基于载荷和坡度的商用车AMT换挡规律修正方法

师 帅 刘四海 吕二华 曲白雪中国第一汽车股份有限公司技术中心电子控制研究部，长春 300

0 引言

换挡规律是自动变速器研究的核心技术，直接关系到汽车的动力性、经济性和舒适性[1]。目前广泛使用的换挡规律是考虑油门和车速的两参数换挡规律，一般基于平路标准稳态工况下的最佳动力性和最佳经济性条件来制定[2]。当车辆负载或者路况等因素发生变化，加之驾驶员作出的动态响应复杂，会导致非设计工况下的性能下降甚至恶化[3]。研究表明[4]，对二参数换挡规律影响最大的变化因素是坡度和载重质量，对载重变化大、行驶工况多变的商用车更是如此。这两种因素会导致频繁换挡现象，如果档位选择不正确还会导致燃油经济性变差，车辆整体性能恶化等问题，所以需要针对路况对基本换挡规律进行自适应修正以满足最佳动力性的需要。本文将车辆载重和坡度作为动态变量，对现有换挡规律进行修正，确保AMT车辆在行驶过程中充分发挥其动力性。

1 最佳动力性换挡规律

最佳动力性换挡规律一般应用加速度法确定，其设计原则为：绘制车辆不同档位的行驶加速度曲线图，相邻档位同油门下的交点即为动力性升档点。具体求解如下：

(1)

式中，δ为汽车旋转质量转换系数，m为整车质量，Ft为汽车行驶牵引力，CD为空气阻力系数，Aarea为汽车迎风面积，u为汽车行驶速度，f为道路阻力系数，i为道路坡度。

汽车行驶牵引力可表示为

(2)

式中，Ttq为发动机输出扭矩，ig为各档传动比，io为主传动比，ηT为传动效率，r为车轮半径。

Ttq=42.92+3.36×10-4a3-0.079a2+5.16a-

1.37×10-5n2-0.039n+9.96×10-4an

(3)

通过最小二乘法，发动机扭矩可拟合为发动机转速和加速度的函数[5]，如式(3)

其中，n为发动机转速，与车速之间的关系为

(4)

将式(4)以发动机转速的形式代入公式(3)可得扭矩表示：

(5)

C=42.92+3.36×10-4a3-0.079a2+5.16a

根据最佳动力性换挡规律制定规则得到的计算公式为

(6)

将式子(1)～(5)代入(6)得：

a′u2+b′u+c′=0

(7)

其中，

mg(δ(n)-δ(n+1))(f+i)

根据式(7)，令m为整车空载质量，坡度i为0，可求出升档车速u(n)，再与该档位下的最高车速和待升挡位的最低车速进行比较，若在其区间内，则求出的车速为最佳动力性升档车速。如果相邻档位同油门下的行驶加速度曲线没有交点，则取各档的最高车速作为升档点，一般称作边界升档点。但边界升档点作为升档点时，升档后可能会出现驱动力小于行驶阻力，造成车速下降，甚至发动机熄火的问题。所以边界点的选择一般要遵循以下判断规则：如果升档后加速度小于0，则保持原挡位；如果升挡后加速度大于0，则升档；如果升档后，发动机转速低于怠速，则保持原挡位。

根据计算结果可知，当改变汽车载荷和坡度值时对换挡规律有较大的影响，不同载荷和坡度的动态变化使得最佳升档车速不同，挡位越高差异越大。根据实车标定情况来看，这种差异呈现出一定的比例规律，即动态变化的程度越高差异越大，因此可以根据动态载荷和坡度的识别来对挡位进行插值修正。

2 最佳动力性换挡规律的动态修正

2.1 整车质量与道路坡度识别

经过上述分析可知，整车质量和行驶坡度是动力性换挡规律修正中两项最重要的参数。本文使用经典最小二乘法对这两个参数进行实时识别，并通过实车实验证明其有效性。

根据汽车行驶动力学方程，汽车整车行驶时状态可表示为

(8)

γo为与轮胎相连的各转动部件等效于轮胎的转动惯量，ωw为车轮角加速度，β为广义坡度。

将上式表示为线性形式如下，

y=φTθ

(9)

其中，y=a+gf，

对上述线性形式采用最小二乘形式的准则函数，既观测值与计算值之间误差的平方和最小。形式如下：

(10)

2.2 换挡规律的动态修正

根据动态载荷修正换挡规律，首先通过前述计算最佳换挡点的方法计算出空载质量和满载质量下的换挡点：

(11)

设当前整车质量为m，则通过线性插值的方法在空载和满载换挡线之间插值可以得到任意车重下的换挡曲线，其表达式如下，

um=Lmumo+(1-Lm)umz

(12)

其中，Lm=(m-mz)/(m0-mz)。

以一挡升二挡为例，图1所示为基于整车质量的换挡规律修正。

坡度对换挡规律的影响从本质上来说和整车质量是一样的，都是阻力矩的改变，所以根据动态坡度修正换挡规律与整车质量修正原理相同，采用相同的插值修正方法。计算公式为，

ua=Lauao+(1-La)uamax

(13)

其中，La=(a-amax)/(a0-amax)。

图1 基于整车质量修正的换挡规律

同样以一挡升二挡为例，图2所示为基于坡度的换挡规律修正。

图2 基于坡度修正的上坡换挡规律

3 实车验证

本文所述的换挡规律修正方法应用于12挡机械式自动变速器的商用车上，具体参数如上表1所示,实验车辆分别选择一段较大坡度和一段平路正常行驶，行驶车速为：10～30 km/h。如图3所示，在动态修正换挡规律模式下，应对不同的油门变化，能够响应正常的档位变换而不出现循环换挡情况。图4是整车载重为30000 kg时的换挡规律修正，可以看到，挡位根据载重的变化进行了修正，挡位越大换挡车速延迟越大，车速平稳增加而不出现循环换挡的情况，修正作用良好。

表1 车辆参数

图3 大坡度换挡修正实验曲线

图4 平路变载荷换挡修正曲线

4 结论

AMT车辆在载重和坡度出现动态变化的行驶过程中，容易出现频繁换挡、动力性差、驾驶性差等主要问题。本文通过对主要影响因子载重和坡度的动态识别，采用比例插值法修正对应的换挡规律。在12档AMT商用车上进行了坡路实验，实验结果表明，修正后的换挡规律不但能够避免循环换挡的问题，还能响应驾驶员的油门操作，并做出正确的挡位选择，满足了动力性和操作性。

[1] 葛安林，李焕松，武文治等.动态三参数最佳换挡规律[J].汽车工程，1992,14(4)；239-247.

[2] Yang Gao, Yong Chen, Daguo Luo et al. Optimization study of automatic transmission power shift schedule[C].Mech Autom Control Eng MACE, 2011, 5094-5097.

[3] 葛安林. 车辆自动变速理论与设计[M].北京：机械工业出版社，1995.

[4] 牛秦玉.三参数最佳动力性换挡规律的修正研究[J].西安科技大学学报，2010,30(5):593-597.

[5] A. Vahidi, A. Stefanopoulou, H. Peng. Recursive least squares with forgetting for online estimation of vehicle mass and road grade: theory and experiments. Vehicle System Dynamics, 2005, 43(1):31-55.