基于重型商用車傳動系統(tǒng)效率的換擋策略研究*

劉剛 呂文芝 朱江蘇 周海磊

（1.內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室；2.濰柴動力股份有限公司發(fā)動機研究院）

隨著人們對汽車舒適性的要求越來越高，相比于傳統(tǒng)的手動變速箱，綜合性能更優(yōu)越的自動變速箱越來越受到消費者的青睞。特別是近些年來，自動變速箱已經(jīng)能夠更好地兼顧操控性以及節(jié)能環(huán)保等因素，使其在國內(nèi)外的汽車中占有越來越大的裝備比例[1]。但節(jié)能降耗的目標(biāo)是永恒的，這就需要將汽車的各部件最大程度地運行在各自的最佳經(jīng)濟區(qū)內(nèi)。本文利用五軸動力總成試驗臺對發(fā)動機、變速箱及驅(qū)動橋構(gòu)成的動力總成系統(tǒng)性能進(jìn)行試驗研究，根據(jù)發(fā)動機燃油消耗率萬有特性和傳動系統(tǒng)效率，得到基于整車燃油消耗率的特性曲線，通過控制AMT自動變速箱換擋性能，使發(fā)動機運行在整車效率的最優(yōu)區(qū)域。

1 現(xiàn)有技術(shù)分析

由于重型商用車通常都是在滿載情況下行駛，作為長途運輸車輛，其燃油經(jīng)濟性也是此類產(chǎn)品追求的主要目標(biāo)。最佳燃油經(jīng)濟性換擋規(guī)律就是使自動變速箱能夠以最經(jīng)濟的換擋點進(jìn)行換擋操作,以達(dá)到降低燃油消耗的目的[2-4]。

目前,自動變速箱上應(yīng)用的最佳燃油經(jīng)濟性換擋規(guī)律,包括2參數(shù)最佳燃油經(jīng)濟性換擋和動態(tài)3參數(shù)最佳燃油經(jīng)濟性換擋[5-7]，主要是根據(jù)車速、油門及加速度進(jìn)行換擋操作的，都是僅通過使工況點落在發(fā)動機的最佳經(jīng)濟區(qū)，卻沒有考慮變速箱、驅(qū)動橋和傳動軸等組成的傳動系統(tǒng)的傳動效率。也就是說，現(xiàn)有技術(shù)中基本沒有考慮整車的傳動系統(tǒng)損失，或者即使有考慮傳動效率也只是采用常數(shù)值代替，更沒有考慮不同擋位、不同工況對傳動系統(tǒng)效率的影響。

實際上，變速箱、驅(qū)動橋和傳動軸組成的傳動系統(tǒng)的能量損失還是不小的[8-11]，而且隨著工況的變化有很大的不同。由此在五軸動力總成臺架上進(jìn)行了傳動系統(tǒng)能量損失試驗研究。某型號變速箱和驅(qū)動橋的能量損失情況如圖1所示。

圖1 某型號變速箱、驅(qū)動橋能量損失曲線

從圖中可以看出，傳動系統(tǒng)的能量損失隨轉(zhuǎn)速升高呈單調(diào)遞增趨勢，從2～11 kW遞增，驅(qū)動橋的能量損失相對占比大，而且隨著轉(zhuǎn)速的升高，驅(qū)動橋的損失占比更大。

而整車的實際運行工況更為復(fù)雜，由此產(chǎn)生的傳動系統(tǒng)能量損失也是不小的，從而導(dǎo)致了整車燃油經(jīng)濟性區(qū)域與單純發(fā)動機燃油經(jīng)濟性區(qū)域的差異，而在現(xiàn)有的換擋控制策略下，根本沒有考慮這部分的性能特性，使得車輛實際運行工況點偏離了實際的整車燃油消耗率的最佳區(qū)域。

2 改進(jìn)的技術(shù)方案

2.1 傳動系統(tǒng)效率特性研究

在動力總成試驗臺架上進(jìn)行了傳動系統(tǒng)的各擋位傳動效率試驗研究。試驗臺結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 動力總成試驗臺結(jié)構(gòu)示意圖

