乘用車雙離合器式自動變速器坡路模式換擋規(guī)律標(biāo)定的研究

張學(xué)鋒 楊俊 陳國棟 王昊 武斐

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

乘用車雙離合器式自動變速器坡路模式換擋規(guī)律標(biāo)定的研究

張學(xué)鋒 楊俊 陳國棟 王昊 武斐

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

通過理論計(jì)算和實(shí)車驗(yàn)證分析雙離合器自動變速器車輛在坡路行駛時(shí)產(chǎn)生的換擋循環(huán)、換擋頻繁、動力不足等問題。為獲得更好的駕駛性，根據(jù)上坡模式的基本設(shè)定原則和零加速度點(diǎn)的計(jì)算方法，制定一種針對坡路模式的換擋規(guī)律，并進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在坡路上行駛時(shí)使用坡路模式換擋規(guī)律的車輛動力性明顯增強(qiáng)，換擋次數(shù)明顯減少，在保證經(jīng)濟(jì)性的情況下提高了車輛在坡路上的駕駛性。

1 前言

雙離合器式自動變速器（Dual Clutch Transmission，DCT）即可以克服MT換擋動力中斷的缺點(diǎn)，又具有傳動效率高的優(yōu)點(diǎn)[1]。其換擋規(guī)律的好壞對車輛的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、安全性及舒適性等都有較大影響，是DCT的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。

坡路模式分為上坡模式和下坡模式，由于上坡模式對坡路模式駕駛性影響最大，因此只針對上坡模式進(jìn)行討論。當(dāng)車輛在坡路行駛時(shí)因受力狀態(tài)的改變，行駛時(shí)會產(chǎn)生換擋循環(huán)、換擋頻繁、動力不足等問題，因此引入單獨(dú)針對坡路模式的換擋規(guī)律就非常必要。本文對坡路行駛時(shí)的受力進(jìn)行分析和計(jì)算，并通過改變升擋線、降擋線和禁止使用特定高擋位制定出坡路模式的換擋規(guī)律[3]。

2 車輛坡路行駛時(shí)問題分析

裝有固定傳動比變速器的車輛行駛時(shí)受力為[4]：

式中，F(xiàn)t為車輛驅(qū)動力；Ff為車輛滾動阻力；Fi為車輛坡度阻力；Fw為車輛空氣阻力；Fj為車輛加速阻力。

在平路穩(wěn)速行駛的車輛受力示意如圖1所示，其中m為車輛質(zhì)量，v為車速。其受力公式為：

在坡路上穩(wěn)速行駛的車輛受力示意如圖2所示，其中G為車輛重量，其受力公式為：

汽車驅(qū)動力和行駛阻力的關(guān)系如圖3所示，其中Ft、Ft+1分別為低擋和高擋的驅(qū)動力，F(xiàn)f+Fw+Fi、Ff+Fw分別為坡度和平路情況下的行駛阻力。

由圖3可以看出，當(dāng)上坡時(shí)車輛額外增加了坡路阻力，與平路行駛情況下的受力不同，因此可能導(dǎo)致平路情況下的換擋規(guī)律應(yīng)用到坡路時(shí)出現(xiàn)如圖4所示情況[5]，其中實(shí)線代表1～7擋升擋線，虛線代表7～1擋降擋線，具體有以下情況：

a.換擋循環(huán)。在坡路行駛時(shí)，當(dāng)定油門加速從b點(diǎn)到a點(diǎn)，越過升擋線升擋后動力不足，車速又從a點(diǎn)降回到b點(diǎn)，降擋后又開始加速到a點(diǎn)升擋，如此循環(huán)后就在a與b點(diǎn)之間產(chǎn)生了換擋循環(huán)。

b.頻繁換擋。當(dāng)出現(xiàn)上述換擋循環(huán)時(shí)，駕駛員有可能在a點(diǎn)踩油門到c點(diǎn)，但是如果操作不慎很可能落在d點(diǎn)而出現(xiàn)降擋，這與駕駛員的意愿不符；到d點(diǎn)后，車輛加速度增加，駕駛員松油門，此時(shí)可能落在c點(diǎn)（在同一擋位），也可能落在a點(diǎn)（升擋，導(dǎo)致a點(diǎn)與d點(diǎn)的換擋循環(huán)）。這種不希望的換擋一直重復(fù)進(jìn)行，如此造成頻繁換擋，駕駛員無法找到一個合適的油門來維持車速，行駛舒適性變差。

c.由于坡度阻力的增加，某些高擋位已不適用。

由于頻繁換擋，不僅不能省油或提高動力性,還可能由于換擋時(shí)無用能量消耗和動力切斷時(shí)間比例過高而損失經(jīng)濟(jì)性和動力性，并且造成換擋部件的磨損[6]。為了避免這種問題的發(fā)生，在坡路時(shí)應(yīng)用特定的坡路模式換擋規(guī)律就顯得尤為必要[7]。

