崔海龍， 劉曦宏，霍芳

北汽福田汽車股份有限公司動力傳動研究院,北京 102206

0 引言

近年來，隨著電控發(fā)動機批量應用和車聯(lián)網(wǎng)技術發(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。對于AT/AMT變速器，其相關工作數(shù)據(jù)存儲到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)進行采集和分析，僅能對小樣本進行分析,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、應變片和位移傳感器采集轉速、扭矩和換擋狀態(tài)等載荷信號，通過載荷譜分析，為變速器疲勞壽命預測和臺架疲勞壽命試驗提供參考;王濤等[2]采集載荷譜信息，開展多體動力學仿真以及損傷計算，確定了各擋位臺架加速壽命試驗規(guī)范；于晶等[3]在車輛上布置位移傳感器、轉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)動機大數(shù)據(jù)來分析MT變速器的工作狀態(tài)，將大大提高工作效率，實現(xiàn)基于復雜應用場景的用戶工況分析，識別通用工況和極限工況，為變速器的研究與開發(fā)提供有力的技術支持，打通市場與研發(fā)的通道。

1 應用場景定義

商用車應用場景復雜多變，通過對用戶的沉浸式調研，提取行業(yè)、物流環(huán)節(jié)、載重、車型、區(qū)域及環(huán)境等核心要素構建應用場景向量模型，形成基于人—車—貨—場要素定義，其中“人”包括駕駛員的年齡、駕齡、學歷、身高、體重和駕駛習慣等特征;“車”對應車輛車型、驅動形式、載貨量、動傳系統(tǒng)配置和輪胎型號等技術參數(shù)和用車經(jīng)歷;“貨”指貨物類型、存儲狀態(tài)、裝卸方式和運輸要求等;“場”包含道路類型、地形、運距和運輸環(huán)境等場路工況特征進行精細劃分，經(jīng)過提煉后形成場景典型特征。

對于擬研究應用場景車輛清單,狹義上應當是完全符合定義的一組車構成，但在實際應用中，同發(fā)動機配置不同變速器或車橋，或者功率相近發(fā)動機的動傳配置均可以視為廣義的同應用場景車輛配置，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個自然月。對于中長途或長途物流運輸，可以保證至少3～4個運輸周期的數(shù)據(jù)采集，能夠代表該場景的典型工作特征。

通過采集和研究其在各種應用場景的大數(shù)據(jù)，提煉出變速器相關的載荷分析結果，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，既保證產(chǎn)品的通用性，又保證最佳適應性。

2 變速器相關分析模型的構建

基于大數(shù)據(jù)分析變速器，首先要計算出變速器速比，基于變速器速比可以識別擋位，進而開展相關工作特性分析工作?；谲囁俟絒5]，獲得變速器速比計算公式為：

ig=0.377·r·n/(i0·va)

(1)

式中：ig為變速器速比;

r為輪胎滾動半徑，m;

n為發(fā)動機轉速,r/min;

i0為后橋速比;

va為車速,km/h。

其中輪胎滾動半徑[6]計算公式為:

r=f·d/2π

(2)

式中：r為輪胎滾動半徑，m;

f為系數(shù),數(shù)值見表1;

d為輪胎設計總直徑,m。

大數(shù)據(jù)各數(shù)據(jù)項大多是連續(xù)變量，確定了基于時間和基于里程維度的分析思路，從時空二維空間對變量深入解讀，對每個分析模型制定基于時間和基于里程的數(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個變量(不含時間)，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)以時間維度進行排列，每個數(shù)據(jù)點代表1 s，一個計數(shù)區(qū)間多個點疊加就能計算出時間分布數(shù)。實際項目分析時，考慮到車輛運輸多以里程作為衡量指標，因此增加里程維度進行分析，每個數(shù)據(jù)點的對應車速乘以1 s即該點行駛過的里程，一個計數(shù)區(qū)間多個點疊加就能計算出里程分布數(shù)，分析原理見表2。另外對于換擋次數(shù)等增加頻次維度進行分析，通常以一段里程或一段時間來統(tǒng)計，便于不同場景比較。

表2 時間維度和里程維度分析原理

分析變速器工作特性，通常運用表3的分析模型進行分析。

表3 變速器分析模型

基于Matlab[7]編寫程序，對復雜應用場景的多車大數(shù)據(jù)進行處理。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，計算每行數(shù)據(jù)對應的速比，并與各擋速比設定公差范圍進行比較，然后確定該行速比名義值并定義該行擋位。原始數(shù)據(jù)由車輛點火到熄火的若干個工作過程組成，本文僅對連續(xù)時間記錄數(shù)據(jù)進行換擋規(guī)律分析，程序流程如圖1所示。

3 模型校驗

3.1 速比計算公差分析

涉及擋位的分析模型，關鍵在公式(1)速比的識別準確性，編寫程序時，考慮到車輛行駛過程中輪胎磨損、車速、轉速信號波動和傳動系振動導致計算獲得的速比不可能正好與實際值完全相符，設置了各擋速比(用i表示)上、下公差，公差為±10%，計算出來的速比值落在相應上、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、下公差值設置10%無重合，16MT多個擋位上、下公差值有重合，需要改成小公差值，避免實際計算過程中，一個速比對應2個擋位的異常情況發(fā)生，如圖2所示。

