制動(dòng)工況下機(jī)械式自動(dòng)變速箱車(chē)輛換擋規(guī)律研究

薛 敏，高 崗，秦孝明，薛運(yùn)軍

（東風(fēng)汽車(chē)公司技術(shù)中心，武漢 430070）

制動(dòng)工況下機(jī)械式自動(dòng)變速箱車(chē)輛換擋規(guī)律研究

薛 敏，高 崗，秦孝明，薛運(yùn)軍

（東風(fēng)汽車(chē)公司技術(shù)中心，武漢 430070）

從采用一般換擋規(guī)律的AMT車(chē)輛在制動(dòng)工況下容易出現(xiàn)的問(wèn)題出發(fā)，分析了意外換擋和緊急制動(dòng)意外加速的原因；按制動(dòng)強(qiáng)度不同制定了中強(qiáng)度、高強(qiáng)度制動(dòng)控制換擋規(guī)律。通過(guò)仿真分析，驗(yàn)證此方法可以有效解決制動(dòng)工況的換擋問(wèn)題。

自動(dòng)變速器；制動(dòng)工況；意外換擋；換擋規(guī)律

AMT（Automated Mechanical Transmission）要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋需制定合理的換擋控制策略。在實(shí)際生活中車(chē)輛只有10%~50%的時(shí)間處于穩(wěn)定行駛工況[1]，但基本的換擋控制策略多數(shù)是根據(jù)車(chē)輛行駛在這些穩(wěn)定工況上來(lái)確定的。當(dāng)汽車(chē)處于動(dòng)態(tài)變化的行駛工況時(shí)還繼續(xù)以基本換擋規(guī)律控制換擋，會(huì)出現(xiàn)意外換擋[2]，這不僅影響車(chē)輛的動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)還會(huì)降低乘坐舒適性和可駕駛性。因此，本文針對(duì)在制動(dòng)行駛工況下車(chē)輛的自動(dòng)換擋規(guī)律進(jìn)行研究，并進(jìn)行仿真，即對(duì)基本換擋進(jìn)行修正以符合實(shí)際情況。

1 自動(dòng)變速車(chē)輛制動(dòng)工況下產(chǎn)生的問(wèn)題

采用基本雙參數(shù)、三參數(shù)控制的電控機(jī)械自動(dòng)變速器，不能準(zhǔn)確反映路況信息。在制動(dòng)時(shí)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度發(fā)生快速變化，車(chē)輛會(huì)發(fā)生意外換擋[2]，違背駕駛員意圖，引起車(chē)輛的換擋沖擊。

1.1 意外換擋問(wèn)題

如圖1，假定汽車(chē)車(chē)速在定節(jié)氣門(mén)開(kāi)度下由A點(diǎn)升高至B點(diǎn)，到達(dá)三、四擋擋換擋重合區(qū)。此時(shí)由于路況（彎道、坡道等）駕駛員突然急劇減小節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，在節(jié)氣門(mén)開(kāi)度快速變化情況下，油門(mén)慣性小，而汽車(chē)慣性較大，車(chē)速變化相對(duì)于油門(mén)變化會(huì)存在滯后現(xiàn)象[3]，使得節(jié)氣門(mén)開(kāi)度與車(chē)速的關(guān)系曲線按照BC線變化至C點(diǎn)，穿越四擋擋升擋擋線導(dǎo)致意外升擋擋。車(chē)輛升入四擋擋后，假設(shè)在此節(jié)氣門(mén)開(kāi)度下車(chē)速降低至D點(diǎn)，若此時(shí)動(dòng)態(tài)路況結(jié)束，駕駛員意圖加速保持行駛，由于油門(mén)與汽車(chē)慣性問(wèn)題，且油門(mén)變化率過(guò)大，關(guān)系曲線按照DA線變化至A點(diǎn)，此時(shí)車(chē)輛意外降入三擋擋[4]。這些顯然與駕駛員的意圖不符。

