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自动换挡规律的研究 |
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作者：清华大学 张俊智 |
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摘要 在自动变速器的开发过程中，提出了边界点换挡规律，并对换挡规律的制定进行了研究，提出了新的方法。在此基础上制定了桑塔纳2000机械式自动变速器(AMT)的换挡规律，并在实际跑车中得到检验，这对于AMT的产品化和提高我国自动变速器的自主开发能力有重要的意义。
叙词：自动变速 换挡规律 机械式自动变速器
0 前言
换挡规律是指两排挡间自动换挡时刻随控制参数变化的规律。换挡规律的好坏直接影响车辆的动力性、燃油经济性、排放特性、安全性和舒适性等的优劣［1］，是自动变速器的关键技术。自动变速器普遍采用基于油门开度α与车速v的两参数换挡规律。文献［2］论述了三参数换挡规律，由于在两参数换挡规律的基础上考虑了车辆的加速度，三参数换挡规律进一步反映了车辆的实际操纵规律，与两参数换挡规律相比，提高了车辆的动力性和经济性。但在实际应用中三参数换挡规律仍然同两参数换挡规律一样，会发生在上坡时不该有的升挡现象，此时会发生换挡循环和产生发动机熄火，以及发生在上坡时不该有的降挡现象，此时会发生换挡循环和产生发动机高速噪声，给车辆的动力性、安全性和舒适性带来影响。另一方面，三参数换挡规律的制定是一复杂的过程，需要对其进行深入研究，以提高其制定效率和准确性。
本文在自动变速器的开发过程中，提出了边界点换挡规律，并对换挡规律的制定进行了深入的研究，提出了新的方法，在此基础上具体制定了桑塔纳2000AMT的换挡规律，并在实际跑车中得到检验，这对于AMT的产品化和提高我国自动变速器的自主开发能力有重要的意义。
1 边界点换挡规律
1.1 一般换挡点和边界换挡点
换挡点分为两种，一般换挡点和边界换挡点。一般换挡点是指换挡前后在车辆加速度随车速变化。图中相邻两挡曲线有交点，即换挡前后车辆的加速度不发生变化，为同一点的换挡点，如图1中点A与点B即为一般换挡点。边界换挡点是指换挡前后在车辆加速度随车速变化图中相邻两挡曲线不相交，即换挡前后车辆的加速度发生变化，为不同点的换挡点，如图1中点C与C′所示。边界换挡点和一般换挡点的换挡规律有不同的确定方法。
图1 换挡点示意图
1.2 边界换挡点换挡规律
三参数换挡规律在处理边界点换挡规律的方法如下：若升挡前后的相应dv/dt=f(v)曲线不相交时，则取该挡相应油门开度下加速度曲线的最高车速为换挡点。由于未具体分析换挡前后的dv/dt，这在车辆的实际行驶中会出现爬坡时不该有的升挡和降挡现象。原因如下面所述。
对于升挡，若升挡后，车辆的加速度为正，则可以升挡；若升挡后，车辆的加速度为负，即驱动力小于阻力，车辆处于减速状态，不应该升挡。对于降挡，若降挡前，车辆的加速度为负，则必需降挡，否则动力性不足；若降挡前，车辆的加速度为正，此时若降挡，发动机工作于高转速状态，为改善发动机的工作状态，减少发动机的噪声，不应该降挡。
对于原有的换挡规律，由于上述原因，在边界点处会发生换挡循环。
原有的动态三参数换挡规律在边界点发生下列两种现象，一种是升挡后驱动力小于外界阻力，使车速下降造成换挡循环或发动机熄火；另一种是降挡后车速的提高受到发动机转速的限制造成循环换挡或引起发动机高速噪声，设n,n+1,n-1分别为现挡位，相邻升挡后挡位和相邻降挡后的挡位。
边界换挡点的升挡规律如下：
(1) 若升挡后加速度an+1＞0，则升挡。
(2) 若升挡后加速度an+1≤0，则保持原挡。
边界换挡点的降挡规律如下。
(1) 若原挡an＞0，则为了防止换挡循环，不在低一挡(n-1挡)所对应的最高车速处降挡。
(2) 若原挡an＜0，则在n-1挡最高发动机转速所对应的车速点降挡。
根据以上规则，按照桑塔纳2000的特性得到有边界点的油门各挡升挡时的加速度的最小值见表。
表 边界点升挡时加速度的最小值a/(m.s-2)
油门开度α/% 60 70 80 90 100
一挡升二挡 0.342 0.727 0.899 0.933 0.933
二挡升三挡 0.166 0.393 0.494 0.494 0.500
三挡升四挡 0.052 0.177 0.226 0.237 0.257
四挡升五挡 0.008 0.072 0.108 0.130 0.134
2 一般换挡点换挡规律确定方法的研究
动态三参数换挡规律包括动力性换挡规律和经济性换挡规律，原有的确定方法均为加速度法［2］，需研究新的确定方法，以简化和完善原有的确定方法。下文分别论述确定动力性换挡规律的动态驱动力法和确定经济性换挡规律的油门法和车速法。
2.1 动态驱动力法
在第n挡，
在第n+1挡时，
Fd,n+1=Fr,n+1+Fw,n+1+Fi,n+1+
式中 Fd,n，Fd,n+1——n挡和n+1挡时车辆动态驱动力，已扣除发动机飞轮的惯性力
