1、2011 AVL 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
2、 ， 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， VBA 1 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(Visual Basic for Applications)， 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
3、 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
4、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 12 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 1 AT 车辆计算模型 2011 AVL 先进模拟技术中国用户大会论文 -2 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 2400246810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-2 0 0 20
5、40 60 80 100 120 140 160 180 200 220-0 .50 .00 .51 .01 .52 .0 3档4档加速度（m/s2）车速（km/h）50%100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%15%AB AB C C 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
6、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
7、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 2011 AVL 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
8、 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
9、 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
10、经济性换 档点 的 动力性 调节 因子 0， 通过优化，选定 01 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 2011 AVL 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
11、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 K4来限制降档速差的上限。 K = (v n -
12、 v n )/v n 式中 v n n 档 换入 (n+ 1) 档 时的车速 ， v n (n+ 1) 档 降到 n 档 时的车速 ， 通常 K 的取值应该小于 0.40.45.5 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 AVL Cruise 软件进行仿真，其仿真结果如下。 4.1 采用 动力性
13、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
14、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 2011 AVL 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
15、，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
16、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 0.5N ED C（ L / 100 km ） 7.33 7.1 7.24 7.2290% 负荷0100km / h（ s ）9.8 10.9 10.79 10.35图 11 NEDC 油耗 图 12 90%负荷 0100km/h 加速时间 2011 AVL 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
17、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
18、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
19、（ 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 14 部分输入界面
