基于大數(shù)據(jù)的變速器工作特性研究

崔海龍， 劉曦宏，霍芳

北汽福田汽車股份有限公司動(dòng)力傳動(dòng)研究院,北京 102206

0 引言

近年來(lái)，隨著電控發(fā)動(dòng)機(jī)批量應(yīng)用和車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，使得通過車載T-BOX采集CAN總線大數(shù)據(jù)成為現(xiàn)實(shí)。對(duì)于AT/AMT變速器，其相關(guān)工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到TCU或通過CAN總線發(fā)送給T-Box，而MT變速器沒有感知變速器工作狀態(tài)的傳感器和執(zhí)行器，傳統(tǒng)方法是在車上布置傳感器和數(shù)采系統(tǒng)進(jìn)行采集和分析，僅能對(duì)小樣本進(jìn)行分析,而且容易受各方面資源制約，使用范圍有限。陳德鑫等[1]在車輛上安裝霍爾傳感器、應(yīng)變片和位移傳感器采集轉(zhuǎn)速、扭矩和換擋狀態(tài)等載荷信號(hào)，通過載荷譜分析，為變速器疲勞壽命預(yù)測(cè)和臺(tái)架疲勞壽命試驗(yàn)提供參考;王濤等[2]采集載荷譜信息，開展多體動(dòng)力學(xué)仿真以及損傷計(jì)算，確定了各擋位臺(tái)架加速壽命試驗(yàn)規(guī)范；于晶等[3]在車輛上布置位移傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器和氣壓傳感器等，采集MT變速器數(shù)據(jù)，并與AMT對(duì)比，為AMT換擋性能改善提供參考。

通過采集到的整車和發(fā)動(dòng)機(jī)大數(shù)據(jù)來(lái)分析MT變速器的工作狀態(tài)，將大大提高工作效率，實(shí)現(xiàn)基于復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景的用戶工況分析，識(shí)別通用工況和極限工況，為變速器的研究與開發(fā)提供有力的技術(shù)支持，打通市場(chǎng)與研發(fā)的通道。

1 應(yīng)用場(chǎng)景定義

商用車應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜多變，通過對(duì)用戶的沉浸式調(diào)研，提取行業(yè)、物流環(huán)節(jié)、載重、車型、區(qū)域及環(huán)境等核心要素構(gòu)建應(yīng)用場(chǎng)景向量模型，形成基于人—車—貨—場(chǎng)要素定義，其中“人”包括駕駛員的年齡、駕齡、學(xué)歷、身高、體重和駕駛習(xí)慣等特征;“車”對(duì)應(yīng)車輛車型、驅(qū)動(dòng)形式、載貨量、動(dòng)傳系統(tǒng)配置和輪胎型號(hào)等技術(shù)參數(shù)和用車經(jīng)歷;“貨”指貨物類型、存儲(chǔ)狀態(tài)、裝卸方式和運(yùn)輸要求等;“場(chǎng)”包含道路類型、地形、運(yùn)距和運(yùn)輸環(huán)境等場(chǎng)路工況特征進(jìn)行精細(xì)劃分，經(jīng)過提煉后形成場(chǎng)景典型特征。

對(duì)于擬研究應(yīng)用場(chǎng)景車輛清單,狹義上應(yīng)當(dāng)是完全符合定義的一組車構(gòu)成，但在實(shí)際應(yīng)用中，同發(fā)動(dòng)機(jī)配置不同變速器或車橋，或者功率相近發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)傳配置均可以視為廣義的同應(yīng)用場(chǎng)景車輛配置，并列入車輛清單。

根據(jù)分析目的定義采集大數(shù)據(jù)清單，本次主要研究變速器工作特性，參考J1939[4]協(xié)議，大數(shù)據(jù)定義清單見表1。

