汽車自動變速器換擋規(guī)律的優(yōu)化設(shè)計方法

葛振偉

摘要：汽車運行的過程中，在進(jìn)行加速或者減速的操作時，屬于一個動態(tài)的換擋過程。在此過程中，如果操作換擋頻繁就會產(chǎn)生一定的耗油量，對于汽車運行的經(jīng)濟(jì)性性帶來嚴(yán)重影響。我國每在汽車換擋操作中就會產(chǎn)生大量的燃油能源浪費，為了改善這種局面，就必須對汽車自動變速器的換擋規(guī)律進(jìn)行分析，并且對其展開優(yōu)化設(shè)計，降低換擋操作時所產(chǎn)生的流量消耗。文中在對汽車換擋規(guī)律的原理進(jìn)行分析之后，又對其動態(tài)規(guī)劃算法的換擋規(guī)律優(yōu)化進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：汽車性能;自動變速器;換擋規(guī)律

在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的基礎(chǔ)上，自動化技術(shù)獲得了全面的發(fā)展，在多個領(lǐng)域中均表現(xiàn)出良好的有一種效果。汽車運行中所使用的自動變速器就是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，對原有的手動變速器進(jìn)行升級與改裝，應(yīng)用電子控制系統(tǒng)，實現(xiàn)變速器的自動化發(fā)展，這樣不僅能夠提升燃油的利用率，使其經(jīng)濟(jì)效益更大得到更好發(fā)揮，還能夠在一定程度上節(jié)省制造成本。燃油的經(jīng)濟(jì)性屬于評價汽車性能的一項重點內(nèi)容，不僅會對車輛的駕駛成本造成影響，還關(guān)乎大氣環(huán)境。

一、汽車換擋規(guī)律的原理

1、換擋規(guī)律原理

規(guī)律指的是事物在運行過程中的規(guī)律變化。就汽車的換擋規(guī)律而言，主要指的是汽車在行駛的過程中，利用變速器的擋位，對汽車行駛狀態(tài)和速度進(jìn)行調(diào)節(jié)時所產(chǎn)生的變化值。我們將處于不同行駛速度下的參數(shù)變化值進(jìn)行分析之后，找出參數(shù)變化的關(guān)系，這便是對換擋規(guī)律的確定。在實際運行的過程中，可以根據(jù)汽車行駛狀態(tài)下，所進(jìn)行的換擋操作來確定換擋規(guī)律。一般而言，根據(jù)控制參數(shù)的不同，我們可以將其分成單參數(shù)、兩參數(shù)和三參數(shù)。其中的單參數(shù)指的是，車輛的運行速度，但是由于換擋操作屬于駕駛員的自主行為，自動變速器無法實現(xiàn)對駕駛?cè)俗陨硇袨榈挠行Ц深A(yù)。為此，該項參數(shù)并不能作為優(yōu)化動力和經(jīng)濟(jì)性能的主要參數(shù)。在當(dāng)前的汽車系統(tǒng)中，很少采用單參數(shù)的換擋規(guī)律。

而三參數(shù)的換擋規(guī)律是在兩參數(shù)的換檔規(guī)律基礎(chǔ)上，增加了加速度參數(shù)，而發(fā)展起來的換檔規(guī)律。在原有的基礎(chǔ)上，對加速度參數(shù)規(guī)律進(jìn)行分析之后可以更好的了解車輛的行駛狀況。但是相對來說，參數(shù)處理的難度也大大提升，對系統(tǒng)的實時響應(yīng)帶來一定影響。同時，也會增加車輛制造的成本。為此，針對三參數(shù)換擋規(guī)律的研究還停留在理論階段。在實際車輛運行的過程中，是將車速和油門的開度作為主要參考參數(shù)，這也是兩參數(shù)換擋規(guī)律的重點內(nèi)容。圖1中所示的為兩參數(shù)換擋規(guī)律原理，其中的橫坐標(biāo)表示車速，中坐標(biāo)表示油門開度。

從圖1可以發(fā)現(xiàn)，存在兩種線形，，我們將實線和虛線分別代表不同的擋位曲線。實線為升擋曲線，虛線為降擋曲線。為了確保不會出現(xiàn)循環(huán)換擋的現(xiàn)象，在換擋系統(tǒng)中增加了一定的換擋延遲。圖1所示的u=f21（a）表示為由二擋轉(zhuǎn)換為一擋曲線。而u=f23（a）為由二擋調(diào)整至三擋的曲線。從圖中的曲線變化情況可以看出，當(dāng)變速去處于二檔狀態(tài)時，汽車的運行狀態(tài)在u=f21（a）和u=f23（a）兩個曲線之間，當(dāng)曲線u=f21（a）和u=f23（a）發(fā)生變化時，則表示進(jìn)行了升檔或者降擋操作。

2、換擋規(guī)律數(shù)學(xué)模型

為了實現(xiàn)對汽車換擋規(guī)律的有效優(yōu)化，使其燃油經(jīng)濟(jì)性得到全面提升，并且保證汽車的動力作用，我們需要對汽車對換檔規(guī)律進(jìn)行全面分析之后，找出耗油量最低，且汽車動力作用最強(qiáng)的參數(shù)。根據(jù)這一參數(shù)對汽車的換擋規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化，使其在燃油消耗量和行駛動力性上均能得到有效提升。為了保證對換擋規(guī)律和燃油經(jīng)濟(jì)性的有效分析，我們將等速狀況下的汽車單位燃油量以及換擋操作下，燃油消耗量的變化情況進(jìn)行對比分析，繪制出發(fā)動機(jī)萬有特性曲線圖。圖2所示內(nèi)容中，橫坐標(biāo)為發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，縱坐標(biāo)為發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩。

