电控机械式自动变速器操纵系统设计

1、重庆大学本科学生毕业设计（论文）电控机械式自动变速器操纵系统设计学 生：王建超学 号：20093011指导教师：张伟 专 业：车辆工程重庆大学机械工程学院二O一三年六月Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityControl system design of Automated Mechanical TransmissionUndergraduate: Wang JianchaoSupervisor: ZhangWei Major: Vehicle Engineering Mechanical EngineeringChongqing U

2、niversityJune 2013重庆大学本科学生毕业设计（论文） 中文摘要摘 要自动变速器具有消除驾驶员换挡技术差异，减轻驾驶员疲劳，易操作和提高行车安全性等特点。电控机械式自动变速器（AMT）是一种经济型的自动变速器，其是在原有机械变速器基本结构不变的情况下，通过加装微机控制的自动操纵系统，取代原来由驾驶员人工完成的离合器分离与接合、选换挡以及发动机的转速同步调节和控制油量等操作，最终实现换挡过程的操纵自动化。它既保持了手动机械式变速器的优点，又具备自动变速器自动换挡的功能。电控机械式自动变速器操纵系统根据控制规律自动操纵离合器的分离与接合以及选换挡过程，同时对喷油量进行同步调节来满足行

3、驶过程的最佳动力性或最佳燃油经济性要求。其可以实现行驶过程中自动变速并满足人们的乘坐舒适性要求并延长车辆的使用寿命。本文针对EQ1090车型5挡手动机械式变速器进行改进，完成了电控机械式自动变速器操纵系统的离合器、油量调节与选换挡操纵机构的机械设计，并对其自动控制过程中的关键技术离合器最佳接合规律、动态三参数换挡控制规律、油量调节自适应控制进行了分析。基于其发动机特性与整车参数，根据控制规律建立了控制模型并进行计算机模拟分析计算。关键词：离合器控制，动态三参数换挡控制规律，离合器操纵机构，选换挡操纵机构，Simulink仿真IV重庆大学本科学生毕业设计（论文） ABSTRACTABSTRACT

4、Automatic Transmission has the characteristics of eliminating the differences of the drivers shift skill, reducing drivers fatigue, operating easily and improving traffic safety. Automated Mechanical Transmission (AMT) is an economically automatic transmission, which keeps the same basic structure o

5、f the originally mechanical transmission and replaces the separation and joint process of the clutch, shifting, engine speed synchronization regulation and the amount of oil supply control operations by the driver manual operation and finally realize the automation control of shift process through a

6、dding the automatic control system under the control of microcomputer. It not only keeps the advantages of manual mechanical transmission, but also has the function of automatic shifting of automatic transmission.Control system of Automated Mechanical Transmission controls the clutchs separation and

7、 joint and shifting process according to the control rule, while synchronously adjusting the fuel injection quantity to meet the optimal power and the best fuel economy requirements of the running process. It can realize the automatic gear shifting in the running process and meet the people requirem

8、ents of comfort and prolong the service life of vehicles.This thesis improves the 5 manual mechanical transmission of EQ1090 and completes the mechanical design of clutch, oil quantity adjusting and shifting operation mechanism of the control system of automated mechanical transmission and analyzes

9、the key technologies in the automatic control process - the optimal engagement rule of clutch, the dynamic three parameters shifting control rule, oil regulation of adaptive control. Based on the characteristics of the engine and vehicle parameters and according to the control rule， this thesis esta

10、blishes the control model and implements the computer simulation analysis and calculation.Keywords: clutch control, the dynamic three parameter shifting control rule, clutch control mechanism, shifting operation mechanism, Simulink simulation重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目录目 录摘 要IABSTRACTII1绪论11.1电控机械式自动变速器（AMT）

11、概述11.1.1AMT技术国内外发展概况11.1.2AMT的系统结构与原理21.1.3AMT系统的基本功能与性能要求31.2AMT操纵系统的性能要求41.3开发AMT操纵系统的技术难点51.4论文的主要研究内容52AMT操纵系统的组成与分析72.1AMT操纵系统方案与类型72.2AMT操纵系统选型73AMT控制规律83.1离合器的控制策略83.2最佳换挡控制规律103.2.1换挡规律类型103.2.2发动机特性与整车参数133.2.3最佳动力性换挡规律213.2.4最佳燃油经济性换挡规律253.3发动机油门自适应控制规律273.4本章小结274AMT操纵系统机构设计284.1离合器操纵机构设计