表1 大數(shù)據(jù)定義清單

變速器換擋等操作通常在1 s以內(nèi)完成，因此數(shù)據(jù)采樣頻率不能太慢，同時(shí)考慮到T-Box數(shù)據(jù)傳輸能力和采集流量成本等綜合因素，定義數(shù)據(jù)采樣頻率為1 Hz，采集周期通常為1個(gè)自然月。對(duì)于中長(zhǎng)途或長(zhǎng)途物流運(yùn)輸，可以保證至少3～4個(gè)運(yùn)輸周期的數(shù)據(jù)采集，能夠代表該場(chǎng)景的典型工作特征。

通過采集和研究其在各種應(yīng)用場(chǎng)景的大數(shù)據(jù)，提煉出變速器相關(guān)的載荷分析結(jié)果，可以形成變速器工作特性，也可提煉出最惡劣工況邊界定義變速器疲勞壽命指標(biāo)，既保證產(chǎn)品的通用性，又保證最佳適應(yīng)性。

2 變速器相關(guān)分析模型的構(gòu)建

基于大數(shù)據(jù)分析變速器，首先要計(jì)算出變速器速比，基于變速器速比可以識(shí)別擋位，進(jìn)而開展相關(guān)工作特性分析工作。基于車速公式[5]，獲得變速器速比計(jì)算公式為：

ig=0.377·r·n/(i0·va)

(1)

式中：ig為變速器速比;

r為輪胎滾動(dòng)半徑，m;

n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,r/min;

i0為后橋速比;

va為車速,km/h。

其中輪胎滾動(dòng)半徑[6]計(jì)算公式為:

r=f·d/2π

(2)

式中：r為輪胎滾動(dòng)半徑，m;

f為系數(shù),數(shù)值見表1;

d為輪胎設(shè)計(jì)總直徑,m。

大數(shù)據(jù)各數(shù)據(jù)項(xiàng)大多是連續(xù)變量，確定了基于時(shí)間和基于里程維度的分析思路，從時(shí)空二維空間對(duì)變量深入解讀，對(duì)每個(gè)分析模型制定基于時(shí)間和基于里程的數(shù)據(jù)處理算法，另外按照模型變量的多少，區(qū)分成1元模型、2元模型和3元模型等，1元模型表示模型中有1個(gè)變量(不含時(shí)間)，依次類推。

以采集1 Hz數(shù)據(jù)為例，大數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)以時(shí)間維度進(jìn)行排列，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)代表1 s，一個(gè)計(jì)數(shù)區(qū)間多個(gè)點(diǎn)疊加就能計(jì)算出時(shí)間分布數(shù)。實(shí)際項(xiàng)目分析時(shí)，考慮到車輛運(yùn)輸多以里程作為衡量指標(biāo)，因此增加里程維度進(jìn)行分析，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)車速乘以1 s即該點(diǎn)行駛過的里程，一個(gè)計(jì)數(shù)區(qū)間多個(gè)點(diǎn)疊加就能計(jì)算出里程分布數(shù)，分析原理見表2。另外對(duì)于換擋次數(shù)等增加頻次維度進(jìn)行分析，通常以一段里程或一段時(shí)間來(lái)統(tǒng)計(jì)，便于不同場(chǎng)景比較。

表2 時(shí)間維度和里程維度分析原理

分析變速器工作特性，通常運(yùn)用表3的分析模型進(jìn)行分析。

表3 變速器分析模型

基于Matlab[7]編寫程序，對(duì)復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景的多車大數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。首先讀取大數(shù)據(jù)文件，將數(shù)據(jù)文件按行逐列記入數(shù)據(jù)矩陣，計(jì)算每行數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的速比，并與各擋速比設(shè)定公差范圍進(jìn)行比較，然后確定該行速比名義值并定義該行擋位。原始數(shù)據(jù)由車輛點(diǎn)火到熄火的若干個(gè)工作過程組成，本文僅對(duì)連續(xù)時(shí)間記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行換擋規(guī)律分析，程序流程如圖1所示。

3 模型校驗(yàn)

