乘用车双离合器式自动变速器坡路模式换挡规律标定的研究

张学锋 杨俊 陈国栋 王昊 武斐

（中国第一汽车股份有限公司技术中心）

乘用车双离合器式自动变速器坡路模式换挡规律标定的研究

张学锋 杨俊 陈国栋 王昊 武斐

（中国第一汽车股份有限公司技术中心）

通过理论计算和实车验证分析双离合器自动变速器车辆在坡路行驶时产生的换挡循环、换挡频繁、动力不足等问题。为获得更好的驾驶性，根据上坡模式的基本设定原则和零加速度点的计算方法，制定一种针对坡路模式的换挡规律，并进行实车试验。试验结果表明，在坡路上行驶时使用坡路模式换挡规律的车辆动力性明显增强，换挡次数明显减少，在保证经济性的情况下提高了车辆在坡路上的驾驶性。

1 前言

双离合器式自动变速器（Dual Clutch Transmission，DCT）即可以克服MT换挡动力中断的缺点，又具有传动效率高的优点[1]。其换挡规律的好坏对车辆的动力性、燃油经济性、安全性及舒适性等都有较大影响，是DCT的关键技术之一[2]。

坡路模式分为上坡模式和下坡模式，由于上坡模式对坡路模式驾驶性影响最大，因此只针对上坡模式进行讨论。当车辆在坡路行驶时因受力状态的改变，行驶时会产生换挡循环、换挡频繁、动力不足等问题，因此引入单独针对坡路模式的换挡规律就非常必要。本文对坡路行驶时的受力进行分析和计算，并通过改变升挡线、降挡线和禁止使用特定高挡位制定出坡路模式的换挡规律[3]。

2 车辆坡路行驶时问题分析

装有固定传动比变速器的车辆行驶时受力为[4]：

式中，Ft为车辆驱动力；Ff为车辆滚动阻力；Fi为车辆坡度阻力；Fw为车辆空气阻力；Fj为车辆加速阻力。

在平路稳速行驶的车辆受力示意如图1所示，其中m为车辆质量，v为车速。其受力公式为：

在坡路上稳速行驶的车辆受力示意如图2所示，其中G为车辆重量，其受力公式为：

汽车驱动力和行驶阻力的关系如图3所示，其中Ft、Ft+1分别为低挡和高挡的驱动力，Ff+Fw+Fi、Ff+Fw分别为坡度和平路情况下的行驶阻力。

由图3可以看出，当上坡时车辆额外增加了坡路阻力，与平路行驶情况下的受力不同，因此可能导致平路情况下的换挡规律应用到坡路时出现如图4所示情况[5]，其中实线代表1～7挡升挡线，虚线代表7～1挡降挡线，具体有以下情况：

a.换挡循环。在坡路行驶时，当定油门加速从b点到a点，越过升挡线升挡后动力不足，车速又从a点降回到b点，降挡后又开始加速到a点升挡，如此循环后就在a与b点之间产生了换挡循环。

b.频繁换挡。当出现上述换挡循环时，驾驶员有可能在a点踩油门到c点，但是如果操作不慎很可能落在d点而出现降挡，这与驾驶员的意愿不符；到d点后，车辆加速度增加，驾驶员松油门，此时可能落在c点（在同一挡位），也可能落在a点（升挡，导致a点与d点的换挡循环）。这种不希望的换挡一直重复进行，如此造成频繁换挡，驾驶员无法找到一个合适的油门来维持车速，行驶舒适性变差。

c.由于坡度阻力的增加，某些高挡位已不适用。

由于频繁换挡，不仅不能省油或提高动力性,还可能由于换挡时无用能量消耗和动力切断时间比例过高而损失经济性和动力性，并且造成换挡部件的磨损[6]。为了避免这种问题的发生，在坡路时应用特定的坡路模式换挡规律就显得尤为必要[7]。

3 坡路模式换挡规律的标定原则

上坡模式的基本标定原则如下：

a.应提高低挡的使用范围，以产生较大的功率用于克服较大的行驶阻力，维持较大的加速度。升挡线可在运动模式的基础上右移确定，但是要考虑噪声问题。

b.降挡线与升挡线的竖向间距适当减小，通过提早降挡获取额外动力。

c.由于松开油门踏板后车辆减速较快，因此降挡线与升挡线之间的横向间距可适当加大以避免换挡频繁。

d.由于驱动力不足，可禁止使用某些速比较小的高挡位（直接挡或高挡位）。

车辆有加速能力时才能进行上坡行驶，当车辆加速度小于零时，车辆上坡时会产生困难，所以确定坡度时的各挡位零加速度线就显得非常重要。

车辆行驶时的行驶方程式为：

其中，车速计算公式为：

式中，Ttq为发动机扭矩；i0为主减速比；ig为挡位速比；η为转动效率；r为车轮半径；f为滚动阻力系数；CD为迎风面积；A为空气阻力系数；i为坡度阻力系数；δ为汽车旋转质量转换系数；du/dt为加速度；ne为发动机转速。

发动机扭矩是节气门开度和发动机转速的函数：

式中，α为节气门开度。

令加速度du/dt=0，由式（4）、式（5）确定ne和Ttq的关系，且根据公式（6）进行插值可确定节气门开度大小，从而可以确定不同挡位对应的零加速度线。发动机特性曲线如图5所示。

