基于整车性能的自动变速器换挡策略优化

2021-11-03刘治文，张学锋，李岩，陈国栋，杨云波

汽车科技 2021年5期

刘治文，张学锋，李岩，陈国栋，杨云波

摘要：针对某搭载六速手自一体变速器的开发车型，采用理论分析结合实车验证的方法，通过换挡策略的标定優化有效解决了开发过程中遇到的整车动力性、驾驶性以及NVH等方面的问题，为整车性能的达标提供了有力支持，同时也为新车型换挡策略的标定开发提供了参考和依据，具有较高的工程参考价值和指导意义。

关键词：自动变速器;换挡策略;标定优化;整车性能

中图分类号：U467.1+1 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2021）05-0089-07

Shift Schedule Optimization of Automatic Transmission

Based on Vehicle Performance

LIU Zhi-wen， ZHANG Xue-feng， LI Yan， CHEN Guo-dong， YANG Yun-bo

（ R&D Institute， China FAW Co.， Ltd.， Changchun 130011， China）

Abstract： Considering a developing vehicle equipped with a six-speed automatic transmission， the vehicle dynamic performance， driveability and NVH performance occurred during development process were solved effectively through the calibration optimization of shift schedule with the method of theoretical analysis combined with real vehicle verification， which gave a strong support for the target hitting of vehicle performance. Also， it provided reference and accordance for the shift schedule calibration in new developing vehicle project with valuable engineering reference and guiding significance.

对于搭载自动变速器（AT，Automatic Transmission）的车辆而言，换挡策略的优劣直接影响着整车动力性、驾驶性以及NVH等性能表现[1]。为了满足用户日益严苛的车辆性能要求，必须对整车各方面性能进行兼顾优化，使整车综合性能达标。本文针对某搭载六速手自一体变速器车型开发过程中遇到的部分整车性能问题，通过分析问题原因及发生机理，制定了相应的换挡策略优化方案，最终经实车验证，整车多项性能均得到提升，达到了工程目标要求。

1 整车动力性

1.1 动力性指标及分析

动力性是汽车各种性能中最基本、最重要的性能，其优劣可由汽车的最高车速、加速时间以及最大爬坡度三个指标来评定。其中，汽车的加速时间表示汽车的加速能力，通常以原地起步加速时间和超越加速时间来表征。由于超车时汽车与被超车辆处于并行状态，容易发生安全事故，此时如果车辆的超越加速能力较强，那么并行行程就会较短，超车就会比较安全[2]，因此，超越加速时间对于超车安全性非常重要。

针对由车速v1加速到车速v2（v2>v1）的超越加速过程，根据动能定理有：

（1）

式中：t为加速时间（s）;P为加速过程中的轮边驱动功率（kW）;Pf 为加速过程中的阻力功率（kW）;m为整车质量（kg）;v1为加速过程初始车速（km/h）;v2为加速过程终止车速（km/h）。

由式（1）进一步有[2]：

（2）

式中：Te为加速过程中的发动机扭矩（N·m）;ne为加速过程中的发动机转速（r/min）;ηH为液力变矩器的传动效率;ηm为液力变矩器后端传动系的传动效率，为一常数;G为车辆重力（N）;f为滚动阻力系数，随车速的增加而增大;CD为空气阻力系数;A为迎风面积（m2）;v为车速（km/h）;δ为汽车旋转质量换算系数，随传动系总速比的增加而增大; 为整车加速度（m/s2）。

根据整个超越加速过程可知：

（3）

因此有：

（4）

式中： a为平均加速度（m/s2）。

由式（4）可知，整个超越加速过程可以等效为一个匀加速过程[3]，如图1所示。图中匀加速过程1的加速度为a1，从车速v1加速到车速v2所用的时间为t1，匀加速过程2的加速度为a2，从车速v1加速到车速v2所用的时间为t2，且a1>a2，t1

