自動(dòng)變速器換擋規(guī)律研究

李瑩，王曉娟，馮挽強(qiáng)，張楠

（1.遼寧營(yíng)口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧營(yíng)口 115000;2.華晨汽車工程研究院，遼寧沈陽(yáng) 110141）

0 前言

液力自動(dòng)變速器AT（Automatic Transmission）以液力變矩器串接齒輪式機(jī)械自動(dòng)變速器為特征，其特點(diǎn)是換擋沖擊小、傳動(dòng)平穩(wěn)，長(zhǎng)期以來一直是汽車自動(dòng)變速器產(chǎn)品中的主流機(jī)型。對(duì)其換擋規(guī)律的研究成果有較強(qiáng)的代表性和通用性。換擋規(guī)律指自動(dòng)變速器根據(jù)車速、油門開度等參數(shù)進(jìn)行換擋的規(guī)律，包括升擋、降擋和鎖止規(guī)律等。在標(biāo)定工作中常被直譯為換擋MAP。

文中對(duì)某AT轎車進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，建立整車的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上給出常規(guī)模式下?lián)Q擋規(guī)律的制定過程。車輛根據(jù)路面狀況不同，有多種換擋模式，如常規(guī)模式 （水平良好路面）、小坡路模式 （坡度5%以下）、大坡路模式 （坡度5%以上）、冰雪路面模式等。非常規(guī)模式下的換擋規(guī)律可沿用常規(guī)模式的計(jì)算方法，在常規(guī)換擋規(guī)律的基礎(chǔ)上修改得到。文中的換擋規(guī)律，如無特殊說明都是指常規(guī)模式下的。

1 AT車動(dòng)力學(xué)模型

某AT轎車采用自動(dòng)變速器的型號(hào)為5F16，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，該車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、變矩器、變速機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)軸、主減速器、車輪等組成。該車采用4A92發(fā)動(dòng)機(jī)，其發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷特性曲線 （Pedal Map）如圖2所示，利用5F16液力變矩器的無因次特性及AT車動(dòng)力學(xué)模型為下面計(jì)算和修改換擋MAP，確定換擋規(guī)律提供了必要的理論依據(jù)。

2 基本升擋規(guī)律

由上面的AT車動(dòng)力學(xué)模型，可計(jì)算基本升擋規(guī)律，包括動(dòng)力性升擋規(guī)律和經(jīng)濟(jì)性升擋規(guī)律。

在這個(gè)過程中還需要用到如表1所示參數(shù)。

表1 AT車基本參數(shù)

實(shí)際計(jì)算過程中為簡(jiǎn)化起見，用F=δm來計(jì)算加速阻j力［1］。表1的質(zhì)量換算系數(shù)為各擋位時(shí)的δ值。

2.1 動(dòng)力性升擋規(guī)律

以車速為橫坐標(biāo)軸，踏板油門開度為縱坐標(biāo)軸，建立坐標(biāo)系。橫坐標(biāo)方向，單位為km/h，每隔1 km/h作一條豎線;縱坐標(biāo)方向，單位為踏板油門開度，取0到100，每隔1開度作一條橫線。這樣，坐標(biāo)系分為200×100的20 000個(gè)格子。由車速可求得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，由油門開度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速查發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷特性 （Pedal Map）可求得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，得到每個(gè)網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)工況。在5個(gè)擋位下，分別計(jì)算出每個(gè)格子對(duì)應(yīng)的車輛加速度，取最大值對(duì)應(yīng)的擋位，根據(jù)擋位將格子涂成不同顏色，可得到動(dòng)力性升擋規(guī)律，如圖3所示。顏色從暖到冷代表從1擋到5擋。不同顏色的區(qū)域代表了動(dòng)力性最好的擋位選擇，顯然，不同顏色的交界線即為動(dòng)力性升擋線。

2.2 經(jīng)濟(jì)性升擋規(guī)律

制定經(jīng)濟(jì)性升擋規(guī)律，也要用到Pedal Map。此外，還需要發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性曲線，如圖4所示。

