基于Cruise的AT车辆换档策略制定与优化

2011AVL先进模拟技术中国用户大会论文基于Cruise的AT车辆换档策略制定与优化解国强张毅高迎邓晓龙（奇瑞发动机工程研究院，安徽，芜湖，241009）摘要：讨论了动力性和经济性换档策略以及一般性换档策略的制定方法。根据各种换档策略的优化需求，提出了动力性和经济性功率分配的优化策略，并研究了如何基于Cruise软件，使用VBA开发相应的模块，实现所需求的换档策略的自动生成，从而大大提高了工作效率，对整车换档策略的初步确定具有重要的意义。关键词：自动变速箱，动力性换档策略，经济性换档策略，优化，自动化主要软件：AVL-Cruise，Excel，VBA1前言换档策略是影响自动档车辆动力性和经济性的重要因素。目前，应用比较广泛的为两参数的换档策略，即基于油门开度和车速（或涡轮转速）两个控制参数的换档策略。本文利用Excel与VBA(VisualBasicforApplications)，对自动档车辆的动力性换档策略、经济性换档策略及一般性换档策略进行了计算，并进行了相应的动力性和经济性优化。最后对换档策略进行了仿真评价。2换档曲线换档策略曲线通常分为三个区域：低负荷区域、中等负荷区域和大负荷区域。低负荷区域与中等负荷区域的界定通常为20%-30%负荷，中等负荷区域和大负荷区域的界定一般设为90%负荷。在换档过程中，低负荷区域以舒适性稳定性要求为主，大负荷区域主要满足动力性能要求，中等负荷区域则根据不同的换档策略，进行相应的制取。动力性换档策略中等负荷区域主要考虑整车行驶过程中的动力要求，经济性换档策略中等负荷区域则主要考虑整车行驶过程中的经济性要求，一般性换档策略中等负荷区域则要综合考虑动力性能和经济性能，以经济性为主，兼顾动力性。3换档策略制定建立自动档车辆的计算模型并输入参数，如图1。进行不同油门开度加速性能计算，并提取取出相应的车速、发动机转速、涡轮转速、泵轮转速、负荷、加速度以及油耗。并设置其它计算任务[1]。3.1动力性换档策略[1][2]动力性换档策略低负荷区域以舒适性和稳定性为主，因此，将各个负荷下升降档车速界定为各图1AT车辆计算模型2011AVL先进模拟技术中国用户大会论文-200204060801001201401601802002202400246810油耗（kg/h）车速（km/h）4档50%负荷油耗曲线与3档各负荷交点油耗曲线-20020406080100120140160180200220-0.50.00.51.01.52.03档4档加速度（m/s2）车速（km/h）50%100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%15%ABA’B’CC’图3经济性换档策略制定示意档的最低稳定车速。动力性换档策略中等负荷区域以动力性为主，因此，要求整车按照某一负荷进行加速时，应始终按照最大的加速度行驶。大负荷区域kick换档点指急加速时的换档点，降档时表现为强制降档，升档时表现为延迟降档，以最大限度地利用最大性能的输出。动力性换档策略大负荷区域的kick升档点取各档的最大性能点，即相邻两档加速度曲线的交点；kick降档点制取原则为：当在该降档点降档后，由低档加速到kick升档点的时间与升降档所用时间的和小于高档由该降档车速加速到kick升档点的时间。在Cruise软件中计算不同油门开度的车速、加速度等数据，根据上述方法进行取点，并进行一定的修正，得出的动力性换档策略如图2：图2表明：动力性换档点相对较为滞后，最大限度地利用了发动机的功率输出。3.2经济性换档策略根据低负荷区域和大负荷区域换档原则，经济性换档点在这两个换档点之间制取，换档策略制取方法和动力性换档策略相同。经济性换档策略中等负荷区域以经济性为主，主要考虑在换档过程中，始终以燃油消耗量小的档位行驶。在Cruise软件中计算出不同负荷各档位的车速、加速度、燃油消耗量等数据，采用油门法[2]制取经济性换档策略，其制取过程如图3所示，所得经济性换档规律如图4所示。