張曉聰， 孫 良， 王偉達(dá)， 閆清東

(北京理工大學(xué) 車輛傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081)

某礦用汽車動(dòng)力性換擋規(guī)律設(shè)計(jì)及優(yōu)化

張曉聰， 孫 良， 王偉達(dá)， 閆清東

(北京理工大學(xué) 車輛傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081)

針對(duì)礦用汽車設(shè)計(jì)了動(dòng)力性換擋規(guī)律，利用MATLAB/Simdriveline建立整車動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了車輛的動(dòng)力性能. 為了得到針對(duì)所建仿真模型最優(yōu)的換擋點(diǎn)，提出以加速時(shí)間為目標(biāo)，用ISIGHT調(diào)用MATLAB對(duì)換擋點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，并與設(shè)計(jì)換擋規(guī)律進(jìn)行動(dòng)力性對(duì)比. 結(jié)果表明，優(yōu)化得到的換擋規(guī)律加速時(shí)間減少、動(dòng)力性更好.該方法可以方便、快速、有效地修正優(yōu)化變量，對(duì)換擋規(guī)律設(shè)計(jì)和改進(jìn)以及其他動(dòng)力學(xué)仿真中參數(shù)的優(yōu)化有實(shí)際意義.

礦用汽車；動(dòng)力性換擋規(guī)律；優(yōu)化；建模與仿真

作為主要工作在礦山上的重型車輛，礦用汽車是一種特殊的非公路車輛，行駛路況復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣、負(fù)載變化范圍很大、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性較差，換擋規(guī)律的制定對(duì)礦用汽車尤為重要.

按理論設(shè)計(jì)的換擋規(guī)律，雖在一定程度上可使汽車獲得最佳的性能指標(biāo)，但并沒有考慮到汽車行駛環(huán)境和駕駛員的操縱習(xí)慣以及控制策略等對(duì)整個(gè)換擋過程的影響.因而，可以采用優(yōu)化軟件對(duì)其優(yōu)化得到實(shí)際更優(yōu)解. 國(guó)內(nèi)針對(duì)礦用汽車AT自動(dòng)換擋規(guī)律的優(yōu)化相對(duì)較少，且多采用Cruise軟件優(yōu)化. 倪計(jì)民，周良鋒使用Cruise軟件建立模型，對(duì)公交客車的換擋規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化[1-2]. 趙璐對(duì)商用車AMT運(yùn)用Cruise軟件進(jìn)行了最佳燃油經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律優(yōu)化計(jì)算[3]. 鐘鑫針對(duì)某些工況發(fā)生頻繁換擋、錯(cuò)誤換擋的現(xiàn)象，對(duì)公交車液力機(jī)械自動(dòng)變速器綜合性換擋規(guī)律進(jìn)行了智能修正[4]，但其方法較復(fù)雜，不具有普遍性. 文獻(xiàn)[5]提出一種換擋圖設(shè)計(jì)方法，保證了經(jīng)濟(jì)性、操縱性、穩(wěn)健性等. 國(guó)內(nèi)一些高校在該領(lǐng)域取得了一定的成果，葛安林提出了智能換擋的概念并對(duì)換擋品質(zhì)的評(píng)價(jià)體系進(jìn)行了完善[6]. 趙丁選、龔捷教授的團(tuán)隊(duì)對(duì)工程車輛建立三參數(shù)、四參數(shù)換擋規(guī)律以及進(jìn)行了自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)換擋控制、模糊控制等的研究[7-9]. 于濤、魏巍等對(duì)高速軍用推土機(jī)進(jìn)行了換擋規(guī)律和換擋品質(zhì)的優(yōu)化[10-11]. 席軍強(qiáng)、陳慧巖等提出一種換擋規(guī)律逆向試驗(yàn)解析方法[12]. 文獻(xiàn)[13]應(yīng)用Cruise對(duì)AMT的經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律進(jìn)行了優(yōu)化和仿真. 張炳力對(duì)叉車建立了基于車速和油門開度的動(dòng)力性換擋規(guī)律，并針對(duì)坡道工況采用模糊控制對(duì)換擋規(guī)律輸出的理論擋位進(jìn)行修正[14].

文中設(shè)計(jì)了基于車速與油門開度的組合型動(dòng)力性換擋規(guī)律，利用MATLAB /Simdriveline 基于模塊化建模方法，建立了某礦用汽車的仿真模型，并進(jìn)行仿真分析. 所建模型用于對(duì)換擋規(guī)律的研究分析，通過仿真結(jié)果確定換擋規(guī)律的可靠性、有效性和控制器控制功能是否達(dá)到預(yù)先設(shè)定的要求. 之后應(yīng)用ISIGHT優(yōu)化軟件，聯(lián)合MATLAB 對(duì)換擋規(guī)律進(jìn)行協(xié)同仿真優(yōu)化設(shè)計(jì). 該方法簡(jiǎn)單有效，適用性強(qiáng).