建立坐標(biāo)系，劃分網(wǎng)格以及確定網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)工況的過程與動(dòng)力性升擋規(guī)律相同［2］。由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，對(duì)照?qǐng)D4，可求得每個(gè)格子對(duì)應(yīng)的燃油消耗率。在5個(gè)擋位下，分別計(jì)算出每個(gè)格子對(duì)應(yīng)的燃油消耗率，取最小值對(duì)應(yīng)的擋位，根據(jù)擋位將格子涂成不同顏色，可得到經(jīng)濟(jì)性升擋規(guī)律，如圖5所示，顏色從暖到冷代表從1擋到5擋。不同顏色的區(qū)域代表了經(jīng)濟(jì)性最好的擋位選擇，顯然，不同顏色的交界線即為經(jīng)濟(jì)性升擋線。

3 升擋規(guī)律

3.1 升擋規(guī)律的前處理

升擋規(guī)律通過修改動(dòng)力性升擋規(guī)律和經(jīng)濟(jì)性升擋規(guī)律得到，這是一條表達(dá)油門與車速關(guān)系的曲線，該曲線不能有向橫坐標(biāo)軸負(fù)方向移動(dòng)的趨勢(shì)，因此前文得到的動(dòng)力性升擋規(guī)律和經(jīng)濟(jì)性升擋規(guī)律需要前處理一下。具體原則為:每當(dāng)顏色交線有向橫坐標(biāo)軸負(fù)方向移動(dòng)的趨勢(shì)時(shí)，將交線向縱坐標(biāo)軸正方向延伸，直至與原交線相交或延伸至頂，并根據(jù)新交線確定網(wǎng)格顏色。

根據(jù)此原則，動(dòng)力性升擋規(guī)律無需更改，更改后的經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律如圖6所示。

3.2 升擋規(guī)律的制定

在實(shí)際的換擋MAP中:在小油門時(shí)認(rèn)為駕駛員更看重動(dòng)力性，采用動(dòng)力性升擋規(guī)律;在大油門時(shí)認(rèn)為駕駛員更看重經(jīng)濟(jì)性，采用經(jīng)濟(jì)性升擋規(guī)律。因此，在油門0到25%的范圍內(nèi)，取經(jīng)濟(jì)性升擋規(guī)律，在油門70%到100%的范圍內(nèi)，取動(dòng)力性換擋規(guī)律，將升擋線的2段用直線相連，可得綜合升擋規(guī)律，如圖7所示。

3.3 升擋規(guī)律的修改

觀察圖7的升擋規(guī)律，可發(fā)現(xiàn)存在兩個(gè)問題:小油門升擋時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過低，大油門升擋時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過高。由理論分析和駕駛經(jīng)驗(yàn)可知:若升擋時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過低，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出不足，車輛抖動(dòng)感明顯，小油門時(shí)尤其明顯;若升擋時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過高，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲較大，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命和油耗也有不利影響，低擋位時(shí)尤其明顯。因此，出于設(shè)計(jì)目標(biāo)的考慮，需要將圖7的升擋規(guī)律小油門段右移，大油門段左移，具體規(guī)定為:

（1）1擋升2擋時(shí)，20%油門開度及以下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min時(shí)升擋，70%油門開度及以上發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速5 000 r/min時(shí)升擋，中間部分用直線連接。

（2）2擋升3擋時(shí)，因?yàn)檐囁俸蛽跷惠^1擋升2擋時(shí)更高，綜合考慮動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性后，調(diào)整為15%油門開度及以下1 600 r/min升擋，75%油門開度及以上5 400 r/min升擋，中間部分用直線連接。

（3）3擋升4擋時(shí)，車速和擋位繼續(xù)升高，綜合考慮動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性后，調(diào)整為15%油門開度及以下1 600 r/min升擋，75%油門開度及以上5 600 r/min升擋，中間部分用直線連接。

（4）4擋升5擋時(shí)，車速和擋位已經(jīng)很高，綜合考慮動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性后，調(diào)整為20%油門開度及以下1 600 r/min升擋，60%油門開度及以上4 000 r/min（外特性最大扭矩點(diǎn)）升擋，70%油門開度及以上7 800 r/min升擋 （約最高車速的125%，在4擋4 000 r/min時(shí)車速已經(jīng)130 km/h以上，此時(shí)還大油門表明駕駛員只考慮動(dòng)力性，因此在此設(shè)置一個(gè)不可能達(dá)到的車速，保證60%油門開度及以上基本不升擋），各點(diǎn)中間部分用直線連接。