Fr,n，Fr,n+1——n挡和n+1挡时车辆滚动阻力
Fw,n，Fw,n+1——n挡和n+1挡时车辆空气阻力
Fi,n，Fi,n+1——n挡和n+1挡时车辆坡度阻力
vn，vn+1——n挡和n+1挡时车辆行驶速度
m——车辆质量
ΣIw——车轮转动惯量
r——车轮半径
假设在换挡前后，车辆的行驶速度以及道路参数均未发生变化，即vn=vn+1，Fr,n=Fr,n+1，Fw,n=Fw,n+1，Fi,n=Fi,n+1。由加速度曲线法［2］知，在相同油门开度下，在曲线dvn/dt～v和dvn+1/dt～v的相交点处，dvn/dt=dvn+1/dt，所以，动态驱动力Fd,n=Fd,n+1。可见，在相同油门下，加速度曲线dvn/dt～v和dvn+1/dt～v的交点也就是该种条件下，Fd,n～v和Fd,n+1～v的交点。反过来可由相同油门、相同车辆加速度下，Fd,n～v和Fd,n+1～v的交点来找换挡点。具体方法如下：
通过绘制不同车辆加速度下，不同油门下相邻挡的动态驱动力曲线，相同油门的交点即为换挡点，对应的车速为该油门、该速度下的车速，从而确定了一个换挡点，不同油门交点的连线构成了该加速度下的换挡曲线。
2.2 经济性换挡规律的确定
(1) 油门法
该方法的思路是：确定高挡某一油门αi,n+1，在加速度图上找出它与低挡各油门的交点，通过这些交点在低挡和高挡时分别对应的油耗线的相交点可确定此油门下的换挡点，步骤如下：
a.给定道路阻力，画相邻挡位不同油门的dv/dt～v图。
b.取高挡下的某一油门αi,n+1，得到其上各点与低挡各油门的交点，从动态油耗图中找出在高挡下所对应的动态油耗曲线AA。
c.绘制各交点在低挡相应油门上，所对应的动态油耗曲线BB。
d.曲线AA，BB的交点C处的车速为vi，当v＜vi时，n挡时的燃油消耗量qV,n，小于n+1挡时的燃油消耗量qV,n+1，即qV,n＜qV,n+1；当v＞vi时，qV,n＞qV,n+1；所以vi为换挡点对应车速。
e.交点C返回到上图中对应点为C′，C′点对应的车辆加速度dv/dt为换挡点的加速度，对应低挡的油门开度αi,n为换挡点的低挡油门开度，到此确定了一对换挡点(d/dt，vi，αi,n)和(dv/dt，vi，αi,n+1)。
f.依次改变高挡油门开度αi,n+1和道路阻力，就可求出所有换挡点。
该种方法的图示如图2。
图2 油门法示意图
(2) 车速法
图3 车速法示意图
该方法步骤如下：
a.给定道路阻力，画出相邻挡位不同油门的dv/dt～v图。
b.取定某一车速vi，画直线v=vi。根据它与低挡各油门的交点绘制相应的燃料消耗量qV～dv/dt曲线BB，根据它与高挡各油门的交点绘制相应的qV～dv/dt曲线AA。
c.曲线AA与BB的交点C对应的加速度为dvi/dt，当dv/dt＞dvi/dt时，qV,n＜qV,n+1；当dv/dt＜dvi/dt时，qV,n＞qV,n+1；所以点C对应的车辆加速度dvi/dt为换挡点对应的加速度。
d.由C点返回到右图中对应点为C′，点C′即为换挡点。
e.依次改变vi和道路阻力，可求出所有换挡点。
该种方法的图示如图3。
在确定换挡规律的过程中，说明三个参数中，任一个参数均可作为初始变量来求最佳规律。上述几种方法可单独使用，也可综合使用。
4 换挡规律的实际制定
按照前几节所介绍的边界点换挡规律和换挡规律的确定方法，制定出桑塔纳2000AMT的动力性与经济性换挡规律。文中只列出部分加速度下的换挡规律。
图4是车辆加速度为0.4 m.s-2的动力性换挡规律。图中的“—”表示升挡，“--”表示降挡，“12”表示一挡升二挡，“21”表示二挡降一挡，“23”表示二挡升三挡，“32”表示三挡降二挡，依此类推。由图可以看出，在某些加速度下，有的大油门没有升挡点，即不能升挡，这是由于边界换挡点的原因所致的，当升挡后出现驱动力小于阻力，加速度小于零的现象。但这些油门的降挡点总是存在的。在一般换挡点，采用了加速度法和动态驱动力曲线法，证明两者是等效的，后者减轻了工作量。
图5是车辆加速度为0.4 m.s-2的经济性换挡规律。图中的“—”表示升挡，“--”表示降挡，图中数字的含义同图4。在实际制定中，油门法、车速法与原有的加速度法综合应用，提高了效率。
所制定出桑塔纳2000AMT的动力性与经济性换挡规律的效果均在实际跑车中得到了验证。
图4 实际车辆部分动力性换挡规律
图5 实际车辆部分经济性换挡规律
5 结论
在制定自动变速器换挡规律的过程中，提出了边界点换挡规律，克服了原有换挡规律在实际运用的过程中出现的缺陷，提高了车辆的动力性和安全性。
提出了动力性换挡规律确定的动态驱动力法和经济性换挡规律确定的油门法和车速法，这些方法的综合应用简化了动态三参数换挡规律的制定过程。
上述规律和方法已应用于桑塔纳2000AMT的开发中，并在实际跑车中得到了验证。
(end)
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(6/5/2004) |
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