基于效率換擋規律的工程車輛換擋品質研究

于　英，肖　棒，彭耀潤，周　平

(1.江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江　212013；2.總裝工程兵科研一所，江蘇 無錫　214035)

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基于效率換擋規律的工程車輛換擋品質研究

于英1，肖棒1，彭耀潤1，周平2

(1.江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江212013；2.總裝工程兵科研一所，江蘇 無錫214035)

摘要：針對工程車輛液力變矩器效率低的缺點，提出效率換擋規律。建立工程車輛動力傳動系統仿真模型，設計換擋模糊控制器。在作業工況下對車輛進行了換擋仿真研究，結果表明：換擋模糊控制器可以控制變速器自動換擋使液力變矩器常在高效區工作，提高了車輛傳動系統效率。分析了換擋過程，制定換擋品質控制策略，對低速和高速工況的換擋過程進行仿真分析。結果顯示：控制效果良好，能保證較好的換擋品質。

關鍵詞：工程車輛；效率換擋；模糊控制；換擋品質

工程車輛在惡劣道路工況及作業中遇到突然變化的高強度載荷時，液力變矩器的效率可能會快速下降甚至到0，嚴重降低傳動效率。國內外多在采用多擋動力換擋變速器的同時用自動換擋來解決這一問題。然而若不能適時變換擋位，液力變矩器仍然可能工作在低效區。所以，研究一種能保證液力變矩器常工作在高效區的控制策略則非常有意義[1]。另外，頻繁換擋導致的沖擊和滑摩極大地影響了駕駛操作，提高換擋效率的同時改善換擋品質不僅能改善駕駛員的工作環境，還能提高整車操縱性能。

1　效率換擋規律

換擋規律是指兩擋間自動換擋時刻隨控制參數的變化規律，是自動變速系統判斷車輛當前應處擋位或進行升、降擋的依據，是自動換擋控制系統的核心[2-5]。從優化目標方面來說，最佳動力性換擋規律主要關注車輛的動力性，能充分發揮發動機的牽引特性，但燃油消耗較高[6-8]。最佳燃油經濟性換擋規律考慮了發動機的燃油經濟性，但是動力性較弱。本文研究的效率換擋規律以提高車輛傳動系統的傳動效率為優化目標，通過自動改變擋位來控制液力變矩器在高效區工作，使液力變矩器的效率η≥η1(對工程車輛一般取η1= 0.75)，從而使發動機的功率得到充分的利用，提高了工程車輛的作業效率，進而改善車輛的動力性和燃油經濟性。

1.1工程車輛模型

本文研究的工程車輛動力傳動系統如圖1所示，主要由發動機、液力變矩器、變速器、驅動橋、驅動輪胎等部分組成。

圖1　車輛傳動系統模型

根據液力變矩器數學模型，采用4階多項式擬合原始特性數據，得到液力變矩器原始特性：

(1)

式中：ρ為工作油溫時工作介質油密度；λB為液力變矩器泵輪轉矩系數(1/[m(r/min)2])；K為液力變矩器變矩系數；η為變矩器效率；i為變矩器轉速比。

1.2效率換擋原理

工程車輛傳動系統由液力變矩器和其他機械傳動部件組成，液力變矩器的傳動效率是一個變化的值，機械傳動的效率可以視為定值[1]。故傳動系統總效率的大小由液力變矩器的效率決定。

由圖2液力變矩器原始特性曲線可知：該液力變矩器在高效區的兩側存在2個η≤η1的區域。效率換擋的原理：當液力變矩器處于高效區時，不需要換擋。當液力變矩器處于左側低效區時，選擇低擋位。在車速不變的情況下，渦輪轉速增加，在調速器的作用下柴油發動機轉速基本維持不變，使轉速比i增大，液力變矩器重返高效區。當變矩器處于右側低效區時，選擇高擋位。在車速不變的情況下，渦輪轉速減小，在調速器的作用下柴油發動機轉速基本維持不變，轉速比i減小，液力變矩器重新返回高效區。

圖2　液力變矩器原始特性曲線

1.3效率換擋規律的換擋點計算

本論文研究所用的柴油機、液力變矩器和變速器共同工作。當泵輪轉速為 1 600 r/min時， Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4個擋位對應的液力變矩器效率曲線如圖3所示。可知在相同泵輪轉速下，要求的泵輪轉速的換擋點(變速器輸出軸轉速)就是相鄰擋位效率曲線的交點A，B，C。由式(1)和工程車輛傳動系統原理可得方程組：

(2)

式中：ix為變速器擋位傳動比；nT為變矩器渦輪轉速(r/min)；nB為變矩器泵輪轉速(r/min)；nO為變速器輸出軸轉速(r/min)。

圖3　效率換擋規律原理

將方程組(2)中的i，ix代入η，整理得

(3)