3.1 速比計(jì)算公差分析

涉及擋位的分析模型，關(guān)鍵在公式(1)速比的識(shí)別準(zhǔn)確性，編寫程序時(shí)，考慮到車輛行駛過程中輪胎磨損、車速、轉(zhuǎn)速信號(hào)波動(dòng)和傳動(dòng)系振動(dòng)導(dǎo)致計(jì)算獲得的速比不可能正好與實(shí)際值完全相符，設(shè)置了各擋速比(用i表示)上、下公差，公差為±10%，計(jì)算出來(lái)的速比值落在相應(yīng)上、下公差區(qū)間，視為該速比。比較了幾種變速器的各擋速比上、下公差值，發(fā)現(xiàn)5MT、6MT、8MT和12AMT上、下公差值設(shè)置10%無(wú)重合，16MT多個(gè)擋位上、下公差值有重合，需要改成小公差值，避免實(shí)際計(jì)算過程中，一個(gè)速比對(duì)應(yīng)2個(gè)擋位的異常情況發(fā)生，如圖2所示。

圖2 各擋速比10%公差范圍

3.2 速比計(jì)算值與TCU記錄值對(duì)比

基于計(jì)算獲得速比是進(jìn)行變速器相關(guān)工作特性分析的基礎(chǔ)，對(duì)12臺(tái)12AMT的變速器TCU發(fā)出的擋位信號(hào)和基于程序計(jì)算的擋位信號(hào)進(jìn)行比較。多車各擋速比計(jì)算值與TCU記錄值對(duì)比如圖3所示。發(fā)現(xiàn)低擋位2擋占比差別較大，主要原因是AMT的2擋起步多，車速較低，離合器和飛輪結(jié)合過程較長(zhǎng)，計(jì)算出的速比與2擋速比差別大，未視為2擋速比。10～12擋位個(gè)別車輛差別大，從數(shù)據(jù)來(lái)看，高擋位TCU記錄速比和基于程序記錄速比差別較小，因?yàn)榈蛽跷挥?jì)算擋位分布數(shù)偏少，進(jìn)而影響了高擋位計(jì)算值占比。輕、中型變速器一般只有一個(gè)倒擋，倒擋速比通常與1擋速比接近，重型變速器有的有兩個(gè)倒擋，通常與1擋和2擋速比接近，雖然倒擋數(shù)據(jù)較少，但很難區(qū)分，也可能計(jì)入1擋或2擋，但影響不是很大。

圖3 多車各擋速比計(jì)算值與TCU記錄值對(duì)比

空擋沒有合適的算法進(jìn)行區(qū)分，對(duì)TCU記錄的車速大于1 km/h(車速小于1 km/h視為停車工況，無(wú)分析必要)的空擋點(diǎn)速比計(jì)算數(shù)據(jù)，速比計(jì)算數(shù)據(jù)中有極少量大于15可直接刪除。多車空擋狀態(tài)下速比計(jì)算值直方圖如圖4所示。由圖可知，空擋點(diǎn)速比計(jì)算值分布在0～0.7的占比達(dá)到81.4%，通常不會(huì)與各擋位速比計(jì)算值沖突；分布在0.7以上占比僅19.6%，而TCU中空擋區(qū)在所有速比占比為14.6%，得出空擋點(diǎn)速比計(jì)算數(shù)據(jù)0.7以上占所有速比2.9%，雖然這部分空擋速比計(jì)算數(shù)據(jù)可能會(huì)與超速擋速比混淆，但影響較小，需要結(jié)合具體應(yīng)用進(jìn)行分析。

圖4 多車空擋狀態(tài)下速比計(jì)算值直方圖

基于上述分析，總體來(lái)說(shuō)，通過計(jì)算速比分析變速器工作特性是可以接受的。

4 復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景大數(shù)據(jù)研究

4.1 應(yīng)用場(chǎng)景運(yùn)行工況特征分析

以某中卡物流車開展相關(guān)分析，場(chǎng)景編號(hào)為9～15的發(fā)動(dòng)機(jī)功率相同,變速器全部采用8MT。

基于多車大數(shù)據(jù)，首先完成基于時(shí)間維度和基于里程維度的車速分布。由車速分布時(shí)間維度可以看出怠速運(yùn)行占比和各區(qū)間時(shí)長(zhǎng)占比，但車輛通常以運(yùn)行里程作為評(píng)價(jià)其可靠性耐久性的指標(biāo)，因此常用車速以里程維度分析更為合適，以里程維度分布占比最高的3個(gè)區(qū)間或者2個(gè)區(qū)間占比之和大于50%作為常用車速的判斷依據(jù)。車速分布如圖5所示，常用車速區(qū)間為70～90 km/h，占比68.15%。

