基于Cruise的装备AMT重型商用车经济性联合仿真计算

邱煜，韩同群

（湖北汽车工业学院 汽车工程学院，湖北 十堰442002）

随着高速路网的扩大，重型商用车的运输路程越来越长，运输的货物也越来越多。在重型商用车的运输成本当中，燃油消耗占比更是达到了20%～30%。据统计，同一车辆在道路、交通等条件相同的情况因驾驶者的不同，车辆的百公里燃油消耗量相差可以达到10%以上。因此装备自动变速器的车辆大大简化了的驾驶员换挡的过程，减少了人为因素造成的燃油消耗量增加，提升了驾驶的舒适性。开发自动变速器的重型商用车，提高车辆的经济性，仍是汽车开发的重要任务。

随着重型商用车对燃油的消耗增大以及尾气污染物排放的问题受到国家重视，国家制订了GB/T27840—2011《商用车燃料消耗量测量方法》。重型商用车辆燃料消耗量的测定方法有道路试验法、转鼓试验法和模拟试验法。AVL Cruise 是一款先进的汽车系统动力学仿真分析软件，其对车辆部件运用模块化的设计理念［1］。文中采用模拟试验法，利用AVL Cruise 搭建整车模型，在模型中嵌入用Matlab/Simulink 建立的AMT 换挡控制策略,再建立C-WTVC 循环工况，并将该工况用于某款装备了14个挡位AMT的重型牵引车及半挂车模型的经济性仿真计算。

1 某牵引车及半挂车的整车建模

根据某款重型牵引车及半挂车，在AVL Cruise中搭建装备了AMT的该重型牵引车及半挂车仿真模型。根据原车的结构，选择相对应的模块，使模型与原车结构相一致。将该款车的整车参数输入模型中的对应模块，完成对模型的标定。

1.1 C-WTVC循环工况的建立

根据国内实际情况，对于重型商用车制定了符合国内道路交通状况的循环工况，即C-WTVC 循环工况来测定多工况下的燃油消耗量［1］。C-WT⁃VC 循环的制定基础是WTVC 循环（世界重型商用车瞬态循环），对其中的加速度片段和减速度片段进行符合中国国情的适当调整，进而制定出完整的C-WTVC 循环工况。整个C-WTVC 循环共1 800 s（图1），其中高速循环432 s、公路循环468 s、市区循环900 s。C-WTVC循环工况不考虑道路坡度变化，所有道路均当作水平路面，但是包含了大量的加速度和减速度片段。其中加速度片段包含了加速度时间、加速度大小等数据，这些数据都可以实际应用于动力总成的匹配、各工况下的挡位选择和仿真计算换挡控制策略制定，且最终都与燃油经济性测试结果的好坏相关联。在Cruise中添加Cycle Run 任务，并在该任务的profile 选项中的table edi⁃tor里建立C-WTVC循环工况。

图1 重型商用车C-WTVC 循环工况图

1.2 整车建模并仿真

表1 为重型商用车牵引车参数，表2 为重型商用车半挂车参数，该重型商用车所装备的增压柴油机技术参数如表3所示，其型式为6缸直列、水冷、4冲程、带排气制动、直喷、增压中冷。

利用Cruise软件提供的整车搭建平台，依据该车装备的各部件和车型结构，从Cruise软件中选取所需的各个车辆部件模块进行整车建模，然后根据各部件间的动力传递方向进行物理连接；再进行信号连接，建立了装备14 个挡位手动变速箱的整车模型。最后，采用C-WTVC 循环工况以及对应的手动挡驾驶员模型，驾驶员模型结合路谱会确定每个车速下的挡位，从而对该款重型商用车牵引车整车模型进行循环工况的仿真。

表1 某重型商用车牵引车参数

表2 某重型商用车半挂车参数

表3 某增压柴油机参数

2 AMT的换挡控制策略

2.1 AMT方案的选择

该款牵引车的变速器是采用了主副箱的结构形式。主箱拥有5 个挡位。前置副箱有高半挡和低半挡2个挡位，后置副箱也采用了高挡位和低挡位的两挡设计。如图2所示，该款变速箱通过前置副箱、后置副箱和主箱组合使用的方式，实现了在14个挡位间切换的要求。

图2 变速箱动力总成传递图

机械式自动变速器因采用驱动执行机构的动力源不同，选换挡控制系统可分为3 种类型［2］：1）电控-气动式，以空气压缩后的压力作为动力源，来实现选换挡系统的自动化控制，目前主要用在本身装备气压系统的大型客车或者重型商用车上。2）电控-液动式，变速器的选换挡系统是通过液压泵驱动液压油提供动力。3）全电式，用电机为整个系统提供动力，从而实现选挡系统的自动化控制。文中选择使用全电式机械自动变速器。全电式机械自动变速器的动力来自电机驱动，不需要液压系统或者气压系统，整个系统结构相对简单、重量轻，系统的控制难度也大大降低，使得控制系统反应快、精度高。

