即可获得动态三参数如。/dt、‰、a控制
的最佳燃油经济性换挡规律。

4.3.3改进的最佳燃油经济性换挡规律的制定
上述最佳燃油经济性换挡规律的制定过程比较复杂,计算量比较大。考虑 到汽车在坡道上行驶时,为克服坡道阻力通常不考虑汽车的经济性而以其动力 性为主。因此,本文提出一种较为简单的三参数最佳燃油经济性换挡规律的制 定方法,即在制定过程中不考虑坡道的影响。 不考虑坡道影响,即坡度设为0。那么在式(4-13)中的坡度i为0,则式(4-13)
变为:

Q一去(何+%等嘲等)
又根据式(4.11)有 则将式(4.26)代入式(4-27)得:

c㈣

岛-Q,%/100(4-27)

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Q;丽bu,l(Gf+镣砌警】
与速度‰、油门开度口以及加速度砒/出的关系式,即

(秘)

由式(4-28)可见,每小时燃油消耗量玩是发动机燃油消耗率b、速度心及

加速度也。/at的函数,同时利用式(4-17)可以将式(4-28)转化为小时油耗Oh Q^一Q(口,‰,砌。/缸)(4-29)
由式(4-29)可以看出,当加速度和油门开度确定时,小时油耗将由速度决 定。分别拟合同一油门开度下各挡的小时油耗曲线,则相邻两挡的小时油耗的 交点即为汽车在该行驶条件下的最佳燃油经济性的换挡点。若用n和厅+1表示相 邻两挡,则

瓯-幺“蝴(4-30)
将式(4-28)代入式(4.30)得:

碉b^ua[回+案砌钟碉bn l/。m[何+簪哦一警)c蝴,
根据式(4-17),在一定油门开度下各挡的燃油消耗率是速度的函数,用二 次函数表示为:

6-%H:+beu,4.Cb(4-32)
将式(4-32)代入式(4-31),整理后可得:

4%5+吃以+G屹3+印:+毛‰+磊-0(4-33)
该方程中的系数是与汽车结构参数、形式环境及加速度有关的函数,利用 计算机编程解上述方程可求得车速H。。。 如满足“。“+”。≤“。暑H。一,则“。为该挡的最佳燃油经济性换挡点;若不 满足,则按以下两种情况进行处理: 1)当一+1挡的最低车速心“+Dm处的小时油耗Q^州q低于此车速下雄挡的小 时油耗Q0,换挡速度为“m+n。; 2)当竹挡的最高车速H。一处的小时油耗QI低于此车速-Fn+l挡的小时油

耗Q^㈨,,换挡车速为‰。。
按照上述方法计算其它油门开度及其它挡位间的最佳燃油经济性换挡点,

利用曲线拟合方法将相邻挡位间的换挡点拟合成曲线,其即为加速度幽。/出下
的最佳燃油经济性换挡曲线。在车辆加速度范围内制定其它加速度下的最佳燃 油经济性换挡曲线,然后按挡位分类并进行曲面拟合,即可得到相邻挡位间的 动态三参数最佳燃油经济性换挡曲面。 表禾2和表4-3分别为1-2挡、2-3挡的经济性换挡规律数据;图4_6至图

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4-9分别为各挡问的动态三参数最佳燃油经济性换挡规律曲面。

