汽車自動變速器換擋規律的優化設計方法

葛振偉

摘要：汽車運行的過程中，在進行加速或者減速的操作時，屬于一個動態的換擋過程。在此過程中，如果操作換擋頻繁就會產生一定的耗油量，對于汽車運行的經濟性性帶來嚴重影響。我國每在汽車換擋操作中就會產生大量的燃油能源浪費，為了改善這種局面，就必須對汽車自動變速器的換擋規律進行分析，并且對其展開優化設計，降低換擋操作時所產生的流量消耗。文中在對汽車換擋規律的原理進行分析之后，又對其動態規劃算法的換擋規律優化進行闡述。

關鍵詞：汽車性能;自動變速器;換擋規律

在科學技術快速發展的基礎上，自動化技術獲得了全面的發展，在多個領域中均表現出良好的有一種效果。汽車運行中所使用的自動變速器就是在此基礎上發展起來的，對原有的手動變速器進行升級與改裝，應用電子控制系統，實現變速器的自動化發展，這樣不僅能夠提升燃油的利用率，使其經濟效益更大得到更好發揮，還能夠在一定程度上節省制造成本。燃油的經濟性屬于評價汽車性能的一項重點內容，不僅會對車輛的駕駛成本造成影響，還關乎大氣環境。

一、汽車換擋規律的原理

1、換擋規律原理

規律指的是事物在運行過程中的規律變化。就汽車的換擋規律而言，主要指的是汽車在行駛的過程中，利用變速器的擋位，對汽車行駛狀態和速度進行調節時所產生的變化值。我們將處于不同行駛速度下的參數變化值進行分析之后，找出參數變化的關系，這便是對換擋規律的確定。在實際運行的過程中，可以根據汽車行駛狀態下，所進行的換擋操作來確定換擋規律。一般而言，根據控制參數的不同，我們可以將其分成單參數、兩參數和三參數。其中的單參數指的是，車輛的運行速度，但是由于換擋操作屬于駕駛員的自主行為，自動變速器無法實現對駕駛人自身行為的有效干預。為此，該項參數并不能作為優化動力和經濟性能的主要參數。在當前的汽車系統中，很少采用單參數的換擋規律。

而三參數的換擋規律是在兩參數的換檔規律基礎上，增加了加速度參數，而發展起來的換檔規律。在原有的基礎上，對加速度參數規律進行分析之后可以更好的了解車輛的行駛狀況。但是相對來說，參數處理的難度也大大提升，對系統的實時響應帶來一定影響。同時，也會增加車輛制造的成本。為此，針對三參數換擋規律的研究還停留在理論階段。在實際車輛運行的過程中，是將車速和油門的開度作為主要參考參數，這也是兩參數換擋規律的重點內容。圖1中所示的為兩參數換擋規律原理，其中的橫坐標表示車速，中坐標表示油門開度。

從圖1可以發現，存在兩種線形，，我們將實線和虛線分別代表不同的擋位曲線。實線為升擋曲線，虛線為降擋曲線。為了確保不會出現循環換擋的現象，在換擋系統中增加了一定的換擋延遲。圖1所示的u=f21（a）表示為由二擋轉換為一擋曲線。而u=f23（a）為由二擋調整至三擋的曲線。從圖中的曲線變化情況可以看出，當變速去處于二檔狀態時，汽車的運行狀態在u=f21（a）和u=f23（a）兩個曲線之間，當曲線u=f21（a）和u=f23（a）發生變化時，則表示進行了升檔或者降擋操作。

2、換擋規律數學模型

為了實現對汽車換擋規律的有效優化，使其燃油經濟性得到全面提升，并且保證汽車的動力作用，我們需要對汽車對換檔規律進行全面分析之后，找出耗油量最低，且汽車動力作用最強的參數。根據這一參數對汽車的換擋規律進行優化，使其在燃油消耗量和行駛動力性上均能得到有效提升。為了保證對換擋規律和燃油經濟性的有效分析，我們將等速狀況下的汽車單位燃油量以及換擋操作下，燃油消耗量的變化情況進行對比分析，繪制出發動機萬有特性曲線圖。圖2所示內容中，橫坐標為發動機的轉數，縱坐標為發動機的轉矩。

