張曉聰， 孫 良， 王偉達， 閆清東

(北京理工大學 車輛傳動國家重點實驗室，北京100081)

某礦用汽車動力性換擋規(guī)律設計及優(yōu)化

張曉聰， 孫 良， 王偉達， 閆清東

(北京理工大學 車輛傳動國家重點實驗室，北京100081)

針對礦用汽車設計了動力性換擋規(guī)律，利用MATLAB/Simdriveline建立整車動力學模型進行仿真，驗證了車輛的動力性能. 為了得到針對所建仿真模型最優(yōu)的換擋點，提出以加速時間為目標，用ISIGHT調(diào)用MATLAB對換擋點進行優(yōu)化，并與設計換擋規(guī)律進行動力性對比. 結果表明，優(yōu)化得到的換擋規(guī)律加速時間減少、動力性更好.該方法可以方便、快速、有效地修正優(yōu)化變量，對換擋規(guī)律設計和改進以及其他動力學仿真中參數(shù)的優(yōu)化有實際意義.

礦用汽車；動力性換擋規(guī)律；優(yōu)化；建模與仿真

作為主要工作在礦山上的重型車輛，礦用汽車是一種特殊的非公路車輛，行駛路況復雜、工作環(huán)境惡劣、負載變化范圍很大、動力性和經(jīng)濟性較差，換擋規(guī)律的制定對礦用汽車尤為重要.

按理論設計的換擋規(guī)律，雖在一定程度上可使汽車獲得最佳的性能指標，但并沒有考慮到汽車行駛環(huán)境和駕駛員的操縱習慣以及控制策略等對整個換擋過程的影響.因而，可以采用優(yōu)化軟件對其優(yōu)化得到實際更優(yōu)解. 國內(nèi)針對礦用汽車AT自動換擋規(guī)律的優(yōu)化相對較少，且多采用Cruise軟件優(yōu)化. 倪計民，周良鋒使用Cruise軟件建立模型，對公交客車的換擋規(guī)律進行優(yōu)化[1-2]. 趙璐對商用車AMT運用Cruise軟件進行了最佳燃油經(jīng)濟性換擋規(guī)律優(yōu)化計算[3]. 鐘鑫針對某些工況發(fā)生頻繁換擋、錯誤換擋的現(xiàn)象，對公交車液力機械自動變速器綜合性換擋規(guī)律進行了智能修正[4]，但其方法較復雜，不具有普遍性. 文獻[5]提出一種換擋圖設計方法，保證了經(jīng)濟性、操縱性、穩(wěn)健性等. 國內(nèi)一些高校在該領域取得了一定的成果，葛安林提出了智能換擋的概念并對換擋品質(zhì)的評價體系進行了完善[6]. 趙丁選、龔捷教授的團隊對工程車輛建立三參數(shù)、四參數(shù)換擋規(guī)律以及進行了自適應神經(jīng)網(wǎng)絡自動換擋控制、模糊控制等的研究[7-9]. 于濤、魏巍等對高速軍用推土機進行了換擋規(guī)律和換擋品質(zhì)的優(yōu)化[10-11]. 席軍強、陳慧巖等提出一種換擋規(guī)律逆向試驗解析方法[12]. 文獻[13]應用Cruise對AMT的經(jīng)濟性換擋規(guī)律進行了優(yōu)化和仿真. 張炳力對叉車建立了基于車速和油門開度的動力性換擋規(guī)律，并針對坡道工況采用模糊控制對換擋規(guī)律輸出的理論擋位進行修正[14].

文中設計了基于車速與油門開度的組合型動力性換擋規(guī)律，利用MATLAB /Simdriveline 基于模塊化建模方法，建立了某礦用汽車的仿真模型，并進行仿真分析. 所建模型用于對換擋規(guī)律的研究分析，通過仿真結果確定換擋規(guī)律的可靠性、有效性和控制器控制功能是否達到預先設定的要求. 之后應用ISIGHT優(yōu)化軟件，聯(lián)合MATLAB 對換擋規(guī)律進行協(xié)同仿真優(yōu)化設計. 該方法簡單有效，適用性強.