表睨1以挡经济性换挡规律数据


0 O.2 0.4 O.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

12 12 12 11 10 10

12 12 12 11 10

12 12 12 11 13 14 12 11 11

12 12 12 11 17 16 16

12 12 12 11 21 19 18 17 16

12 12 12 12 28 28 27 26 26

14 13 13 13 29 28 28 27 27

15 14 14 14 29 28 28 27 27

15 18 18 18 30 29 28 28 28

15 18 18 18 30 30 29 28 28

10

16
15

表4-3

2_3挡经济性换挡规律数据




10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

25 24 24 24

25 24 24 24 17

26 26 26 26 21 21 20

26 28 28 28 27 26 25

30 3l 31 31 36 36 34

32 35 34 34 44

34 40 39 39 45 44 43 42

36 47 47 47 45 44 43 42

37 49 48 48 46 45 44 43

37 49 48 48 46 45 44 43

0.2
0.4 0.6 0,8 1.0 1.2 1.4

43
42 42

图4_6

1以挡动态三参数最佳燃油经济性
换挡规律曲面

图4.7

2-3挡动态三参数最佳燃油经济性 换挡规律曲面

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图4-8

3—4挡动态三参数最佳燃油经济性 换挡规律曲面

图4-9

4-5挡动态三参数最佳燃油经济性 换挡规律曲面

4.3.4解决汽车质量变化的方案
本文2.3.1节的研究表明,不同的汽车质量对燃油经济性换挡规律具有一定 影响:挡位越低,加速度越大,影响越显著。由此可见,在制定最佳燃油经济 性换挡规律时,特别是汽车质量变化较大时,质量的影响是不容忽视的。 通过对不同质量下的最佳燃油经济性换挡规律的对比研究表明,换挡规律 受到多种因素的影响,仅用某种常规办法来解决汽车质量变化的影响问题较难 实现。若在三参数的基础上增加一个“质量”参数,则使得已经比较复杂的换 挡规律制定过程变得更为复杂,还极大地增加ECU的数据存储量。 。为此本文提出了一种解决方案:通过制定不同质量下的换挡规律并存储在 ECU中,根据传感器测得的质量选择相应的换挡规律。考虑到汽车的质量变化 在一个可预测的范围内,并且在质量变化不大的情况下,质量对换挡规律的影 响可以忽略,因此可以考虑将汽车质量变化范围进行线性分段。

锄.!磐二竺啦(4-33)


式中:Am——每段的质量差; 小一——汽车的满载质量;

厅——分段的段数; 肌。——汽车的空载质量。

这样,随着质量落在不同的范围,换挡规律将相应地发生变化,同一范围 采用同一种换挡规律。该方案不仅降低了换挡规律制定的复杂度和ECU的数据 存储量,还提高了换挡规律的准确度。具体的结构和控制流程见2.2.2节,在此 不再赘述。

47

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4.4本章小结
本章主要研究内容如下:

1)探讨了汽车燃油经济性的评价指标,分析了五种工况下的汽车燃油消耗 量的计算方法; 2)论述了发动机的负荷特性,利用发动机台架试验数据,采用曲线拟合和 三次样条插值构造了发动机的油耗模型; 3)建立了汽车燃油消耗方程,论述了三参数燃油经济性换挡规律的制定方 法,并实际制定了各挡间的动态三参数最佳动力性换挡规律; 4)鉴于汽车质量变化对换挡规律的影响,提出了一种解决方案:将汽车质 量线性分段,分段对应采用不同的换挡规律。

48

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第5章最佳换挡规律的仿真分析
为了对换挡规律进行评价,分析其对汽车动力性和燃油经济性的影响,可 以采用实车测试及计算机仿真的方法。采用实车测试的方法需要具备完善的实 验条件及大量的人力物力。仿真技术是以相似原理、系统技术、信息技术以及 仿真应用领域的有关技术为基础,以计算机系统与应用有关的物理效应设备及 仿真器为工具,利用模型对系统(已有的和设想的)进行研究的--f-I多学科的 综合性的技术。通过仿真模型进行系统研究是一种经济高效的手段,尤其在产 品设计和构思阶段,其意义更加显著。由于条件所限,本研究采用后者。

本章利用动态系统仿真软件M棚AB/Simulinl【工具箱建立了换挡规律的仿
真模型,根据第3章和第4章所制定的最佳动力性和最佳燃油经济性换挡规律对 换挡过程进行仿真,并对仿真结果进行了分析研究。

5.1车辆动力传动系统仿真模型的建立
本文进行车辆动力传动系统的建模及动态仿真,目的是定性地了解所设计 的换挡规律对汽车性能的影响,所以将极其复杂的车辆系统简化,同时又保持 其所具有的一般的动态特性。该简化系统作以下假设: 1)各部件均以集中质量形式出现: 2)不考虑传动系部件的弹性阻尼; 3)忽略扭振,摆振等振动的影响: 4)传动轴和半轴只起传递转矩的作用; 5)只考虑直线行驶状态下的车辆动力学特性。