從圖2中可以看出，發動機最佳燃油經濟性工作區域對應的發動機轉速主要集中在2000—2600r/min的范圍內。傳統換擋規律換擋點的制定是假設在換擋過程中車速不變的條件下，將發動機的小時油耗Q。

該方法求得的換擋規律在汽車行駛過程中始終保持不變，沒有考慮汽車行駛環境以及駕駛員操縱意圖對換擋過程的影響，僅適合于汽車平穩行駛過程。而AMT的實際換擋過程為加速或減速的動態過程，非線性程度高，時變性強，換擋過程中車輛處于非穩定狀態，按穩定狀態得到的換擋規律會產生較大的誤差，在城市循環工況、制動和轉彎等特殊路段容易導致頻繁換擋或意外升擋現象，從而影響整車燃油經濟性能。

二、利用動態規劃算法進行換擋規律優化

1、動態規劃算法的流程

動態規劃算法具有理論性能強、適用范圍廣和工程化程度高的特點。在汽車變速器換擋規律的優化方案中，可以充分發揮其自身性能。實際進行動態規劃計算時，所包含的計算方法可以分為逆向法和正向法。其中的逆向法指的是，將邊界條件k=N作為計算的最優值，當運算結果呈現出初始狀態時，便可以認為整個過程為最優算法，將該項參數作為重點優化參數即可。而正向法指的是，將邊界條件k=1作為各階段的最優值，當計算結果為終止狀態時，便可以認為其為系統優化的最優解釋，圖3為動態規劃算法的流程圖。

2、利用動態規劃算法進行換擋規律建模

由于傳動系統在運行時的響應時間限制，在對換擋規律進行優化時，需要將時間作為逆向算法的起始值。同時，對特定情況下所產生的循環工況進行離散分解，從其中的某一步開始，進行逐層計算，在對每層進行計算時需要設定好最終的目標與目的，進而保證對整體換擋規律的優化作用，使其變量在控制范圍之內。

（1）狀態變量和控制變量的確定。對于汽車的傳動系統來說，其自身發動機運行時的轉速和檔位均可作為狀態變量。而發動機的轉矩和換擋指令作為控制變量。鑒于自動變速器在運行的過程中，傳動操作并不是連續開展的狀態，為此無法獲取到有效的時間參數。在對其時間參數據進行確認時，需要利用系統模型對其進行離散處理，將得出的最終結果作為時間參數。

（2）目標函數的建立。為了實現對汽車變速器換擋規律的有效優化，我們首先需要對目標函數進行確認。實際上指的就是，對多種運行狀態下汽車的耗油量和能動作用進行對比分析之后，找出最佳的控制率。對于目標函數的確定需要多種參數作為支持。主要包括汽車的燃油消耗量、行駛的能動性以及汽車運行成本等。

（3）約束條件和懲罰函數。當駕駛人員在進行頻繁換擋操作時，會對變速器內部的零件造成嚴重磨損，尤其是變速箱內的齒輪部件。經過多次換擋操作之后，其自身的使用性能和使用壽命將受到嚴重威脅，不僅影響駕駛人員的駕駛操作舒適性，還對汽車行駛中的燃油消耗量造成一定浪費。這就會對汽車的燃油經濟性以及性能指標帶來嚴重影響。為此，需要設置懲罰函數和約束條件對汽車變速器中的換檔規律進行有效優化，對相應的換擋操作做出限制，進而保證汽車的良好運行。

結語：分析了換擋規律系統原理，以發動機臺架試驗數據為基礎建立了換擋規律的數學模型，指出了傳統換擋規律的不足。結果表明，基于動態規劃的換擋規律減小了發動機轉速波動，降低了換擋頻率，汽車燃油經濟性明顯提高，驗證了優化算法的準確性與合理性，為換擋規律的研究提供了一種新的思路。

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姓名：（第一作者）李曉波;劉宗勝; 劉立鐵; 王麗

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