（5）

即：

（6）

式中：为加速过程1的阻力功率（kW），

为加速过程2的阻力功率（kW）。

由式（6）结合上述分析可知，若加速时间t减小，阻力功率Pf 则会增加，而整个加速过程的始末车速是不变的，因此车辆动能变化也是一个定值，结合式（1）、式（2），轮边驱动功率P也应该增大，亦即提高Te、ne与ηH的乘积即可实现轮边驱动功率的提升[4]，进而缩短超越加速时间。

1.2 整车动力性问题描述

将开发车型在运动模式下以小加速踏板开度维持在60km/h车速左右，然后立即踩加速踏板至100%使车辆加速至80km/h进行超越加速动力性试验，结果如图2所示，超越加速：

时间超过2.5s，未达到工程目标要求。此加速过程中由4挡降至3挡后，发动机转速相对较低，且由于发动机涡轮增压器的迟滞，达到发动机扭矩输出外特性会有延迟，导致发动机输出功率较小，进而轮边驱动功率也较低，最终造成超越加速时间过长。

1.3 换挡策略优化方案

运动模式原始换挡策略如图3所示，开发车辆在进行超越加速试验时能够实现4挡降3挡，并能保持液力变矩器的闭锁离合器为闭锁状态（下面均简称为“闭锁”），2挡由于起步、爬坡等工况的动力性目的不闭锁，即液力变矩器的闭锁离合器处于解锁状态（下面均简称为“解锁”）。

闭锁时发动机转速与车速的关系[2]为：

（7）

式中：i0为主减速比（3.33），ig为各挡速比，r为车轮动力半径（0.33 m）。

当车速v=60km/h时，若由4挡降为3挡（3挡速比i3=1.56），由于换挡时间极短，故可忽略不计[2]，则发动机转速n3=2505 r/min;若由4挡降为2挡（2挡速比i2=2.51），由于2挡解锁，则发动机转速n2≥4031r/min。当车速v=80km/h时，若当前处于3挡，则发动机转速n3=3340r/min;若当前处于2挡，则发动机转速n2≥5375r/min。

发动机扭矩输出外特性如图4所示，2000 r/min～4500r/min转速区间的发动机扭扭外特性变化不大，结合上述发动机转速计算结果，可以得到分别在3挡和2挡进行60km/h～80km/h超越加速时的发动机功率如图4所示，很明显：

（8）

式中：为2挡加速时的发动机功率（kW），

为3挡加速时的发动机功率（kW）。

因此，若在60km/h车速踩100%加速踏板开度能够降到2挡，并保证此时具备与3挡一样的液力变矩器传动效率（ηH=1），则由式（1）、式（2）及式（8）可知，必定有：

（9）

式中：P2为2挡加速时的轮边驱动功率（kW），P3为3挡加速时的轮边驱动功率（kW）。

因此，针对该动力性问题的具体换挡策略优化方案为：提升60km/h车速附近100%加速踏板开度对应的3挡降2挡的降挡点，使试验工况下能够实现4挡降2挡进行加速，且为了留有一定裕量，在保证升、降挡线间距足够的前提下，具体将100%加速踏板开度下的3挡降2挡的降挡车速调整为63km/h，并对100%以下加速踏板开度对应的3挡降2挡的降挡点进行适应性调整;2挡90%以上加速踏板开度开启闭锁控制功能，以保证超越加速试验降到2挡时直接闭锁，液力变矩器的传动效率ηH为1，能够维持较大的轮边驱动功率，具体将闭锁线设定为57km/h，解锁线与闭锁线间保持4 km/h的车速间距，以避免出现频繁解、闭锁现象;其他升、降挡线及解、闭锁线保持不变，如图5所示：

1.4 结果验证

采用优化后的运动模式换挡策略进行60km/h ～80km/h超越加速實车验证试验，结果如图6所示，相比优化前，优化后的运动模式在进行超越加速试验时可降至2挡并保持闭锁状态，发动机转速大幅提升，发动机扭矩在加速过程中后段由于发动机转速的提升，根据图4，会有所下降，低于优化前，但由于发动机转速提升的幅度明显大于扭矩下降的幅度，因此，最终发动机输出功率也有明显提升，且此时液力变矩器的传动效率ηH=1，因此能够获得较高的轮边驱动功率，整个加速过程车速递增平顺，加速时间在2.5s以内，达到工程目标要求。