1.2 緊急制動(dòng)問(wèn)題

目前人們大多數(shù)駕駛的為采用真空剎車(chē)助力器的汽油車(chē)，由于制動(dòng)助力器真空管里的真空來(lái)自于進(jìn)氣道，當(dāng)汽車(chē)油門(mén)踏板深踩，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度很大時(shí)進(jìn)氣道里的真空度非常小，此時(shí)制動(dòng)助力器沒(méi)有充足的助力，傳給駕駛者最直接的感受就是制動(dòng)好像“失靈”了。若車(chē)輛在超車(chē)或者上陡坡節(jié)氣門(mén)開(kāi)度100%時(shí)有突發(fā)狀況需要緊急制動(dòng)，這時(shí)由于制動(dòng)系統(tǒng)沒(méi)有充足助力，車(chē)速不能立刻下降，車(chē)輛減速停止的時(shí)間變長(zhǎng)，在此期間由于節(jié)氣門(mén)開(kāi)度和車(chē)輛慣性過(guò)大，有可能造成自動(dòng)變速器不正確換擋，這將嚴(yán)重影響車(chē)輛的行車(chē)安全。

2 制動(dòng)行駛工況換擋規(guī)律制定

當(dāng)車(chē)輛處于制動(dòng)工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)由主動(dòng)端變?yōu)楸粍?dòng)端，并與制動(dòng)器一同吸收車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)能量以降低車(chē)速，即為發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)，此時(shí)，車(chē)輛的模型已發(fā)生改變，故原有基本換擋規(guī)律已不再適用[5]。

由于小強(qiáng)度制動(dòng)下駕駛員一般采用點(diǎn)剎，對(duì)整個(gè)車(chē)輛控制系統(tǒng)的影響不大，故本文選擇考慮車(chē)輛連續(xù)下坡時(shí)的中強(qiáng)度制動(dòng)工況和在加速中電子油門(mén)卡死或失靈時(shí)遇到緊急情況的高強(qiáng)度制動(dòng)優(yōu)先工況來(lái)制定修正制動(dòng)工況下的自動(dòng)變速器的換擋控制策略。

2.1 中強(qiáng)度制動(dòng)工況換擋規(guī)律的制定

中強(qiáng)度持續(xù)制動(dòng)是指車(chē)輛以0.2 g～0.5 g的制動(dòng)強(qiáng)度且時(shí)間較長(zhǎng)的制動(dòng)[6]。這種制動(dòng)常見(jiàn)于車(chē)輛在連續(xù)下長(zhǎng)坡時(shí)的持續(xù)制動(dòng)。下坡時(shí)若只靠制動(dòng)踏板剎車(chē)來(lái)控制車(chē)速，剎車(chē)片易由于溫度過(guò)高而失效，十分危險(xiǎn)。因此下坡時(shí)需要采用發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部阻力矩輔助制動(dòng)，且常見(jiàn)的下坡制動(dòng)工況下自動(dòng)變速器換擋策略是保持擋位不變，禁止升擋。

根據(jù)汽車(chē)行駛方程式，且取δn= 1，cosα≈1，sinα≈i，那么在下長(zhǎng)坡時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)輔助制動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩等效于阻力矩，相當(dāng)于是整車(chē)帶著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，故車(chē)輛行駛方程式變?yōu)槭剑?）[7]：

本文設(shè)定Fx為 等效路面的總阻力，且Fx=Ff+Fw+Fi。根據(jù)上式可以得出各擋位驅(qū)動(dòng)力和等效路面總阻力隨車(chē)速變化的曲線，如圖2所示，其中，實(shí)線為各擋位Ft， 虛線分別為坡度為10°、15°時(shí)的。

從圖2中可以看出，只有一擋驅(qū)動(dòng)力曲線基本在15°阻力曲線之上，二擋驅(qū)動(dòng)力曲線大部分在10°阻力曲線之上，這說(shuō)明車(chē)輛只有在一擋或二擋才能在坡度10°以上的路面正常行駛。而對(duì)于三擋、四擋，即便車(chē)速達(dá)到了很高，大部分區(qū)域Ft均 小于Fx， 此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)效果較弱，若保持擋位不變，則會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛加速，十分危險(xiǎn)。因此，在下坡時(shí)，僅僅做到保持擋位是不夠的，還要根據(jù)當(dāng)前坡度和擋位適時(shí)降擋，才能有效利用發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)控制車(chē)速[7]。

