基于重型商用車傳動系統效率的換擋策略研究*

劉剛 呂文芝 朱江蘇 周海磊

（1.內燃機可靠性國家重點實驗室；2.濰柴動力股份有限公司發動機研究院）

隨著人們對汽車舒適性的要求越來越高，相比于傳統的手動變速箱，綜合性能更優越的自動變速箱越來越受到消費者的青睞。特別是近些年來，自動變速箱已經能夠更好地兼顧操控性以及節能環保等因素，使其在國內外的汽車中占有越來越大的裝備比例[1]。但節能降耗的目標是永恒的，這就需要將汽車的各部件最大程度地運行在各自的最佳經濟區內。本文利用五軸動力總成試驗臺對發動機、變速箱及驅動橋構成的動力總成系統性能進行試驗研究，根據發動機燃油消耗率萬有特性和傳動系統效率，得到基于整車燃油消耗率的特性曲線，通過控制AMT自動變速箱換擋性能，使發動機運行在整車效率的最優區域。

1 現有技術分析

由于重型商用車通常都是在滿載情況下行駛，作為長途運輸車輛，其燃油經濟性也是此類產品追求的主要目標。最佳燃油經濟性換擋規律就是使自動變速箱能夠以最經濟的換擋點進行換擋操作,以達到降低燃油消耗的目的[2-4]。

目前,自動變速箱上應用的最佳燃油經濟性換擋規律,包括2參數最佳燃油經濟性換擋和動態3參數最佳燃油經濟性換擋[5-7]，主要是根據車速、油門及加速度進行換擋操作的，都是僅通過使工況點落在發動機的最佳經濟區，卻沒有考慮變速箱、驅動橋和傳動軸等組成的傳動系統的傳動效率。也就是說，現有技術中基本沒有考慮整車的傳動系統損失，或者即使有考慮傳動效率也只是采用常數值代替，更沒有考慮不同擋位、不同工況對傳動系統效率的影響。

實際上，變速箱、驅動橋和傳動軸組成的傳動系統的能量損失還是不小的[8-11]，而且隨著工況的變化有很大的不同。由此在五軸動力總成臺架上進行了傳動系統能量損失試驗研究。某型號變速箱和驅動橋的能量損失情況如圖1所示。

圖1 某型號變速箱、驅動橋能量損失曲線

從圖中可以看出，傳動系統的能量損失隨轉速升高呈單調遞增趨勢，從2～11 kW遞增，驅動橋的能量損失相對占比大，而且隨著轉速的升高，驅動橋的損失占比更大。

而整車的實際運行工況更為復雜，由此產生的傳動系統能量損失也是不小的，從而導致了整車燃油經濟性區域與單純發動機燃油經濟性區域的差異，而在現有的換擋控制策略下，根本沒有考慮這部分的性能特性，使得車輛實際運行工況點偏離了實際的整車燃油消耗率的最佳區域。

2 改進的技術方案

2.1 傳動系統效率特性研究

在動力總成試驗臺架上進行了傳動系統的各擋位傳動效率試驗研究。試驗臺結構示意圖如圖2所示。

圖2 動力總成試驗臺結構示意圖

研究對象選取市場上應用較多的牽引車和自卸車2種車型的主流傳動系統配置，具體參數為：1）牽引車：變速箱型號為12TA；變速箱各擋傳動比分別為：12.1、9.41、7.31、5.71、4.46、3.48、2.71、2.11、1.64、1.28、1、0.78；驅動橋傳動比為3.7。2）自卸車：變速箱型號為12T；變速箱各擋傳動比分別為：15.53、12.08、9.39、7.33、5.73、4.46、3.48、2.71、2.1、1.64、1.28、1；驅 動 橋 傳 動 比 為5.73。

試驗時，將變速箱和驅動橋潤滑油溫度設定在（80±5）℃，這也是實際車輛在25℃環境溫度下長期運行時，潤滑油的穩定溫度值，液位為正常水平，控制輸入測功機的轉速和扭矩，測量各擋位下的輸出扭矩和轉速，從而得到傳動系統的轉速-扭矩-傳動效率的萬有特性曲線。

某牽引車與自卸車配置傳動系統效率曲線如圖3、圖4所示。總體來看，在不同工況下，傳動效率還是有明顯的差別。

從圖3可以看出，1～7擋，各工況點傳動效率變化平穩，所有工況點傳動效率均處于較高水平，為92.7%～96.5%，最大差值為2.83%，出現在6擋。8～12擋，各工況點傳動效率變化較大，最大差值為14.63%，出現在12擋，且隨著擋位的升高，差值越來越大。根據牽引車的常用工況區，轉速為950～1 300 r/min，扭矩為1 000～1 400 N·m，傳動系統效率在90.3%～95.9%。