1 動(dòng)力性換擋規(guī)律設(shè)計(jì)

文中采用組合型動(dòng)力性換擋規(guī)律，油門開度大于40%時(shí)為基于車速和油門開度的雙參數(shù)換擋規(guī)律，低于40%時(shí)為基于車速的單參數(shù)換擋規(guī)律. 最佳動(dòng)力性換擋特性通常以相鄰兩擋在換擋過程中各油門開度下牽引力與車速的關(guān)系、加速度與車速的關(guān)系來描述[15].

換擋規(guī)律求解過程用到的主要參數(shù)如表1.

表1 計(jì)算參數(shù)

由于其中涉及到液力變矩器的閉解鎖問題，提出下面的閉解鎖策略.

(1)1 擋不閉鎖，為全液力工況；2擋進(jìn)行閉解鎖控制；3到6擋全為機(jī)械工況.

(2)換擋過程解鎖，利用液力元件的緩沖作用改善換擋品質(zhì).

(3)為了保證不頻繁的閉鎖解鎖，解鎖車速相對(duì)于閉鎖車速有一定的延遲.

(4)油門開度低于30%時(shí)不閉鎖.

換擋規(guī)律計(jì)算具體流程如下.

(1)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)凈外特性和調(diào)速特性、液力變矩器原始特性計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)與變矩器共同工作輸入、輸出特性.

(2)根據(jù)公式(1)分別計(jì)算液力工況和機(jī)械工況各油門開度下各擋加速度.

(1)

式中：m為車輛質(zhì)量，kg；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；du/dt為行駛加速度，m/s2；Ttq為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，Ν·m；ig、io為變速器、主減速器傳動(dòng)比；ηT為傳動(dòng)系的傳動(dòng)效率；r為車輪半徑，m；Ff、Fi、Fw為滾動(dòng)阻力、坡度阻力和空氣阻力，N.

(3)作1、2擋液力工況，2～6擋機(jī)械工況加速度曲線.

(4)求各油門開度下各擋位加速度曲線交點(diǎn)，即為升擋點(diǎn). 根據(jù)閉解鎖規(guī)律，1擋升2擋換擋點(diǎn)為其液力工況加速度曲線交點(diǎn)；2擋以上的換擋點(diǎn)為相應(yīng)擋位機(jī)械工況加速度曲線交點(diǎn).

(5)根據(jù)降擋速差確定降擋點(diǎn). 目標(biāo)車輛為重型車輛，所以降擋速差設(shè)計(jì)為如下形式：大油門開度時(shí)的降擋速差較小，因而在大油門開度時(shí)升降擋都能保證較好的功率利用，動(dòng)力性好；小油門開度時(shí)的降擋速差較大，可使換擋次數(shù)減少，而且發(fā)動(dòng)機(jī)以較低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，燃料經(jīng)濟(jì)性好，噪音小，行駛平穩(wěn)舒適. 低擋位時(shí),為保證車輛動(dòng)力性，降擋速差較小；高擋位時(shí),降擋速差較大，保證車輛在很大的車速范圍內(nèi)使用高擋而不降擋，減少換擋次數(shù)，提高動(dòng)力和經(jīng)濟(jì)性能. 求得動(dòng)力性換擋規(guī)律如圖1.

圖1 動(dòng)力性換擋規(guī)律曲線

2 動(dòng)力學(xué)建模及仿真

2.1 動(dòng)力學(xué)模型

車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)多領(lǐng)域系統(tǒng)，由屬于機(jī)械、液力以及控制工程等領(lǐng)域的子系統(tǒng)如發(fā)動(dòng)機(jī)、齒輪變速機(jī)構(gòu)、液壓轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、液力變矩器、離合器控制系統(tǒng)、地面阻力系統(tǒng)等組成，是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)、電、液混合的多自由度、時(shí)變的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，需要對(duì)車輛進(jìn)行準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)建模. 現(xiàn)在一般采用模塊化建模方法，可以大大減輕建模工作量，有利于各個(gè)子系統(tǒng)的封裝與移植[16].

文中運(yùn)用物理建模軟件MATLAB/SimDriveline建立整車模型，如圖2.包括發(fā)動(dòng)機(jī)、液力變矩器、行星齒輪機(jī)構(gòu)、地面阻力、控制器等子模塊.