1 動力性換擋規(guī)律設計

文中采用組合型動力性換擋規(guī)律，油門開度大于40%時為基于車速和油門開度的雙參數(shù)換擋規(guī)律，低于40%時為基于車速的單參數(shù)換擋規(guī)律. 最佳動力性換擋特性通常以相鄰兩擋在換擋過程中各油門開度下牽引力與車速的關系、加速度與車速的關系來描述[15].

換擋規(guī)律求解過程用到的主要參數(shù)如表1.

表1 計算參數(shù)

由于其中涉及到液力變矩器的閉解鎖問題，提出下面的閉解鎖策略.

(1)1 擋不閉鎖，為全液力工況；2擋進行閉解鎖控制；3到6擋全為機械工況.

(2)換擋過程解鎖，利用液力元件的緩沖作用改善換擋品質(zhì).

(3)為了保證不頻繁的閉鎖解鎖，解鎖車速相對于閉鎖車速有一定的延遲.

(4)油門開度低于30%時不閉鎖.

換擋規(guī)律計算具體流程如下.

(1)根據(jù)發(fā)動機凈外特性和調(diào)速特性、液力變矩器原始特性計算發(fā)動機與變矩器共同工作輸入、輸出特性.

(2)根據(jù)公式(1)分別計算液力工況和機械工況各油門開度下各擋加速度.

(1)

式中：m為車輛質(zhì)量，kg；δ為汽車旋轉質(zhì)量換算系數(shù)；du/dt為行駛加速度，m/s2；Ttq為發(fā)動機轉矩，Ν·m；ig、io為變速器、主減速器傳動比；ηT為傳動系的傳動效率；r為車輪半徑，m；Ff、Fi、Fw為滾動阻力、坡度阻力和空氣阻力，N.

(3)作1、2擋液力工況，2～6擋機械工況加速度曲線.

(4)求各油門開度下各擋位加速度曲線交點，即為升擋點. 根據(jù)閉解鎖規(guī)律，1擋升2擋換擋點為其液力工況加速度曲線交點；2擋以上的換擋點為相應擋位機械工況加速度曲線交點.

(5)根據(jù)降擋速差確定降擋點. 目標車輛為重型車輛，所以降擋速差設計為如下形式：大油門開度時的降擋速差較小，因而在大油門開度時升降擋都能保證較好的功率利用，動力性好；小油門開度時的降擋速差較大，可使換擋次數(shù)減少，而且發(fā)動機以較低轉速運轉，燃料經(jīng)濟性好，噪音小，行駛平穩(wěn)舒適. 低擋位時,為保證車輛動力性，降擋速差較小；高擋位時,降擋速差較大，保證車輛在很大的車速范圍內(nèi)使用高擋而不降擋，減少換擋次數(shù)，提高動力和經(jīng)濟性能. 求得動力性換擋規(guī)律如圖1.

圖1 動力性換擋規(guī)律曲線

2 動力學建模及仿真

2.1 動力學模型

車輛動力學系統(tǒng)是一個多領域系統(tǒng)，由屬于機械、液力以及控制工程等領域的子系統(tǒng)如發(fā)動機、齒輪變速機構、液壓轉向機構、液力變矩器、離合器控制系統(tǒng)、地面阻力系統(tǒng)等組成，是一個復雜的機、電、液混合的多自由度、時變的動態(tài)系統(tǒng)，需要對車輛進行準確的動力學建模. 現(xiàn)在一般采用模塊化建模方法，可以大大減輕建模工作量，有利于各個子系統(tǒng)的封裝與移植[16].

文中運用物理建模軟件MATLAB/SimDriveline建立整車模型，如圖2.包括發(fā)動機、液力變矩器、行星齒輪機構、地面阻力、控制器等子模塊.

圖2 整車動力學模型

2.2 仿真結果及分析

為了確定換擋規(guī)律的動力性、合理性，針對以上設計的換擋規(guī)律，進行最大油門開度下連續(xù)升擋的動力學仿真.

