自动换挡规律分析
2016-03-04 14:25:54   来源:   评论:0 点击:

作者: 厦门金龙客车工程研究院 吴国兵
 
        前言: 随着技术的发展进步,以及人们对车辆舒适性关注的日益提高,自动变速器越来越得到广泛的应用。从驾驶员对变速箱的手动操纵,转变为程序的自动控制,其中涉及变速器对发动机的管理、变速器对车辆行驶状态的监控、离合器的结合规律、换挡规律等等,而其中换挡规律的优劣,直接影响到车辆的油耗、排放及动力性能,因此,换挡规律的确定是极其重要的一个环节。
一、离合器控制
       
在车辆行驶过程中,变速器TCU随时监控车辆运行工况,通过速度、加速度、油门踏板开度、后备功率等信息的获取,以侦测车辆的运行状态,并判断驾驶意图,以决定是否升挡或降挡的档位动作。当TCU决定实施档位动作时,首先会对离合器进行管理。
        离合器动作分为结合和分离二大部分,分离时要做到迅速,但结合时就不能太快,但也不能过慢,太快会使冲击度过大,影响舒适性,过慢则会增加离合器的摩擦功,从而加剧离合器的磨损。因此,需针对离合器的工作过程做好离合器的结合控制策略。

        可以把起步时离合器的结合过程细分为以下几个时间段:

        T1时间段,此阶段为消除离合器间隙阶段,在此阶段,离合器主动件转速等于发动机转速,离合器从动件转速为零,变速器输入轴转速为零。
        T2时间段,此阶段离合器开始结合,但作用在离合器从动件的摩擦力矩不足以克服起步阻力,离合器从动件转速依然为零,变速器输入轴转速为零,车辆不动,离合器开始滑磨。
        T3时间段,从动件的摩擦力矩可以克服起步阻力,车辆开始起步,从动件转速小于主动件,车辆边起步边滑磨。
        T4时间段,从动件转速和主动件同步,离合器输出扭矩取决于发动机扭矩,离合器无滑磨。
        T5时间段,离合器继续结合,直至达到最大压紧力,离合器结合完成。

 分析各时间段离合器工作特征,对离合器的结合速度进行控制,

         T1阶段既无冲击发生,也不会发生滑磨功,这一阶段可以快速完成。
         T2时间段离合器产生摩擦功,但由于此时车辆还是处于静止状态,不会发生冲击,为减少摩擦功,此阶段可以快速完成。
        T3时间段车辆边起步边滑磨,这时过快的结合会导致较大的冲击度,从而使车辆舒适性降低,此阶段应减慢结合速度。
        T4和T5为同步结合阶段,这时不会有冲击发生,可以快速完成。
  因此,离合器的控制采用快-慢-快的策略比较理想,可兼顾摩擦功和冲击度。
 
二、换挡参数设置
 
         换挡参数的选择,即选择何种参数以作为换挡决策的依据,直接决定车辆的换挡规律曲线,并影响车辆换挡性能。
 
        1、单参数换挡规律
即采用一个参数对换挡进行控制,一般选取相对稳定的车速作为控制参数,当车速到达设定定时,即进行相应的换挡动作,换挡曲线如图所示:
 

图一:单参数换挡规律曲线,横坐标为车速,纵坐标为油门开度。
 
 

 
图二:单参数换挡过程曲线,V1为降挡点,V2为升挡点。
 
图一、二反应了换挡的过程,虚线和实线之间的区域为换挡重叠区,重叠区也即换挡延迟的设置是必不可少的,否则,很容易使程序进入循环换挡模式,从而加速硬件系统的损坏。
该换挡规律简单易行,但很难结合发动机的万有特性曲线,以进行最优化的换挡点的选取,并且,无论踏板开度如何变化,换挡点及换挡延迟都恒定不变,使驾驶员无法干预换挡。
 
2、双参数换挡规律
 
双参数换挡模式可以克服单参数模式的弊端,在控制参数中增加加速踏板开度或发动机扭矩等参数,以实现对换挡的控制,一般双参数换挡规律选取的是加速踏板开度与车速来实现,其换挡规律如图所示。
 

图三:双参数换挡规律曲线,横坐标为车速,纵坐标为油门开度。
 

图四:双参数换挡过程曲线。
 
图三、四可以看出,在加速踏板开启角度较大时,重叠延迟区域较小,这种称之为收敛型双参数换挡规律,如加速踏板开启角度较大时,重叠延迟区域相应也较大,则称为发散型双参数换挡规律。双参数换挡规律可以充分利用发动机的万有特性曲线,解决车辆的动力与经济性问题。
收敛型双参数换挡规律,在较小加速踏板角度时增加延迟换挡,以保持低速时档位的稳定性,提高车辆行驶舒适性。
 
但是,双参数换挡规律虽然可以解决单参数换挡规律的弊端,但其自身也存在缺陷,双参数换挡规律可以说是一个匀速稳态工况,无法充分反应车辆的实际运行状态,在车辆运行时,随着道路环境的变化,它不断运行在加速、匀速、减速、加速的动态过程中,因此,非常有必要引入第三个控制换挡的参数,一般都在双参数换挡规律的基础上,增加加速度这一参数,来进行换挡策略的控制,由车速、加速踏板开度、加速度决定的换挡规律,便称之为三参数换挡规律。
 
 三参数换挡规律可以很好解决动力性和经济性的矛盾,根据不同的道路条件,调用最优的换挡策略,使车辆的经济性和动力性都得以保证。
 
三、动力及经济换挡模式
1、动力换挡模式
所谓动力换挡模式,指的是为保证车辆的动力性,使车辆延迟进入一下档位。动力换挡模式的换挡点的选择,可通过计算求得。
在知道车辆参数及发动机万有特性曲线后,可以求出各挡位的加速度曲线,在动力换挡模式下,如相邻档位的加速度曲线有交点,这时就取交点处的车速作为换挡点。如无交点,则取该档位最大车速作为换挡点。通过不同加速踏板开度下的加速度曲线,可以得到一系列的交点,把它们连接起来就可以形成理论上的动力换挡曲线。
 
2、经济换挡模式
所谓经济换挡模式,指的是为保证车辆的经济性,会使车辆提前进入一下档位。经济换挡模式的理论换挡点的选择,同样可通过计算求得。
为实现经济性换挡,需要求在同样驱动力的前提下,根据车速和踏板开度来确定可以实现燃油消耗率最低的档位来运行。在驱动力曲线上,可以得到不同档位、不同踏板开度的各组曲线,在油耗率曲线上找出对应的点,即可知道各踏板开度下的经济换挡点。
 
四、综合换挡模式
  车辆在实际行驶过程中,有时需要经济模式,有时需要动力模式,这时,单一的经济或动力换挡模式就无法满足车辆的实际使用需要。为解决这一问题,可考虑采用综合换挡模式,在换挡模式中兼顾动力性和经济性。一般在大油门时按动力模式换挡,中油门时采用经济换挡模式。
 
五、总结
 
 综上所述,自动换挡策略模式的制定,应兼顾动力性和经济性,选取合适的控制参数,以充分适应实际道路运行工况,使车辆达到良好的经济性能时,又可有良好的动力性能。
 
 
 参考文籍:
1、葛安林. 车辆自动变速理论与设计. 北京: 机械工业出版社, 1993.
2、德HaRALD Naunheimer 汽车变速速理论基础、选择、设计与应用,北京: 机械工业出版社, 2013.
 

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