制動(dòng)初期，車(chē)輛會(huì)利用發(fā)動(dòng)機(jī)的制動(dòng)力矩，減少制動(dòng)摩擦所造成的磨損以及能量損失，此時(shí)駕駛員主要通過(guò)點(diǎn)剎的方式來(lái)控制車(chē)速，因此制動(dòng)踏板信號(hào)處于實(shí)時(shí)變化的不穩(wěn)定狀態(tài)，不能作為辨識(shí)該工況的依據(jù)[6]。當(dāng)制動(dòng)踏板開(kāi)度超過(guò)一定的制動(dòng)強(qiáng)度時(shí)，則應(yīng)該在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)降入抵擋。

由文獻(xiàn)[8]可知，發(fā)動(dòng)機(jī)輔助制動(dòng)力矩可以表示為：

式中：Mm0為與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)的常量；ne為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；k為由發(fā)動(dòng)機(jī)特性確定的常數(shù)。

傳遞到驅(qū)動(dòng)輪的輔助制動(dòng)力為：

式中：η為傳動(dòng)系統(tǒng)的傳遞效率；ig、i0為當(dāng)前擋位和主減速器的傳動(dòng)比；r為車(chē)輪半徑。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)[9]的要求，車(chē)輛在各種裝載狀態(tài)時(shí)，前軸利用附著系數(shù)應(yīng)在后軸利用附著系數(shù)曲線之上[6]。由此可知，為了保證車(chē)輛行駛的穩(wěn)定性，需要在后軸利用附著系數(shù)大于前軸利用附著系數(shù)之前降擋，使車(chē)輛進(jìn)入主動(dòng)降擋換擋規(guī)律控制狀態(tài)[6]。

根據(jù)式（2）、（3），當(dāng)車(chē)速為vx，擋位傳動(dòng)比為ix時(shí)，傳遞至車(chē)輪的輔助制動(dòng)力和等效制動(dòng)強(qiáng)度分別為：

由上式可知，在擋位低ix大 時(shí)輔助制動(dòng)力較大，制動(dòng)效果好，當(dāng)相鄰兩擋位傳動(dòng)比相差多的時(shí)候制動(dòng)效果的增強(qiáng)會(huì)更加明顯。

根據(jù)傳動(dòng)系與發(fā)動(dòng)機(jī)的特性，主動(dòng)降擋時(shí)需設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在特定的運(yùn)行范圍之內(nèi)[10]，否則轉(zhuǎn)速過(guò)小會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)一發(fā)生降擋動(dòng)作就熄火，轉(zhuǎn)速過(guò)大會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)降擋后由于傳動(dòng)比的增大而轉(zhuǎn)速過(guò)高。本文根據(jù)設(shè)定的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍和式（5），得出在該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的等效制動(dòng)強(qiáng)度ze范 圍為[zemin,zemax]。設(shè)定當(dāng)實(shí)際制動(dòng)強(qiáng)度在[zemin, zemax]范圍內(nèi)時(shí)主動(dòng)降擋規(guī)律才起作用，把對(duì)應(yīng)的期望等效制動(dòng)強(qiáng)度記為ze(z)，則有以下關(guān)系：

當(dāng)z＞ze( z)時(shí)，擋位保持不降擋；當(dāng)z≤ze( z)時(shí)，在當(dāng)前擋位降低一擋。

在相應(yīng)各擋位的傳動(dòng)比下計(jì)算前、后軸利用附著系數(shù)相等時(shí)所對(duì)應(yīng)的車(chē)速，并根據(jù)上述公式結(jié)合文獻(xiàn)[11]即可得到中強(qiáng)度持續(xù)制動(dòng)時(shí)不同制動(dòng)強(qiáng)度下降入抵擋的車(chē)速[6]。所制定的主動(dòng)降擋換擋規(guī)律的曲線如圖3所示。

由圖可知降擋原則為制動(dòng)強(qiáng)度越大，換入低擋的時(shí)刻越早。按圖3中換擋規(guī)律建立主動(dòng)降擋控制模塊，并建立制動(dòng)強(qiáng)度識(shí)別模塊，當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度滿足中強(qiáng)度制動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，主動(dòng)降擋換擋策略啟動(dòng)使用。