取發(fā)動機油門開度為100%，整車質(zhì)量m=1.2×105kg，仿真結果如圖3、圖4所示，圖3中1代表變矩器閉鎖，0代表變矩器解鎖.

圖3 擋位、閉解鎖信號與沖擊度變化曲線

根據(jù)仿真結果，可以看出仿真模型實現(xiàn)了升擋過程的仿真，且轉速變化曲線與實測數(shù)據(jù)相符. 圖3中擋位和閉解鎖信號的變化表明仿真模型實現(xiàn)了設計的變矩器閉解鎖控制，閉解鎖動作與換擋動作協(xié)調(diào). 圖4為采用設計的換擋規(guī)律與采用其他換擋點時仿真得到的車速對比曲線.可以看到前者曲線更平滑，加速也更快，驗證了換擋規(guī)律的合理性和優(yōu)越性.

圖4 設計與非設計換擋規(guī)律下的車速對比曲線

采用設計的換擋規(guī)律仿真時，車速由0加速到32km/h用時21.5s；而采用非設計換擋點仿真時,加速時間為25s. 可以看出，設計的換擋規(guī)律加速性更好.

現(xiàn)以3擋升4擋為例，介紹換擋過程及離合器和制動器油壓變化.3擋結合的離合器為C1和B2，4擋結合的離合器為B1和B2. 故換擋過程中B2始終結合，C1由結合變?yōu)榉蛛x，而B1由分離變?yōu)榻Y合. 圖5為3擋升4擋過程中閉鎖離合器CL，離合器C1和制動器B1，B2的油壓變化.

圖5 3擋升4擋離合器油壓變化仿真曲線

由仿真結果看出:8s時(此時為3擋),液力變矩器閉鎖，由液力工況變?yōu)闄C械工況；9.7s時,達到升擋車速，升為4擋，升擋的同時液力變矩器解鎖，此時制動器B1油壓升高，閉鎖離合器CL和離合器C1油壓降低到0，B2油壓保持不變，11.2s時,液力變矩器再次閉鎖，CL結合，從而由液力工況變?yōu)闄C械工況. 仿真結果中,油壓的變化符合換擋邏輯，并與圖6中的實車試驗結果相符.

圖6 實車試驗時3擋升4擋離合器油壓變化曲線

3 換擋規(guī)律優(yōu)化

根據(jù)數(shù)據(jù)求出的換擋規(guī)律,只是理論上最優(yōu)的結果.由于模型具體的換擋策略,以及換擋規(guī)律求曲線交點存在誤差等因素,可能所求得的換擋規(guī)律在實際應用中并不是最優(yōu)解，因而文中采用ISIGHT聯(lián)合所建的Simulink模型對所求換擋規(guī)律進行優(yōu)化，以得到實際運行中最優(yōu)的換擋規(guī)律點.

優(yōu)化流程如圖7.

圖7 優(yōu)化設計流程圖

優(yōu)化原理為：在ISIGHT中定義優(yōu)化變量、優(yōu)化目標、優(yōu)化約束，并賦予變量以初值，作為MATLAB模型的輸入，MATLAB運行的結果作為輸出，ISIGHT優(yōu)化算法根據(jù)輸出結果修正優(yōu)化變量,并作為輸入不斷調(diào)用MATLAB，直至獲得理想性能. 如圖8.

圖8 優(yōu)化原理示意圖

汽車的動力性評價指標有最高車速、加速時間、最大爬坡度，最高車速和最大爬坡度主要與發(fā)動機參數(shù)、傳動比、汽車質(zhì)量、汽車阻力等因素有關，與換擋規(guī)律無關，只有加速時間與換擋規(guī)律有關.所以選取加速時間為優(yōu)化目標.

3.1 優(yōu)化問題描述

1)設計變量：100%，70%，50%油門開度下，擋位由1擋依次升到6擋時，車速依次設為v1、v2、v3、v4、v5.