5.1.1发动机仿真模型
发动机是汽车的动力源泉,其动力是以转矩形式输出的。发动机模型是整 个车辆动力传动系统模型的基础,建立发动机动力性仿真模型就是要根据汽车 的运行状况计算发动机的输出转矩或转速值。由于发动机的工作过程受转速, 负荷,燃油供给,点火时刻等诸多因素的影响,所以要建立精确的发动机模型 是非常困难的。因此,在满足仿真要求的条件下,建立了发动机的部分特性转 矩模型。 发动机特性曲线可以表征发动机运行状态及运行性能,它是根据发动机台 架试验得到试验数据后,经过适当处理而得到的。发动机特性曲线是油门开度a

和发动机转速心的函数,即互-,(口,心)。关于建立发动机动力性模型的过程在

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3.2节中已经介绍过,这里不再赘述。 发动机的稳态转矩特性试验数据详见3.2.2节表3.2。发动机在实际车辆上要 装载水泵、风扇、发电机等设备,所以实际使用工作功率要小于上述试验数据, 一般汽油发动机的使用外特性的最大功率要比外特性的最大功率约dq5%[493。 根据式(4-29)和式(3-30),可知发动机的每小时耗油量Q可以表示为油 门开度口和发动机转速以的函数,即: Q


f(a,ne)

(5?1)

本仿真采用M明AB/simulinl【所提供的Look-UpTable模块,该模块直接由
发动机试验数据应用插值原理计算转矩和油耗的输出值。这种方法计算速度较 快,可以满足仿真的快速性要求。

l:ngine

(a)

torque

(b)

图5.1发动机仿真模型



图5—1为发动机仿真模型,其中图5.1(b)是图5.1(a)的内部结构图。发动

机模型的输入为发动机转速n60油门开度throttle,输出为发动机输出转矩Te和每 小时燃油消耗量Qh。 将发动机转速嵋和油门开度throttle分别输给“engine torque”模块和“Oh “Gain”模块是考虑了上述转矩影响因素所加的调整系数。
map”

模块,经双线性插值后就可分别得到发动机输出转矩Te和每小时燃油消耗量Qh,

5.1.2变速器仿真模型
由于本文建立车辆动力传动系统仿真模型的目的是为了检验所设计的换挡 规律对汽车性能的影响,鉴于在换挡过程中离合器的结合与分离时间很短,故

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在本系统中可忽略离合器的影响,即假设在汽车行驶及换挡过程中发动机的输
出转矩总是等于变速器的输入转矩。


在变速器系统的建模中,忽略了变速器的机械特性,仅考虑功率的传动损 失,这里取传动效率为0.91。变速器系统的主要作用是改变发动机转速来调节发 动机输出的转矩和转速,以适应不同的外界行驶环境。其特性可以用下面的两 个方程描述:

乙-毛‘珊

(5-2) (5—3)

‰-‰/‘
式中:瓦、z乙——分别为变速器的输入转矩和输出转矩; ‰、强。——分别为变速器(主减速器)的输入和输出转速; ‘——变速器的传动比; %——传动效率。

打ansmlsslon

(a)

(b)

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(c)

图5-2变速器仿真模型

图5-2是利用Simulink对变速器的建模图,其中图5-2(b)是图5.2(a)的内部结 构图。变速器模块的输入为发动机转矩Tj、当前挡位gear、车轮转速n_out;输出 为发动机转速n in、变速器输出转矩1k。图5—2(c)是图5-2(b)中“transmission subsystem”模块的子系统,在该模块中对输入转矩和输入转速进行当前挡位的 传动比处理并对输入转矩进行传动效率的处理。

5.1.3换挡规律模型
换挡规律模块的主要作用是根据各个传感器采集的车辆信息(包括车辆速 度、加速度、油门开度以及当前路况信息等)利用存储器中存储的换挡规律求 取当前的动力性或燃油经济性最佳换挡点,并提交数据给换挡逻辑控制器模块 以判断是否换挡。为了使仿真模型更接近实际情况,本文采用三参数换挡规律。 图5.3是换挡规律仿真模型,其中图5-3(b)是图5-3(a)的内部结构图,计 算升挡速度与降挡速度类似,此处仅以求升挡速度为例。该模型的输,入gear是当 前挡位,a是加速度,throttle是油门开度,m是汽车质量;输出ua—up和Ua_down 分别为当前挡位的升挡速度和降挡速度。该输出为“shift logle”模块(换挡逻 辑控制器模型)提供输入。

shift

schedule

(a)

