基于Cruise的裝備AMT重型商用車經濟性聯合仿真計算

邱煜，韓同群

（湖北汽車工業學院 汽車工程學院，湖北 十堰442002）

隨著高速路網的擴大，重型商用車的運輸路程越來越長，運輸的貨物也越來越多。在重型商用車的運輸成本當中，燃油消耗占比更是達到了20%～30%。據統計，同一車輛在道路、交通等條件相同的情況因駕駛者的不同，車輛的百公里燃油消耗量相差可以達到10%以上。因此裝備自動變速器的車輛大大簡化了的駕駛員換擋的過程，減少了人為因素造成的燃油消耗量增加，提升了駕駛的舒適性。開發自動變速器的重型商用車，提高車輛的經濟性，仍是汽車開發的重要任務。

隨著重型商用車對燃油的消耗增大以及尾氣污染物排放的問題受到國家重視，國家制訂了GB/T27840—2011《商用車燃料消耗量測量方法》。重型商用車輛燃料消耗量的測定方法有道路試驗法、轉鼓試驗法和模擬試驗法。AVL Cruise 是一款先進的汽車系統動力學仿真分析軟件，其對車輛部件運用模塊化的設計理念［1］。文中采用模擬試驗法，利用AVL Cruise 搭建整車模型，在模型中嵌入用Matlab/Simulink 建立的AMT 換擋控制策略,再建立C-WTVC 循環工況，并將該工況用于某款裝備了14個擋位AMT的重型牽引車及半掛車模型的經濟性仿真計算。

1 某牽引車及半掛車的整車建模

根據某款重型牽引車及半掛車，在AVL Cruise中搭建裝備了AMT的該重型牽引車及半掛車仿真模型。根據原車的結構，選擇相對應的模塊，使模型與原車結構相一致。將該款車的整車參數輸入模型中的對應模塊，完成對模型的標定。

1.1 C-WTVC循環工況的建立

根據國內實際情況，對于重型商用車制定了符合國內道路交通狀況的循環工況，即C-WTVC 循環工況來測定多工況下的燃油消耗量［1］。C-WT?VC 循環的制定基礎是WTVC 循環（世界重型商用車瞬態循環），對其中的加速度片段和減速度片段進行符合中國國情的適當調整，進而制定出完整的C-WTVC 循環工況。整個C-WTVC 循環共1 800 s（圖1），其中高速循環432 s、公路循環468 s、市區循環900 s。C-WTVC循環工況不考慮道路坡度變化，所有道路均當作水平路面，但是包含了大量的加速度和減速度片段。其中加速度片段包含了加速度時間、加速度大小等數據，這些數據都可以實際應用于動力總成的匹配、各工況下的擋位選擇和仿真計算換擋控制策略制定，且最終都與燃油經濟性測試結果的好壞相關聯。在Cruise中添加Cycle Run 任務，并在該任務的profile 選項中的table edi?tor里建立C-WTVC循環工況。

圖1 重型商用車C-WTVC 循環工況圖

1.2 整車建模并仿真

表1 為重型商用車牽引車參數，表2 為重型商用車半掛車參數，該重型商用車所裝備的增壓柴油機技術參數如表3所示，其型式為6缸直列、水冷、4沖程、帶排氣制動、直噴、增壓中冷。

利用Cruise軟件提供的整車搭建平臺，依據該車裝備的各部件和車型結構，從Cruise軟件中選取所需的各個車輛部件模塊進行整車建模，然后根據各部件間的動力傳遞方向進行物理連接；再進行信號連接，建立了裝備14 個擋位手動變速箱的整車模型。最后，采用C-WTVC 循環工況以及對應的手動擋駕駛員模型，駕駛員模型結合路譜會確定每個車速下的擋位，從而對該款重型商用車牽引車整車模型進行循環工況的仿真。

表1 某重型商用車牽引車參數

表2 某重型商用車半掛車參數

表3 某增壓柴油機參數

2 AMT的換擋控制策略

2.1 AMT方案的選擇

該款牽引車的變速器是采用了主副箱的結構形式。主箱擁有5 個擋位。前置副箱有高半擋和低半擋2個擋位，后置副箱也采用了高擋位和低擋位的兩擋設計。如圖2所示，該款變速箱通過前置副箱、后置副箱和主箱組合使用的方式，實現了在14個擋位間切換的要求。

圖2 變速箱動力總成傳遞圖

機械式自動變速器因采用驅動執行機構的動力源不同，選換擋控制系統可分為3 種類型［2］：1）電控-氣動式，以空氣壓縮后的壓力作為動力源，來實現選換擋系統的自動化控制，目前主要用在本身裝備氣壓系統的大型客車或者重型商用車上。2）電控-液動式，變速器的選換擋系統是通過液壓泵驅動液壓油提供動力。3）全電式，用電機為整個系統提供動力，從而實現選擋系統的自動化控制。文中選擇使用全電式機械自動變速器。全電式機械自動變速器的動力來自電機驅動，不需要液壓系統或者氣壓系統，整個系統結構相對簡單、重量輕，系統的控制難度也大大降低，使得控制系統反應快、精度高。