12、284.1.1离合器操纵机构的设计方案284.1.2离合器操纵系统的设计304.1.3离合器操纵机构工作过程354.2AMT选换挡操纵机构设计364.2.1MT原机构设计方案364.2.2AMT选换挡操纵机构的设计384.2.3AMT选换挡操纵机构工作原理484.3发动机控制机构设计494.4本章小结505控制系统软硬件设计515.1电控系统硬件设计515.2控制软件程序框图535.3本章小结596计算机模拟分析计算606.1控制系统仿真606.2仿真结果与分析706.3本章小结717总结与展望72参考文献73重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪论1 绪论电控机械式自动变速器非常适合中国汽

13、车工业的现状，具有重要的现实意义。其不仅具有自动换挡的便捷，同时还有具有手动变速箱齿轮传动一样的高动力传输效率、机构紧凑、工作可靠等优点，节省燃料和减少排放。1.1 电控机械式自动变速器（AMT）概述1.1.1 AMT技术国内外发展概况电控机械式自动变速器其研究始于上世纪70年代，其发展大致经历了将离合器控制和换挡控制分别考虑，单独实现各自的自动控制功能的半自动化阶段；应用自动离合器、换挡控制与换挡策略的全自动化阶段；引入模糊推理的智能方法，采用模糊换挡策略和离合器结合速度的模糊控制的智能化阶段等三个阶段。为使车辆能在复杂多变的工作条件下，自动采取正确的措施，进一步提高了起步、变速性能和换挡品

14、质，AMT的挡位决策和控制中引入神经网络方法并通过GPS获取更多的路面特征信息以提高AMT对路面的适应性。现代AMT不仅换挡程序更加符合驾驶员的意愿，而且还利用现代控制方法，解决特殊环境下变速程序的复杂问题，使控制能力及可靠性大幅度提高。吉林大学的葛安林教授对汽车AIVIT技术进行了系统化的研究，提出了动态三参数匹配控制规律，在桑塔纳等轿车上装车运行。吉林大学还率先将智能控制理论应用到工程机械中，对工程机械模糊神经网络挡位控制进行了试验研究，研制出推土机的模糊换挡系统并进行了室内试验；对轮式装载机的模糊换挡策略也进行了研究。西北工业大学汽车工程中心与二汽汽车技术中心合作进行东风E06111RC

15、客车AMT的研制，填补了我国在大型客车领域应用AMT的空白。上海交通大学、重庆交通学院、北京理工大学对AMT和自动离合器的智能化控制进行了研究；烟台欣源晟公司开发了电控电动AMT 李君，张建武，冯金芝，雷雨龙，葛安林电控机械式自动变速器的发展、现状和展望J 19942010中国学术期刊电子出版社，2000，( 3)。重庆大学机械传动国家重点实验室2002年启动了AMT的研发，主要研究内容：发动机神经网络模型的建立、离合器局部恒转速控制、基于环境变化的离合器起步补偿控制、基于不同驾驶意图和道路条件下的换挡策略、离合器执行机构和选换挡执行机构研制、电子节气门及其控制研究、AMT试验系统研制、AMT

16、样车研制与整车试验研究等 牛炳AMT 换挡规律及其自适应性研究D上海：上海交通大学，2009。1.1.2 AMT的系统结构与原理AMT以发动机电子控制单元ECU(Electrical Control Unit)为核心，是运用控制理论、微机控制技术、传感技术和信息处理技术改造传统手动变速器的典型机电一体化产品。1)AMT的系统结构AMT系统由下列四部分组成：a)被控对象：包括发动机、离合器和变速器。b)操纵系统：由选、换挡执行机构、离合器执行机构和油门执行机构等组成；包括电机（油量调节拉杆控制步进电机，选、换挡控制直流电机)、电磁阀(高速电磁阀)，气缸(离合器作动缸)。c)传感器：包括速度传感器

17、(发动机转速传感器、输入轴转速传感器、车速传感器)、油门开度传感器、挡位传感器等。d)电子控制单元(ECU)：包括CPU、RAM、FO接口等。2)AMT控制的基本原理AMT根据传感器实时采集的驾驶员的操纵参数信息(油门踏板、制动踏板、转向盘、选挡控制杆的操纵等)和车辆的运行状态参数信息(发动机转速、变速器输入轴转速、车速、挡位)，进行综合判断和处理，按照控制器中存储的控制规律(换挡规律、离合器接合规律等)，借助于相应的操纵系统(发动机油量调节机构、选换挡执行机构、离合器分离和接合执行机构)，对车辆的动力传动系统(发动机、离合器、变速器)进行联合自动操纵，完成车辆的平稳起步和换挡。AMT的系统结

