坡道行駛工況下載貨汽車換擋規律的研究

摘要：通過汽車在坡道上的實車數據采集，總結出帶手動變速器的載貨汽車在動力性、經濟性模式下，上坡、下坡及坡道起步等工況的換擋規律，為制定和優化機械式自動變速器(AMT)控制策略提供了依據。

關鍵詞：換擋規律；試驗；機械式自動變速器

中圖分類號：U463.212 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）03-0019-05

The Research of Shift Strategy for Commercial Vehicle Driving on Slope Road

JIANG Xue-feng，XU Xian

(Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center of DFL，Wuhan 430056，China)

Abstract: By collecting and analyzing vehicle driving data， this paper discusses the shift strategy that commercial vehicle equipped with manual transmission drives on slope road with powerful and economic style.This will be helpful for determining optimum shift control strategy of AMT system.

Key words: shift strategy；test；automatic mechanic transmission

傳統的固定軸式齒輪變速器具有效率高、成本低、結構簡單等優點，從而獲得廣泛應用。但這種變速器存在著換擋困難、換擋時動力中斷、駕駛員水平對汽車行駛性能有較大影響等缺點。微型計算機的發展和應用，提供了對機械變速器進行合理地自動控制，完成汽車起步、換擋等功能的可能性。目前的電子控制機械式自動變速器是在手動機械變速器和干式離合器基礎上實現自動控制而產生的，即AMT系統。在這種變速系統中，離合器和變速箱的自動操縱是AMT開發過程中的關鍵。實現自動操縱要求制定合理的控制策略（主要包括控制離合器分離/接合、變速器的選/換擋及協調它們動作的方法）并執行。控制策略的優劣直接影響車輛起步、換擋的平順性以及離合器、變速器的壽命，而其中的難點是汽車在坡道行駛時的控制。我們知道，有經驗的駕駛員能夠根據路況合理選擇離合器分離/接合、變速器的選/換擋時機。如果通過試驗把這些有經驗的駕駛員的動作記錄下來，進行試驗分析，可以總結出汽車道路行駛條件下換擋的判定條件和控制規律。這將有利于今后結合發動機的萬有特性，通過仿真軟件的理論計算優化獲得較好的控制策略。因此道路實車的換擋控制策略是研究的基礎。

1 試驗條件及試驗結果分析

1.1 試驗條件

所有試驗均在一臺配置了手動6擋變速箱的某載貨汽車上進行。試驗記錄參數為發動機轉速、車輛車速、離合器位置、變速箱擋位、油門開度及油耗。所有數據都由一個8通道數字數據采集器實時采集，采樣間隔0.05秒。

1.2 試驗結果分析

1.2.1 坡道動力（100％油門）起步加速（試驗結果見圖1）

根據試驗數據分析，為了獲得好的動力性，駕駛員總是盡可能地將油門保持在全油門位置。變速箱在低擋時，換擋時間較長，隨著擋位的升高，時間逐漸縮短，這是因為此時發動機在低擋時儲備功率較大，須避免對傳動系統造成較大的沖擊。也就是說，我們在制定AMT換擋控制策略時，不同擋位應制定不同的換擋時間。在換擋過程中，離合器脫開后由于坡道阻力的存在，車速有明顯的下降（在我們所做的平地起步加速試驗中車速基本不變），相對平地而言，應盡快完成換擋過程。

1.2.2 坡道經濟（60％油門）起步加速（試驗結果見圖2）

根據試驗數據分析，為了保證較好的經濟性，駕駛員總是將油門開度保持在50％~60%，同樣從1擋起步加速到4擋，加速時間較動力性換擋為長。在試驗的最后段（33秒后），當駕駛員換4擋時，車速下降，而此時油門開度是維持不變的，說明駕駛員并不希望減速，可見，經濟性和動力性發生了矛盾。在實際的AMT控制策略中，應避免這樣的情況發生。