2.2 換擋控制策略的選擇

換擋控制策略的作用是使汽車在最佳性能換擋點時執行擋位切換的操作，并且根據車輛的實際運行狀況選擇最佳的擋位。換擋規律根據控制參數的數量進行分類，分為單參數換擋規律、兩參數換擋規律和多參數換擋規律［3］。單參數換擋規律的控制參數是車輛速度，以車速大小來確定換擋點和換擋延遲的大小。兩參數換擋規律的控制參數是節氣門開度和車速，是目前普遍采用的換擋規律控制形式。多參數換擋規律以節氣門開度、車速和加速度等多個參數作為控制對象。實際行駛過程中，車輛行駛環境的多變性使得多個參數的變化十分復雜，需要獲得大量的發動機在非穩態工況下試驗的數據，試驗難度大成本高。分析比較上述3種方式的特點后，文中采用控制節氣門開度和車速的形式來制定燃油經濟性換擋控制策略。

2.3 換擋控制策略的制定

重型商用車的換擋操作是從當前擋位切換到其他擋位的變化，是一種典型的狀態遷移問題。在Matlab/Simulink仿真平臺下利用Stateflow模塊建立相關的換擋狀態圖[4]（圖3）與時序邏輯模型的換擋邏輯圖（圖4），并對其進行仿真。

由圖4可知，當車輛具體的車速比對應的升擋點車速大時，系統將從“steady_state”遷移狀態“up shifting”，圖4中的UP描述的升擋操作完成。變速器的擋位根據描會提升1個擋位。此時，產生新的steady_state”，并更新擋位數，完成1 次換擋過程。新的“steady_state”又為下一次換擋過程提供了新的換擋點車速值。升降擋速度的閾值up_th 和down_th 是通Simulink 函數［up_th, down_th］=Com?pute Threshold（gear,throttle）得到。換擋速度閾值計算模塊根據當前擋位和節氣門開度計算出換擋點車速。在Stateflow 模塊的基礎上結合Simulink中其他模塊完成控制策略的仿真操作。最后將整個Simulink/Stateflow 控制策略各個模塊進行封裝后得到完整的AMT 控制策略，在Cruise 中會生成換擋控制策略（圖5）。

圖3 換擋狀態圖

圖4 換擋邏輯圖

圖5 AMT換擋控制策略

3 聯合仿真及經濟性分析

3.1 聯合仿真

利用Cruise 中的Gear Box Control 模塊、Gear Box Program 模塊、AMT Control 和AMT Program 模塊共同實現AMT 的換擋功能。將Simulink 中的換擋控制策略轉換為“.dll”格式的文件，再將該文件輸入Matlab DLL 模塊中，以Matlab DLL 模塊取代AMT Program 模塊和Gear Box Program 模塊；再配合Gear Box Control 模塊和AMT Control 模塊，在Cruise實現聯合仿真，如圖6所示。

圖6 Cruise聯合仿真模型圖

將當前擋位信號、油門開度信號和車速信號輸入Matlab DLL模塊，根據制定的控制策略將期望擋位信號從Matlab DLL 模塊輸送至Gear Box Control模塊；Gear Box Control模塊將期望擋位信號傳遞給AMT Control 模塊；AMT Control 模塊控制離合器模塊的接合與分離，變速箱接收到來自AMT Control模塊的信號后切換擋位。通過AMT Control 模塊、Gear Box Control模塊和Matlab DLL模塊配合，使擋位切換操作可以自主完成。

在Cruise 軟件中分別添加Cycle Run 任務、Climbing Performance 任 務 和Maximum Velocity 任務，在C-WTVC 循環工況下聯合仿真計算各個任務，分別得到車輛最高擋的等速行駛燃油消耗量、汽車的爬坡性能和車輛的最大車速。

3.2 仿真結果比較

根據工信部的規定，模擬試驗法可以作為重型商用車燃油經濟性的測量方法。原車模型仿真與路測結果在動力性和經濟性方面的對比如表4～5所示，兩者相差不是很大，總體來看是一致的。由于通過路測方法只能測得等速循環油耗，無法測出C-WTVC 循環油耗，以及在對用戶進行調查后反饋的油耗結果與仿真結果有所差異，所以文中選擇使用模擬試驗法得到的手動擋循環油耗結果與聯合仿真循環油耗結果進行對比分析。聯合仿真的循環油耗為39.78 L·（100 km）-1，原車模型循環油耗41.99 L·（100 km）-1，相對誤差為5.26%，用戶循環油耗36 L·（100 km）-1，可以看出聯合仿真的循環油耗低于原車模型仿真的油耗。

表4 原車模型仿真與路測結果動力性對比

表5 原車模型仿真與路測結果油耗對比 L·（100 km）-1

4 結論

基于AVL Cruise 軟件建立了裝備了AMT的某款重型牽引車及半掛車的整車模型，與Matlab/Simulink中的換擋控制策模型相結合，采用C-WT?VC循環工況對其燃油經濟性進行聯合仿真計算與分析。車輛聯合仿真循環油耗的仿真結果優于原車手動擋模型循環油耗的仿真結果，說明制定的燃油經濟性換擋控制策在改善重型商用車燃油經濟性方面有一定的成效，建立的換擋控制策略的具有可操作性與實用性。