圖2 整車動(dòng)力學(xué)模型

2.2 仿真結(jié)果及分析

為了確定換擋規(guī)律的動(dòng)力性、合理性，針對(duì)以上設(shè)計(jì)的換擋規(guī)律，進(jìn)行最大油門開度下連續(xù)升擋的動(dòng)力學(xué)仿真.

取發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度為100%，整車質(zhì)量m=1.2×105kg，仿真結(jié)果如圖3、圖4所示，圖3中1代表變矩器閉鎖，0代表變矩器解鎖.

圖3 擋位、閉解鎖信號(hào)與沖擊度變化曲線

根據(jù)仿真結(jié)果，可以看出仿真模型實(shí)現(xiàn)了升擋過程的仿真，且轉(zhuǎn)速變化曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相符. 圖3中擋位和閉解鎖信號(hào)的變化表明仿真模型實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的變矩器閉解鎖控制，閉解鎖動(dòng)作與換擋動(dòng)作協(xié)調(diào). 圖4為采用設(shè)計(jì)的換擋規(guī)律與采用其他換擋點(diǎn)時(shí)仿真得到的車速對(duì)比曲線.可以看到前者曲線更平滑，加速也更快，驗(yàn)證了換擋規(guī)律的合理性和優(yōu)越性.

圖4 設(shè)計(jì)與非設(shè)計(jì)換擋規(guī)律下的車速對(duì)比曲線

采用設(shè)計(jì)的換擋規(guī)律仿真時(shí)，車速由0加速到32km/h用時(shí)21.5s；而采用非設(shè)計(jì)換擋點(diǎn)仿真時(shí),加速時(shí)間為25s. 可以看出，設(shè)計(jì)的換擋規(guī)律加速性更好.

現(xiàn)以3擋升4擋為例，介紹換擋過程及離合器和制動(dòng)器油壓變化.3擋結(jié)合的離合器為C1和B2，4擋結(jié)合的離合器為B1和B2. 故換擋過程中B2始終結(jié)合，C1由結(jié)合變?yōu)榉蛛x，而B1由分離變?yōu)榻Y(jié)合. 圖5為3擋升4擋過程中閉鎖離合器CL，離合器C1和制動(dòng)器B1，B2的油壓變化.

圖5 3擋升4擋離合器油壓變化仿真曲線

由仿真結(jié)果看出:8s時(shí)(此時(shí)為3擋),液力變矩器閉鎖，由液力工況變?yōu)闄C(jī)械工況；9.7s時(shí),達(dá)到升擋車速，升為4擋，升擋的同時(shí)液力變矩器解鎖，此時(shí)制動(dòng)器B1油壓升高，閉鎖離合器CL和離合器C1油壓降低到0，B2油壓保持不變，11.2s時(shí),液力變矩器再次閉鎖，CL結(jié)合，從而由液力工況變?yōu)闄C(jī)械工況. 仿真結(jié)果中,油壓的變化符合換擋邏輯，并與圖6中的實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果相符.

圖6 實(shí)車試驗(yàn)時(shí)3擋升4擋離合器油壓變化曲線

3 換擋規(guī)律優(yōu)化

根據(jù)數(shù)據(jù)求出的換擋規(guī)律,只是理論上最優(yōu)的結(jié)果.由于模型具體的換擋策略,以及換擋規(guī)律求曲線交點(diǎn)存在誤差等因素,可能所求得的換擋規(guī)律在實(shí)際應(yīng)用中并不是最優(yōu)解，因而文中采用ISIGHT聯(lián)合所建的Simulink模型對(duì)所求換擋規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化，以得到實(shí)際運(yùn)行中最優(yōu)的換擋規(guī)律點(diǎn).

優(yōu)化流程如圖7.

圖7 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖

優(yōu)化原理為：在ISIGHT中定義優(yōu)化變量、優(yōu)化目標(biāo)、優(yōu)化約束，并賦予變量以初值，作為MATLAB模型的輸入，MATLAB運(yùn)行的結(jié)果作為輸出，ISIGHT優(yōu)化算法根據(jù)輸出結(jié)果修正優(yōu)化變量,并作為輸入不斷調(diào)用MATLAB，直至獲得理想性能. 如圖8.

圖8 優(yōu)化原理示意圖

汽車的動(dòng)力性評(píng)價(jià)指標(biāo)有最高車速、加速時(shí)間、最大爬坡度，最高車速和最大爬坡度主要與發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、傳動(dòng)比、汽車質(zhì)量、汽車阻力等因素有關(guān)，與換擋規(guī)律無關(guān)，只有加速時(shí)間與換擋規(guī)律有關(guān).所以選取加速時(shí)間為優(yōu)化目標(biāo).