其中ix1，ix2(ix1>ix2)為變速器 I、II 擋傳動比，分別代入式(3)得到如圖3中 I擋和II擋的效率曲線方程。I擋和II 擋兩效率曲線的交點就是要求的泵輪轉速對應的換擋點。于是可得方程組：

(4)

解方程組并舍棄復數解和零解，再將ix2，ix3，ix3，ix4代入可解得：

(5)

由式(5)可知：效率換擋規律的換擋點和泵輪轉速為線性關系。繪制效率換擋曲線，如圖4所示。可知在效率換擋規律中，油門開度只能間接影響換擋點，改變油門開度會改變柴油發動機的調速特性位置，進而改變發動機轉速，最后影響工程車輛效率換擋規律的換擋點。

圖4　效率換擋曲線

2　效率換擋模糊控制策略及仿真

工程車輛以作業為主，經常在復雜多變的環境下作業，其自動變速器是在一個開放的、有大量不確定因素環境中的系統，操縱控制較復雜，這使得基于解析模型的傳統控制方法在車輛中的應用受到了限制。而模糊控制主要研究控制的行為和功能并進行模擬與實現，不是研究被控對象的性質及其工作過程，故模糊控制可以實現復雜多變情況下的控制，并且簡化控制過程，可以用于工程車輛的自動換擋控制。

2.1控制參數的選取

自動變速器常采用的換擋控制參數有發動機轉速、發動機轉矩、油門開度、車速、泵輪轉速、渦輪轉速、變速器輸出軸轉速等。換擋控制參數的選取是根據換擋目的來確定的[9]。本文研究的是以提高液力變矩器傳動效率為目標的效率換擋規律，所以采用以下變量作為換擋控制參數：

1) 發動機轉速

為了使液力變矩器在高效區工作，需要知道準確的泵輪轉速。變矩器泵輪和發動機一般采用剛性連接，故可以直接選取發動機轉速作為換擋控制參數。

2) 變速器輸出軸轉速

變速器輸出軸轉速能反映外界負載的變化，因此把變速器輸出軸轉速作為換擋控制參數。

2.2模糊控制策略

2.2.1輸入、輸出變量及其隸屬函數

發動機轉速ne:{VS,S,M,B,VB}；變速器輸出軸轉no:{VS,S,MS,M,MB,B,VB}。選取各變量論域X如下：Xe: {0，1，2，3，4，…，12，13}；Xo:{0，1，2，3，4，…，14，15}；擋位GR:{0，1，2，3，4}。

根據工程車輛的實際運行情況取發動機轉速的變化范圍[800,2 400]；變速器輸出軸轉速變化范圍[0,2 000],可得量化因子分別為：ke=1/185、ko=1/133。

2.2.2定義語言變量的隸屬度函數

根據效率換擋曲線，VS取梯形隸屬函數比較接近實際。取[0 0 4 4.6]。其他的隸屬函數采用高斯函數：

(6)

式中：eil為發動機轉速第i個模糊集合的隸屬函數中心；σli為發動機轉速第 i 個模糊集合的隸屬函數寬度。

將發動機轉速隸屬函數設置為如圖5所示的曲線。

圖5　發動機轉速度隸屬函數曲線

對變速器輸出軸轉速各子集(VS，S，MS，M，MB，B，VB)采用高斯隸屬函數處理：

(7)

式中：e2j為變速器輸出軸轉速第j個模糊集合的隸屬函數的中心；σ2j為變速器輸出軸轉速第j個模糊集合的隸屬函數的寬度。

將變速器輸出軸轉速的前4個隸屬函數取密一些，后3個隸屬函數取稀一些。變速器輸出軸轉速各模糊子集的隸屬函數曲線如圖6所示。

圖6　變速器輸出軸轉速隸屬函數曲線

為了對輸出容易判決，變數器的擋位以單點整數表示，故取輸出擋位的各子集(1，2，3，4)的隸屬函數為單點型[4]，如圖7所示。

圖7　擋位隸屬函數曲線

2.2.3建立模糊控制規則

換擋模糊控制器為二維模糊控制器，發動機轉速模糊變量取5個語言值，變速器輸出軸轉速取7個語言值，則控制規則數為 35 個。可由 35個“If-Then”形式的規則控制來描述知識庫，制定出的擋位控制規則如表1所示。

表1中的控制規則可用如下的“If-then”表達：

IFne=VSANDn0=VSTHENd=1OR

IFne=VSANDn0=VSTHENd=2OR

???

