基于Cruise GSP的AMT整車換檔研究

程 洋

（西華大學汽車與交通學院，四川 成都 610039）

前言

在配置有自動變速器的汽車中，除了無極變速器之外，其他類型變速器都會涉及到到換擋規律的確定。換擋規律主要是研究選擇什么樣的換擋參數，在何時進行換擋等問題，其好壞直接影響車輛的燃油經濟性、動力性和排放性的優劣和乘坐舒適性，故換擋規律是自動控制系統的核心之一[1]。

換擋規律按照換擋的控制參數多少可分為單參數、雙參數、三參數以及四參數換擋規律。單參數換擋規律是單一的將車速作為控制參數，即到了指定車速就換擋，控制結構簡單，但駕駛員無法干預換擋。雙參數是目前普遍采用的基于車速和油門開度為控制參數的換擋規律，有穩定可靠和實現簡單的特點。三參數換擋規律相比兩參數換擋規律增加了車輛的加速度參數，能更進一步反映了車輛的實際操縱規律，但三參數換擋規律的制定非常復雜，工程運用的較少。而四參數換擋規律是在三參數換擋規律的基礎上再添加節氣門開度變化率，節氣門開度變化率能反映駕車者對車輛動力性的需求程度[2]，目前對于此換擋規律僅局限于工程車輛理論研究方面。

本文采用工程應用中使用廣泛與成熟的兩參數換擋規律為基礎，應用AVL Cruise軟件GSP模塊中GSP Generation對裝備5檔AMT的某商用汽車進行快速準確地生成最佳經濟性換擋規律，并以整車燃油消耗為基礎，運用 GSP Optimization對換擋規律進行優化，從而更進一步提高了汽車的燃油經濟性。

1 整車模型搭建

利用 AVL List 公司開發的 Cruise 軟件，可以對任意結構形式的汽車動力傳動系進行建模和仿真。整車動力傳動系模型中發動機、主減速器、輪胎等模型根據所輸入的整車技術參數即可參與仿真計算[3]。整車基本參數如表1所示，AMT各檔速比如表2所示，主減速器速比為4.529。

表1 整車基本參數

表2 AMT各檔速比

依據汽車構型，在AVL Cruise軟件平臺上，通過從模塊庫中直接拖拽出汽車相對應部件模塊的方式來搭建整車模型，并依據整車參數修改各部件的屬性來快速完成整車模型參數設定。然后依據部件之間的關系完成各部件間的機械連接以及電氣連接，如圖1所示。

圖1 AVL Cruise整車模型

2 換擋規律生成

運用Cruise GSP Generation制定換擋規律時，首先需要發動機的部分負載曲線以及萬有特性曲線，依據該曲線通過Cruise里的靜態計算得到各個檔位在各油門踏板開度下的整車加速度曲線圖以及汽車輪邊功率曲線圖，如圖2、圖3所示。整車的加速度[4]a：

式中：δ為旋轉質量換算系數，m為整車質量，Ft整車驅動力，Ff為滾動阻力，Fi為坡道阻力，Fw為空氣阻力。

輪邊功率P：

式中M為汽車質量，v為車速，a為整車加速度。

圖3 整車各個檔位下輪邊功率曲線

換檔模式設置分為3個主要部分[5]，低負荷區域、中負荷區域以及高負荷區域，如圖4所示。每個區域的具體范圍依據變速器標定工程師的工程經驗而定。

圖4 GSP設置—區域

本文界定 20%負荷以下為低負荷區，中負荷區范圍為20%～100%，而100%～110%為高負荷區域。對于高負荷區域的升檔線，Kick Down (110%)表示延遲升檔，即表示駕駛員持續將油門踩在100%位置處，110%油門踏板開度為假想值，實際并不存在，而降檔線Kick Down (110%)表示強制降檔，即駕駛員急踩油門到100%位置處來實現降檔加速。

2.1 低負荷區換擋規律

對于雙參數換擋車輛，設置低負荷區域換擋規律時，汽車性能以舒適、穩定、少污染為主，對加速度無明顯需求。降檔時主要考慮 NVH限制轉速，而在此基礎上盡量降低發動機降擋轉速以提高燃油經濟性，并根據駕駛性的需求確定升擋的延遲車速，從而獲得升擋車速。升檔車速Vup[i]：