修改后的綜合升擋規(guī)律與HPT初版升擋MAP對(duì)比如圖8所示，黑色線條為HPT的升擋MAP。二者比較接近，差別主要在中間段。具體差別在于:1擋升2擋時(shí)，HPT的換擋MAP中間段更注重動(dòng)力性，升擋線偏右;2擋升3擋和3擋升4擋時(shí)，HPT的換擋MAP中間段更注重經(jīng)濟(jì)性，升擋線偏左。可根據(jù)此原則修改MAP，后續(xù)標(biāo)定工作只需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際駕駛感覺繼續(xù)微調(diào)即可。

4 降擋規(guī)律和鎖止規(guī)律

降擋規(guī)律和鎖止規(guī)律在升擋規(guī)律基礎(chǔ)上作出，相關(guān)文獻(xiàn)提及時(shí)往往沒講清楚，但仍可總結(jié)出如下基本原則。

4.1 降擋規(guī)律

（1）基本降擋線根據(jù)升擋線向左平移得到，稱為等延遲原則。

（2）升擋線與降擋線最小間隔3 km/h，防止循環(huán)換擋。

（3）隨著油門與車速升高，升擋線與降擋線間隔應(yīng)逐漸加大，盡量在高擋位行駛，保證經(jīng)濟(jì)性。

（4）在大油門時(shí)，升擋線與降擋線間隔應(yīng)較中油門時(shí)小，保證與Kick Down工況下降擋超車原則一致。

（5）降擋線與升擋線之間的區(qū)域應(yīng)為上下窄，中間寬的形狀［3］。

由以上原則可制定具體降擋規(guī)定如下:

（1）2擋降1擋時(shí)，88%油門開度及以下降擋線與1擋升2擋小油門時(shí)升擋線間隔3 km/h，90%油門開度及以上固定2 000 r/min降擋，中間部分直線相連。

（2）3擋降2擋時(shí)，40%油門開度及以下降擋線同2擋降1擋降擋線，50%油門開度時(shí)固定1 250 r/min降擋，88%油門開度時(shí)固定2 250 r/min降擋，90%油門開度及以上固定3 000 r/min降擋，其余部分直線相連。

（3）4擋降3擋時(shí)，25%油門開度及以下固定800 r/min降擋，88%油門開度時(shí)固定2 800 r/min降擋，90%油門開度及以上固定3 800 r/min降擋，其余部分直線相連。

（4）5擋降4擋時(shí)，25%油門開度及以下固定900 r/min降擋，60%油門開度時(shí)固定2 000 r/min降擋，90%油門開度及以上固定3 900 r/min降擋，其余部分直線相連。

由此得到的降擋線與HPT的降擋線對(duì)比如圖9所示。

4.2 鎖止規(guī)律

（1）低擋時(shí) （一般1、2擋）變矩器不閉鎖，保證動(dòng)力性和車輛平穩(wěn)性;高擋時(shí) （一般3擋和3擋以上）變矩器閉鎖，提高變矩器效率和經(jīng)濟(jì)性。

（2）鎖止線以對(duì)應(yīng)升擋線 （如5擋鎖止線與4擋升5擋升擋線對(duì)應(yīng)）為參考制定，解鎖線對(duì)應(yīng)降擋線 （如5擋解鎖線與5擋降4擋降擋線對(duì)應(yīng)）為參考制定。

（3）鎖止時(shí):小油門時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出不足，為防止車輛抖動(dòng)，要先換擋后鎖止，此時(shí)鎖止線應(yīng)在升擋線右側(cè);中油門時(shí)為保證經(jīng)濟(jì)性，提升變矩器效率，要鎖止后換擋，此時(shí)鎖止線應(yīng)在升擋線左;大油門時(shí)為保證動(dòng)力性，提升變矩器效率，要先換擋后鎖止，此時(shí)鎖止線應(yīng)在升擋線右側(cè)。