圖2 各擋速比10%公差范圍

3.2 速比計算值與TCU記錄值對比

基于計算獲得速比是進行變速器相關工作特性分析的基礎，對12臺12AMT的變速器TCU發(fā)出的擋位信號和基于程序計算的擋位信號進行比較。多車各擋速比計算值與TCU記錄值對比如圖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，離合器和飛輪結合過程較長，計算出的速比與2擋速比差別大，未視為2擋速比。10～12擋位個別車輛差別大，從數(shù)據(jù)來看，高擋位TCU記錄速比和基于程序記錄速比差別較小，因為低擋位計算擋位分布數(shù)偏少，進而影響了高擋位計算值占比。輕、中型變速器一般只有一個倒擋，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，也可能計入1擋或2擋，但影響不是很大。

圖3 多車各擋速比計算值與TCU記錄值對比

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

圖4 多車空擋狀態(tài)下速比計算值直方圖

基于上述分析，總體來說，通過計算速比分析變速器工作特性是可以接受的。

4 復雜應用場景大數(shù)據(jù)研究

4.1 應用場景運行工況特征分析

以某中卡物流車開展相關分析，場景編號為9～15的發(fā)動機功率相同,變速器全部采用8MT。

基于多車大數(shù)據(jù)，首先完成基于時間維度和基于里程維度的車速分布。由車速分布時間維度可以看出怠速運行占比和各區(qū)間時長占比，但車輛通常以運行里程作為評價其可靠性耐久性的指標，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個區(qū)間或者2個區(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)，完成基于時間維度和基于里程維度的轉速分布。由于基于里程維度無法了解發(fā)動機怠速工況運行情況，且發(fā)動機以運行時長來衡量其可靠性耐久性，因此常用轉速以時間維度分析更為合適，同樣以時間維度分布占比最高的3個區(qū)間或者2個區(qū)間占比之和大于50%作為常用轉速的判斷依據(jù)。轉速分布如圖6所示，常用轉速區(qū)間為1 000～1 400 r/min，占比58.39%。

圖6 轉速分布

4.2 擋位分布分析

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

圖7 擋位分布

圖8 分轉速擋位分布

4.3 換擋操縱統(tǒng)計分析

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

圖9 換擋次數(shù)統(tǒng)計

對百公里換擋次數(shù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)進一步分析處理，得出各場景百公里各擋位同步器結合次數(shù)，計算出5×105km同步器結合次數(shù)，如圖10所示。

圖10 同步器結合次數(shù)統(tǒng)計

由圖10可以看出，場景13的4#同步器結合次數(shù)達到最大值13.2萬次。結合市區(qū)行駛較為擁堵的工況比較合理，且滿足相關標準要求，間接論證了相關標準的合理性。

對離合器結合次數(shù)進行統(tǒng)計分析，計算出5×105km離合器結合次數(shù)，如圖11所示?？梢钥闯觯瑘鼍?3離合器結合次數(shù)最高，達到97.5萬次，與短途運輸?shù)缆窊矶孪嚓P，其他中長途場景結合次數(shù)較少，符合工況統(tǒng)計的一致性，均低于離合器總泵及分泵DVP驗證要求，相關驗證標準指標定義是合理的。通過百公里數(shù)據(jù)對比，離合器結合次數(shù)大于換擋次數(shù)，存在半離合狀態(tài)或未達到分離的預踩離合的過程因素，也符合實際情況。

圖11 離合器結合次數(shù)統(tǒng)計

4.4 換擋規(guī)律分析

統(tǒng)計各擋位順序升擋和降擋對應車速、轉速和油門開度等分布，并提煉出車速-轉速換擋點分布曲線。以場景9為例，如圖12所示的各擋換擋點對應車速和轉速變化呈線性關系，也證明了速比算法的正確性。

圖12 順序換擋點分布

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力性能換擋特性和最佳燃料經(jīng)濟性換擋規(guī)律[8]。換擋規(guī)律研究的文獻較多，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，既可以了解不同復雜場景用戶換擋工作習慣，又可以基于實際開發(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用場景的極限使用水平，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。相應的基于轉速的單參數(shù)換擋規(guī)律也可以提取出來。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 換擋點車速統(tǒng)計

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

圖14 兩參數(shù)升擋和降擋散點圖

對統(tǒng)計的各擋位升降擋規(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)動機經(jīng)濟油耗轉速區(qū)域，僅選取該轉速區(qū)域的車速-油門開度數(shù)據(jù)，繪制用戶經(jīng)濟性升擋規(guī)律曲線如圖16所示?？梢钥闯龈鲹跷徊煌烷T開度升擋對應車速，基本穩(wěn)定在垂直與x軸的平均值線附近。

圖16 用戶經(jīng)濟性升擋規(guī)律曲線

5 結論

(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，提煉不同復雜應用場景大數(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雜應用場景大數(shù)據(jù)，通過建立的車速分步、轉速分步、擋位分步、分轉速擋位分布、基于車速-轉速的換擋點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，另外通過同步器結合次數(shù)和離合器結合次數(shù)的分析，有力地支撐了相關標準有效性。

(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)的價值，必將推動基于大數(shù)據(jù)進行變速器工作特性的研究與疲勞耐久相關方面的應用。