可以看出，经济性换档策略的换档车速相对偏低，有利于整车利用高档运行，以提高燃油经济性。图2动力性换档策略图4经济性换档策略2011AVL先进模拟技术中国用户大会论文3.3一般性换档策略[1]一般性换档策略在低负荷区域同样以舒适性和稳定性为主、大负荷区域同样以最佳动力性为主，主要差别在于在中等负荷区域，换档策略在保证经济性的基础上，兼顾动力性。其升档换档点取为整车行驶功率曲线（p=mav）的最大功率点附近，其降档换档点取为低档行驶功率曲线最大功率点左侧一定转速范围内。经修正后，所制定的一般性换档策略如图5所示。一般性换档策略的换档点取在最大行驶功率附近，一定程度上对整车行驶功率进行了有效利用，兼顾了动力性和经济性。通过对比，其换档车速介于动力性换档策略和经济性换档策略之间。3.4可优化的综合性换档策略以上制定的动力性换档策略、经济性换档策略均为最佳动力性和最佳经济性的换档策略，而实际工作中，为了平衡兼顾经济性、动力性，很少会采用这两种极端的换挡策略。一般性换档策略为主要考虑经济性，兼顾动力性。针对不同的市场要求，需要在最佳动力性和最佳经济性之间选取一定的动力性调节因子来优化综合性的换档策略，从而得到几种不同侧重点的综合性换档策略，供决策选用。以整车行驶功率—车速曲线为基础，某负荷时，以最佳经济性换档点和最佳动力性换档点之间的区域面积为功率输出范围[3]。定义最佳动力性换档点的动力性调节因子为1，定义最佳经济性换档点的动力性调节因子0，通过优化，选定0~1之间的动力性调节因子。图6为选取动力性调节因子为0.5时的综合性换档策略：该换档策略的升档车速较上述一般性换档策略高，低于动力性换档策略的升档车速。这样，通过调节动力性因子，完全可以根据不同的市场需求及产品定位，来选定最合适的综合图5一般性换档策略图6动力性调节因子为0.5时的换档策略2011AVL先进模拟技术中国用户大会论文性档策略，可以很好的调节整车动力性和经济性。3.5换档策略的修正以上根据理论制定的换档点往往会出现一些局部问题，因此需要对其进行修正。第一，为了保证车辆不熄火，保证行驶的平顺性和稳定性，各升降档的车速不得低于该档的最低稳定车速。第二，由于道路的实际情况比较复杂，整车的车速在行驶过程中难免会有波动，过小的换档速差会导致频繁的升降档，加快自动变速箱的磨损，降低自动变速箱的寿命。过小的换档速差也不能有效的利用发动机的功率，造成油耗偏高。并且档位越高，换档速差越大，行驶功率曲线越平坦，换档速差应越大。第三，降档速差过大，降档延迟增加，不能及时的降档，也会造成不能充分利用发动机的功率，从而使整车动力性能不足。在此利用收敛度K[4]来限制降档速差的上限。K=(vn↑-vn↓)/vn↑式中vn↑——n档换入(n+1)档时的车速，vn↓——(n+1)档降到n档时的车速，通常K的取值应该小于0.4~0.45.[5]第四，为了保持2档以上各档升档时的平顺性，各档升档时对应的发动机转速应尽量保持在一定范围之内，波动不应太大。通常取各档升档转速的平均值附近。第五，各档换档曲线应尽量保持其单调性。4仿真分析各换档策略中等负荷差异明显，整车在EUDC工况时，中等负荷运行最频繁，因此仅对比EUDC工况时整车的运行情况。将其代入AVLCruise软件进行仿真，其仿真结果如下。4.1采用动力性换档策略采用动力性换档规律时，整车EUDC循环行驶工况条件下的车速和档位如图7所示。整车运行档位较低，换档延迟，在加速时能够及时降档以增加动力性。4.2采用经济性换档策略采用经济性换档规律时，整车在ECE和EUDC循环行驶工况条件下的车速和档位如图8所示。经济性换档策略的换档车速较低，能够较早地进入高档位运行，使整车运行在较低转速和较低燃油消耗率区域，从而提高燃油经济性。4.3采用一般性换档策略采用一般性换档策略时，整车EUDC循环行驶工况条件下的车速和档位如图9所示。一般性的换档策略以经济性为主，兼顾动力性。在急加速时能够有效的降档，提高动力性能，在车辆运行平稳时及时升档，保证良好的经济性能。