3 坡路模式換擋規(guī)律的標(biāo)定原則

上坡模式的基本標(biāo)定原則如下：

a.應(yīng)提高低擋的使用范圍，以產(chǎn)生較大的功率用于克服較大的行駛阻力，維持較大的加速度。升擋線可在運(yùn)動模式的基礎(chǔ)上右移確定，但是要考慮噪聲問題。

b.降擋線與升擋線的豎向間距適當(dāng)減小，通過提早降擋獲取額外動力。

c.由于松開油門踏板后車輛減速較快，因此降擋線與升擋線之間的橫向間距可適當(dāng)加大以避免換擋頻繁。

d.由于驅(qū)動力不足，可禁止使用某些速比較小的高擋位（直接擋或高擋位）。

車輛有加速能力時(shí)才能進(jìn)行上坡行駛，當(dāng)車輛加速度小于零時(shí)，車輛上坡時(shí)會產(chǎn)生困難，所以確定坡度時(shí)的各擋位零加速度線就顯得非常重要。

車輛行駛時(shí)的行駛方程式為：

其中，車速計(jì)算公式為：

式中，Ttq為發(fā)動機(jī)扭矩；i0為主減速比；ig為擋位速比；η為轉(zhuǎn)動效率；r為車輪半徑；f為滾動阻力系數(shù)；CD為迎風(fēng)面積；A為空氣阻力系數(shù)；i為坡度阻力系數(shù)；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)；du/dt為加速度；ne為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。

發(fā)動機(jī)扭矩是節(jié)氣門開度和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù)：

式中，α為節(jié)氣門開度。

令加速度du/dt=0，由式（4）、式（5）確定ne和Ttq的關(guān)系，且根據(jù)公式（6）進(jìn)行插值可確定節(jié)氣門開度大小，從而可以確定不同擋位對應(yīng)的零加速度線。發(fā)動機(jī)特性曲線如圖5所示。

分別在5%坡度和8%坡度下確定零加速度線后畫入換擋圖中，如圖6和圖7所示。

由圖6可以看出，6、7擋使用區(qū)間幾乎都在對應(yīng)換擋線的右面，說明在5%坡度下6、7擋加速度小于零，驅(qū)動力不足，在5%坡度上坡時(shí)不可用。

由圖7可以看出，5、6、7擋使用區(qū)間幾乎都在對應(yīng)擋換擋線的右面，說明在8%坡度下5、6、7擋加速度小于零，驅(qū)動力不足，在8%坡度上坡時(shí)不可用。

中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)-JTG B01 2003》公路等級標(biāo)準(zhǔn)如表1所列，公路坡度標(biāo)準(zhǔn)如表2所列[8]。

表1 公路等級標(biāo)準(zhǔn)

表2 公路最大縱坡度標(biāo)準(zhǔn)

為了更好的利用坡路模式的換擋規(guī)律，根據(jù)坡度的不同可以分為兩個坡路模式，在3%～8%坡度一般利用坡路模式1，在8%～13%坡度激活坡路模式2，對于大于13%的大坡度建議使用手動模式駕駛。坡路模式1主要覆蓋高速公路、一級公路，坡路模式2主要覆蓋二、三、四級公路和鄉(xiāng)村道路及坡度比較大的山路。坡路模式激活、解除坡度方式如表3所列。

表3 坡路模式激活、解除坡度方式

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本換擋規(guī)律的實(shí)用性，以某DCT車輛（總成結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)如表4所列）為研究對象，選取具有典型山路工況的海南五指山進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，從五指山農(nóng)林技術(shù)學(xué)校至阿陀嶺的坡度長8.4 km，平均坡度5.64%，坡度覆蓋范圍為0～16%，完全符合試驗(yàn)坡路模式換擋規(guī)律的試驗(yàn)條件。