從圖2中可以看出，發(fā)動機(jī)最佳燃油經(jīng)濟(jì)性工作區(qū)域?qū)?yīng)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速主要集中在2000—2600r/min的范圍內(nèi)。傳統(tǒng)換擋規(guī)律換擋點的制定是假設(shè)在換擋過程中車速不變的條件下，將發(fā)動機(jī)的小時油耗Q。

該方法求得的換擋規(guī)律在汽車行駛過程中始終保持不變，沒有考慮汽車行駛環(huán)境以及駕駛員操縱意圖對換擋過程的影響，僅適合于汽車平穩(wěn)行駛過程。而AMT的實際換擋過程為加速或減速的動態(tài)過程，非線性程度高，時變性強(qiáng)，換擋過程中車輛處于非穩(wěn)定狀態(tài)，按穩(wěn)定狀態(tài)得到的換擋規(guī)律會產(chǎn)生較大的誤差，在城市循環(huán)工況、制動和轉(zhuǎn)彎等特殊路段容易導(dǎo)致頻繁換擋或意外升擋現(xiàn)象，從而影響整車燃油經(jīng)濟(jì)性能。

二、利用動態(tài)規(guī)劃算法進(jìn)行換擋規(guī)律優(yōu)化

1、動態(tài)規(guī)劃算法的流程

動態(tài)規(guī)劃算法具有理論性能強(qiáng)、適用范圍廣和工程化程度高的特點。在汽車變速器換擋規(guī)律的優(yōu)化方案中，可以充分發(fā)揮其自身性能。實際進(jìn)行動態(tài)規(guī)劃計算時，所包含的計算方法可以分為逆向法和正向法。其中的逆向法指的是，將邊界條件k=N作為計算的最優(yōu)值，當(dāng)運算結(jié)果呈現(xiàn)出初始狀態(tài)時，便可以認(rèn)為整個過程為最優(yōu)算法，將該項參數(shù)作為重點優(yōu)化參數(shù)即可。而正向法指的是，將邊界條件k=1作為各階段的最優(yōu)值，當(dāng)計算結(jié)果為終止?fàn)顟B(tài)時，便可以認(rèn)為其為系統(tǒng)優(yōu)化的最優(yōu)解釋，圖3為動態(tài)規(guī)劃算法的流程圖。

2、利用動態(tài)規(guī)劃算法進(jìn)行換擋規(guī)律建模

由于傳動系統(tǒng)在運行時的響應(yīng)時間限制，在對換擋規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化時，需要將時間作為逆向算法的起始值。同時，對特定情況下所產(chǎn)生的循環(huán)工況進(jìn)行離散分解，從其中的某一步開始，進(jìn)行逐層計算，在對每層進(jìn)行計算時需要設(shè)定好最終的目標(biāo)與目的，進(jìn)而保證對整體換擋規(guī)律的優(yōu)化作用，使其變量在控制范圍之內(nèi)。

（1）狀態(tài)變量和控制變量的確定。對于汽車的傳動系統(tǒng)來說，其自身發(fā)動機(jī)運行時的轉(zhuǎn)速和檔位均可作為狀態(tài)變量。而發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩和換擋指令作為控制變量。鑒于自動變速器在運行的過程中，傳動操作并不是連續(xù)開展的狀態(tài)，為此無法獲取到有效的時間參數(shù)。在對其時間參數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)時，需要利用系統(tǒng)模型對其進(jìn)行離散處理，將得出的最終結(jié)果作為時間參數(shù)。

（2）目標(biāo)函數(shù)的建立。為了實現(xiàn)對汽車變速器換擋規(guī)律的有效優(yōu)化，我們首先需要對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行確認(rèn)。實際上指的就是，對多種運行狀態(tài)下汽車的耗油量和能動作用進(jìn)行對比分析之后，找出最佳的控制率。對于目標(biāo)函數(shù)的確定需要多種參數(shù)作為支持。主要包括汽車的燃油消耗量、行駛的能動性以及汽車運行成本等。

（3）約束條件和懲罰函數(shù)。當(dāng)駕駛?cè)藛T在進(jìn)行頻繁換擋操作時，會對變速器內(nèi)部的零件造成嚴(yán)重磨損，尤其是變速箱內(nèi)的齒輪部件。經(jīng)過多次換擋操作之后，其自身的使用性能和使用壽命將受到嚴(yán)重威脅，不僅影響駕駛?cè)藛T的駕駛操作舒適性，還對汽車行駛中的燃油消耗量造成一定浪費。這就會對汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性以及性能指標(biāo)帶來嚴(yán)重影響。為此，需要設(shè)置懲罰函數(shù)和約束條件對汽車變速器中的換檔規(guī)律進(jìn)行有效優(yōu)化，對相應(yīng)的換擋操作做出限制，進(jìn)而保證汽車的良好運行。

結(jié)語：分析了換擋規(guī)律系統(tǒng)原理，以發(fā)動機(jī)臺架試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立了換擋規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，指出了傳統(tǒng)換擋規(guī)律的不足。結(jié)果表明，基于動態(tài)規(guī)劃的換擋規(guī)律減小了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波動，降低了換擋頻率，汽車燃油經(jīng)濟(jì)性明顯提高，驗證了優(yōu)化算法的準(zhǔn)確性與合理性，為換擋規(guī)律的研究提供了一種新的思路。

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姓名：（第一作者）李曉波;劉宗勝; 劉立鐵; 王麗

單位及郵編：塔里木油田塔西南公司喀什油氣運行中心