2 整车驾驶性

2.1 驾驶性评价指标及分析

驾驶性是表征车辆动态性能的一个重要指标，其主要关注车辆在行驶方向上的动态变化，计算和评估行驶方向的整车加速度变化。常见的驾驶性评价指标包括冲击、耸动、前涌、后座、响应迟滞等，其中，冲击在车辆驾驶性问题中最为常见。

冲击的大小可用冲击度j来衡量，而冲击度j则是整车加速度的变化率[5]，即：

（10）

式中：a为整车加速度（m/s2）。

而整车加速度a为：

（11）

式中：nw为车轮转速（r/min）。

由于本开发车型中的主减速器集成在变速器中，因此有：

（12）

式中：no为变速器输出轴转速（r/min）。

因此可得：

（13）

式中：αo为变速器输出轴转速加速度（r/s2）。

根据变速器内齿轮变速机构的速比关系又有：

（14）

式中：nt 为涡轮转速（r/min）。

因此，变速器输出轴转速加速度α0为：

（15）

式中：αt 为涡轮转速加速度（r/s2）。

将式（15）带入式（13），最终得到：

（16）

由式（16）可知，一定挡位下冲击度j的大小完全取决于液力变矩器涡轮转速加速度αt的变化率。

2.2 整车驾驶性问题描述

开发车型在运动模式下行驶，当驾驶员以中等制动力（约20bar）使车速逐渐降低进行2挡降1挡时，出现冲击，涡轮转速有较大波动，其转速加速度短时间内变化较大，行驶工况如图7所示。

踩制动减速降挡过程中，由2挡降到1挡，液力变矩器的涡轮转速会提升至1挡同步转速，由于变速器1挡速比最大，涡轮转速提升的幅度会相对较大，若此时车速比较高，则会进一步增加涡轮转速的提升幅度[6]，同时此种情况下又踩着中等力度的制动，涡轮转速在整车的制动作用下又会急剧下降，如图7所示。由于此过程中涡轮转速从开始上升到下降恢复的时间很短，因此当车速较高时，基于上述分析，短时间内由2挡降至1挡时的涡轮转速nt 的提升幅度就比较大，其转速加速度αt就会比较大，进而涡轮转速加速度的变化率

也会较大，结合式（16）可知，冲击度j就比较大，冲击明显，如图7所示;相反，若进行2挡降1挡时的车速较低，则基于上述分析冲击就会有所减弱。

2.3 换挡策略优化方案

运动模式原始换挡策略如图8所示，1挡由于动力性目的设定为解锁，各挡位均未采用滑摩控制功能。根据上述分析，针对该驾驶性问题的具体换挡策略优化方案为：将30%及以下加速踏板开度对应的2挡降1挡的降挡线降低3km/h，50%以上加速踏板开度对应的降挡线保持不变，同时对30%～50%加速踏板开度对应的降挡线进行适当的过渡调整，最终优化后运动模式的换挡策略如图8所示：

2.4 结果验证

采用优化后的运动模式换挡策略进行制动减速2挡降1挡工况的实车验证试验，结果如图9所示。对比图9与图7可知，优化后涡轮转速下降平顺，无明显波动，涡轮转速加速度αt的幅值大幅下降，其变化率也明显减小，如表1所示，相比优化前，优化后涡轮转速加速度αt的幅值变化率减小了41%，同时，实车驾驶冲击感消失，优化效果较好。

3 整车NVH性能

3.1 NVH问题发生机理及解决措施

对于搭载手自一体变速器的车辆而言，当液力变矩器的闭锁离合器闭锁时，整个传动系基本相当于刚性连接，而发动机作为动力源，其扭矩不可避免地会存在一定程度的波动，对于传动系而言，发动机是一个激励源，当激振频率与传动系固有频率接近时，就会引起传动系强烈的扭振，传动系扭振传递到车身及驾驶室内，进而造成主驾座椅振动强烈[7]。