（4）解鎖時(shí):小油門和中油門時(shí)為保證行車輛駛平穩(wěn)，要先解鎖后換擋，此時(shí)解鎖線應(yīng)在降擋線右側(cè);大油門時(shí)為保證動(dòng)力性，要先降擋后解鎖，此時(shí)解鎖線應(yīng)在降擋線左側(cè)。

（5）閉鎖線與對(duì)應(yīng)解鎖線之間的區(qū)域應(yīng)為上下窄，中間寬的形狀。

由以上原則可制定具體鎖止和解鎖規(guī)定如下:

（1）3擋時(shí):0到40%油門開度時(shí)車速40 km/h閉鎖，70%油門以上閉鎖車速比對(duì)應(yīng)升擋車速低1 km/h，其余部分直線相連;0到35%油門開度時(shí)車速20 km/h解鎖，80%油門以上車速50 km/h解鎖，其余部分直線相連。

（2）4擋時(shí):0到35%油門開度時(shí)車速55 km/h閉鎖，80%油門以上閉鎖車速比對(duì)應(yīng)升擋車速低1 km/h，其余部分直線相連;0到30%油門開度時(shí)車速35 km/h解鎖，85%油門以上車速90 km/h解鎖，其余部分直線相連。

（3）5擋時(shí):0到25%油門開度時(shí)車速60 km/h閉鎖，將25%油門60 km/h車速這一點(diǎn)和4升5升擋線約140 km/h處的折點(diǎn)直線相連，再與65%油門車速340 km/h直線相連 （設(shè)定的一個(gè)不可能達(dá)到的車速），65%油門以上340 km/h閉鎖;0到35%油門開度時(shí)車速50 km/h解鎖，65%油門時(shí)車速100 km/h解鎖，70%油門級(jí)以上340 km/h（設(shè)定的一個(gè)不可能達(dá)到的車速）解鎖。

修改后的鎖止和解鎖規(guī)律與HPT初版升擋MAP對(duì)比如圖10所示，黑色線條為HPT的升擋MAP。二者比較接近，可在此基礎(chǔ)上修改MAP，后續(xù)標(biāo)定工作只需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際駕駛感覺繼續(xù)微調(diào)即可。

5 結(jié)論

文中在動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)上建立整車的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線與設(shè)計(jì)目標(biāo)得到基本的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性升擋規(guī)律，結(jié)合理論分析和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)修改，得到了包括變矩器鎖止和解鎖規(guī)律在內(nèi)的常規(guī)模式下?lián)Q擋規(guī)律。該換擋規(guī)律與HPT給出的常規(guī)模式下MAP很接近，后續(xù)工作只需在此基礎(chǔ)上依據(jù)駕駛感覺，繼續(xù)完善即可。非常規(guī)模式下的換擋規(guī)律，基本升擋規(guī)律計(jì)算方法與常規(guī)模式相同，部分參數(shù) （如坡度、滾動(dòng)阻力等）需要相應(yīng)變動(dòng)，結(jié)合理論分析和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)修改，可得到非常規(guī)模式的升擋規(guī)律，并據(jù)此得到非常規(guī)模式的換擋規(guī)律。

文中的換擋規(guī)律研究不僅給出了某AT轎車換擋MAP制定的過程，也可用來指導(dǎo)其他自動(dòng)變速車輛 （如AMT，DCT等）的換擋MAP標(biāo)定工作 （具體計(jì)算時(shí)需要對(duì)傳動(dòng)系效率等參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整），具有一定的通用價(jià)值和借鑒意義。

【1】葛安林.車輛自動(dòng)變速理論與設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

【2】中國(guó)汽車技術(shù)研究中心標(biāo)準(zhǔn)化研究所，中國(guó)質(zhì)檢出版社第三編輯室.汽車標(biāo)準(zhǔn)匯編2010［M］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

【3】呂曉明.利用 GT-DRIVE進(jìn)行整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真分析［C］//CDAJ公司2008中國(guó)區(qū)用戶年會(huì)論文集，2008.