研究對象選取市場上應(yīng)用較多的牽引車和自卸車2種車型的主流傳動系統(tǒng)配置，具體參數(shù)為：1）牽引車：變速箱型號為12TA；變速箱各擋傳動比分別為：12.1、9.41、7.31、5.71、4.46、3.48、2.71、2.11、1.64、1.28、1、0.78；驅(qū)動橋傳動比為3.7。2）自卸車：變速箱型號為12T；變速箱各擋傳動比分別為：15.53、12.08、9.39、7.33、5.73、4.46、3.48、2.71、2.1、1.64、1.28、1；驅(qū) 動 橋 傳 動 比 為5.73。

試驗時，將變速箱和驅(qū)動橋潤滑油溫度設(shè)定在（80±5）℃，這也是實際車輛在25℃環(huán)境溫度下長期運行時，潤滑油的穩(wěn)定溫度值，液位為正常水平，控制輸入測功機的轉(zhuǎn)速和扭矩，測量各擋位下的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速，從而得到傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速-扭矩-傳動效率的萬有特性曲線。

某牽引車與自卸車配置傳動系統(tǒng)效率曲線如圖3、圖4所示?？傮w來看，在不同工況下，傳動效率還是有明顯的差別。

從圖3可以看出，1～7擋，各工況點傳動效率變化平穩(wěn)，所有工況點傳動效率均處于較高水平，為92.7%～96.5%，最大差值為2.83%，出現(xiàn)在6擋。8～12擋，各工況點傳動效率變化較大，最大差值為14.63%，出現(xiàn)在12擋，且隨著擋位的升高，差值越來越大。根據(jù)牽引車的常用工況區(qū)，轉(zhuǎn)速為950～1 300 r/min，扭矩為1 000～1 400 N·m，傳動系統(tǒng)效率在90.3%～95.9%。

圖3 某牽引車配置傳動系統(tǒng)效率曲線

同理分析圖4自卸車配置傳動系統(tǒng)效率，1～9擋，各工況點傳動效率變化平穩(wěn)，所有工況點均處于較高水平，為91.9%～95.6%，最大差值為2.2%，出現(xiàn)在9擋。10～12擋，各工況點傳動效率變化較大，最大差值為9.5%，出現(xiàn)在12擋，且隨著擋位的升高，差值越來越大。根據(jù)自卸車的常用工況區(qū)，中高轉(zhuǎn)速，中高扭矩，傳動系統(tǒng)效率在92.1%～95.6%。

圖4 某自卸車配置傳動系統(tǒng)效率曲線

為了更直觀地理解各擋位的傳動效率差異，將每個擋位的效率最大值和最小值分別列出分析，如圖5、圖6所示?？傮w來看，隨著擋位的升高，最大值呈遞增趨勢，而最小值在中間某個擋位出現(xiàn)拐點，且最高擋位的差值最大。

圖5 牽引車配置各擋傳動效率極值圖

圖6 自卸車配置各擋傳動效率極值圖

綜上分析，各擋位的傳動效率在不同工況下存在一定差值，根據(jù)以往的經(jīng)驗，傳動效率相差1%，100 km油耗差值在0.13～0.3 L。因此，合理地應(yīng)用好這種差異對整車燃油消耗率的提升有很大幫助。

2.2 整車燃油消耗率研究

結(jié)合上述分析，整車燃油消耗率，即在發(fā)動機燃油消耗率萬有特性的基礎(chǔ)上，綜合考慮變速箱不同擋位效率以及驅(qū)動橋傳動效率，將發(fā)動機燃油消耗率去掉傳動系統(tǒng)損失的效率，得到整車燃油消耗率萬有曲線[12-13]。

圖7示出在某一擋位下，整車燃油消耗率萬有特性曲線與發(fā)動機燃油消耗率萬有特性曲線的對比圖。由于變速箱在不同擋位時傳動效率不同，不同擋位的整車燃油消耗率也有差異，理論上每一擋位都應(yīng)有對應(yīng)的整車燃油消耗率曲線。