基于多車大數(shù)據(jù)，完成基于時(shí)間維度和基于里程維度的轉(zhuǎn)速分布。由于基于里程維度無(wú)法了解發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況運(yùn)行情況，且發(fā)動(dòng)機(jī)以運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)來(lái)衡量其可靠性耐久性，因此常用轉(zhuǎn)速以時(shí)間維度分析更為合適，同樣以時(shí)間維度分布占比最高的3個(gè)區(qū)間或者2個(gè)區(qū)間占比之和大于50%作為常用轉(zhuǎn)速的判斷依據(jù)。轉(zhuǎn)速分布如圖6所示，常用轉(zhuǎn)速區(qū)間為1 000～1 400 r/min，占比58.39%。

圖6 轉(zhuǎn)速分布

4.2 擋位分布分析

分析各擋位基于時(shí)間維度和里程維度分布，可以從使用時(shí)長(zhǎng)和使用里程對(duì)變速器各擋齒輪工作強(qiáng)度進(jìn)行分析。擋位分布如圖7所示。由圖可知，8擋位時(shí)間占比和里程占比最高，7擋位其次，1～4擋占比均很小。分轉(zhuǎn)速擋位分布如圖8所示。研究不同轉(zhuǎn)速范圍擋位基于時(shí)間維度分布情況可知，怠速轉(zhuǎn)速，低擋位占比較高;在常用轉(zhuǎn)速區(qū)間段，高擋位占比明顯較高。

圖7 擋位分布

圖8 分轉(zhuǎn)速擋位分布

4.3 換擋操縱統(tǒng)計(jì)分析

基于各場(chǎng)景秒采數(shù)據(jù)擋位變化，統(tǒng)計(jì)出換擋次數(shù)如圖9所示。基本與不同場(chǎng)景車輛運(yùn)輸特點(diǎn)和道路交通擁堵情況工況特點(diǎn)吻合，可以作為場(chǎng)景識(shí)別的輔助參數(shù)。

圖9 換擋次數(shù)統(tǒng)計(jì)

對(duì)百公里換擋次數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析處理，得出各場(chǎng)景百公里各擋位同步器結(jié)合次數(shù)，計(jì)算出5×105km同步器結(jié)合次數(shù)，如圖10所示。

圖10 同步器結(jié)合次數(shù)統(tǒng)計(jì)

由圖10可以看出，場(chǎng)景13的4#同步器結(jié)合次數(shù)達(dá)到最大值13.2萬(wàn)次。結(jié)合市區(qū)行駛較為擁堵的工況比較合理，且滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，間接論證了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的合理性。

對(duì)離合器結(jié)合次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算出5×105km離合器結(jié)合次數(shù)，如圖11所示?？梢钥闯?，場(chǎng)景13離合器結(jié)合次數(shù)最高，達(dá)到97.5萬(wàn)次，與短途運(yùn)輸?shù)缆窊矶孪嚓P(guān)，其他中長(zhǎng)途場(chǎng)景結(jié)合次數(shù)較少，符合工況統(tǒng)計(jì)的一致性，均低于離合器總泵及分泵DVP驗(yàn)證要求，相關(guān)驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)定義是合理的。通過百公里數(shù)據(jù)對(duì)比，離合器結(jié)合次數(shù)大于換擋次數(shù)，存在半離合狀態(tài)或未達(dá)到分離的預(yù)踩離合的過程因素，也符合實(shí)際情況。

圖11 離合器結(jié)合次數(shù)統(tǒng)計(jì)