圖3 某牽引車配置傳動系統效率曲線

同理分析圖4自卸車配置傳動系統效率，1～9擋，各工況點傳動效率變化平穩，所有工況點均處于較高水平，為91.9%～95.6%，最大差值為2.2%，出現在9擋。10～12擋，各工況點傳動效率變化較大，最大差值為9.5%，出現在12擋，且隨著擋位的升高，差值越來越大。根據自卸車的常用工況區，中高轉速，中高扭矩，傳動系統效率在92.1%～95.6%。

圖4 某自卸車配置傳動系統效率曲線

為了更直觀地理解各擋位的傳動效率差異，將每個擋位的效率最大值和最小值分別列出分析，如圖5、圖6所示。總體來看，隨著擋位的升高，最大值呈遞增趨勢，而最小值在中間某個擋位出現拐點，且最高擋位的差值最大。

圖5 牽引車配置各擋傳動效率極值圖

圖6 自卸車配置各擋傳動效率極值圖

綜上分析，各擋位的傳動效率在不同工況下存在一定差值，根據以往的經驗，傳動效率相差1%，100 km油耗差值在0.13～0.3 L。因此，合理地應用好這種差異對整車燃油消耗率的提升有很大幫助。

2.2 整車燃油消耗率研究

結合上述分析，整車燃油消耗率，即在發動機燃油消耗率萬有特性的基礎上，綜合考慮變速箱不同擋位效率以及驅動橋傳動效率，將發動機燃油消耗率去掉傳動系統損失的效率，得到整車燃油消耗率萬有曲線[12-13]。

圖7示出在某一擋位下，整車燃油消耗率萬有特性曲線與發動機燃油消耗率萬有特性曲線的對比圖。由于變速箱在不同擋位時傳動效率不同，不同擋位的整車燃油消耗率也有差異，理論上每一擋位都應有對應的整車燃油消耗率曲線。

圖7 某發動機燃油消耗率曲線與整車燃油消耗率曲線對比圖

為達到整車運行效率最佳，即經濟性最優，整車運行的工況點應最大限度地保證在燃油消耗率最佳區域范圍內。因此，換擋時機應該綜合考慮發動機燃油消耗率、不同擋位變速箱效率以及驅動橋效率，從而實現整車最佳燃油經濟性換擋控制。

2.3 換擋策略研究

該研究通過輸入發動機轉速、油門開度、擋位等信號，控制器查詢整車燃油消耗率數據，計算得到最佳換擋轉速。具體換擋算法如圖8所示。

圖8 升擋、降擋曲線求取圖

以同一油門下相鄰2擋燃油消耗率曲線的交點為換擋點，具體實施步驟如下：1）根據當前擋位與下一擋位傳動系統效率，由發動機燃油消耗率和傳動系統效率，計算得到當前擋位與下一擋位的整車燃油消耗率。2）利用插值計算得到同一油門開度下相鄰2擋的燃油消耗率曲線。3）當前擋位與下一擋位的燃油消耗率的交點即為升擋點。4）將所求得的換擋點擬合成油門-車速的關系曲線，即為當前擋位與下一擋位之間的最佳效率換擋規律曲線。5）同樣道理，可求得其它擋位間的換擋規律。6）為避免換擋循環，得到升擋曲線后，給出一定的降擋速差，就可以求出降擋曲線。

3 試驗驗證

為了直觀地體現該策略對整車燃油經濟性的效果，利用重型轉轂臺架進行了牽引車型的試驗驗證分析。

3.1 試驗條件

3.1.1 測試設備

轉轂使用Truck-CD-2.5-48"-4×4，油耗儀使用AVL-735。

3.1.2 測試車型

測試車型為牽引車，最大設計總質量為49 000 kg。模擬載荷為滿載。行駛阻力按照文獻[14]中的規定測量得到。

3.1.3 轉轂試驗

采用CWTVC和CHTC 2種試驗方法進行，CWTVC試驗方法按照文獻[14]要求進行，CHTC試驗按照文獻[15]要求進行，CWTVC數據處理方法按照文獻[14]要求加權計算，CHTC沒有規定數據處理方法，由于是對比分析，只要方法相同即可，故該CHTC試驗中用總油耗比總里程的方法得到結果。

3.2 試驗結果分析

1）試驗方法：CWTVC，原始油耗：39.1 L/100 km，優化后油耗：38.7 L/100 km，優化效果：1.02%。

2）試驗方法：CHTC-TT，原始油耗：40.6 L/100 km，優化后油耗：39.6 L/100 km，優化效果：2.46%。

4 結論

本文通過對傳動系統效率萬有特性和整車燃油消耗率的深入分析，對變速箱換擋策略提出了新的影響因素。考慮到傳動系統效率隨轉速、扭矩變化而產生的差異，得到傳動系統效率萬有特性，繼而得到不同擋位的整車燃油消耗率特性。通過發動機和傳動系統性能的優化匹配，使得發動機的最佳經濟區與傳動系統的最佳效率區最大程度的重合，從而使得整車能夠最大限度的在最佳經濟區域運行。