汽车选换挡性能测试及评价方法研究

2022-03-21汤春球刘天福蒋亚华刘凤来余自良

公路交通科技 2022年2期

汤春球，刘天福，蒋亚华，刘凤来，余自良

(武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉 430070)

0 引言

汽车企业对汽车选换挡品质的评价方法主要采用主观评价[1]。主观评价方法造成选换挡品质分析结果因人而异。因此，针对于汽车选换挡品质评价的研究集中于以客观参数指标为对象进行分析的客观评价方法。雷雨龙等[2]从发动机转速和输出转矩两个维度分析换挡质量。刘海江等[3]从时间、纵向加速度和发动机转速3个维度构建选换挡品质评价模型。Min等[4]利用控制策略和控制算法得出控制期望值来提升自动变速器换挡品质。杨士钦等[5]以换挡时汽车二次冲击、换挡冲量以及倒挡挂入率为对象建立换挡性能评价模型。高云等[6]通过设计软硬件系统以换挡过程中的换挡时间、换挡冲击和滑动摩擦功率3个维度建立换挡评估系统。Zhang等[7]基于神经网络建立了DCT换挡质量客观评价模型。徐秀华等[8]基于自识别的位置范围和控制目标制定了换挡控制策略。冯杰等[9]基于换挡过程中的生物力学与感性工学分析，构建了汽车换挡性能评价体系；卢汉等[10]针对换挡规律的坡道适应性问题，设计了有级自动变速汽车最优换挡规律优化方法；李磊等[11]针对变速器较难适应复杂路面的问题，提出了基于等效坡度的变速器换挡规律；任永强等[12]根据变速箱选换挡原理,设计了一种以电、气为动力的自动选换挡检测机构；钟自锋等[13]为研究某变速箱同步器的换挡性能,采用SimulationX软件构建了同步器模型、换挡控制机构模型、换挡机器人模型；米林等[14]设计了一套自动化、智能化集成的商用车变速器换挡性能试验台测控系统。也有学者针对换挡机构进行研究。杨小辉等[15]建立换挡过程的动态模型,针对不同气源压力下进行了动态仿真分析,为AMT的选换挡执行机构的设计提供依据。李勇等[16]为提高机械式自动变速器的鲁棒性,提出了选换挡机构自学习控制策略。谢先平等[17]提出了选换挡过程动态调整转速控制策略。王旭等[18]提出了一种自动检测选换挡空位的设计方法。本研究以汽车挡位数据为对象，从选挡行程、换挡行程以及挡位自由间隙三维建立选换挡评价模型，对选换挡品质进行评价分析，并与主观试验结果进行对比研究。

1 选换挡品质评价

1.1 选换挡品质评价指标

以汽车挡位数据为对象对汽车选换挡品质进行分析，利用高精度陀螺仪测量操作手柄的平面倾角进而来获取各个挡位平面位置坐标，从中分析换挡行程、选挡行程以及挡位自由间隙三维数据。结合人机工程学，对各相关参数指标进行标定，反映各个挡位的空间对称性、挡位清晰度等特性[19]。从选挡行程指标提取选挡行程对称度和选挡偏离量指标，从换挡行程提取换挡行程对称度和换挡偏离量指标，从挡位自由间隙指标提取X轴扩张量、Y轴扩张量、对应挡位中心偏离量、挡位模糊度、自由间隙面积对称率、挡位偏心量和自由间隙面积扩张率指标。上述三维提取的参数及其所对应的评价意义如表1所列。

表1 选换挡品质评价指标Tab.1 Evaluation indicators of gear shifting quality

1.2 选换挡品质评价模型

从汽车挡位数据中提取选换挡品质评价指标类，并按照指标性质将其划分为各个评价意义组，并为各评价意义组的评价指标赋予作用因子，继而转化为对汽车选换挡品质评价结果的量化。

选换挡品质评价模型建立步骤如下：

(1)建立选换挡品质参数指标特征矩阵

假定挡位数据检测次数为m次，选取11个评价指标用于评价选换挡品质，测试样本数据为同工况下、不同操作人员测试换挡所采集的挡位数据。特征矩阵：

(1)

式中，aij(i=1,2,…,m;j=1,2,…,11)为第i组待评价样本第j个评价指标参数。

(2)特征矩阵作用因子处理

对于11个参数指标，按其归属的评价意义组进行划分，并为各评价意义组内的指标参数设置作用因子。各评价意义组作用因子矩阵：

(2)

式中，Bx(x=1,2,…,6)为s×s矩阵；s为该评价意义组中的评价参数指标数量。

总作用因子矩阵：

(3)

(3)建立评价矩阵

在对汽车选换挡品质进行评价的过程中，需要综合考虑不同评价意义组所对应权重，对经过作用因子处理的指标参数分配权重，评价矩阵：

F=TBW，

(4)

其中W为总权重矩阵：

(5)

式中Wi(i=1,2,…,6)为各参数指标所属评价意义组所对应的权重矩阵。

Wi权重矩阵：

(6)