茎坚里三查堂堡主堂堡垒奎



(b)

舯Ⅲl upshm

(c)

(d)

图5-3换挡规律仿真模型

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输入参数nl经“质量m量化成段数”模块量化成段数,然后据量化的段数值 决定多重开关“Multiport Switch”选择相应质量计算的换挡点通过。每段质量的 换挡速度计算如图5.3(c)所示。换挡类型“kind—of shift”于仿真分析前选择, 仿真过程中根据设定自动选择相应的动力性换挡速度或经济性换挡速度。当前 挡位、加速度和油门开度三个值,经“dongli upshifl”模块处理得到动力性换挡 规律升挡速度,经“jingji upshifl”模块处理则得到经济性换挡规律升挡速度。 其中,“dongli upshift”模块和“jingji upshifl”模块按汽车实际换挡判断过 程,先对汽车加速度进行判断,选择该加速度所属加速度换挡表;然后在该表 中对油门开度进行判断,选择该油门所属油门开度在该表中的换挡表;最后根 据当前挡位选择该表中的换挡速度值并输出。 图5-3(d)是。done:i upshifl”模块的子系统,它展示了加速度判断的过程。 加速度的上限是1.6 m/S2,下限是.1.2 m/s2,量化问隔为0.2 m/s2。当测到的加 速度被量化后,相应量化值的激励器激活相应油门开度比较模块。

5.1.4换挡逻辑控制器模型
换挡逻辑控制器控制换挡规律模型的激活状态,并从换挡规律模型中提取 升、降挡速度值,通过将当前的速度与上述升挡速度及降挡速度相比较,然后 进行升、降挡判断。在系统需要升挡或降挡时,进行升、降挡操作。 图5_4是利用Simulink对换挡逻辑控制器的建模图,其中图5-4(b)是图54 (a)的内部模型结构。该模型用到了Stateflow的原理,通过Stateflow解决了升 降挡的监控逻辑问题,实现了各个挡位状态之间的转换。 在图5-4(b)中,每个箭头线都连着两个模块(即状态),箭头线旁注释的 是从一个状态转换到另一个状态的迁移事件或条件。图5-4(b1)中,UP是升挡 状态迁移事件,代表升挡事件的发生;DOWN是降挡状态迁移事件,代表降挡 事件的发生。图5-4(b2)完成升降挡判断。speed代表实际车速,up th和down
th

分别代表升挡值、降挡值,【speea>up_th]与[spccd<down_th]均为状态迁移条件。 当[speed>up_th]为真时,判断为升挡,从稳定状态“steady_state”迁移至升挡状 态“upshifting”,UP事件被同时激活。在图54(b1)中由于uP事件的激活,状 态迁移发生,在当前挡位状态模块沿箭头所指方向迁至高一级挡位状态,新一 级挡位状态被激活,随即完成gear新的赋值,这表示换挡结束,变速器从一个挡 位换至另一个挡位。gear是换挡逻辑控制器模型的输出,为下一级模块提供输入。 当【spccd<up-th】为真时,判断为升挡结束,从升挡状态“upshifting”迁移至稳定 状态“steady etas_。变不持保位挡,” CALC_TH为子系统激活函数,控制换挡规律模型“shift schedule”模块的

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激活状态,当“selection_state”状态处于激活状态时,CAI C TH函数就激活 “shift_schedule”模块,使它处于计算换挡值状态。

shmLlogic

(a)

(b)

图5-4换挡逻辑控制器模型

5.1.5汽车动力学模型
本文设计的汽车动力学模型的目的是要反映汽车整车直线行驶时的驱动特 性,因为汽车是一个多自由度系统,为了实际研究的需要,需对整车模型进行 简化,同时对行驶环境的复杂性也加以忽略。本文在建立整车模型时作如下简
化:

1)汽车行驶方向为直线前进行驶,不考虑转弯特性; 2)忽略汽车垂直方向和侧向的运动; 3)忽略汽车行驶过程中的任何方向的摆动,如:侧倾、横摆、俯仰; 4)各个轮胎的机械特性相同; 5)汽车行驶路面为一般的沥青或混凝土路面,滚动阻力系数为0.015。 确定汽车的动力学模型,就是确定汽车沿着行驶方向的运动状况。为此需 要掌握沿汽车行驶方向作用于汽车的各种外力,即驱动力与行驶阻力。根据这 些力的平衡关系,建立汽车行驶方程式,就可以估算汽车的速度和加速度。具 体的汽车驱动力、行驶阻力分析及汽车行驶方程式详见3.1节。