IFne=VBANDn0=VBTHENd=4

共35條控制規則。

表1　擋位控制規則

2.3效率換擋仿真

為驗證上述控制策略的正確性，建立起基于模糊控制的工程車輛效率換擋規律Simulink仿真模型，如圖8所示。離合器的油壓采用簡單的開環控制。由于上述換擋規律中升擋、降擋點為同一點，為了避免換擋循環問題，通常設置換擋延遲。本文根據工程車輛換擋頻繁的特點，設置換擋延遲時間為0.4s。仿真結果見圖9。

圖8　效率換擋規律仿真模型

圖9　作業工況升、降擋仿真結果

3　換擋過程控制策略

換擋品質是指換擋過程的平順性，即希望車輛能平穩、無沖擊的換擋[4]。在換擋過程中，應盡可能做到換擋迅速平穩，不應出現過高的瞬時減速度或加速度。本文采用客觀評價方法，以沖擊度和滑摩功作為換擋品質的評價指標。忽略路況、車輛狀況等外部因素。影響換擋品質的因素主要包括：離合器結合、分離原件的搭接定時，離合器結合、分離原件的油壓控制，換擋規律。

3.1換擋過程控制策略

如圖10所示，以Ⅰ擋升Ⅱ擋(離合器C1分離，離合器C2接合)為例，詳細說明換擋過程的控制策略。

圖10　升擋過程示意圖

將整個換擋過程化分為4個階段。

1) t0—t1階段：主要完成預充油操作，將C2壓力由0上升到預充油目標值，以盡快克服各種摩擦阻力和回位彈簧阻力，迅速消除離合器的空行程。同時C1在保證傳遞全部輸入軸轉矩的基礎上油壓下降。C2的油壓對換擋過程的沖擊影響不大，此階段C2的油壓采用開環控制。

2) t1—t2階段，即轉矩相階段:C1仍然保持在結合狀態，C1主、從動片兩端轉差仍為0，而C2 開始充油，進入滑摩狀態。但系統仍然處于低擋運行，各部件的角速度無急劇變化，只是2個離合器傳遞的轉矩發生了重新分配。要保持這種狀態，由TC=TI可得：2個離合器傳遞的目總標轉矩等于輸入轉矩。

沖擊度

(8)

由式(8)可得：

式中，沖擊度 j為換擋過程的可接受值。

由式(9)、(10)可知：C2油壓的目標變化率KC2由可接受的沖擊度值J和dTI/dt決定。而轉矩相階段dTI/dt變化不大，可視為常數。取KC2作為一定值，接合C2的油壓按一定斜率直線變化，即采用開環控制。而分離離合器傳遞的目標轉矩可由TC1=T1-TC2計算出，從而可得目標壓力。根據接合C2的壓力變化，相應減少分離C1的壓力。該階段保持C1 處于結合狀態，C1 的實際控制壓力比通過計算得到的目標壓力稍高。

隨著C2 壓力不斷增大，C1 傳遞的轉矩不斷下降，只要保證在該過程中C1的壓力始終可以傳遞這個下降的轉矩就不會出現滑摩，直至C1 的壓緊力降為 0。這就保證了C1在進入滑摩之前的壓力PC1降為 0。

3) t2—t3階段，即慣性相階段:這時C2 傳遞的轉矩為動摩擦轉矩，通過C2主、從動盤滑摩并逐漸同步，將動力逐漸傳遞到驅動輪，C2主、從動盤轉速差發生了很大變化，是產生最大換擋沖擊的階段。因此，換擋慣性相離合器的滑摩控制對換擋品質有很大影響。

對于換擋沖擊來說，在離合器同步的瞬間值較大，因此離合器的接合過程應該滿足無沖擊條件：在同步時刻，ΔwC2的導數為零[10-11]。所以將目標軌跡的選取原則歸納如下：

① t2時刻離合器滑摩轉速的變化率很小，從而避免控制量達到飽和；

② t3時刻離合器滑摩轉速的導數為零；

③ t2—t3不能超過期望的換擋時間；

④ 離合器滑摩轉速平滑變化。

t2，t3是離合器C2滑摩開始和結束時刻。根據上述的目標軌跡選取原則設計的目標軌跡如圖11所示。實現該軌跡的方式有很多，本文采用時間的3階多項式來描述：

式中：ΔwC2是C2的滑摩轉速；ΔwC20是t2時刻C2的滑摩轉速；xC2(t)是C2滑摩轉速的目標值。對式(12)兩邊求導可得：

(13)

圖11　離合器C2滑摩目標軌跡

對于慣性相階段C2滑摩轉速控制，本文將輸入轉矩視為外部輸入的干擾力矩，通過運用PID控制方法控制離合器壓力實現離合器滑摩轉速按照滑摩目標軌跡變化。

4) t≥t3階段

慣性相結束后，C2已經結合，為防止變速器阻力的波動引起離合器打滑,將C2壓力迅速升到工作壓力，C2的油壓采用開環控制。

4　換擋過程控制仿真分析

結合效率換擋規律模糊控制器，根據換擋過程控制策略，建立該過程的離合器壓力控制模型。

1)I擋升II擋仿真結果及分析

工程車輛低擋工作時，受到的行駛阻力除道路阻力、空氣阻力、加速阻力外，還受到作業阻力。仿真初始參數設置為：油門開度為100%，發動機初始轉速為220rad/s，變速器輸出軸轉速為27rad/s。作業負載阻力矩為50 000N·m。