1.2.3 爬長坡（試驗結果見圖3）

根據試驗數據分析，當駕駛員發現前方有上坡道，從5擋降4擋并加大油門（20秒后），此時，發動機轉速相對換擋前升高，而車速還略有降低。在試驗時，駕駛員憑經驗判斷前面的坡道難以以目前擋位通過，所以降擋。但降擋的時機是否合理，并不見得是理性的。我們在制定控制策略時，還要根據發動機萬有特性曲線，找到合理的換擋時機和擋位。

1.2.4 下長坡（試驗結果見圖4）

根據試驗數據分析，當駕駛員發現前方有下坡道，于是漸松油門（1~7秒），而此時，發動機轉速是持續上升的。為保證安全，擋位從5擋降至4擋并踩剎車進行制動。在降擋時，離合器與飛輪分離，因為此時動力源是重力，故發動機轉速突降（10秒時），而在換擋完成后，隨著離合器的接合，發動機轉速又迅速上升。

1.2.5 坡道起步（試驗結果見圖5）

根據試驗數據分析，本試驗專門研究從發動機點火起步到掛擋行駛間汽車發動機轉速、油門、離合器開度、車速在時間軸上的關系。試驗時，力求離合器平穩接合，凡是感覺有較大沖擊時，均重做試驗。通過圖5可以看出，離合器應迅速分離而緩慢接合，在試驗中，分離時間約為1秒，而接合時間約為5秒。油門基本是線性增加的，而離合器卻并非線性接合，并且，中間在某個時間段，本試驗是7.8秒到9.3秒，基本保持離合器位置不動。因為接合沖擊的程度與加速度變化率有關，加速度變化越大，沖擊越嚴重。離合器傳遞的發動機扭矩決定于離合器的接合大小，當離合器壓緊彈簧是線性彈簧時（如普通螺旋彈簧），離合器接合大小對應可傳遞的扭矩也是線性變化的（摩擦片與飛輪同步段及發動機最大扭矩段除外）；但發動機油門特性決定了發動機輸出扭矩不是線性變化的。因此，當駕駛員覺得加速度變化可能會太大時，他將離合器保持在某一位置，使扭矩值保持一定，也不致產生較大沖擊。我們從圖5的曲線可看到，此時的發動機轉速下降了。這說明盡管這位經驗豐富的駕駛員避免了沖擊，卻使發動機轉速出現了不必要的下降，如果他在更后面保持離合器位置并合理操控油門，可以使發動機轉速平緩地上升。

2 結論

2.1 坡道動力（100％油門）起步加速的換擋規律及控制策略

1）根據道路實測數據總結出坡道動力起步加速的換擋規律曲線，見圖6。

2）控制策略如下：

（1）判斷條件：初始發動機轉速、車速、離合器開度均為零，在行駛過程中油門全開；

（2）控制策略：CPU根據發動機萬有特性，保證換擋前后加速度不變小，換擋過程應滿足試驗總結的規律；

（3）在車速12 km/h時，換向2擋；20 km/h時， 換向3擋；32 km/h時， 換向4擋。

2.2 坡道經濟起步加速的換擋規律及控制策略

1）根據道路實測數據總結出坡道經濟起步加速的換擋規律曲線，見圖7。

2）控制策略如下：

（1）判斷條件：初始發動機轉速、車速、離合器開度均為零，在行駛過程中總保持經濟油門。

（2）控制策略：CPU根據發動機萬有特性，在滿足加速度的條件下，選擇最經濟擋位。

（3）在車速8 km/h時，換向2擋；20km/h時， 換向3擋；26 km/h時， 換向4擋。

2.3 爬長坡換擋規律及控制策略

1）根據道路實測數據總結出爬長坡的換擋規律曲線，見圖8。

2）控制策略如下：

（1）判斷條件：從某時刻起，油門變化率超過設定值，保持現有擋位加速度會小于零。

（2）執行動作：CPU根據發動機萬有特性數據，在滿足動力性的需要的情況下，選擇最經濟擋位。

2.4 下長坡換擋規律及控制策略

1）根據道路實測數據總結出爬長坡的換擋規律曲線，見圖9。

2）控制策略如下：

（1）判斷條件：從某時刻起，油門全松，伴有制動，而發動機轉速反而上升。

（2）執行動作：CPU控制執行機構降擋。為保證安全，該擋位車速不應高過換擋前車速或預先制定的下坡安全車速。由于下坡過程中始終存在重力加速度，當坡道較長時，應采用低擋或發動機制動，以確保安全。