3.1 優(yōu)化問題描述

1)設(shè)計(jì)變量：100%，70%，50%油門開度下，擋位由1擋依次升到6擋時(shí)，車速依次設(shè)為v1、v2、v3、v4、v5.

2)以動(dòng)力性為目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)為：動(dòng)力性目標(biāo)(全油門開度下0～32 km/h加速時(shí)間最短)

(2)

3)約束條件：考慮各擋最高、最低車速和降擋速差等因素，確定各擋升擋車速范圍如下.

表2 升擋車速范圍 km/h

3.2 優(yōu)化模型

分別對(duì)每個(gè)油門開度單獨(dú)優(yōu)化. 以100%油門開度為例，用ISIGHT軟件建立優(yōu)化模型. 優(yōu)化過程中，Optimization模塊作為優(yōu)化器，調(diào)用性能仿真軟件并賦值優(yōu)化變量v1、v2、v3、v4、v5，性能仿真軟件MATLAB相當(dāng)于一個(gè)求解器，根據(jù)新的輸入?yún)?shù)，通過command中的m文件調(diào)用所建的Simulink模型完成整車仿真，并將仿真結(jié)果tac提供給Optimization模塊，Optimization模塊根據(jù)相應(yīng)算法調(diào)整優(yōu)化變量，并重新賦值給MATLAB，如此循環(huán)直至獲得理想性能. 圖9為ISIGHT中所建模型的數(shù)據(jù)交換圖.

圖9 優(yōu)化模型的數(shù)據(jù)交換示意圖

優(yōu)化模型中，選用多島遺傳算法(Multi-islandGA)進(jìn)行優(yōu)化. 多島遺傳算法Multi-islandGA是經(jīng)過改良的遺傳算法，主要特點(diǎn)是把整個(gè)種群分成若干個(gè)子種群，在每個(gè)子種群中進(jìn)行傳統(tǒng)遺傳算法的所有操作，并且在每個(gè)子種群中選定一些個(gè)體定期地遷移到另外的島上，然后，繼續(xù)進(jìn)行遺傳操作. 通過這種遷移操作可以維持群體的多樣性，能更有效的搜索全局解空間的最優(yōu)解[17].

3.3 優(yōu)化結(jié)果與分析

以100%油門開度為例，優(yōu)化過程共有1001步，在第382步達(dá)到最優(yōu). 將最優(yōu)解與優(yōu)化前進(jìn)行對(duì)比，如表3.

表3 升擋點(diǎn)優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比 km/h

可以看到，優(yōu)化后加速時(shí)間降低，動(dòng)力性有所改善. 同時(shí)比較優(yōu)化前后換擋點(diǎn)，可以看出優(yōu)化后的升擋點(diǎn)均比優(yōu)化前的升擋點(diǎn)提前，這是由于動(dòng)力學(xué)模型的Stateflow模塊中，為避免換擋重疊，采取了2 s的換擋延遲.

4 結(jié) 論

針對(duì)某重型礦用汽車，設(shè)計(jì)了基于車速和油門開度的雙參數(shù)動(dòng)力性換擋規(guī)律，并搭建MATLAB/Simulink仿真模型進(jìn)行仿真分析. 仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的換擋規(guī)律具有較好的動(dòng)力性. 以加速時(shí)間為優(yōu)化目標(biāo)，運(yùn)用ISIGHT優(yōu)化軟件對(duì)100%、70%、50%油門開度下的升擋點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化. 通過優(yōu)化得到加速時(shí)間最優(yōu)的換擋規(guī)律，提高了動(dòng)力性. 優(yōu)化結(jié)果表明，該方法對(duì)換擋規(guī)律設(shè)計(jì)和改進(jìn)有實(shí)際意義.

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Design and Optimization of Shift Schedule for a Mining Truck

ZHANG Xiao-cong， SUN Liang， WANG Wei-da， YAN Qing-dong

(National Key Lab of Vehicular Transmission，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China)

In order to improve its dynamic performance, a shift schedule is designed for a mining truck. A dynamics model of the vehicle is established by MATLAB/Simdriveline, and its performance is verified by using the designed schedule. In order to get the optimal shift points for the model, the method is put forward of taking the acceleration time as a goal and optimizing every shift point in ISIGHT and MATLAB. The vehicle performance of using the optimized schedule is compared with that of the designed one. The simulation results show that, with the optimized shift schedule, the acceleration time of the vehicle reduces and the performance gets better. This method can be used to modify the optimization variables, the shift schedule and the simulation parameters．

mining truck; shift schedule; optimization; modeling and simulation

1009-4687(2015)04-0008-06

2015-9-20

張曉聰(1990-),女,研究方向?yàn)樽詣?dòng)變速器換擋規(guī)律設(shè)計(jì).

TJ811

A