4.4采用动力性调节因子为0.5的换档策略采用动力性调节因子为0.5的换档策略时，整车EUDC循环行驶工况条件下的车速和档位如图图7动力性换档时EUDC工况运行图图8经济性换档时EUDC工况运行图2011AVL先进模拟技术中国用户大会论文10所示。该换档策略的换档车速高于一般性换档策略的换档车速，可以在加速时有效地降档，增强其动力性能。4.5采用不同换档策略时整车性能采用不同换档规律的整车性能如表1所示，表1采用不同换档策略时整车性能注：因大负荷区域采用相同的换档原则，全负荷加速时动力性能相当，在此采用90%负荷加速对比。从上图可以看出，采用动力性换档策略时，整车动力性最强，经济性最差；采用经济性换档策略时，经济性最好，动力性较差；采用一般性换档策略时，动力性和经济性介于两者之间；调节因子为0.5时，动力性较采用一般性换档策略时好，经济性和采用一般性换档策略时相当。经过计算还表明，调节因子由小到大变化时，动力性依次增强，经济性依次变差，动力性和经济性呈现一定的规律性。经过仿真，验证了换档策略的有效性。各换档策略的经济性变化不大，主要原因是该车辆匹配小排量增压直喷汽油机，其动力强劲，燃油经济性较好。5软件开发由于换档策略的制取工作量较大，为了避免重复性工作，提高工作效率，本文研究了采用VBA实现换档策略的自动化制取。图9一般性换档时EUDC工况运行图图10动力性调节因子为0.5的EUDC工况运行图换档策略动力性经济性一般性调节因子0.5NEDC（L/100km）7.337.17.247.2290%负荷0~100km/h（s）9.810.910.7910.35图11NEDC油耗图1290%负荷0~100km/h加速时间2011AVL先进模拟技术中国用户大会论文图13程序的各个模块5.1计算机辅助程序结构各个换档策略的制取采取模块化的模式，将各个子程序模块化，然后将各模块进行统一调用，以完成不同换档策略的生成。各模块包括低负荷区域换档策略制定模块、中等负荷区域换档策略制定模块、大负荷区域换档策略制定模块以及修正模块和综合模块等。5.2系统基本组成系统程序主要分为三个部分：（1）前处理部分：数据的输入和设定。（2）优化计算部分：对各个换档策略进行计算并修正。（3）后处理部分：生成换档策略数据及曲线，可对相应换档点局部调整优化。5.3程序输入输出设定数据输入主要包括以下几个部分：（1）整车数据输入，如整车整备质量等。（2）变速箱数据输入，如速比等。（3）低负荷区域设定，包括最低稳定车速设定，换档速差设定。（4）中等负荷区域设定，包括降档延迟、换档速差和收敛度设定等。（5）大负荷区域设定，包括换档速差设定和换档时间设定等。（6）换档策略模式选择。程序的输出主要包括数据输出和图形输出。数据输出为各换档策略的各档各负荷的换档点。图形输出为各换档策略的换档曲线。5.4程序输入界面部分输入界面如图14。VBA的使用，使换档策略的生成效率大大提高，并提供了一定的调试空间，为整车的标定提供了重要的依据。6结语（1）本文详细叙述了自动档车辆动力性换档策略、经济性换档策略、一般性换档策略以及各种综合性换档策略的制定方法，并对其有效性进行了仿真和对比。（2）经过仿真分析和验证，所制定的换档策略符合整车的行驶规则，能够有效的控制整车的动力性和经济性，对整车标定具有重要的意义。（3）目前，通过Excel与VBA已经实现换档策略的快速开发，大大提高了换档策略的制定效率，缩短了项目开发的周期，降低了生产成本，提高了生产效率。参考文献[1]AVL-Cruise_GSP[2]张俊智,王丽芳,葛安林.自动换档规律的研究[J].机械工程学报.1999,35（4）[3]余志生汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2000[4]余荣辉,孙东野,秦大同.机械自动变速系统动力性换档控制规律[J].农业机械学报.2006,37（4）[5]葛安林.车辆自动变速理论与设计[M].北京:机械工业出版社,1993.图