式中Vdown[i]為降檔車速，在Cruise GSP中設置與之相對應的轉速值；VHysteresis[i]為升降擋延遲車速。

低負荷區域相關參數設置值如表3所示。

表3 低負荷區相關參數設置

2.2 中負荷區換擋規律

中負荷區域參數設置主要保證燃油經濟性的基礎上兼顧動力性。GSP Generation在中負荷區的設置則是基于預先靜態計算得到的車速-輪邊功率曲線來設置相關參數，其中1擋升到2擋和2擋降到1擋的設置與其它擋位的設置不同。這兩個擋位的設置是根據換擋點的輪邊功率所占最大輪邊功率的百分比來設置的。Cruise軟件提供不同驅動模式的參考值，如表4。

表4 不同驅動模式下參考值

經濟模式下其他檔位升降檔規律依據公式（4）和公式（5）來設置以及設置值如表5所示，設置升檔轉速公差目的是為了提高駕駛舒適性和穩定性而將各檔位升檔轉速限制在一定范圍內。

表5 中負荷區相關參數設置

2.3 高負荷區換擋規律

高負荷區域汽車是以能夠獲得最佳動力性能為前提，主要確定四個點，升檔線的Kick Down點（110%LS）和PAF點（100%LS）以及降檔線的Kick Down點（110%LS）和PAF點（100%LS），Kick換擋點在最大加速強度（相鄰兩檔位加速度曲線的交點）處換擋，在實際換檔

過程中還需要考慮換擋響應時間的影響。而PAF換擋點依據與Kick換擋點的轉速差來確定。

表6 高負荷區相關參數設置

2.4 換擋規律結果

根據上述的各個負荷區設置，計算求得的換擋規律如圖5所示。

圖5 經濟模式升檔與降檔規律

從圖5分析可以得出，該換擋規律是一種組合型的換擋規律，是由多段不同變化規律組合而成的換擋規律。低負荷區采用的是等延遲型換擋規律，中高負荷區采用的是帶強制降檔的發散型換擋規律，這是發散型換擋規律的改進，目的是為了克服其缺點以實現提前降檔，以充分發揮發動機大功率的潛力，滿足爬坡、超車等工況需求。

3 換擋規律優化

3.1 GSP優化

為了進一步提升汽車的燃油經濟性，需要對生成的換擋規律進行優化處理。利用Cruise中的GSP Optimization對生成的經濟性換擋規律基于NEDC循環工況進行優化，從而得到更優的換擋規律。

在完成靜態任務參數設置后，根據給定工況下傳動系優化流程[6]，通過仿真計算得到不同車速對應的優化節氣門開度，如圖6，以及給定循環工況下的最優換擋情況，如圖7。將生成的Optimal Maps (圖8)疊加到GSP Generation生成的換擋規律圖，調整升降擋換擋曲線以得到優化后的換擋規律曲線，如圖 9。最終將優化后的換擋曲線數據導入到機械式自動變速器的控制單元中。

圖6 NEDC工況下的換擋優化

圖7 NEDC工況優化圖

圖8 優化Map圖

圖9 優化后的換擋規律

3.2 優化前后仿真結果

基于給定的NEDC循環工況對優化前后的換擋規律進行仿真分析，汽車的綜合油耗結果如表 7，優化后相較于優化前油耗減少4%左右。

表7 優化前后的仿真結果對比

汽車在駕駛過程中，發動機的扭矩分布如圖10、圖11，換擋規律優化后，汽車發動機能更長時間工作在高效區，整車的燃油消耗得以改善。

圖10 優化前的發動機扭矩分布

圖11 優化后的發動機扭矩分布

4 結論

（1）本文以某款裝備AMT的商用轎車作為研究對象，利用 AVL Cruise 軟件，建立整車仿真模型，使用Cruise GSP模塊快速生成換擋規律并且基于給定的循環工況下優化燃油消耗，對于快捷地進行變速器標定有一定的借鑒意義。

（2）優化后的換擋規律較優化前能夠進一步提升車輛性能。

（3）在車輛實際開發過程中，計算求得的換擋規律并不能直接在實車上運用，需要不斷地調試和優化。