制动工况下机械式自动变速箱车辆换挡规律研究

薛 敏，高 岗，秦孝明，薛运军

（东风汽车公司技术中心，武汉 430070）

制动工况下机械式自动变速箱车辆换挡规律研究

薛 敏，高 岗，秦孝明，薛运军

（东风汽车公司技术中心，武汉 430070）

从采用一般换挡规律的AMT车辆在制动工况下容易出现的问题出发，分析了意外换挡和紧急制动意外加速的原因；按制动强度不同制定了中强度、高强度制动控制换挡规律。通过仿真分析，验证此方法可以有效解决制动工况的换挡问题。

自动变速器；制动工况；意外换挡；换挡规律

AMT（Automated Mechanical Transmission）要实现自动换挡需制定合理的换挡控制策略。在实际生活中车辆只有10%~50%的时间处于稳定行驶工况[1]，但基本的换挡控制策略多数是根据车辆行驶在这些稳定工况上来确定的。当汽车处于动态变化的行驶工况时还继续以基本换挡规律控制换挡，会出现意外换挡[2]，这不仅影响车辆的动力、经济性，同时还会降低乘坐舒适性和可驾驶性。因此，本文针对在制动行驶工况下车辆的自动换挡规律进行研究，并进行仿真，即对基本换挡进行修正以符合实际情况。

1 自动变速车辆制动工况下产生的问题

采用基本双参数、三参数控制的电控机械自动变速器，不能准确反映路况信息。在制动时节气门开度发生快速变化，车辆会发生意外换挡[2]，违背驾驶员意图，引起车辆的换挡冲击。

1.1 意外换挡问题

如图1，假定汽车车速在定节气门开度下由A点升高至B点，到达三、四挡挡换挡重合区。此时由于路况（弯道、坡道等）驾驶员突然急剧减小节气门开度，在节气门开度快速变化情况下，油门惯性小，而汽车惯性较大，车速变化相对于油门变化会存在滞后现象[3]，使得节气门开度与车速的关系曲线按照BC线变化至C点，穿越四挡挡升挡挡线导致意外升挡挡。车辆升入四挡挡后，假设在此节气门开度下车速降低至D点，若此时动态路况结束，驾驶员意图加速保持行驶，由于油门与汽车惯性问题，且油门变化率过大，关系曲线按照DA线变化至A点，此时车辆意外降入三挡挡[4]。这些显然与驾驶员的意图不符。

1.2 紧急制动问题

目前人们大多数驾驶的为采用真空刹车助力器的汽油车，由于制动助力器真空管里的真空来自于进气道，当汽车油门踏板深踩，节气门开度很大时进气道里的真空度非常小，此时制动助力器没有充足的助力，传给驾驶者最直接的感受就是制动好像“失灵”了。若车辆在超车或者上陡坡节气门开度100%时有突发状况需要紧急制动，这时由于制动系统没有充足助力，车速不能立刻下降，车辆减速停止的时间变长，在此期间由于节气门开度和车辆惯性过大，有可能造成自动变速器不正确换挡，这将严重影响车辆的行车安全。

2 制动行驶工况换挡规律制定

当车辆处于制动工况下，发动机由主动端变为被动端，并与制动器一同吸收车辆的运动能量以降低车速，即为发动机制动，此时，车辆的模型已发生改变，故原有基本换挡规律已不再适用[5]。

由于小强度制动下驾驶员一般采用点刹，对整个车辆控制系统的影响不大，故本文选择考虑车辆连续下坡时的中强度制动工况和在加速中电子油门卡死或失灵时遇到紧急情况的高强度制动优先工况来制定修正制动工况下的自动变速器的换挡控制策略。

2.1 中强度制动工况换挡规律的制定

中强度持续制动是指车辆以0.2 g～0.5 g的制动强度且时间较长的制动[6]。这种制动常见于车辆在连续下长坡时的持续制动。下坡时若只靠制动踏板刹车来控制车速，刹车片易由于温度过高而失效，十分危险。因此下坡时需要采用发动机的内部阻力矩辅助制动，且常见的下坡制动工况下自动变速器换挡策略是保持挡位不变，禁止升挡。

根据汽车行驶方程式，且取δn= 1，cosα≈1，sinα≈i，那么在下长坡时发动机辅助制动，发动机输出扭矩等效于阻力矩，相当于是整车带着发动机转动，故车辆行驶方程式变为式（1）[7]：

