雙參數組合型自動變速器換檔規律的仿真分析

季鑫，童欣　

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雙參數組合型自動變速器換檔規律的仿真分析

[摘要]采用了特點鮮明的雙參數(車速和節氣門位置)組合型自動換擋方法對自動變速器換檔規律進行設計；分析了影響變速器換檔特性的相關部件(包括發動機，自動變速器)的特性；利用Simulink軟件建立各個部件的動力學仿真模型，利用Stateflow建立雙參數組合型動態換檔規律的仿真控制模型；最后，采用汽車急加速工況對制定的自動換檔規律進行了詳細的仿真分析。仿真結果表明，制定的換檔規律能使汽車獲得較好的動力性，符合汽車實際行駛要求，是切實可行的。

[關鍵詞]自動變速器；雙參數組合型換檔規律；汽車動力性

目前，由于自動變速器核心技術的缺失，我國乘用車78%的自動變速器都是從國外公司進口。近年來，雖然國內相關產、學、研機構在自動變速器研發方面取得了豐碩的成果，但同國外汽車工業發達國家相比仍有很大差距。統計資料[1]表明手動變速器的市場份額逐年降低，自動變速器的市場份額逐年上升。在4種自動變速器(液力機械式自動變速器AT、雙離合器自動變速器DCT、無級變速器CVT和電控機械式自動變速器AMT)中，AT所占市場份額是最大的，對AT核心技術進行研究，掌握先進的自動變速控制技術，就能增強技術開發能力，提高國產自動變速器的市場競爭力。自動變速器的動態換檔規律是其最重要的控制技術之一，被視為自動變速器綜合控制技術得以應用的關鍵。換擋規律的好壞直接影響汽車的動力性和經濟性，因此，研究自動換檔規律對于自動變速器的研發顯得至關重要。

換檔規律根據選檔控制參數通過邏輯判斷得到當前最佳檔位狀態，從而提升汽車的動力性和燃油經濟性。選檔控制參數有單參數、雙參數等。單參數換檔規律只以車速為控制參數，不論油門開度如何變化，換檔點和換檔延遲的大小都不改變，控制策略簡單，換檔舒適穩定，但難于兼顧動力性和經濟性的要求。雙參數換檔規律的控制參數有車速與節氣門開度(常用)、液力變矩器泵輪轉速與渦輪轉速、車速與發動機進氣歧管真空度等類型。從換檔延遲角度來看，雙參數換檔規律又分為等延遲型(降檔延遲的大小不隨油門變化，對整體動力性有很大的提升)、發散型(降檔延遲隨油門開度增大而增大)、收斂型(降檔延遲隨油門開度增大而減小，增大油門時，降檔速差小，所以升降檔都有好的功率利用，動力性好。減小油門時，延遲增大，避免過多的換檔，且發動機可以在較低轉速工作，燃油經濟性好，噪聲低，行駛平穩舒適)、組合型(2段或多段不同類型的變化規律組合而成，以實現不同油門下獲得不同的性能)4種[2]。

下面，筆者綜合各換擋參數模式的優點，對自動變速器的動態換檔規律進行設計。設計采用常用的雙參數(車速和節氣門位置)的組合型自動換檔方法，以解決單參數換擋規律動力性與經濟性不匹配的問題，保證了汽車在全工況運行狀態下最佳的動力性和經濟性。其設計依據和特點如下：在小節氣門開度α<25%時，以舒適、穩定、少污染為主，采用單參數規律；在中節氣門開度α介于5%～75%時，以保證最佳燃料經濟性為主，兼顧動力性，采用收斂型；當大節氣門開度α>75%時，則以獲得最佳動力性為準，用等延遲型。

1變速器換檔特性相關部件的動力學特性分析

圖1　汽車傳動系統模塊圖

裝有液力機械式自動變速器的汽車動力傳動

系統由發動機、液力機械式自動變速器(液力變矩器+行星齒輪傳動機構+液壓控制系統)和整車動力學模塊組成(見圖1)。

1.1發動機

發動機是整車動力傳動系統的動力源，其數學模型對其扭矩特性和負荷特性等特性的仿真精度將會影響整個仿真模型的準確性。發動機模型通常分為動態模型和穩態模型。動態模型考慮了發動機轉速和節氣門位置等因素的影響，通過理論公式對發動機內部工作過程進行描述，計算模擬發動機的輸出數據，能較為精確地表征發動機的動態響應特性，更符合發動機的實際工作過程，但其缺點是模型結構復雜，建模工作量大。后者則是指發動機在保持水溫和機油溫度于規定值，并在各個轉速保持不變的穩定工況下的輸出特性，是根據發動機臺架試驗得來，將試驗數據整理成表格形式，通過二維查表和數學插值的方法模擬發動機的工作特性[3]。發動機的穩態模型簡潔有效，而且可以保證足夠的使用精度。

采用發動機穩態模型，由節氣門開度α和發動機轉速ne(r/min)求出發動機穩態輸出轉矩Te:

Te=f(α,ne)

(1)

(2)