2.2 高強(qiáng)度制動(dòng)工況換擋規(guī)律的制定

高強(qiáng)度制動(dòng)狀態(tài)是指制動(dòng)踏板行程很大，此時(shí)駕駛員的主要意圖是使車(chē)速盡快平穩(wěn)下降至安全速度或者停車(chē)，一般該過(guò)程的制動(dòng)強(qiáng)度大于0.5 g[7]。對(duì)于此類(lèi)制動(dòng)工況，在制動(dòng)期間車(chē)速v已降到臨界值以下，因此車(chē)輛不會(huì)出現(xiàn)因制動(dòng)程度過(guò)深或發(fā)動(dòng)機(jī)減速過(guò)快而造成的發(fā)動(dòng)機(jī)熄火現(xiàn)象。且一般針對(duì)高強(qiáng)度制動(dòng)的自動(dòng)變速器換擋策略是在制動(dòng)強(qiáng)度超過(guò)一定界限時(shí)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)換入空擋[12]。

由上所述，本小節(jié)只考慮當(dāng)車(chē)輛電子節(jié)氣門(mén)卡死或者判斷滯后的時(shí)候，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度很大且高強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)車(chē)輛的換擋控制策略，采用以車(chē)速為控制參數(shù)的單參數(shù)換擋規(guī)律，并且當(dāng)制動(dòng)踏板和油門(mén)踏板都顯示有行程時(shí)優(yōu)先考慮制動(dòng)。

具體換擋控制策略為當(dāng)傳感器反饋制動(dòng)踏板有行程且節(jié)氣門(mén)開(kāi)度較大時(shí)通過(guò)ECU判斷切斷油門(mén)信號(hào)，并快速將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降至怠速狀態(tài)，即在基本換擋模型中加入制動(dòng)優(yōu)先判斷模塊，如圖4所示。

3 仿真分析

3.1 中強(qiáng)度制動(dòng)工況仿真分析

使用Simulink中的Signal Builder模塊建立中強(qiáng)度制動(dòng)行駛工況如圖5所示，模擬車(chē)輛在下長(zhǎng)坡時(shí)駕駛員松開(kāi)油門(mén)并踩下制動(dòng)踏板，且加入坡度為10°的道路環(huán)境，其中模擬的制動(dòng)輸入為制動(dòng)力矩，單位N·m，設(shè)置仿真時(shí)間為100 s，采樣時(shí)間為1 s。

得到的仿真結(jié)果如圖6所示。

從圖6（b）所示在坡度為10°的下坡工況下?lián)跷蛔罱K降至二擋，車(chē)速也維持在20~30 km/h之間，對(duì)照?qǐng)D2可知此自動(dòng)降擋模型運(yùn)行正確。

對(duì)比圖6中兩個(gè)仿真結(jié)果可以明顯得出按照基本換擋規(guī)律換擋的模型在仿真時(shí)間22 s出現(xiàn)制動(dòng)時(shí)開(kāi)始降速，在25 s坡度出現(xiàn)的時(shí)候繼續(xù)降速但由于坡度較小制動(dòng)強(qiáng)度不夠速度降低較慢且在60 s才開(kāi)始降擋，降至二擋的時(shí)間為85 s左右；而采用自動(dòng)降擋控制策略的模型在25 s坡度出現(xiàn)是識(shí)別出下坡工況，速度繼續(xù)迅速下降且在25s坡度出現(xiàn)時(shí)自動(dòng)降一擋，識(shí)別坡度持續(xù)出現(xiàn)后繼續(xù)降擋，在45 s左右就達(dá)到二擋擋位。以上說(shuō)明采用自動(dòng)降擋控制策略的模型可以很好的識(shí)別下坡工況，降擋及時(shí)，能夠快速跟隨駕駛員的操作意圖。

3.2 高強(qiáng)度制動(dòng)工況仿真分析

同上節(jié)，使用Simulink中的Signal Builder模塊建立制動(dòng)優(yōu)先行駛工況如圖7所示，在節(jié)氣門(mén)開(kāi)度100%時(shí)突發(fā)狀況緊急制動(dòng)，但由于電子油門(mén)卡死，在制動(dòng)力矩出現(xiàn)時(shí)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度沒(méi)有及時(shí)發(fā)生變化。設(shè)置仿真時(shí)間為50 s，采樣時(shí)間為1 s進(jìn)行仿真。