由圖12(a)可以看出：離合器油壓按4個不同階段變化。在約0.08s時，接到換擋規律模糊控制器輸出升入2擋信號后，C2油壓快速上升以消除空行程，C1油壓快速下降至能傳遞輸入轉矩的油壓附近值；消除空行程后，進入轉矩相階段。此時C2油壓按直線上升變化，C1油壓根據C2油壓相應下降。約0.53s轉矩相結束，C1油壓降為0，開始進入慣性相。在控制作用下，C2油壓使滑摩轉速跟蹤目標轉速，油壓呈先增大后減小趨勢，以使C2主、從動盤逐漸結合；在0.93s時C2滑摩轉速差為0，慣性相結束。C2油壓以最大速度上升至工作壓力，完成換擋，整個換擋歷經約0.92s。

由圖12(b)～(f)可以看出：在轉矩相，C1沒有出現滑摩；在慣性相，C2滑摩轉速能很好地跟蹤目標軌跡，過渡平滑。與轉矩相相比，慣性相沖擊度稍大，在慣性相的結束點，即同步閉鎖點，最大沖擊度約為9m/s3，符合標準要求，產生的滑摩功為36kJ，且換擋過程沒有出現動力中斷現象，車速平穩變化。

2) Ⅲ擋升Ⅳ擋仿真結果及分析

工程車輛高速運行，沒有受到作業阻力。Ⅲ擋升Ⅳ擋時離合器工作情況和I擋升II擋一樣，都是C1分離，C2接合。仿真初始參數設置為：油門開度為100%，發動機初始轉速為235rad/s，變速器輸出軸轉速為178rad/s。仿真結果見圖13。

離合器油壓變化與I擋升II擋油壓變化類似，慣性相C2滑摩轉速也能很好地跟蹤目標軌跡，產生的滑摩功約27.5kJ，最大沖擊度為6.5m/s3，小于德國標準。整個換擋過程車速沒有出現下降現象，車速平穩增加，整個換擋歷經 0.75s。Ⅲ擋升Ⅳ擋傳動比的變化較小，不需要克服作業阻力，沖擊度和滑摩功相比I擋升II擋都較小，換擋品質較好。

圖12　I擋升II擋仿真結果

圖13　Ⅲ擋升Ⅳ擋仿真結果

5　結束語

提出了效率換擋規律，分析了效率換擋原理，并設計了換擋模糊控制器，使液力變矩器保持在高效區工作。

為改善工程車輛換擋品質，根據換擋過程4個不同階段的特點制定不同的控制策略。轉矩相階段，推導出了換擋離合器油壓計算公式，使離合器的搭接時序合理，在滿足換擋沖擊的要求下，減小了分離離合器的滑摩。在慣性相階段，制定了離合器滑摩目標軌跡并采用PID控制方法控制離合器的滑摩。通過仿真驗證了該策略的有效性。

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(責任編輯劉舸)

收稿日期：2016-03-22

作者簡介：于英(1957—)，女，黑龍江呼蘭人，副教授，主要從事車輛傳動及控制方面的研究； 肖棒 (1992—)，男，江蘇徐州人，碩士研究生，主要從事自動變速器換擋品質研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.07.001

中圖分類號：U463.212

文獻標識碼：A

文章編號：1674-8425(2016)07-0001-09

Research of Shift Quality of Off-Road Vehicles Based on Efficient Shift Schedule

YU Ying1, XIAO Bang1, PENG Yao-run1, ZHOU Ping2

(1.School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China;2.First Research Institute of Corps of Engineers, Wuxi 214035, China)

Abstract:Aiming at the low efficiency of hydraulic torque converter, this paper proposed the efficient shift schedule. The powertrain model was built and fuzzy shift controller was designed. Simulation was processed in working conditions. Results show that the designed controller can shift automatically to make hydraulic torque converter always work in high efficiency zone. Shift process was analyzed, and the shift strategy was design, and the shift process in low speed and high speed were simulated. Results show that the designed shift strategy can make a high shift quality of off-road vehicles with good controll effect.

Key words:off-road vehicle; efficient shift; fuzzy control; shift quality

引用格式：于英，肖棒，彭耀潤，等.基于效率換擋規律的工程車輛換擋品質研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(7):1-9.

Citation format：YU Ying, XIAO Bang, PENG Yao-run,et al.Research of Shift Quality of Off-Road Vehicles Based on Efficient Shift Schedule[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(7):1-9.