18、构及控制原理图如下所示 陈永东电控机械式自动变速器换挡规律的研究D武汉：武汉理工大学，2011：图1.1 AMT系统的组成结构图1.1.3 AMT系统的基本功能与性能要求自动变速技术的关键问题是挡位的决策，即根据驾驶员的意图、车辆的运行状态和道路状况等因素，按照车辆某些性能参数最优的原则，来确定车辆的最佳挡位。根据实际的车况、路况以及驾驶员的意图来给出最佳的挡位、完成车辆的起步和行驶时的换挡过程自动控制是自动变速器应实现的基本功能。为了高质量地完成这些功能，使其在使用中更加方便可靠。AMT应达到以下性能要求：(1)系统的工作性能可靠采用AMT将手动换挡转变成自动换挡后，要真正做到提高行车安全性

19、、减轻司机劳动强度。在电子控制单元ECU的设计中，应该照顾各种安全操作上的问题。为了加强系统的可靠性，可在内部设置多重检测系统，通过声、光报警等方式随时监测工作状态，安装主控和应急备控两个电控单元，当主控单元全部或部分失控，应急系统自动启动，保证汽车行驶的最基本功能。若电控系统失效，可以启用机械式应急系统，即恢复手动操纵.进一步确保安全性能。(2)应有良好的动力性或燃油经济性，并延长车辆的使用寿命良好的动力性或燃油经济性能是AMT设计的一个重要目标。要将每一次的挡位变更都控制在最佳工况状态，避免一切不正常的燃油消耗及机件的不合理磨损。(3)降低排放，保护环境在AMT系统中，离合器采用的是干式离

20、合器，不需要高压液压油参与工作，因此与国际上流行的液力自动变速器AT相比较，优化汽车排放的状况，降低行驶噪音。(4)结构要简单，易于安装和维修保养在本系统中，电动机械式自动变速器由四个相对独立的执行器共同配合完成自动变速工作，分别是一个离合器执行机构、两个挡位动作器、一个油量调节机构。如果需要加装此AMT系统，则不必对原车传动系做任何结构上的改动，因而安装、维修极其简单方便。(5)制造成本要低，生产效率高，适合中国国情电动机械式自动变速器设计简单，机械零件不多，生产成本也很低，批量生产全套装置成本估计可控制在人民币4000元左右。市场潜力很大，在中国乃至世界都有极高的推广应用价值。(6)系统功

21、能可扩展性强要求可以在ECU控制系统中增加许多附加功能，例如加装IC片后形成操纵系统的识别与防盗，以及加入控制车速、降低驾驶风险等功能 李水勇AMT变速器操纵机构的设计D重庆：西南大学，2012。1.2 AMT操纵系统的性能要求AMT操纵机构的功用是根据汽车使用条件的需要完成选挡、换挡或退到空挡。 其由变速杆、拨块、拨叉、变速叉轴及安全装置组成。操纵机构的设计要求 ：(1) 换挡只能挂入一个挡位；(2) 换挡后保证接合齿全齿长啮合；(3) 防止自动脱挡、自动挂挡、误挂倒挡；(4) 正确执行最佳控制规律；(5) 操作精确、响应迅速；(6) 各执行机构工作协调稳定、优于手动操作。1.3 开发AMT

22、操纵系统的技术难点当前开发AMT操纵系统的技术难点主要有： 1、换挡规律：即AMT操纵系统采用何种参数在何时来控制变速器换挡。其直接影响整车的动力性和燃油经济性，多采用动态三参数换挡规律。其原理是当油门开度及车速、行驶加速度变化到某一定数值时，就能自动换入新的挡位(高挡或低挡)。 2、车辆挡位决策和控制：就是根据道路情况、车辆运行工况以及驾驶员的意图，按照某些目标(如动力性、经济性)最优的原则来判定当前车辆应处的挡位，并通过选换挡执行机构控制变速器进行换挡。 3、离合器控制：离合器的工作工况复杂，在起步、换挡过程中主要受爬坡、负载及人为因素的影响。离合器的分离与接合执行机构由机-电-气组件构成

23、，是一个典型的非线性系统。为了有效地完成离合器的分离与接合，需要对执行机构进行优化设计与高精度控制。 4、换挡时间：AMT是齿轮传动。在换挡过程中要脱离当前的挡位才能挂入下一挡位，所以换挡时间较长。为使AMT性能达到最好应缩短其换挡时间。 5、变速中离合器与发动机协调控制：在AMT操纵系统运行中，换挡过程和离合器分离与接合过程都涉及到发动机的油量调节问题。对AMT操纵系统换挡的控制比对变速时进行定油门开度调节的液力机械式自动变速器(AT)要困难得多。对AMT的控制方法、可实现性及可靠性等方面。都提出较高要求。 6、执行机构：执行机构是以高性能处理器、高速模数转换器和存储器为硬件电路核心，结合先