式中，Iei為發動機和變矩器泵輪的轉動慣量，kg/m2；Te為發動機的穩態輸出轉矩，N/m；Ti為變矩器泵輪的轉矩，N/m。

1.2變速器

液力變矩器是液力機械式自動變速器最重要的組成部件之一，是一種以液體為工作介質進行能量轉換和動力傳遞的非剛性傳動裝置。液力變矩器由泵輪、渦輪和導輪組成，泵輪與發動機輸出軸相連，渦輪與變速器輸入軸相連[4]。泵輪將發動機輸出的動能傳遞給工作油，工作油在循環流動過程中通過泵輪葉片、渦輪葉片以及導輪之間的相互作用又將動能傳遞給渦輪，并通過渦輪軸進行動力輸出。

液力變矩器的動力學特性方程為：

Ti=(ne/K)2

(3)

K=f2(nin/ne)

(4)

Tin=RTQTi

(5)

RTQ=f3(nin/ne)

(6)

式中，變矩器系數K等于渦輪轉速與泵輪轉速之比(即速比)的函數(插值表)， nin為渦輪轉速，r/min；Tin為變矩器渦輪轉矩，N/m；RTQ為變矩比等于速比的函數(插值表)。

變速器轉速和轉矩的輸入和輸出關系式為：

Tout=igTin

(7)

nin=ignout

(8)

式中，Tin、Tout為變速器輸入、輸出轉矩，N/m；nin、nout為變速器輸入、輸出轉速，r/min；ig為變速器傳動比。

采用4檔變速器，其各檔傳動比如表1所示。

1.3汽車整車動力學特性分析

根據汽車理論[5]可知，汽車行駛方程式為：

Ft=Ff+Fw+Fi+Fj

(9)

式中，Ft為汽車的驅動力，N；Ff為汽車的滾動阻力，N；Fw為汽車的空氣阻力，N；Fi為汽車的坡度阻力，N；Fj為汽車的加速阻力，N。

為了簡化便于分析，不考慮路面坡度，即Fi=0，則式(9)可簡化為：

Ft=Ff+Fw+Fj

(10)

其中：

(11)

Ff=fG=fmg

(12)

(13)

(14)

δ主要與飛輪的旋轉質量∑Iw、車輪的轉動慣量If以及傳動比ig、i0有關：

(15)

在進行汽車動力性初步計算時，可以借助經驗公式估算其值：

(16)

其中， δ1≈δ2;δ2取值0.03～0.05。

2變速器換擋相關部件的仿真建模

使用Matlab軟件中的Simulink/Stateflow工具對自動變速器建立仿真分析建模：利用Simulink工具，根據動力學公式，建立發動機、變速器和整車動力學部分模型；利用Stateflow工具，根據所設計的自動變速器動態換檔圖，建立自動變速器的換檔邏輯仿真模型。

2.1發動機模型

首先根據發動機的穩態實驗數據，利用Simulink中的二維插值表(見圖2)，建立發動機穩態輸出扭矩的模型，進而可以得到發動機扭矩map圖(見圖3)。

圖2　發動機穩態轉矩數據

圖3　發動機扭矩map圖

再結合式(2)建立整個發動機的模型(見圖4)，由發動機輸出轉速和節氣門位置通過插值表可以得到發動機穩態輸出扭矩，由式(2)計算得出發動機輸出轉速，由此發動機轉速的控制在節氣門位置下構成了一個閉環回路。

2.2自動變速器模型

建立變速器的動態仿真模型，其目的是驗證換檔規律對汽車動力性的影響，在建模過程中可以忽略變速器的機械特性，只對其機械損失加以考慮。變速器由變速傳動機構和變速操縱機構2部分組成。發動機轉矩和轉速的數值和方向的改變主要靠變速傳動機構來完成；變速操縱機構主要是用于控制傳動機構，變換變速器傳動比，實現換檔操作[6]。

根據式(3)～式(6)可以建立液力變矩器的仿真模型圖(見圖5)，查表可得此時刻液力變矩器的K系數和扭矩比，關系走勢圖已在框中標出，由泵輪轉矩按公式得出渦輪轉矩。

圖4　發動機模型圖

圖5　液力變矩器模型圖

根據式(7)、式(8)和表1建立變速器傳動比部分的仿真模型(見圖6)，可以得到整個變速器的仿真模型(見圖7)。

2.3整車動力學模型

汽車在行駛過程中面臨著各種復雜的工況環境，要得到實時精確的汽車動力學仿真模型是十分困難的。重點研究汽車換檔規律的仿真評價，在滿足仿真要求的前提下，建立汽車整車動力學模型過程中可以進行了適當的簡化。根據式(9)~式(16)可以建立整車動力學的仿真模型，如圖8所示。車速是由發動機經變速器輸出的驅動力在克服汽車行駛阻力(如滾動阻力，加速阻力等)條件下獲得的，在汽車加速時，相應的加速度會產生不同的加速助力，不同的變速器傳動比會帶來與之相對應的發動機輸出轉速。