圖7 某發(fā)動機燃油消耗率曲線與整車燃油消耗率曲線對比圖

為達(dá)到整車運行效率最佳，即經(jīng)濟性最優(yōu)，整車運行的工況點應(yīng)最大限度地保證在燃油消耗率最佳區(qū)域范圍內(nèi)。因此，換擋時機應(yīng)該綜合考慮發(fā)動機燃油消耗率、不同擋位變速箱效率以及驅(qū)動橋效率，從而實現(xiàn)整車最佳燃油經(jīng)濟性換擋控制。

2.3 換擋策略研究

該研究通過輸入發(fā)動機轉(zhuǎn)速、油門開度、擋位等信號，控制器查詢整車燃油消耗率數(shù)據(jù)，計算得到最佳換擋轉(zhuǎn)速。具體換擋算法如圖8所示。

圖8 升擋、降擋曲線求取圖

以同一油門下相鄰2擋燃油消耗率曲線的交點為換擋點，具體實施步驟如下：1）根據(jù)當(dāng)前擋位與下一擋位傳動系統(tǒng)效率，由發(fā)動機燃油消耗率和傳動系統(tǒng)效率，計算得到當(dāng)前擋位與下一擋位的整車燃油消耗率。2）利用插值計算得到同一油門開度下相鄰2擋的燃油消耗率曲線。3）當(dāng)前擋位與下一擋位的燃油消耗率的交點即為升擋點。4）將所求得的換擋點擬合成油門-車速的關(guān)系曲線，即為當(dāng)前擋位與下一擋位之間的最佳效率換擋規(guī)律曲線。5）同樣道理，可求得其它擋位間的換擋規(guī)律。6）為避免換擋循環(huán)，得到升擋曲線后，給出一定的降擋速差，就可以求出降擋曲線。

3 試驗驗證

為了直觀地體現(xiàn)該策略對整車燃油經(jīng)濟性的效果，利用重型轉(zhuǎn)轂臺架進(jìn)行了牽引車型的試驗驗證分析。

3.1 試驗條件

3.1.1 測試設(shè)備

轉(zhuǎn)轂使用Truck-CD-2.5-48"-4×4，油耗儀使用AVL-735。

3.1.2 測試車型

測試車型為牽引車，最大設(shè)計總質(zhì)量為49 000 kg。模擬載荷為滿載。行駛阻力按照文獻(xiàn)[14]中的規(guī)定測量得到。

3.1.3 轉(zhuǎn)轂試驗

采用CWTVC和CHTC 2種試驗方法進(jìn)行，CWTVC試驗方法按照文獻(xiàn)[14]要求進(jìn)行，CHTC試驗按照文獻(xiàn)[15]要求進(jìn)行，CWTVC數(shù)據(jù)處理方法按照文獻(xiàn)[14]要求加權(quán)計算，CHTC沒有規(guī)定數(shù)據(jù)處理方法，由于是對比分析，只要方法相同即可，故該CHTC試驗中用總油耗比總里程的方法得到結(jié)果。

3.2 試驗結(jié)果分析

1）試驗方法：CWTVC，原始油耗：39.1 L/100 km，優(yōu)化后油耗：38.7 L/100 km，優(yōu)化效果：1.02%。

2）試驗方法：CHTC-TT，原始油耗：40.6 L/100 km，優(yōu)化后油耗：39.6 L/100 km，優(yōu)化效果：2.46%。

4 結(jié)論

本文通過對傳動系統(tǒng)效率萬有特性和整車燃油消耗率的深入分析，對變速箱換擋策略提出了新的影響因素?？紤]到傳動系統(tǒng)效率隨轉(zhuǎn)速、扭矩變化而產(chǎn)生的差異，得到傳動系統(tǒng)效率萬有特性，繼而得到不同擋位的整車燃油消耗率特性。通過發(fā)動機和傳動系統(tǒng)性能的優(yōu)化匹配，使得發(fā)動機的最佳經(jīng)濟區(qū)與傳動系統(tǒng)的最佳效率區(qū)最大程度的重合，從而使得整車能夠最大限度的在最佳經(jīng)濟區(qū)域運行。