4.4 換擋規(guī)律分析

統(tǒng)計(jì)各擋位順序升擋和降擋對(duì)應(yīng)車速、轉(zhuǎn)速和油門開度等分布，并提煉出車速-轉(zhuǎn)速換擋點(diǎn)分布曲線。以場(chǎng)景9為例，如圖12所示的各擋換擋點(diǎn)對(duì)應(yīng)車速和轉(zhuǎn)速變化呈線性關(guān)系，也證明了速比算法的正確性。

圖12 順序換擋點(diǎn)分布

目前常見的換擋規(guī)律主要包括單參數(shù)、兩參數(shù)和三參數(shù)換擋規(guī)律；從換擋特性分成最佳動(dòng)力性能換擋特性和最佳燃料經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律[8]。換擋規(guī)律研究的文獻(xiàn)較多，大多數(shù)集中在兩參數(shù)和三參數(shù)的換擋規(guī)律開發(fā)與應(yīng)用[9-21]。通過采集大數(shù)據(jù)分析MT變速器換擋規(guī)律，既可以了解不同復(fù)雜場(chǎng)景用戶換擋工作習(xí)慣，又可以基于實(shí)際開發(fā)需求，為AT/AMT開發(fā)提供換擋策略輸入。

圖13中的最小車速和最大車速分別代表用戶應(yīng)用場(chǎng)景的極限使用水平，中位車速代表用戶平均水平，各擋位中位車速可以定義為基于車速的單參數(shù)換擋規(guī)律。相應(yīng)的基于轉(zhuǎn)速的單參數(shù)換擋規(guī)律也可以提取出來(lái)。單參數(shù)換擋規(guī)律可以作為Cruise仿真分析換擋策略重要輸入。

圖13 換擋點(diǎn)車速統(tǒng)計(jì)

實(shí)際用戶使用水平的兩參數(shù)升擋和降擋散點(diǎn)圖如圖14所示，反映了不同駕駛風(fēng)格的用戶換擋操作差別很大。

圖14 兩參數(shù)升擋和降擋散點(diǎn)圖

對(duì)統(tǒng)計(jì)的各擋位升降擋規(guī)律數(shù)據(jù)基于油門開度排列取車速的中位值，繪制用戶平均水平換擋規(guī)律曲線，如圖15所示。用戶換擋規(guī)律完全基于實(shí)際數(shù)據(jù)獲取，因此與理論分析規(guī)律略有差異。

圖15 用戶平均水平換擋規(guī)律曲線

基于該發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)油耗轉(zhuǎn)速區(qū)域，僅選取該轉(zhuǎn)速區(qū)域的車速-油門開度數(shù)據(jù)，繪制用戶經(jīng)濟(jì)性升擋規(guī)律曲線如圖16所示?？梢钥闯龈鲹跷徊煌烷T開度升擋對(duì)應(yīng)車速，基本穩(wěn)定在垂直與x軸的平均值線附近。

圖16 用戶經(jīng)濟(jì)性升擋規(guī)律曲線

5 結(jié)論

(1)基于大數(shù)據(jù)可以開展變速器工作特性分析，并大大提高工作效率，提煉不同復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景大數(shù)據(jù)可以滿足通用工況和極端工況的分析需求。

(2)基于某中卡物流車復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景大數(shù)據(jù)，通過建立的車速分步、轉(zhuǎn)速分步、擋位分步、分轉(zhuǎn)速擋位分布、基于車速-轉(zhuǎn)速的換擋點(diǎn)分布和換擋車速分布等分析模型，獲得了8MT變速器工作特性，另外通過同步器結(jié)合次數(shù)和離合器結(jié)合次數(shù)的分析，有力地支撐了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有效性。

(3)制定了單參數(shù)換擋規(guī)律分析方法和兩參數(shù)擋換擋規(guī)律分析方法，并生成了8MT變速器換擋規(guī)律，可以為AMT變速器換擋策略開發(fā)提供重要輸入。通過不斷挖掘大數(shù)據(jù)的價(jià)值，必將推動(dòng)基于大數(shù)據(jù)進(jìn)行變速器工作特性的研究與疲勞耐久相關(guān)方面的應(yīng)用。