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Tout geef 矿ede


h∞ad Q Ua


out



vehicle

Ca)

(b)

图5-5汽车动力学模型

图5-5是汽车动力学模型,其中图5.5(b)是图5-5(a)的内部结构图。输入 端:1k为传动系供给的驱动力矩,在转换为驱动力后,根据汽车行驶方程式, 得出汽车行驶状态下的加速度和车速。gear为当前挡位,参与选择相应挡位时的 汽车旋转质量换算系数6;m为汽车质量;幺为发动机每小时耗油量,据此计算 整车的耗油量Q;坡度。参与计算坡度阻力。输出端:加速度a、当前车速Ul、 位移、耗油量Q和根据车速得出的变速器输出轴转速n_out。

5.2仿真及结果分析
5.2.1仿真模型的整体结构
在上述模型的基础上,将各模块间通信数据信号进行连接,再增加输入模 块、显示组件和数据初始模块,即得到仿真模型的整体结构,如图5-6所示。系 统初始所需的一些参数值通过MAT-files在模块打开时自动加载。由此建立的仿 真模型,可对已制定的最佳动力性和最佳燃油经济性换挡规律进行仿真分析,

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以检验各种换挡规律对汽车性能的影响。
AMT Simulation

Model

图5-6

Abfr换挡规律仿真模型的整体结构

本仿真所需的整车参数【55l如表5.1所示。
表5.1整车参数表

整车装备质Sm(kg) 最大总质量肌(培)
车轮半径r(m) 迎风面积彳(所2)

1140

1挡传动比0 2挡传动比缸
3挡传动比妇

3.455 1.944 1.286 0.969

1560 0.295
1.96

4挡传动比o 5挡传动比0 主传动比如 重力加速度g(肌/s2)

空气阻力系数cD
滚动阻力系数,
传动效率叩r

0.37 0.015 O.91

O.8∞
4.444

9.8

5.2.2最佳动力性换挡规律的仿真分析
利用5.2.1节建立的仿真模型,将改进前后的三参数最佳动力性换挡规律应 用于整车的换挡仿真,以比较其对汽车动力性的影响。 1)仿真参数设置 图5.7为仿真系统的输入模块。设定整车质量不变,为1140kg,仿真的道 路条件为汽车从一平直路面行驶经过一个8%的坡面到达另一平直路面;设定油 门开度为从0逐渐增大到30%并保持不变,直到爬坡前增大油门开度至55%, 增大汽车的动能,提高动力性,利用动能冲坡。

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本仿真采用ode5定步长解法,仿真步长取系统默认值,仿真时间为30s。 图5.8与图5.9分别为改进前和改进后的动态三参数最佳动力性换挡规律挡位变 化图;图5.10与图5-11分别为改进前和改进后的换挡冲击图;图5.12为改进后 的速度变化曲线。

___●

油门




[:.坡度


l { l 。…~…——I……一辘






蜷 髫





质量

………《


图5-7仿真输入模块

图5.8改进前的换挡规律挡位变化

图5.9改进后的换挡规律挡位变化

2)仿真结果分析 从图5.8、图5-9的挡位变化图中可以看出,在相同的道路条件和油门开度 下,改进后的换挡时刻较改进前的换挡时刻要滞后;应用改进前的动态三参数 换挡规律,汽车在爬坡时换挡频繁,有换挡循环出现;应用改进后的动态三参 数换挡规律,汽车在爬坡时换挡频率相对较低,换挡循环有效减少;改进后的 换挡规律使车辆处于较低挡位的时间多于改进前的换挡规律,这正好满足了车 辆上坡时的动力性需求。 冲击度是衡量换挡品质的一个重要指标,它是纵向加速度对时间的导数。

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从图5-10、图5.11来看,应用改进前的动态三参数换挡规律,换挡冲击比较大, 变化频繁;应用改进后的动态三参数换挡规律,换挡冲击的最大值相对较小, 变化较少。图5-12所示的应用改进后的换挡规律对应的速度变化与挡位变化相
符。