2.5 坡道行駛工況AMT對行駛工況的判斷與識別

實現車輛AMT的目的是實現換擋操作的自動化，即駕駛員通過油門踏板向整車輸入操縱意圖信號，對駕駛員來說，AMT車輛是操縱對象，道路條件、交通情況是操縱環境。駕駛員根據經驗對操縱環境進行判斷，決定換擋的時機及擋位以保證操縱對象達到較好的動力性或經濟性。普通的機械變速箱車輛中，駕駛員根據經驗對操縱環境進行判斷，決定換擋的時機及擋位以保證操縱對象達到較好的動力性或經濟性。但在AMT的車輛中，駕駛員只能通過油門及制動踏板向整車輸入操縱意圖信號，而由AMT本身來決定換擋的時機及擋位。因此，必須采用易于測量的信號作為AMT判定換擋策略的輸入。如油門開度、油門開度變化率、離合器踏板開度、離合器踏板開度變化率、車速、加速度、制動信號等。根據道路試驗分析，在不同操縱環境下，駕駛員的操縱不同。

我們知道AMT車輛在坡道起步時一般采用HAS坡上起步輔助裝置，它一般包括兩個階段一個過程。首先可由起步時對坡度的檢測，或由司機觸發HSA裝置，此為HSA的啟動階段。之后一直保持一個制動有效的過程。當汽車起步時，HSA進入釋放階段，此階段是有司機踩下油門踏板觸發的。在此階段中，制動配合著油門及離合器的接合而釋放，以保證汽車平穩起步，避免溜車。

從道路試驗的采集數據中，我們知道，坡道行駛與平路行駛時的換擋策略是不同的。在機械變速器的車輛中，是由駕駛員根據經驗決定換擋的時機與擋位。而在AMT的車輛中，必須使AMT能夠根據容易測量的數據對坡度作出判斷，以決定是采用平地的換擋規律，還是采用坡道行駛的換擋規律。根據汽車的行駛方程式：

式中， Ttq=F（ne，?琢），即發動機扭矩是發動機轉速與油門開度的函數，可由發動機的MAP圖獲得；ig，i0分別是變速器和后橋的速比；G、A、δ、m 分別是整車重量、迎風面積、汽車旋轉質量換算系數、汽車質量； f，CD，顯然，以上這些參數都是AMT容易測量的參數，通過計算，AMT可以獲得當前行駛的坡度，同時ECU決定采用何種換擋規律。當然由于模型及參數的測量誤差，使求出的坡度與實際值有一定誤差，但在AMT中，這個角度主要用于對路面的定性識別，對坡度做出一個粗略的估計，對調節換擋規律，仍是有意義的。

以下通過AMT能夠測量的參數，建立在上述道路試驗的基礎上對不同行駛工況的特征歸納如下：

動力性加速：路面較好，車輛、行人較少，視野好。操縱目標是提高車速，油門加速較急且油門開度較大，加速度較大，無剎車，換擋時間短。

經濟性加速：路面較好，車輛、行人較少，視野好。操縱目標是在保證經濟性的前提下提高車速，油門加速較緩且油門開度一般在60%～70%之間，有一定加速度，無剎車，換擋時間比動力性模式較長且每個擋位持續時間較長。

爬長坡：為保證足夠的驅動力，有減擋操作，發動機工作在最大扭矩點附近，車速不高。

下長坡：油門開度基本為零，為保證安全，一般采用減擋或發動機制動。

坡道起步：有制動信號，離合器接合平穩。

根據實車道路試驗，總結出汽車坡道行駛換擋時的判定條件及控制規律，見表1、表2。

參考文獻：

［1］ 余志生.汽車理論［M］.北京：機械工業出版社，1990.

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