本文设定Fx为 等效路面的总阻力，且Fx=Ff+Fw+Fi。根据上式可以得出各挡位驱动力和等效路面总阻力随车速变化的曲线，如图2所示，其中，实线为各挡位Ft， 虚线分别为坡度为10°、15°时的。

从图2中可以看出，只有一挡驱动力曲线基本在15°阻力曲线之上，二挡驱动力曲线大部分在10°阻力曲线之上，这说明车辆只有在一挡或二挡才能在坡度10°以上的路面正常行驶。而对于三挡、四挡，即便车速达到了很高，大部分区域Ft均 小于Fx， 此时发动机制动效果较弱，若保持挡位不变，则会导致车辆加速，十分危险。因此，在下坡时，仅仅做到保持挡位是不够的，还要根据当前坡度和挡位适时降挡，才能有效利用发动机制动控制车速[7]。

制动初期，车辆会利用发动机的制动力矩，减少制动摩擦所造成的磨损以及能量损失，此时驾驶员主要通过点刹的方式来控制车速，因此制动踏板信号处于实时变化的不稳定状态，不能作为辨识该工况的依据[6]。当制动踏板开度超过一定的制动强度时，则应该在适当的时机降入抵挡。

由文献[8]可知，发动机辅助制动力矩可以表示为：

式中：Mm0为与转速无关的常量；ne为发动机转速；k为由发动机特性确定的常数。

传递到驱动轮的辅助制动力为：

式中：η为传动系统的传递效率；ig、i0为当前挡位和主减速器的传动比；r为车轮半径。

根据国家标准文献[9]的要求，车辆在各种装载状态时，前轴利用附着系数应在后轴利用附着系数曲线之上[6]。由此可知，为了保证车辆行驶的稳定性，需要在后轴利用附着系数大于前轴利用附着系数之前降挡，使车辆进入主动降挡换挡规律控制状态[6]。

根据式（2）、（3），当车速为vx，挡位传动比为ix时，传递至车轮的辅助制动力和等效制动强度分别为：

由上式可知，在挡位低ix大 时辅助制动力较大，制动效果好，当相邻两挡位传动比相差多的时候制动效果的增强会更加明显。

根据传动系与发动机的特性，主动降挡时需设定发动机转速在特定的运行范围之内[10]，否则转速过小会导致发动机一发生降挡动作就熄火，转速过大会导致发动机降挡后由于传动比的增大而转速过高。本文根据设定的发动机转速范围和式（5），得出在该转速范围内对应的等效制动强度ze范 围为[zemin,zemax]。设定当实际制动强度在[zemin, zemax]范围内时主动降挡规律才起作用，把对应的期望等效制动强度记为ze(z)，则有以下关系：

当z＞ze( z)时，挡位保持不降挡；当z≤ze( z)时，在当前挡位降低一挡。

在相应各挡位的传动比下计算前、后轴利用附着系数相等时所对应的车速，并根据上述公式结合文献[11]即可得到中强度持续制动时不同制动强度下降入抵挡的车速[6]。所制定的主动降挡换挡规律的曲线如图3所示。

由图可知降挡原则为制动强度越大，换入低挡的时刻越早。按图3中换挡规律建立主动降挡控制模块，并建立制动强度识别模块，当制动强度满足中强度制动标准时，主动降挡换挡策略启动使用。

2.2 高强度制动工况换挡规律的制定

高强度制动状态是指制动踏板行程很大，此时驾驶员的主要意图是使车速尽快平稳下降至安全速度或者停车，一般该过程的制动强度大于0.5 g[7]。对于此类制动工况，在制动期间车速v已降到临界值以下，因此车辆不会出现因制动程度过深或发动机减速过快而造成的发动机熄火现象。且一般针对高强度制动的自动变速器换挡策略是在制动强度超过一定界限时在适当的时机换入空挡[12]。

由上所述，本小节只考虑当车辆电子节气门卡死或者判断滞后的时候，节气门开度很大且高强度制动时车辆的换挡控制策略，采用以车速为控制参数的单参数换挡规律，并且当制动踏板和油门踏板都显示有行程时优先考虑制动。

具体换挡控制策略为当传感器反馈制动踏板有行程且节气门开度较大时通过ECU判断切断油门信号，并快速将发动机转速降至怠速状态，即在基本换挡模型中加入制动优先判断模块，如图4所示。