由以上比较可见,改进后的动态三参数换挡规律能有效地改善汽车的换挡
品质。

图5-10改进前的换挡冲击

图5.11改进后的换挡冲击

图5.12改进后的速度变化曲线

5.2.3最佳燃油经济性换挡规律的仿真分析
利用5.2.1节建立的仿真模型,将修正前后(根据量化汽车质量选择相应的 换挡规律)的三参数最佳燃油经济性换挡规律应用于整车的换挡仿真,以比较 其对汽车燃油经济性的影响。

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1)仿真参数设置 汽车满载(1560kg),道路为平直良好水泥路面,油门开度设定为40%。仿 真两种不同的加速过程:加速行驶200m和加速至100km/h,比较车辆的燃油消 耗量。仿真结果如图5.13、图5.14所示。

图5.13加速行驶200111的油耗对比

图5.14加速至100km/h的油耗对比

2)仿真结果分析 在加速行驶200m的工况下,应用修正前的换挡规律,燃油消耗量为18.7mL; 应用修正后的换挡规律,燃油消耗量为17.6mL,节省油耗6。25%。 在加速至100km/h的工况下,应用修正前的换挡规律,燃油消耗量为 36.4mL:应用修正后的换挡规律,燃油消耗量为34.1mL,节省油耗6.74%。 由此可见,修正后的动态三参数燃油经济性换挡规律提高了换挡规律对汽 车质量变化的适应程度,并在一定程度上提高了汽车的燃油经济性。由于汽车 质量变化到一定程度才会对换挡规律产生影响,而轿车质量一般变化不大,所 以修正后的动态三参数燃油经济性换挡规律更适合应用于载货车或城市客车。

5.3本章小结
本章主要研究内容如下: 1)在MATLAB/Simulink仿真环境下建立了AMT换挡规律仿真模型,并简 要阐述了各模块的工作原理; 2)利用建立的换挡规律仿真模型,将改进前后的动态三参数最佳动力性换 挡规律应用于整车的换挡仿真,分析比较了二者对汽车动力性的影响; 3)利用建立的换挡规律仿真模型,将修正前后的动态三参数最佳燃油经济 性换挡规律应用于整车的换挡仿真,分析比较了二者对汽车燃油经济性的影响。

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第6章总结与展望
6.1全文总结
本文以某轿车的发动机稳态试验数据及其传动系等参数作为研究数据,以 电控机械式自动变速器为研究原型,借助MATLAB/Simulink仿真工具,针对换 挡规律展开研究。所做的主要工作和取得的成果如下: 1)全面介绍了电控机械式自动变速器的发展历程,将各种变速器的优缺点 进行了比较,讨论了AMT的结构与系统原理;详细论述了AMT研究的主要问 题及研究现状。 2)对自动变速器换挡规律进行了分类,分析了各种换挡规律的原理及其性 能,探讨了换挡规律的功能实现所应具备的硬件和软件组成;分析了换挡规律 的三大影响因素,初步研究了换挡规律的智能化及换挡过程的智能控制。 3)利用发动机台架试验数据,采用曲线拟合、三次样条插值的方法构造出 发动机的转矩模型、油耗模型和特性曲线。 4)对汽车动力学和发动机特性进行了分析,建立了汽车行驶方程式,重点 研究了最佳动力性换挡规律的制定方法:图解法、解析法;在试验数据的基础 上,考虑坡度对换挡规律的影响,采用改进的解析法制定了动态三参数最佳动 力性换挡规律。 5)对汽车燃油经济性和发动机负荷特性进行了分析,建立了汽车燃油消耗 方程式,着重研究了最佳燃油经济性换挡规律的制定方法:图解法、解析法; 在试验数据的基础上,采用解析法制定了动态三参数最佳燃油经济性换挡规律; 考虑到汽车质量对换挡规律的影响,提出了一种修正方案,解决了汽车质量变 化带来的影响。 6)采用仿真软件MATLAB/Simulink建立车辆动力传动系统各部分的仿真 子模型,从而构建了AMT换挡规律仿真模型;并简要介绍了各模块的工作原理。 7)利用建立的换挡规律仿真模型,将改进前后的动态三参数最佳动力性换 挡规律应用于整车的换挡仿真,分析比较了二者对汽车动力性的影响;将修正 前后的动态三参数最佳燃油经济性换挡规律应用于整车的换挡仿真,分析比较 了二者对汽车燃油经济性的影响。