分别在5%坡度和8%坡度下确定零加速度线后画入换挡图中，如图6和图7所示。

由图6可以看出，6、7挡使用区间几乎都在对应换挡线的右面，说明在5%坡度下6、7挡加速度小于零，驱动力不足，在5%坡度上坡时不可用。

由图7可以看出，5、6、7挡使用区间几乎都在对应挡换挡线的右面，说明在8%坡度下5、6、7挡加速度小于零，驱动力不足，在8%坡度上坡时不可用。

中华人民共和国行业标准《公路工程技术标准-JTG B01 2003》公路等级标准如表1所列，公路坡度标准如表2所列[8]。

表1 公路等级标准

表2 公路最大纵坡度标准

为了更好的利用坡路模式的换挡规律，根据坡度的不同可以分为两个坡路模式，在3%～8%坡度一般利用坡路模式1，在8%～13%坡度激活坡路模式2，对于大于13%的大坡度建议使用手动模式驾驶。坡路模式1主要覆盖高速公路、一级公路，坡路模式2主要覆盖二、三、四级公路和乡村道路及坡度比较大的山路。坡路模式激活、解除坡度方式如表3所列。

表3 坡路模式激活、解除坡度方式

4 试验验证

为验证本换挡规律的实用性，以某DCT车辆（总成结构及技术参数如表4所列）为研究对象，选取具有典型山路工况的海南五指山进行实车试验，从五指山农林技术学校至阿陀岭的坡度长8.4 km，平均坡度5.64%，坡度覆盖范围为0～16%，完全符合试验坡路模式换挡规律的试验条件。

表4 车辆总成结构及技术参数

4.1 驾驶性验证

在海南五指山实车试验中，在五指山农林技术学校到阿陀岭这段山路上，同一车辆、同一驾驶员使用前进挡驾驶，分别应用激活坡路模式和不激活坡路模式进行试验，试验结果如图8和图9所示。

两次试验的各挡位利用率和各性能指标统计如表5和表6所列。

表5 试验各挡位利用率统计 %

表6 试验各指标对比

试验表明，两次试验的平均车速和驾驶时间几乎相同，但是激活坡路模式后，平均油门开度减小，使用率最高的挡位也从5挡变为3挡，换挡次数减少，并且19次激活了坡路模式。

4.2 经济性验证

两种模式试验的经济性比较如图10所示，其中实线为等油耗率线，虚线为等功率线。

在图10中，点a′、b′分别为未激活坡路模式和激活坡路模式发动机行驶的平均有效扭矩、平均发动机转速标记到发动机万有特性图上的两点，由万有特性图可以看出a′、b′两点对应的油耗率分别为253g/（kW·h）和260g/（kW·h）。由图10可以看出，激活坡路模式后驾驶性有明显的改善，但是油耗只增加2.77%。

5 结束语

a.应用坡路模式换挡规律后，在激活坡路模式的驾驶中，低挡位利用率明显增高，相同车速下油门踏板开度减小22.22%，换挡次数减少了49.23%，驾驶性明显增强，而油耗增加量不到3%。

b.通过分析自动挡汽车在坡路行驶时由于受力情况的改变而产生的频繁换挡、循环换挡、动力不足的情况，根据设定的原则和计算分析制定了坡路模式的换挡规律，此方法可操作性强且易于实现。

1 孙冬野,王聪.发动机负扭矩工况下的DCT传动系统换挡控制策略.中国机械工程,2013,24（19）:2692～2697.

2 何宁,赵治国，李瑜婷.双离合器自动变速器换挡规律及其仿真评价.中国机械工程,2011,22（3）:367～373.

3 何晓鹏.车辆自动换挡规律的研究：[学位论文].天津：河北工业大学，2007.

4 余志生.汽车理论.北京:机械工业出版社,2006.

5 李磊,章国胜,宋健,等.基于等效坡度的自动手动变速器换挡规律研究.公路交通科技,2011,28（2）:144～148.

6 SUN Dongye,LUO Yong,QIN Datong.Integrated Control Strategy for CVT Powertrains with Consideration of Vehicle Drivability.CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGI⁃NEERING，2012,25（3）:515～523.

7 朱小佩.轿车自动变速器换挡规律的研究与仿真：[学位论文].上海：同济大学，2006.

8 中华人民共和国行业标准，JBG B01—2003公路工程技术标准.中华人民共和国交通部.2004.3.1.

（责任编辑晨 曦）

修改稿收到日期为2015年3月1日。

Research on Calibration of Slope Shift Schedule for DCT Passenger Car

Zhang Xuefeng,Yang Jun,Chen Guodong,Wang Hao,Wu Fei
（China FAW Co.,Ltd R&D Center）

The paper analyzes the problems of cyclic shifting,frequent shifting and insufficient power of DCT vehicle with theoretical calculation and real vehicle test.In order to obtain a better driveability,a slope mode shiftschedule is established based on the basic setting principle of upslope mode and the calculation method of zero acceleration point,and is put to vehicle test.Test results show that the vehicle power improves obviously and the number of shift times reduces significantly with the slope mode shift schedule when driving in slope conditions.This shift schedule can improve the driveability while guaranteeing the fuel economy.

Passenger car,DCT,Slope mode,Shift schedule

乘用车 双离合器式自动变速器 坡路模式 换挡规律

U463.2

A

1000-3703（2015）05-0041-04