仿真結(jié)果如圖8所示，圖中從上至下依次表示車(chē)速(虛線)、節(jié)氣門(mén)開(kāi)度、擋位、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和液力變矩器閉鎖信號(hào)。

從圖8（a）、（b）兩圖的對(duì)比可以明顯看出，未采用制動(dòng)優(yōu)先系統(tǒng)的車(chē)輛在仿真時(shí)間10 s時(shí)，制動(dòng)力突然出現(xiàn)但節(jié)氣門(mén)開(kāi)度沒(méi)有變化的情況下沒(méi)有立刻減速，而是繼續(xù)加速至15 s在節(jié)氣門(mén)開(kāi)度變化后才開(kāi)始減速；采用制動(dòng)優(yōu)先系統(tǒng)依照制動(dòng)優(yōu)先判斷換擋規(guī)律的車(chē)輛在相同狀況下，在10 s時(shí)立刻開(kāi)始減速，在制動(dòng)踏板、油門(mén)踏板均有行程的時(shí)候優(yōu)先考慮依照制動(dòng)控制，由于本文模型沒(méi)有建立制動(dòng)系統(tǒng)，在減速過(guò)程中出現(xiàn)車(chē)速小幅度提升，但此時(shí)油門(mén)踏板開(kāi)度沒(méi)有深踩，制動(dòng)力恢復(fù)可以保證安全制動(dòng)。兩種換擋策略都可以按照要求完成降擋操作，但很明顯可以看出，未采用制動(dòng)優(yōu)先系統(tǒng)的車(chē)輛在35 s左右開(kāi)始降擋到達(dá)一擋時(shí)間為42 s；采用制動(dòng)優(yōu)先系統(tǒng)車(chē)輛在27 s左右開(kāi)始降擋，在37 s左右到達(dá)一擋擋位，能保證快速反應(yīng)降擋且保持車(chē)輛的安全制動(dòng)距離。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在傳統(tǒng)雙參數(shù)換擋規(guī)律的基礎(chǔ)上，根據(jù)車(chē)輛在制動(dòng)工況上遇到的各種問(wèn)題，建立了中、高強(qiáng)度制動(dòng)工況下的換擋控制策略，并用Matlab建模仿真，對(duì)傳統(tǒng)換擋規(guī)律和制動(dòng)換擋規(guī)律進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，修正后的換擋策略能有效解決制動(dòng)工況下車(chē)輛的意外換擋等問(wèn)題，使車(chē)輛更加符合駕駛意圖換擋，能夠提高車(chē)輛的換擋品質(zhì)。

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專(zhuān)家推薦

陳 跡：

作為對(duì)車(chē)輛行駛過(guò)程中AMT基本換擋策略的補(bǔ)充和完善，本文分析了在不同制動(dòng)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)和整車(chē)的相應(yīng)工況，結(jié)合駕駛者所期望的整車(chē)表現(xiàn)，總結(jié)出AMT在制動(dòng)工況下的換擋規(guī)律和策略，以解決制動(dòng)工況中的換擋問(wèn)題，提高車(chē)輛的換擋品質(zhì)，對(duì)AMT換擋策略的制定開(kāi)發(fā)具有參考借鑒意義。

The Study about Gear Shift Rules for Mechanical Automatic Transmission Vehicles on Braking Condition

XUE Min, GAO Gang, QIN Xiao-ming, XUE Yun-jun
（Dongfeng Motor Corporation Technical Center, Wuhan, 430070, China）

Based on the problems what appears when AMT vehicle with traditional shift rule is traveling in brake conditions, this paper analyzed the reasons of unexpected shift up and emergency brake with unexpected acceleration, established shift rules about high strength braking condition and middle strength braking condition, established a comprehensive control shift strategy.By simulation analysis, effectiveness of this measure is verified.

automatic transmission; brake recognition; unexpected gear shift; brake shift rule

U463.2

A

1005-2550（2014）05-0016-06

10.3969/j.issn.1005-2550.2014.05.004

2014-02-14