6.2研究展望
本论文虽然取得了一定成果,但鉴于试验条件、试验数据和个人知识能力

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有限,以及论题的复杂性,研究工作仍存在一些不足之处,对电控机械式自动 变速器换挡规律的研究仍需继续深入和完善。今后可以在以下几个方面做进一 步的研究: 1)本文在制定换挡规律时采用的是基于理论求解的解析法,而基于智能控 制推理的方法可减少计算量并提高准确性,本文对换挡规律的智能化研究还不 够深入,今后需加强这方面的研究。 2)本文仅考虑了坡度和质量对换挡规律的影响,而汽车行驶工况及道路条 件多种多样,如颠簸路段行驶、下坡、转弯,换挡频繁的市区行驶等均对换挡 策略有所影响,今后需拓宽研究面并深入研究。 3)本文对最佳动力性和最佳燃油经济性换挡规律的研究是分开进行的,不 便于实际应用。今后应研究将二者合理结合的综合性换挡规律,使制定的换挡 规律可以自动切换,更好地适应路面条件的改变和符合驾驶员的意图。 4)本文构建的换挡规律仿真模型较为精简,忽略了一些影响较小的因素, 今后需进一步完善仿真模型,使其能更好地反应换挡特性。

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武汉理工大学硕士学位论文

致谢
首先向尊敬的导师钟绍华教授表示诚挚的感谢,本文正是在钟老师的悉心 指导下完成的。三年来,钟老师在学习和科研上都给予了我莫大的关心和帮助。 从论文的选题、课题的研究到论文的撰写,处处凝聚着导师的大量心血。导师 高深的学术造诣、严谨的治学态度、活跃的学术思想和平易近人的工作作风使 我受益匪浅,并将激励我在今后的人生道路中不断拼搏进取。我所取得的每一 点进步,都是与导师的指导和帮助分不开的。在此谨向导师表示衷心的感谢和
深深的敬意。

感谢在我求学过程中辛勤培养我的所有老师。本文的完成得到了汽车工程 学院车辆工程系老师的大力帮助和指导,在此特别向钟诗清老师、马力老师和 过学迅老师表示衷心的感谢。同时感谢实验室同级同学、师弟师妹们共同营造 的良好的学术氛围,对贾和平、毛春升、祁俊荣、徐保松等同学在论文期间给 予的支持和帮助表示诚挚的谢意。 我的父母和两位姐姐在我求学期间给予了最无私的鼓励和支持,是他们给 了我自由生活和不断深造的机会;女友为我默默无闻地付出着,给了我无微不 至的关怀。在此向他们表示我最衷心的感谢和祝福! 读研的三年,室友张宇龙、姚楠、罗方、陈伟等同学在生活和学习上给我 提供了许多真诚的帮助,令我深感集体的温暖。在此向所有曾经热心帮助过我 的朋友表示感谢,祝愿他们一帆风顺! 感谢武汉理工大学研究生会,它给了我展示的舞台;感谢在校研会工作期 间认识的各位兄弟姐妹,他们曾与我共同奋战,见证了我的进步。在校研会工 作的两年,是笔宝贵的财富,它对我今后的人生将产生深远的影响。 最后,诚挚感谢在百忙之中对本论文进行评审、提出宝贵意见的各位专家。

陈永东
2007年5月 于武汉理工大学

66

武汉理工大学硕士学位论文

附录:作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文
【1】陈永东,钟绍华.电控机械式自动变速器换挡品质的研究【J】.内燃机,2006,(5) 【2】陈永东,钟绍华.混合动力电动汽车技术现状及发展前景【J】.客车技术,2006,(5) 【3】陈永东,钟绍华.基于Pro/Mechanica的内燃机活塞有限元分析【J】.天津汽车,2006,(6)

【4】陈永东,毛春升,钟绍华.基于CAN总线的汽车车身控制系统的设计【J】.仪器仪表用户,
2006,13(5)

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电控机械式自动变速器换挡规律的研究
作者: 学位授予单位: 陈永东 武汉理工大学

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y1119167.aspx


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