液力自动变速器车辆坡道行驶换档策略研究❋

2015-12-31傅亮奇钟凯弦

机械工程与自动化 2015年1期

傅亮奇，熊锐，张宁，钟凯弦

（广东工业大学机电工程学院，广东广州 510006）

0 引言

车辆的道路行驶环境非常复杂，其中坡道是最常见的工况之一。如果单纯地采用基于平坦路面和稳定工况下制定的换档策略，汽车在坡道工况行驶过程中，会出现大量的循环换档以及意外换档情况。目前国内对坡道换档规律的研究偏重于基本道路工况，较少考虑驾驶员意图［1］，对如何精确地制定坡道换档策略的研究相对较少。本文基于模糊控制算法，结合道路坡度值以及驾驶员意图［2］，分别对车辆在上、下坡工况下的换档时刻进行修正，以综合提升车辆坡道工况行驶的动力性。

1 坡道工况分析及换档修正方案制定

1.1 坡道工况分析

车辆在坡道行驶时，受坡道阻力影响，其换档特性与在平坦路面上行驶时具有很大的差异，同时坡道工况又分为上坡工况与下坡工况。如图1所示，在上坡工况下，当汽车行驶至B点时，变速器自动换入三档即C点，但由于坡道阻力的作用，使得汽车驱动力不足，此时汽车将减速至D点即三档的降档点，变速器将换入二档并行驶到达A点。但这时汽车的行驶驱动力大于坡道阻力，将又再次加速至B点，循环往复。这种现象称为换档循环。

如图2所示，车辆在某一油门开度即图中A点下坡行驶，车辆因自重获得额外的沿坡道向下的加速度，使车速越过升档线达到B点，此时档位升高，车速增加，为了避免车速过快，驾驶员通常会操作制动踏板以降低车速，车速将从C点降至D点。否则车辆会持续加速，直至升到高档，这种非驾驶员意愿的升档称之为意外换档。

图1 上坡工况行驶档循环示意图

图2 下坡工况行驶意外换档示意图

结合对坡道行驶特性的分析，针对坡道路况，提出了基于模糊修正的坡道换档策略，不仅考虑车辆发动机工况与车速变化等常见因素［3］，而且结合坡度和驾驶员意图，对换档时刻进行修正，从而保证车辆能够根据实际情况实时对档位进行调整，保证车辆在坡道上安全且稳定地行驶。

1.2 上坡工况换档时刻修正

对升档点的修正：

对降档点的修正：

其中：un，un－1为n档的原始升、降档车速；u′n，u′n－1为修正后的n档升、降档车速；Δun为n档换档时刻修正量；k1为上坡工况换档时刻修正系数。

1.3 下坡工况换档时刻修正

对升档点的修正：

对降档点的修正：

其中：k2为下坡工况换档时刻修正系数。

2 模糊控制器设计

本文所设计的换档规律是在以车速和油门开度为基础制定的二参数换档规律的基础上，增加不同的行驶环境因素与驾驶员意图，利用丰富的驾驶员经验总结［4］，通过模糊推理，对基本的二参数换档规律（如图3所示）进行换档时刻修正，输出更加准确稳定的档位。模糊修正换档规律原理图如图4所示。

图3 基本二参数最佳动力性换档曲线

图4 模糊修正换档规律原理图

针对坡道行驶工况，本文设计的模糊换档控制器分为两个模块，分别对上坡路况和下坡路况的换档时刻进行控制。定义模糊输入变量道路坡度i的论域为［0，15］，模糊集为［VB B LB M LS S VS］。油门开度与制动强度的变化输入范围均为［0，100］，模糊集为［VB B LB M LS S VS］。输出变量为换档时刻修正系数k1与k2，论域为［0，1］，量化论域为［0，14］，模糊集为［VB B LB M LS S VS］。两个控制模块的主要区别在于控制器的规则。确定好模糊规则后，需设定模糊子集的隶属度函数的形状与位置［5］，本文采用高斯函数作为隶属度函数［6］。上、下坡工况换档模糊修正曲面如图5、图6所示。

图5 上坡工况换档模糊修正曲面

图6 下坡工况换档模糊修正曲面

3 汽车仿真模型及仿真结果

为了定性地研究本文所设计的换档控制的有效性，对其进行信真分析。首先对汽车的传动系统做了相应的简化，以保证车辆的常规动态性能。采用MATLAB/Simulink软件对车辆传动系进行建模，模型主要由5个部件组成：整车、发动机、驱动副、变矩器及减速箱。将各部件当做多刚体系统，忽略传动系部件的弹性阻尼，除传动轴之外，其余部件都以集中质量的形式代替［7］。仿真试验中仿真模型的主要参数如表1所示。