3 仿真分析

3.1 中强度制动工况仿真分析

使用Simulink中的Signal Builder模块建立中强度制动行驶工况如图5所示，模拟车辆在下长坡时驾驶员松开油门并踩下制动踏板，且加入坡度为10°的道路环境，其中模拟的制动输入为制动力矩，单位N·m，设置仿真时间为100 s，采样时间为1 s。

得到的仿真结果如图6所示。

从图6（b）所示在坡度为10°的下坡工况下挡位最终降至二挡，车速也维持在20~30 km/h之间，对照图2可知此自动降挡模型运行正确。

对比图6中两个仿真结果可以明显得出按照基本换挡规律换挡的模型在仿真时间22 s出现制动时开始降速，在25 s坡度出现的时候继续降速但由于坡度较小制动强度不够速度降低较慢且在60 s才开始降挡，降至二挡的时间为85 s左右；而采用自动降挡控制策略的模型在25 s坡度出现是识别出下坡工况，速度继续迅速下降且在25s坡度出现时自动降一挡，识别坡度持续出现后继续降挡，在45 s左右就达到二挡挡位。以上说明采用自动降挡控制策略的模型可以很好的识别下坡工况，降挡及时，能够快速跟随驾驶员的操作意图。

3.2 高强度制动工况仿真分析

同上节，使用Simulink中的Signal Builder模块建立制动优先行驶工况如图7所示，在节气门开度100%时突发状况紧急制动，但由于电子油门卡死，在制动力矩出现时节气门开度没有及时发生变化。设置仿真时间为50 s，采样时间为1 s进行仿真。

仿真结果如图8所示，图中从上至下依次表示车速(虚线)、节气门开度、挡位、发动机转速和液力变矩器闭锁信号。

从图8（a）、（b）两图的对比可以明显看出，未采用制动优先系统的车辆在仿真时间10 s时，制动力突然出现但节气门开度没有变化的情况下没有立刻减速，而是继续加速至15 s在节气门开度变化后才开始减速；采用制动优先系统依照制动优先判断换挡规律的车辆在相同状况下，在10 s时立刻开始减速，在制动踏板、油门踏板均有行程的时候优先考虑依照制动控制，由于本文模型没有建立制动系统，在减速过程中出现车速小幅度提升，但此时油门踏板开度没有深踩，制动力恢复可以保证安全制动。两种换挡策略都可以按照要求完成降挡操作，但很明显可以看出，未采用制动优先系统的车辆在35 s左右开始降挡到达一挡时间为42 s；采用制动优先系统车辆在27 s左右开始降挡，在37 s左右到达一挡挡位，能保证快速反应降挡且保持车辆的安全制动距离。

4 结束语

本文在传统双参数换挡规律的基础上，根据车辆在制动工况上遇到的各种问题，建立了中、高强度制动工况下的换挡控制策略，并用Matlab建模仿真，对传统换挡规律和制动换挡规律进行对比。结果表明，修正后的换挡策略能有效解决制动工况下车辆的意外换挡等问题，使车辆更加符合驾驶意图换挡，能够提高车辆的换挡品质。

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[7]李磊,章国胜,宋健,黄全安.自动手动变速器(AMT)下坡工况控制策略[J].清华大学学报,2010,50(8):1291.

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[12]Yutaka, Hiwa ashi, Fuhi Jukogyo, Kabushiki Kaisha.Vehicle braking apparatus and method.Japan 04015641.6[P].2007-12-19.

专家推荐

陈 迹：

作为对车辆行驶过程中AMT基本换挡策略的补充和完善，本文分析了在不同制动工况下发动机和整车的相应工况，结合驾驶者所期望的整车表现，总结出AMT在制动工况下的换挡规律和策略，以解决制动工况中的换挡问题，提高车辆的换挡品质，对AMT换挡策略的制定开发具有参考借鉴意义。

The Study about Gear Shift Rules for Mechanical Automatic Transmission Vehicles on Braking Condition

XUE Min, GAO Gang, QIN Xiao-ming, XUE Yun-jun
（Dongfeng Motor Corporation Technical Center, Wuhan, 430070, China）

Based on the problems what appears when AMT vehicle with traditional shift rule is traveling in brake conditions, this paper analyzed the reasons of unexpected shift up and emergency brake with unexpected acceleration, established shift rules about high strength braking condition and middle strength braking condition, established a comprehensive control shift strategy.By simulation analysis, effectiveness of this measure is verified.

automatic transmission; brake recognition; unexpected gear shift; brake shift rule

U463.2

A

1005-2550（2014）05-0016-06

10.3969/j.issn.1005-2550.2014.05.004

2014-02-14