基于灰色关联分析法的变速器换挡特性评价

张迪 田晋跃 姚金煜 徐刚 周平

（1.江苏大学；2.总装工程兵科研一所）

基于灰色关联分析法的变速器换挡特性评价

张迪 田晋跃 姚金煜 徐刚 周平

（1.江苏大学；2.总装工程兵科研一所）

针对工程车辆动力换挡特性客观评价的问题，提出一种新的换挡评价方法。通过对工程车辆换挡性能的探讨并依据用户对换挡特性的评价习惯，设定了6个适用于灰色理论分析的换挡性能影响因子。采用灰色关联分析法和层次分析法建立各影响因子与整车动力性、经济性、传动系统寿命和换挡舒适性的映射关系以及各换挡性能与整车换挡性能间的映射关系。台架试验结果表明，该评价方法有效。

1 前言

工程车辆动力换挡性能客观分析是一个比较复杂的多因子体系，换挡性能影响因子间存在的关联因素很复杂，很难建立客观的数学关系来确定各因子的权重。

国内、外专门针对工程车辆动力换挡品质的研究比较少，对换挡品质的研究主要集中在乘用车自动变速器上。车辆换挡品质的评价方法分为主观评价和客观评价两种。主观评价是采用测试人员试驾打分的方式来对车辆换挡品质进行评价，是车辆换挡品质评价的一种重要方法，但存在评价周期长、容易受人的主观因素影响的问题[1、2]。为此，国外的研究人员开发出一系列客观评价方法，如Ricardo公司开发的DART评价系统，AVL公司开发的AVL-DRIVETM评价系统，Volvo公司的“Gequan”等[3]。这些评价技术通过神经网络建立了主、客观评价的对应关系，避免了主观评价的不足。在国内，吉林大学采用模糊方法对换挡过程中出现的冲击度和滑摩功这两项指标根据动力性及经济性换挡的需求进行权值分配，实现对换挡品质的综合评价[3]；东南大学的学者提出一种基于D-S证据理论的换挡品质评价方法[4]。这些成果为换挡品质客观评价系统的构建奠定了理论研究基础，同时也探索出一种可行的构建换挡品质客观评价系统的研究方法。

本文综合考虑车辆的动力性、经济性、舒适性及传动系统寿命，确定相关影响因子，综合运用灰色理论和层次分析法确定体系各影响因子权值以及其关系度映射。

2 换挡性能影响因子的选择

由于影响车辆动态过程的因素很多，而且根据行驶工况的差异、驾驶习惯的不同所侧重的指标也有所不同，因此选择科学合理的评价指标是进行换挡品质评价的一个重要前提[5]。

2.1 加速度相关因子

a.换挡过程中离合器分离阶段加速度的减小量Δa

Δa越大，说明换挡过程中产生的短暂动力不足越明显，用户对车辆换挡时主观印象越差，工程车辆的换挡品质越差。

b.换挡过程加速度落差amax-min

amax-min即换挡过程中产生最大加速度与最小加速度间的差值。amax-min越大，说明换挡过程中加速度变化越不稳定，车辆速度的波动也就越严重，使得用户对换挡性能的主观印像越差。

c.换挡时产生的最大正向冲击度Jmax

冲击度是以纵向加速度曲线的斜率来表示的，该值越大，说明在换挡过程中乘员向后倾的感觉越明显，用户主观印象越差，换挡性能越差。

2.2 时间相关因子

时间相关因子为换挡持续时间ts。ts值越小，说明换挡时冲击度越大，而离合器的滑磨时间越短，离合器滑磨程度降低。

2.3 发动机转速相关因子

b.换挡时发动机转速振动量Δω

Δω值越大，表明动力传动系统的转速在换挡即将结束时变化越大，驾驶员或者乘员的主观印象越差，换挡性能越差。

3 换挡特性分析体系的建立

该分析法只针对4组及以上数据进行关联度分析，为计算简便，提取原车4组较为稳定的数据样本进行关联度分析。所取数据均为全油门开度、不同驾驶员操作情况下获取的数据。样本库具体数据如矩阵V所示。

对样本库矩阵进行无量纲归一化处理[6、7]:

得到量纲归一化处理后的样本矩阵X：

以动力性关联系数矩阵ED的计算为例详述灰色关联分析法的具体步骤。经济性、传动系统耐久性和舒适性的计算方法与动力性相同，此处不再赘述。

由文献[8]可知：

首先根据公式（2）计算动力性差序列ΔED：

由差序列可以得出两级最大差和两级最小差，则关联系数公式转换为：

其中，分辨系数ρ值越小，对应的分辨率就会越高，越能体现关联系数之间的区别，一般取ρ为0.5[9]。将数据带入公式（3）可以求得ED：

由于ρ的取值为固定值0.5，这不符合人们对不同性能主观感受不同的实际情况，因此需要对分辨系数进行深入研究，对其进行权值的重新分配。判断矩阵为：

采用归一化处理的方法对判断矩阵的每一列元素进行处理，得出其元素的一般项[10]：

将每一列经归一化处理后的判断矩阵按行相加得：

对向量Wi归一化处理：

式中，RI为平均一致性指标，当n=6时，查得RI=1.24；CI为判断矩阵的一致性指标[11]。

通过计算一致性比率进行判断，当CR＜0.10时，则认为判断矩阵的一致性是可以接受的；当CR≥0.10时，需要对判断矩阵进行调整和修正，使其满足CR＜0.10，从而使一致性达到满意的目的[6]。

动力性评价指标分辨系数的权重分配为：

评价指标与整车相关性能的映射关系R：

评价指标与动力性的映射关系为：

同理，评价指标与经济性的映射关系为：

评价指标与传动系统耐久性的映射关系为：

评价指标与舒适性的映射关系为：

将上述评价指标与性能的映射关系组成准则层的样本库，同样根据上述方法获得换挡品质评价结果。

各个换挡性能与整车性能的映射关系为：

各因子与换挡性能的映射关系为：

各影响因子与各性能的关系映射如图1所示。

由图1可知，Jmax、ts对换挡过程中动力性的影响是最主要的，所以如果重点考虑换挡过程的动力性能，首先必须保证Jmax在允许范围内略微大一些，而ts值应尽量小一些，在以上两个因子条件符合的情况下再考虑其它因子的大小。对换挡过程中的经济性能来讲，影响作用最大的因子为Jmax、ts,因此在考虑换挡过程的经济性能时，需要首先保证Jmax和ts在适当的范围内，再保证其它因子的大小，且Δ值应与Δa、amax-min和Δω的重视度在同一层面。由传动系统寿命映射曲线可以得出：换挡过程中amax-min、Jmax和ts对其寿命的影响最大，而其余3个因子影响能力要略小，因此如果需要保证传动系统寿命，则尽可能保证amax-min、Jmax和ts的大小在合理区间内，再考虑其它因子的合理范围。分析舒适性映射值曲线可得出：Jmax、ts和amax-min对舒适性的影响略大于其它3个影响因子，所以如果要保证换挡过程中用户对舒适性的要求，那么首先需要使Jmax在合理范围内尽量小，ts在合理区间内尽可能大，降低amax-min值的大小，再考虑其它因子的合理范围。

各性能与整车性能映射关系如图2所示，影响因子与整车性能映射关系如图3所示。

由图2可知，从工程车辆性能对换挡品质影响的角度来说，动力性能和传动系统寿命是影响换挡品质的主要因素，而舒适性和经济性对换挡品质的影响相对较小，因此换挡时在保证动力性和传动系统耐久性的基础上，尽可能兼顾换挡过程的燃油经济性和舒适性。

由图3可以看出，Δa、amax-min、Jmax、ts对换挡品质影响占主要因素，Δω˙、Δω对换挡品质的影响相对前4者而言为小。因此，应首先保证对换挡过程影响较大的评价指标，然后尽量对其它评价指标进行兼顾。

4 试验结果验证

为了验证所述评价方法的有效性，对所要研究的电液联合操控变速器进行换挡性能试验。

换挡性能试验中驱动电机输入恒定转速1 600 r/min，测功机加载恒定转矩140 N·m，测试各挡的输出转速值。以1挡升2挡为例，验证所述灰色关联评价法的有效性。

1挡升2挡的变换中L1、L2离合器动作。L1、L2的压力变化曲线分别如图5和图6所示。

离合器变化的同时，1挡升2挡输出转矩的变化曲线如图7所示。

根据以转矩变化曲线和冲击载荷系数计算方法，可以得到1挡升2挡的冲击载荷系数

1挡升2挡的试验数据评价与原车库数据对比的雷达图如图8所示。

由图8可知，经改进设计的变速器结构对目标车辆的综合性能提高量较为可观，特别是经济性能、传动系统寿命以及舒适性方面的性能提升，目标车辆动力性能有所提高，但提高量有限。因此，验证了变速器灰色关联评价法的有效性。

5 结束语

采用灰色理论知识，通过对变速器改进后的整车动力传动系统的分析研究，提出了针对变速器换挡特性的评价方法。分析得到了各影响因子与换挡动力性能、换挡经济性能、传动系统的寿命影响及换挡过程中的舒适性之间的映射关系，各换挡性能与整车换挡性能之间的映射关系，各换挡性能各影响因子之间的映射关系。通过变速器台架试验验证了该方法的有效性。

1 黄宗益，李兴华.定轴式动力换挡变速器.工程机械，2007（38）：60～65.