2.2 换挡控制策略的选择

换挡控制策略的作用是使汽车在最佳性能换挡点时执行挡位切换的操作，并且根据车辆的实际运行状况选择最佳的挡位。换挡规律根据控制参数的数量进行分类，分为单参数换挡规律、两参数换挡规律和多参数换挡规律［3］。单参数换挡规律的控制参数是车辆速度，以车速大小来确定换挡点和换挡延迟的大小。两参数换挡规律的控制参数是节气门开度和车速，是目前普遍采用的换挡规律控制形式。多参数换挡规律以节气门开度、车速和加速度等多个参数作为控制对象。实际行驶过程中，车辆行驶环境的多变性使得多个参数的变化十分复杂，需要获得大量的发动机在非稳态工况下试验的数据，试验难度大成本高。分析比较上述3种方式的特点后，文中采用控制节气门开度和车速的形式来制定燃油经济性换挡控制策略。

2.3 换挡控制策略的制定

重型商用车的换挡操作是从当前挡位切换到其他挡位的变化，是一种典型的状态迁移问题。在Matlab/Simulink仿真平台下利用Stateflow模块建立相关的换挡状态图[4]（图3）与时序逻辑模型的换挡逻辑图（图4），并对其进行仿真。

由图4可知，当车辆具体的车速比对应的升挡点车速大时，系统将从“steady_state”迁移状态“up shifting”，图4中的UP描述的升挡操作完成。变速器的挡位根据描会提升1个挡位。此时，产生新的steady_state”，并更新挡位数，完成1 次换挡过程。新的“steady_state”又为下一次换挡过程提供了新的换挡点车速值。升降挡速度的阈值up_th 和down_th 是通Simulink 函数［up_th, down_th］=Com⁃pute Threshold（gear,throttle）得到。换挡速度阈值计算模块根据当前挡位和节气门开度计算出换挡点车速。在Stateflow 模块的基础上结合Simulink中其他模块完成控制策略的仿真操作。最后将整个Simulink/Stateflow 控制策略各个模块进行封装后得到完整的AMT 控制策略，在Cruise 中会生成换挡控制策略（图5）。

图3 换挡状态图

图4 换挡逻辑图

图5 AMT换挡控制策略

3 联合仿真及经济性分析

3.1 联合仿真

利用Cruise 中的Gear Box Control 模块、Gear Box Program 模块、AMT Control 和AMT Program 模块共同实现AMT 的换挡功能。将Simulink 中的换挡控制策略转换为“.dll”格式的文件，再将该文件输入Matlab DLL 模块中，以Matlab DLL 模块取代AMT Program 模块和Gear Box Program 模块；再配合Gear Box Control 模块和AMT Control 模块，在Cruise实现联合仿真，如图6所示。

图6 Cruise联合仿真模型图

将当前挡位信号、油门开度信号和车速信号输入Matlab DLL模块，根据制定的控制策略将期望挡位信号从Matlab DLL 模块输送至Gear Box Control模块；Gear Box Control模块将期望挡位信号传递给AMT Control 模块；AMT Control 模块控制离合器模块的接合与分离，变速箱接收到来自AMT Control模块的信号后切换挡位。通过AMT Control 模块、Gear Box Control模块和Matlab DLL模块配合，使挡位切换操作可以自主完成。

在Cruise 软件中分别添加Cycle Run 任务、Climbing Performance 任 务 和Maximum Velocity 任务，在C-WTVC 循环工况下联合仿真计算各个任务，分别得到车辆最高挡的等速行驶燃油消耗量、汽车的爬坡性能和车辆的最大车速。

3.2 仿真结果比较

根据工信部的规定，模拟试验法可以作为重型商用车燃油经济性的测量方法。原车模型仿真与路测结果在动力性和经济性方面的对比如表4～5所示，两者相差不是很大，总体来看是一致的。由于通过路测方法只能测得等速循环油耗，无法测出C-WTVC 循环油耗，以及在对用户进行调查后反馈的油耗结果与仿真结果有所差异，所以文中选择使用模拟试验法得到的手动挡循环油耗结果与联合仿真循环油耗结果进行对比分析。联合仿真的循环油耗为39.78 L·（100 km）-1，原车模型循环油耗41.99 L·（100 km）-1，相对误差为5.26%，用户循环油耗36 L·（100 km）-1，可以看出联合仿真的循环油耗低于原车模型仿真的油耗。

表4 原车模型仿真与路测结果动力性对比

表5 原车模型仿真与路测结果油耗对比 L·（100 km）-1

4 结论

基于AVL Cruise 软件建立了装备了AMT的某款重型牵引车及半挂车的整车模型，与Matlab/Simulink中的换挡控制策模型相结合，采用C-WT⁃VC循环工况对其燃油经济性进行联合仿真计算与分析。车辆联合仿真循环油耗的仿真结果优于原车手动挡模型循环油耗的仿真结果，说明制定的燃油经济性换挡控制策在改善重型商用车燃油经济性方面有一定的成效，建立的换挡控制策略的具有可操作性与实用性。