圖6　變速器傳動比模型圖　　　　　　　　　　　　　　　　　圖7　變速器模型圖

圖8　整車動力學模型圖

2.4換擋控制邏輯模型

圖9　自動換檔控制方框圖

所設計的雙參數(車速和節氣門位置)組合型自動換檔控制方框圖如圖9所示。由節氣門位置依據所設計的方案，選擇相對應的自動換檔參數模式，由汽車當前車速和駕駛員通過踩下或松開油門踏板對節氣門位置開度大小、開啟或關閉快慢的控制，自動選擇升降檔情況(通過控制換檔電磁閥來實現的)。

所設計的變速器換檔點(具體根據不同的節氣門開度選擇不同的自動換檔規律、模式)控制圖如圖10所示。

圖10　雙參數組合型自動換檔控制圖

換檔控制邏輯模塊的主要作用在于它可以通過汽車當前車速與節氣門開度得出汽車應進行的行駛操作(升檔、降檔或保持不變)。根據雙參數組合型自動換檔控制圖,采用Simulink下的Stateflow工具進行換檔邏輯的仿真，換檔控制邏輯模型圖如圖11所示。

自動變速器動態換檔規律的總體仿真模型如圖12所示。

3仿真結果分析

建好自動變速器動態換檔規律的仿真模型之后，就要向模型輸入仿真的參數，使用Matlab的mat文件編寫模型的輸入參數。為驗證制定的自動換檔規律對汽車動力性的影響，可以對汽車采用急加速的行駛工況進行仿真分析。

圖11　換檔控制邏輯模型圖

圖12　自動變速器動態換檔規律的總體仿真模型圖

圖13　急加速工況下車速和節氣門位置變化曲線圖

在急加速工況下，車速和節氣門位置變化曲線圖如圖13所示，可以看出，汽車急加速時節氣門開度突然增大，節氣門開度在0到15s內由60%逐漸降至20%，在15s時直接增至100%后逐漸降低，仿真汽車起步加速15s后急加速行駛。當節氣門開度在15s 突然增大時，車速也隨之突然增大，速度變化曲線接近于二次曲線，符合汽車在急加速行駛工況下的實際行駛要求。

圖14為發動機轉速和變速器檔位變化曲線圖，圖15顯示了當前時刻的檔位。當t=0s，節氣門處于60%的位置時，發動機轉速上升的速度比車速上升的速度大很多。這會導致變矩器中K系數較小，扭矩比較大。此后，汽車快速加速(此模型中不考慮輪胎滑移現象)，發動機轉速和車速都會快速增大。當t=7s時，發動機轉速迅速下降，變速器由1檔升為2檔。當t=15s時，節氣門開度突然增大到100%，發動機轉速又突然增加到最大值，變速器由2檔降為1檔。當t=25s時，發動機轉速迅速下降，變速器由1檔升為2檔。當t=36s時，發動機轉速迅速下降，變速器由2檔升為3檔。當t=47s時，發動機轉速迅速下降，變速器由3檔升為4檔。2檔升為3檔和3檔升為4檔分別發生在36s和47s左右，此時車速變化比較光滑，這是因為汽車存在較大的轉動慣量的原因。所以，制定的換檔規律能使汽車獲得較好的動力性，符合汽車實際行駛要求，是切實可用的。

圖14　發動機轉速和變速器檔位變化曲線圖　　　　　　　　　　　圖15　變速器檔位圖

4結論

1)介紹了自動變速器換檔規律獲得途徑，在分析了自動變速器換檔規律的選檔控制參數、各種模式條件下，通過對4種換檔規律的綜合比較，設計了雙參數(車速和節氣門位置)組合型自動換擋方法，提出了其設計依據、特點。

2)分析了影響變速器換檔特性的相關部件(包括發動機、自動變速器)的動力傳遞路徑和動力學特性方程；依據各部分動力學特性方程和插值表利用Simulink軟件建立各個部件的動力學仿真模型；制定了自動換檔控制圖(節氣門位置、車速和升降檔曲線)，利用Stateflow建立了雙參數(車速和節氣門位置)動態換檔規律的仿真控制模型。

3)對汽車采用急加速的行駛工況進行仿真分析，分析了急加速工況下節氣門位置、車速、發動機轉速和變速器檔位與時間的變化關系，驗證了制定的自動換檔規律滿足汽車動力性的要求，并且證明了所建模型的正確性，可為自動變速器的自動換檔控制規律提供一定的理論基礎。

[參考文獻]

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[4]馬國勇.電控機械式自動變速器 (AMT) 換檔規律的研究與仿真[D].西安：西安科技大學，2013.

[5]余志生.汽車理論[M].北京：機械工業出版社，2009：5～20.

[6]張秀秀.電控式機械自動變速器智能控制與仿真研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2012.

[編輯]辛長靜

[引著格式]季鑫，童欣.雙參數組合型自動變速器換檔規律的仿真分析[J].長江大學學報(自科版)，2015,12(34)：19~26.

[中圖分類號]U463.2

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)34-0019-08

[作者簡介]季鑫(1993-)，男，碩士生，現主要從事汽車動力學、汽車制動系統及電子駐車制動方面的研究工作；E-mail ：934989575@qq.com。

[基金項目]湖北省校企科研合作基金項目 (611307931)。

[收稿日期]2015-09-16