2)以動力性為目標，目標函數(shù)為：動力性目標(全油門開度下0～32 km/h加速時間最短)

(2)

3)約束條件：考慮各擋最高、最低車速和降擋速差等因素，確定各擋升擋車速范圍如下.

表2 升擋車速范圍 km/h

3.2 優(yōu)化模型

分別對每個油門開度單獨優(yōu)化. 以100%油門開度為例，用ISIGHT軟件建立優(yōu)化模型. 優(yōu)化過程中，Optimization模塊作為優(yōu)化器，調(diào)用性能仿真軟件并賦值優(yōu)化變量v1、v2、v3、v4、v5，性能仿真軟件MATLAB相當于一個求解器，根據(jù)新的輸入?yún)?shù)，通過command中的m文件調(diào)用所建的Simulink模型完成整車仿真，并將仿真結果tac提供給Optimization模塊，Optimization模塊根據(jù)相應算法調(diào)整優(yōu)化變量，并重新賦值給MATLAB，如此循環(huán)直至獲得理想性能. 圖9為ISIGHT中所建模型的數(shù)據(jù)交換圖.

圖9 優(yōu)化模型的數(shù)據(jù)交換示意圖

優(yōu)化模型中，選用多島遺傳算法(Multi-islandGA)進行優(yōu)化. 多島遺傳算法Multi-islandGA是經(jīng)過改良的遺傳算法，主要特點是把整個種群分成若干個子種群，在每個子種群中進行傳統(tǒng)遺傳算法的所有操作，并且在每個子種群中選定一些個體定期地遷移到另外的島上，然后，繼續(xù)進行遺傳操作. 通過這種遷移操作可以維持群體的多樣性，能更有效的搜索全局解空間的最優(yōu)解[17].

3.3 優(yōu)化結果與分析

以100%油門開度為例，優(yōu)化過程共有1001步，在第382步達到最優(yōu). 將最優(yōu)解與優(yōu)化前進行對比，如表3.

表3 升擋點優(yōu)化前后參數(shù)對比 km/h

可以看到，優(yōu)化后加速時間降低，動力性有所改善. 同時比較優(yōu)化前后換擋點，可以看出優(yōu)化后的升擋點均比優(yōu)化前的升擋點提前，這是由于動力學模型的Stateflow模塊中，為避免換擋重疊，采取了2 s的換擋延遲.

4 結 論

針對某重型礦用汽車，設計了基于車速和油門開度的雙參數(shù)動力性換擋規(guī)律，并搭建MATLAB/Simulink仿真模型進行仿真分析. 仿真結果表明，所設計的換擋規(guī)律具有較好的動力性. 以加速時間為優(yōu)化目標，運用ISIGHT優(yōu)化軟件對100%、70%、50%油門開度下的升擋點進行優(yōu)化. 通過優(yōu)化得到加速時間最優(yōu)的換擋規(guī)律，提高了動力性. 優(yōu)化結果表明，該方法對換擋規(guī)律設計和改進有實際意義.

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Design and Optimization of Shift Schedule for a Mining Truck

ZHANG Xiao-cong， SUN Liang， WANG Wei-da， YAN Qing-dong

(National Key Lab of Vehicular Transmission，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China)

In order to improve its dynamic performance, a shift schedule is designed for a mining truck. A dynamics model of the vehicle is established by MATLAB/Simdriveline, and its performance is verified by using the designed schedule. In order to get the optimal shift points for the model, the method is put forward of taking the acceleration time as a goal and optimizing every shift point in ISIGHT and MATLAB. The vehicle performance of using the optimized schedule is compared with that of the designed one. The simulation results show that, with the optimized shift schedule, the acceleration time of the vehicle reduces and the performance gets better. This method can be used to modify the optimization variables, the shift schedule and the simulation parameters．

mining truck; shift schedule; optimization; modeling and simulation

1009-4687(2015)04-0008-06

2015-9-20

張曉聰(1990-),女,研究方向為自動變速器換擋規(guī)律設計.

TJ811

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