葛振偉

摘要：汽車運(yùn)行的過(guò)程中，在進(jìn)行加速或者減速的操作時(shí)，屬于一個(gè)動(dòng)態(tài)的換擋過(guò)程。在此過(guò)程中，如果操作換擋頻繁就會(huì)產(chǎn)生一定的耗油量，對(duì)于汽車運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性性帶來(lái)嚴(yán)重影響。我國(guó)每在汽車換擋操作中就會(huì)產(chǎn)生大量的燃油能源浪費(fèi)，為了改善這種局面，就必須對(duì)汽車自動(dòng)變速器的換擋規(guī)律進(jìn)行分析，并且對(duì)其展開(kāi)優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低換擋操作時(shí)所產(chǎn)生的流量消耗。文中在對(duì)汽車換擋規(guī)律的原理進(jìn)行分析之后，又對(duì)其動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法的換擋規(guī)律優(yōu)化進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：汽車性能;自動(dòng)變速器;換擋規(guī)律

在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的基礎(chǔ)上，自動(dòng)化技術(shù)獲得了全面的發(fā)展，在多個(gè)領(lǐng)域中均表現(xiàn)出良好的有一種效果。汽車運(yùn)行中所使用的自動(dòng)變速器就是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，對(duì)原有的手動(dòng)變速器進(jìn)行升級(jí)與改裝，應(yīng)用電子控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)變速器的自動(dòng)化發(fā)展，這樣不僅能夠提升燃油的利用率，使其經(jīng)濟(jì)效益更大得到更好發(fā)揮，還能夠在一定程度上節(jié)省制造成本。燃油的經(jīng)濟(jì)性屬于評(píng)價(jià)汽車性能的一項(xiàng)重點(diǎn)內(nèi)容，不僅會(huì)對(duì)車輛的駕駛成本造成影響，還關(guān)乎大氣環(huán)境。

一、汽車換擋規(guī)律的原理

1、換擋規(guī)律原理

規(guī)律指的是事物在運(yùn)行過(guò)程中的規(guī)律變化。就汽車的換擋規(guī)律而言，主要指的是汽車在行駛的過(guò)程中，利用變速器的擋位，對(duì)汽車行駛狀態(tài)和速度進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)所產(chǎn)生的變化值。我們將處于不同行駛速度下的參數(shù)變化值進(jìn)行分析之后，找出參數(shù)變化的關(guān)系，這便是對(duì)換擋規(guī)律的確定。在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，可以根據(jù)汽車行駛狀態(tài)下，所進(jìn)行的換擋操作來(lái)確定換擋規(guī)律。一般而言，根據(jù)控制參數(shù)的不同，我們可以將其分成單參數(shù)、兩參數(shù)和三參數(shù)。其中的單參數(shù)指的是，車輛的運(yùn)行速度，但是由于換擋操作屬于駕駛員的自主行為，自動(dòng)變速器無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛?cè)俗陨硇袨榈挠行Ц深A(yù)。為此，該項(xiàng)參數(shù)并不能作為優(yōu)化動(dòng)力和經(jīng)濟(jì)性能的主要參數(shù)。在當(dāng)前的汽車系統(tǒng)中，很少采用單參數(shù)的換擋規(guī)律。

而三參數(shù)的換擋規(guī)律是在兩參數(shù)的換檔規(guī)律基礎(chǔ)上，增加了加速度參數(shù)，而發(fā)展起來(lái)的換檔規(guī)律。在原有的基礎(chǔ)上，對(duì)加速度參數(shù)規(guī)律進(jìn)行分析之后可以更好的了解車輛的行駛狀況。但是相對(duì)來(lái)說(shuō)，參數(shù)處理的難度也大大提升，對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)帶來(lái)一定影響。同時(shí)，也會(huì)增加車輛制造的成本。為此，針對(duì)三參數(shù)換擋規(guī)律的研究還停留在理論階段。在實(shí)際車輛運(yùn)行的過(guò)程中，是將車速和油門(mén)的開(kāi)度作為主要參考參數(shù)，這也是兩參數(shù)換擋規(guī)律的重點(diǎn)內(nèi)容。圖1中所示的為兩參數(shù)換擋規(guī)律原理，其中的橫坐標(biāo)表示車速，中坐標(biāo)表示油門(mén)開(kāi)度。