式中wi为各参数指标所属评价意义组所对应的权重。

评价模型计算过程如下：从汽车挡位数据中提取11个选换挡品质评价指标并按照表2的客观打分评价依据进行打分得到特征矩阵T，将评价指标类划分到所属的6个评价意义组。若多个评价指标所属同一个评价意义组，在综合评价时对这些评价指标进行作用因子处理，即权重为1/s,s为该评价意义组中的评价指标数量。得到总作用因子矩阵B。T·B为评价意义组的得分，然后根据得分利用熵权法得出权重矩阵W，最后利用评价矩阵：F=TBW得出综合得分。

1.3 评价指标权重确定

汽车选换挡品质评价是一个综合过程，各个参数指标对评价系统的意义对该评价模型是至关重要的。从各评价指标所属的评价意义组出发，对各指标进行权重确定，即分析评价意义组中的挡位模糊性、挡位对称性、挡位偏离性、挡位扩张性、挡位一致性以及挡位清晰性。为了排除主观因素的影响，利用主要依据客观指标的熵权法来对评价指标权重的确定。熵权法的信息熵：

(7)

式中，pij为每个评价意义对象占总数的比例；i为评价意义组；n为所指代的车型；H为介于0和1之间。

各指标所属评价意义组所对应的权重Wi：

(8)

2 选换挡品质评价模型测试流程

针对手动挡汽车选换挡品质评价的特点，设计了完整的选换挡评价算法，其流程如图1所示。

图1 选换挡品质综合评价流程图Fig.1 Flowchart of comprehensive evaluation of gear shifting quality

其中包括以下步骤：

步骤1：数据采集与存储。利用9轴加速度计电子陀螺仪传感器来监测选换挡过程中的各个挡位位置坐标，然后将采集的挡位数据送入计算机，利用LabVIEW数据处理平台对所采集的数据进行实时显示与存储。

步骤2：数据预处理。在MATLAB数据分析单元通过观察散点图对挡位数据进行预处理，利用DBSCAN算法删除离群点。

步骤3：参数指标提取。利用聚类算法对7个挡位数据进行分类，从挡位数据中分析换挡行程、选挡行程以及挡位自由间隙三维数据，结合人机工程学，提取各参数指标。

步骤4：综合权重确定。分析各参数指标，将其划分为不同的评价意义组，利用熵权法来完成对评价指标权重的确定。

步骤5：选换挡品质评价。利用评价矩阵以及总权重矩阵分析挡位数据，根据F=HBW来计算选换挡品质评价得分。

3 试验分析

3.1 试验方案设计

为了验证汽车选换挡品质评价模型的有效性，以A，B，C 3种不同车型的挡位数据为对象，提取评价意义组中的参数指标，对其进行权重评分，并与换挡品质的主观评价进行对比分析。本研究只需利用紧贴于球头的9轴加速度计电子陀螺仪传感器和便携式计算机即可完成对挡位数据的测试以及品质分析，9轴加速度计电子陀螺仪传感器对换挡杆的前后及左右倾角信号进行测量。其中，换挡杆的前后换挡产生的倾角等价于换挡杆绕传感器的X轴旋转，即X轴角度；换挡杆的左右换挡产生的倾角等价于换挡杆绕传感器的Y轴旋转，即Y轴角度。然后经坐标转换即可得到换挡杆球头球心在XOY面的投影坐标。测试系统结构图如图2所示，测试示意图如图3所示。

图2 测试系统结构Fig.2 Test system structure

图3 测试示意图Fig.3 Schematic diagram of test

对每种车型采集3组挡位数据(换挡杆球头球心在XOY平面的投影坐标)；在每次测量中，挡位数据不低于1 000个坐标点。数据处理过程如下：

(1)在MATLAB中删除重复的挡位数据，然后利用K-means聚类算法提取7组挡位数据，最后利用DBSCAN算法分别对各数据集合删除离群点，A，B，C 3种车型的数据聚类图如图4所示，DBSCAN处理图如图5所示。

图4 数据聚类图Fig.4 Diagrams of data clustering

图5 DBSCAN处理图Fig.5 Diagrams of DBSCAN processing

(2)将经过DBSCAN算法处理过的7组挡位数据集合进行K-means聚类处理，从而得出较为清晰的各组挡位数据，并计算3种车型的中心点以及各个挡位边界得出挡位分布，如图6所示。

图6 挡位布局图Fig.6 Diagrams of gear layout

3.2 试验结果分析

将利用换挡品质评价模型分析得到的评分结果与主观评价进行对比，表2为客观打分评价依据，表3为3种不同车型分别测试3次的挡位数据，利用换挡品质评价模型进行分析得到评分结果，采取3次换挡评价得分取平均的原则，根据各评价意义对象的得分利用熵权法求解权重，最终得出总分。主观评价方法通常根据表4进行打分，表5为根据主观评价经验邀请6位测试人员对3种车型进行主观评价打分。