对于振动的消除和衰减，主要措施一般有两种：消除振源和切断传递路径。由于发动机不可避免地会存在一定程度的振动，无法根本消除，因此消除振源这种方法不可行;而本开发车型搭载的是一台六速手自一体变速器，内含液力变矩器，当液力变矩器的闭锁离合器解锁时，可以利用液力变矩器内的流体很好地隔断振动的传递，从而达到消除和衰减振动的目的，但解锁时液力变矩器的速比较小，传动效率较低，整车经济性不好，为此，可引入液力变矩器闭锁离合器的滑摩控制功能。滑摩控制是介于闭锁与解锁之间的一种中间控制状态，它兼有闭锁和解锁控制的双重优点：滑摩控制时发动机转速与液力变矩器涡轮转速间可以维持几十转的速差，利用此速差可以消除和衰减一定程度的振动，同时此种状态时液力变矩器的速比较大，传动效率较高，整车经济性也较好，因此，滑摩控制兼有闭锁状态的高传动效率和解锁状态的振动衰减特性，对于阻断振动的传递路径有一定的效果。

3.2 整车NVH问题描述

开发车型以舒适模式在6挡闭锁状态且发动机转速在1000r/min～1200r/min之间进行小油门（20%以下加速踏板开度）加速行驶时，车内主驾座椅存在明显振感，严重影响驾乘舒适性。对主驾座椅进行振动测试，结果如图10所示，主驾座椅二阶振动烈度RSS的幅值高于可接受限值0.6 mm/s，未达到工程目标要求。

3.3 换挡策略优化方案

舒适模式原始换挡策略如图11所示，5挡升6挡后立即进入闭锁状态，无滑摩控制，图中阴影部分对应主驾座椅振感明显区域。针对该NVH问题的具体换挡策略优化方案为：引入滑摩控制功能，使滑摩控制区域对应原始状态的闭锁区域，并将解锁线提升至1200r/min，使得1200r/min以下的6挡区域不进入闭锁状态而进入滑摩控制，利用滑摩来消减振动，同时将闭锁线提升至1300 r/min，使解、闭锁线间维持一定速差，以避免出现频繁解、闭锁的现象，升、降挡线则维持不变，如图12所示。

3.4 结果验证

采用优化后的舒适模式换挡策略进行1000 r/min～1200r/min发动机转速区间的6挡小油门加速实车验证试验，实车感受主驾座椅振感明显减弱，处于可接受水平，主驾座椅振动测试结果如图13所示，座椅二阶振动烈度RSS幅值明显降低，且均低于0.6mm/s，达到工程目标要求，优化效果明显。

4 结论

本文针对某搭载六速手自一体变速器车型在开发过程中遇到的部分整车动力性、驾驶性以及NVH性能问题，首先理论分析了问题原因及发生机理，然后从换挡策略的角度制定了相应的优化解决方案，最后实车验证了优化方案的有效性。具体结论如下：

（1）对于整车动力性，通过提升降挡线提高发动机输出功率，开启闭锁以保证液力变矩器具备较高的传动效率，从而获得较高的轮边驱动功率，有效缩短了超越加速过程的加速时间，保障超车工况的安全性。

（2）对于整车驾驶性，通过降低降挡点减小制动降挡过程中液力变矩器涡轮转速加速度的变化率，有效消减了制动降挡冲击感。

（3）对于整车NVH性能，通过引入液力变矩器闭锁离合器的滑摩控制功能阻隔传动系扭振的传递路径，大幅降低了驾驶室内主驾座椅的振动幅值。

本文论述的自动变速器换挡策略优化方法虽基于手自一体变速器展开，但其对于DCT及AMT等变速器也具有一定的适用性，同时对于新车型自动变速器换挡策略的标定开发也有一定的启迪和指导意义。

参考文献：

[1]何宁，赵治国，李瑜婷. 双离合器自动变速器换挡策略及其仿真评价[J]. 中国机械工程，2011，22（3）：367-373.

[2]余志生. 汽车理论[M]. 北京：机械工业出版社，2009：7-47.

[3]黄英，石献磊，徐世利，等. 基于动力性和经济性的轿车换挡策略设计与试验研究[J]. 汽车技术，2004（11）：28-32.