從圖1可以發(fā)現(xiàn)，存在兩種線形，，我們將實(shí)線和虛線分別代表不同的擋位曲線。實(shí)線為升擋曲線，虛線為降擋曲線。為了確保不會(huì)出現(xiàn)循環(huán)換擋的現(xiàn)象，在換擋系統(tǒng)中增加了一定的換擋延遲。圖1所示的u=f21（a）表示為由二擋轉(zhuǎn)換為一擋曲線。而u=f23（a）為由二擋調(diào)整至三擋的曲線。從圖中的曲線變化情況可以看出，當(dāng)變速去處于二檔狀態(tài)時(shí)，汽車的運(yùn)行狀態(tài)在u=f21（a）和u=f23（a）兩個(gè)曲線之間，當(dāng)曲線u=f21（a）和u=f23（a）發(fā)生變化時(shí)，則表示進(jìn)行了升檔或者降擋操作。

2、換擋規(guī)律數(shù)學(xué)模型

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車換擋規(guī)律的有效優(yōu)化，使其燃油經(jīng)濟(jì)性得到全面提升，并且保證汽車的動(dòng)力作用，我們需要對(duì)汽車對(duì)換檔規(guī)律進(jìn)行全面分析之后，找出耗油量最低，且汽車動(dòng)力作用最強(qiáng)的參數(shù)。根據(jù)這一參數(shù)對(duì)汽車的換擋規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化，使其在燃油消耗量和行駛動(dòng)力性上均能得到有效提升。為了保證對(duì)換擋規(guī)律和燃油經(jīng)濟(jì)性的有效分析，我們將等速狀況下的汽車單位燃油量以及換擋操作下，燃油消耗量的變化情況進(jìn)行對(duì)比分析，繪制出發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性曲線圖。圖2所示內(nèi)容中，橫坐標(biāo)為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，縱坐標(biāo)為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。

從圖2中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)最佳燃油經(jīng)濟(jì)性工作區(qū)域?qū)?yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速主要集中在2000—2600r/min的范圍內(nèi)。傳統(tǒng)換擋規(guī)律換擋點(diǎn)的制定是假設(shè)在換擋過(guò)程中車速不變的條件下，將發(fā)動(dòng)機(jī)的小時(shí)油耗Q。

該方法求得的換擋規(guī)律在汽車行駛過(guò)程中始終保持不變，沒(méi)有考慮汽車行駛環(huán)境以及駕駛員操縱意圖對(duì)換擋過(guò)程的影響，僅適合于汽車平穩(wěn)行駛過(guò)程。而AMT的實(shí)際換擋過(guò)程為加速或減速的動(dòng)態(tài)過(guò)程，非線性程度高，時(shí)變性強(qiáng)，換擋過(guò)程中車輛處于非穩(wěn)定狀態(tài)，按穩(wěn)定狀態(tài)得到的換擋規(guī)律會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，在城市循環(huán)工況、制動(dòng)和轉(zhuǎn)彎等特殊路段容易導(dǎo)致頻繁換擋或意外升擋現(xiàn)象，從而影響整車燃油經(jīng)濟(jì)性能。

二、利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法進(jìn)行換擋規(guī)律優(yōu)化

1、動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法的流程

動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法具有理論性能強(qiáng)、適用范圍廣和工程化程度高的特點(diǎn)。在汽車變速器換擋規(guī)律的優(yōu)化方案中，可以充分發(fā)揮其自身性能。實(shí)際進(jìn)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃計(jì)算時(shí)，所包含的計(jì)算方法可以分為逆向法和正向法。其中的逆向法指的是，將邊界條件k=N作為計(jì)算的最優(yōu)值，當(dāng)運(yùn)算結(jié)果呈現(xiàn)出初始狀態(tài)時(shí)，便可以認(rèn)為整個(gè)過(guò)程為最優(yōu)算法，將該項(xiàng)參數(shù)作為重點(diǎn)優(yōu)化參數(shù)即可。而正向法指的是，將邊界條件k=1作為各階段的最優(yōu)值，當(dāng)計(jì)算結(jié)果為終止?fàn)顟B(tài)時(shí)，便可以認(rèn)為其為系統(tǒng)優(yōu)化的最優(yōu)解釋，圖3為動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法的流程圖。