2 王书翰，徐向阳，刘艳芳.自动变速器液压系统设计与动态仿真.北京航空航天大学学报，2009（7）:860～864.

3 王健.换挡质量综合评价系统的研究:[学位论文].长春：吉林大学，2007.

4 陈刚,张为公,龚宗洋,等.基于D-S证据理论的汽车换挡品质主观评价方法.汽车技术,2008（12）：16～18.

5 钟霞，钟怀军.多指标综合评价方法及应用.内蒙古大学学报(人文社会科学版),2004（4）：107～111.

6 穆瑞，张家泰.基于灰色关联分析的层次综合评价.系统工程理论与实践,2008（10）：125～130.

7 曲玉琨，张新征，王章龙，等.火炮系统效能综合评价与指标无量纲化处理的研究.火炮发射与控制学报,2007（3）：1～4.

8 温丽华.灰色系统理论及其应用:[学位论文].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2003.

9 卓鹏.自动变速器换挡品质研究:[学位论文].上海：上海交通大学，2007.

10 Gercole.Co-operating Clutch and Engine Control for Ser⁃voctuated Shifting Through Supervisor.SAE 1999-01-0748.

11 郭金玉，张忠彬，孙庆云.层次分析法的研究与应用.中国安全科学学报,2008（5）：148～153.

12 干茂华，王忠利，闫晓莹.浅议我国工程机械定轴式变速器的应用与发展.工程机械，2008（09）:1～5.

13 周福荣.基于灰色层次分析法的山地城市危险品运输决策方法研究:[学位论文].重庆：重庆交通大学，2012.

（责任编辑晨 曦）

修改稿收到日期为2015年6月1日。

6 结束语

普通爆震和超级爆震均对GDI增压发动机具有严重的破坏性。本文设计的爆震控制系统通过对缸体振动信号的一系列处理，精确提取爆震信号，区分普通爆震和超级爆震并分别进行检测。对于普通爆震，通过推迟点火角来控制，对于超级爆震通过燃油加浓、凸轮轴调节和断油来控制。HIL和台架测试结果表明，该系统能够对爆震进行精确检测并有效控制，在保证发动机动力性和经济性的前提下确保发动机安全可靠运行。

参考文献

1 谢枫.火花塞对缸内汽油直喷增压发动机油气混合影响研究.内燃机，2014（5）：1～5.

2 徐雅齐，王志，王建昕，等.增压直喷汽油机超级爆震的不同抑制方法.内燃机学报，2014（1）：26～31.

3 张德步.点燃式发动机爆震检测研究.汽车与配件，2012 (45)：46～47.

4 李元平，平银生，尹琪.增压缸内直喷汽油机早燃及超级爆震试验研究.内燃机工程，2012（5）：63～66.

5 齐运亮，徐雅齐，王志，等.模拟早燃引起的汽油机爆震特性.工程热物理学报，2014（6）：1227～1231.

（责任编辑晨 曦）

修改稿收到日期为2015年7月1日。

Evaluation of Shift Characteristics of Transmission Based on Grey Relational Analysis

Zhang Di,Tian Jinyue,Yao Jinyu,Xu Gang,Zhou Ping
（1.Jiangsu University;2.First Research Institute of Corps of Engineers,General Armaments Department,PLA）

In view of the objective evaluation of power shift characteristics method of engineering vehicle,this paper proposes a new shifting characteristics evaluation method.Totally 6 shifting performance factors suitable with Grey Theory are set up after shifting performance of engineering vehicle is investigated and based on the customer’s habit of evaluation of vehicle shifting characteristics.Mapping between all the factors of influence with vehicle power performance,fuel economy characteristic,driveline life and shift comfort,as well as the mapping between all shifting performances and vehicle shifting performance are established with the Grey Relational Theory and Analytic Hierarchy Process.Validity of this evaluation method is verified by bench test.

Transmission，Shift characteristics，Grey relational analysis

变速器 换挡特性 灰色关联分析法

U463.212

A

1000-3703（2015）11-0039-05