表4 車輛總成結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

4.1 駕駛性驗(yàn)證

在海南五指山實(shí)車試驗(yàn)中，在五指山農(nóng)林技術(shù)學(xué)校到阿陀嶺這段山路上，同一車輛、同一駕駛員使用前進(jìn)擋駕駛，分別應(yīng)用激活坡路模式和不激活坡路模式進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖8和圖9所示。

兩次試驗(yàn)的各擋位利用率和各性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)如表5和表6所列。

表5 試驗(yàn)各擋位利用率統(tǒng)計(jì) %

表6 試驗(yàn)各指標(biāo)對比

試驗(yàn)表明，兩次試驗(yàn)的平均車速和駕駛時(shí)間幾乎相同，但是激活坡路模式后，平均油門開度減小，使用率最高的擋位也從5擋變?yōu)?擋，換擋次數(shù)減少，并且19次激活了坡路模式。

4.2 經(jīng)濟(jì)性驗(yàn)證

兩種模式試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性比較如圖10所示，其中實(shí)線為等油耗率線，虛線為等功率線。

在圖10中，點(diǎn)a′、b′分別為未激活坡路模式和激活坡路模式發(fā)動機(jī)行駛的平均有效扭矩、平均發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速標(biāo)記到發(fā)動機(jī)萬有特性圖上的兩點(diǎn)，由萬有特性圖可以看出a′、b′兩點(diǎn)對應(yīng)的油耗率分別為253g/（kW·h）和260g/（kW·h）。由圖10可以看出，激活坡路模式后駕駛性有明顯的改善，但是油耗只增加2.77%。

5 結(jié)束語

a.應(yīng)用坡路模式換擋規(guī)律后，在激活坡路模式的駕駛中，低擋位利用率明顯增高，相同車速下油門踏板開度減小22.22%，換擋次數(shù)減少了49.23%，駕駛性明顯增強(qiáng)，而油耗增加量不到3%。

b.通過分析自動擋汽車在坡路行駛時(shí)由于受力情況的改變而產(chǎn)生的頻繁換擋、循環(huán)換擋、動力不足的情況，根據(jù)設(shè)定的原則和計(jì)算分析制定了坡路模式的換擋規(guī)律，此方法可操作性強(qiáng)且易于實(shí)現(xiàn)。

1 孫冬野,王聰.發(fā)動機(jī)負(fù)扭矩工況下的DCT傳動系統(tǒng)換擋控制策略.中國機(jī)械工程,2013,24（19）:2692～2697.

2 何寧,趙治國，李瑜婷.雙離合器自動變速器換擋規(guī)律及其仿真評價(jià).中國機(jī)械工程,2011,22（3）:367～373.

3 何曉鵬.車輛自動換擋規(guī)律的研究：[學(xué)位論文].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2007.

4 余志生.汽車?yán)碚?北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

5 李磊,章國勝,宋健,等.基于等效坡度的自動手動變速器換擋規(guī)律研究.公路交通科技,2011,28（2）:144～148.

6 SUN Dongye,LUO Yong,QIN Datong.Integrated Control Strategy for CVT Powertrains with Consideration of Vehicle Drivability.CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGI?NEERING，2012,25（3）:515～523.

7 朱小佩.轎車自動變速器換擋規(guī)律的研究與仿真：[學(xué)位論文].上海：同濟(jì)大學(xué)，2006.

8 中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，JBG B01—2003公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn).中華人民共和國交通部.2004.3.1.

（責(zé)任編輯晨 曦）

修改稿收到日期為2015年3月1日。

Research on Calibration of Slope Shift Schedule for DCT Passenger Car

Zhang Xuefeng,Yang Jun,Chen Guodong,Wang Hao,Wu Fei
（China FAW Co.,Ltd R&D Center）

The paper analyzes the problems of cyclic shifting,frequent shifting and insufficient power of DCT vehicle with theoretical calculation and real vehicle test.In order to obtain a better driveability,a slope mode shiftschedule is established based on the basic setting principle of upslope mode and the calculation method of zero acceleration point,and is put to vehicle test.Test results show that the vehicle power improves obviously and the number of shift times reduces significantly with the slope mode shift schedule when driving in slope conditions.This shift schedule can improve the driveability while guaranteeing the fuel economy.

Passenger car,DCT,Slope mode,Shift schedule

乘用車 雙離合器式自動變速器 坡路模式 換擋規(guī)律

U463.2

A

1000-3703（2015）05-0041-04