2、利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法進(jìn)行換擋規(guī)律建模

由于傳動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)的響應(yīng)時(shí)間限制，在對(duì)換擋規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，需要將時(shí)間作為逆向算法的起始值。同時(shí)，對(duì)特定情況下所產(chǎn)生的循環(huán)工況進(jìn)行離散分解，從其中的某一步開(kāi)始，進(jìn)行逐層計(jì)算，在對(duì)每層進(jìn)行計(jì)算時(shí)需要設(shè)定好最終的目標(biāo)與目的，進(jìn)而保證對(duì)整體換擋規(guī)律的優(yōu)化作用，使其變量在控制范圍之內(nèi)。

（1）狀態(tài)變量和控制變量的確定。對(duì)于汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其自身發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速和檔位均可作為狀態(tài)變量。而發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和換擋指令作為控制變量。鑒于自動(dòng)變速器在運(yùn)行的過(guò)程中，傳動(dòng)操作并不是連續(xù)開(kāi)展的狀態(tài)，為此無(wú)法獲取到有效的時(shí)間參數(shù)。在對(duì)其時(shí)間參數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)時(shí)，需要利用系統(tǒng)模型對(duì)其進(jìn)行離散處理，將得出的最終結(jié)果作為時(shí)間參數(shù)。

（2）目標(biāo)函數(shù)的建立。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車變速器換擋規(guī)律的有效優(yōu)化，我們首先需要對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行確認(rèn)。實(shí)際上指的就是，對(duì)多種運(yùn)行狀態(tài)下汽車的耗油量和能動(dòng)作用進(jìn)行對(duì)比分析之后，找出最佳的控制率。對(duì)于目標(biāo)函數(shù)的確定需要多種參數(shù)作為支持。主要包括汽車的燃油消耗量、行駛的能動(dòng)性以及汽車運(yùn)行成本等。

（3）約束條件和懲罰函數(shù)。當(dāng)駕駛?cè)藛T在進(jìn)行頻繁換擋操作時(shí)，會(huì)對(duì)變速器內(nèi)部的零件造成嚴(yán)重磨損，尤其是變速箱內(nèi)的齒輪部件。經(jīng)過(guò)多次換擋操作之后，其自身的使用性能和使用壽命將受到嚴(yán)重威脅，不僅影響駕駛?cè)藛T的駕駛操作舒適性，還對(duì)汽車行駛中的燃油消耗量造成一定浪費(fèi)。這就會(huì)對(duì)汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性以及性能指標(biāo)帶來(lái)嚴(yán)重影響。為此，需要設(shè)置懲罰函數(shù)和約束條件對(duì)汽車變速器中的換檔規(guī)律進(jìn)行有效優(yōu)化，對(duì)相應(yīng)的換擋操作做出限制，進(jìn)而保證汽車的良好運(yùn)行。

結(jié)語(yǔ)：分析了換擋規(guī)律系統(tǒng)原理，以發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立了換擋規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，指出了傳統(tǒng)換擋規(guī)律的不足。結(jié)果表明，基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的換擋規(guī)律減小了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，降低了換擋頻率，汽車燃油經(jīng)濟(jì)性明顯提高，驗(yàn)證了優(yōu)化算法的準(zhǔn)確性與合理性，為換擋規(guī)律的研究提供了一種新的思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊克鋒.純電動(dòng)汽車自動(dòng)變速器換擋控制與速比優(yōu)化研究[D].湖南大學(xué)，2015;

[2]蒲生，余阿東.淺談汽車機(jī)械式變速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2017（1）;

[3]趙世婧，盧慧娟，艾佳琨.動(dòng)態(tài)規(guī)劃在礦用汽車換擋規(guī)律優(yōu)化中的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2016（1）：165-168.

姓名：（第一作者）李曉波;劉宗勝; 劉立鐵; 王麗

單位及郵編：塔里木油田塔西南公司喀什油氣運(yùn)行中心