24、进的软件控制算法，电动或气动执行机构。其工作频繁，要求响应迅速并且行程精确，并且能够适应一定的超载，电机还要满足一定的堵转工况要求。各部件还要求体积尽可能小、耐振动冲击、密封可靠、散热快速有效。 7、可靠性技术：目前在我国汽车行业中还存在大批量的产品质量一致性以及一定使用时间后的可靠性问题。例如ZF公司就只订购我国宝钢某几个炉的钢材。为确保AMT操纵系统硬件的可靠性在AMT系统中应用了容错控制技术。还要保证执行机构和软件的可靠性，才可以使汽车在多变的恶劣环境中AMT系统能够可靠的工作。另外，AMT操纵系统还依赖传感器技术和适应超载状态下的整车标定与匹配技术等难点司康当前我国商用车AMT自主研发

25、及产业化过程中的主要技术难点J交通世界，2010，( 2) : 76 77。1.4 论文的主要研究内容本论文在前人工作的基础上，采用EQ1090车型的技术数据，针对电控机械式自动变速器(AMT)的操纵系统进行了设计，主要内容如下：1)探讨了AMT与操纵系统的结构；2)分析了AMT的控制规律，即离合器控制策略、最佳换挡控制规律、发动机油门自适应调节规律；3)根据发动机台架试验数据与整车参数，结合汽车行驶方程式，制定了动态三参数最佳动力性换挡规律，结合汽车燃油消耗方程式，制定了动态三参数最佳燃油经济性换挡规律；4)设计了AMT操纵系统的机械结构，即离合器操纵机构、选换挡操纵机构、发动机油量调节机构

26、；5)介绍了操纵系统控制部分的软件框图与硬件选型；6)通过对汽车传动系统动力学及换挡控制过程的分析，在MATLABSimulink仿真环境下构建了AMT最佳换挡规律仿真模型，对本文所设计的换挡规律进行仿真分析。76重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 AMT操纵系统的组成与分析2 AMT操纵系统的组成与分析2.1 AMT操纵系统方案与类型按照执行机构动力源的不同，AMT的操纵系统可分为电控气动、电控液动和电控电动三种类型。电控气动AMT 选换挡系统的执行机构采用气压驱动。只有在装有气压系统的大型客车或重型车辆中使用，与制动系统共用同一气源，改进较方便且成本较低但性能较差。 电控液动AMT 选换

27、挡系统用液压驱动其执行机构，操作简便、易于实现过载安全保护、具有一定的吸振与吸收冲击的能力并且便于空间布置。但温度变化影响离合器的执行机构中液压油的粘度，回油管路压力损失发生变化。温度降低，油粘度变大，离合器的接合速度较慢，汽车刚开始起步时换挡品质差。温度低到一定的程度后，液压油的流动性能大大降低，严重时会发生换不上挡的现象。液压元件特别是高速电磁阀对加工的精度要求非常高，成本相应较高。电控电动AMT 将自动变速器控制系统中要直接控制的对象如油门、离合器以及选换挡装置的动作采取电动机带动的方式。但它反应速度比较慢，调试也比较复杂，大批量生产有一定的难度 曾兴汽车AMT变速器控制技术的研究D湖南

28、：湖南大学，2010。2.2 AMT操纵系统选型综合考虑本设计选择东风EQ1090车型来进行AMT操纵系统设计。离合器操纵机构使用气动控制；选换挡过程由垂直布置的两个减速电机和齿轮齿条与滚珠丝杠机构操纵选换挡杆来控制；使用步进电机控制供油量调节齿杆来改变油量；控制策略选择动态三参数控制（车速ua、发动机油门开度和加速度dua/dt）；控制规律选择最佳动力性换挡规律和最佳燃油经济性换挡规律。重庆大学本科学生毕业设计（论文） 3 AMT控制规律3 AMT控制规律本节是自动换挡的理论基础，主要研究选择什么样的控制换挡参数、在何时进行换挡、换挡时各机构的操作的问题，是控制系统的核心，其直接影响车辆的燃

29、油经济性与动力性。为保证汽车起步、换挡过程的品质，减少传动系统零部件的冲击，提高其使用寿命与乘坐舒适性，研究了在各工况下离合器与油门、换挡过程各自的控制策略与相互的协调配合。3.1 离合器的控制策略离合器工作工况众多，且与发动机油门及换挡需要协调配合，所以对离合器操纵系统有很高而复杂的要求。离合器分离过程比较简单，一般不会对车辆性能产生影响，所以总是希望越快越好，做到彻底分离，避免半接合滑磨，造成挂挡困难甚至打齿。当需要重新恢复动力传递时，为使汽车速度和发动机转速的变化比较平稳，应该适当放慢离合器接合的速度。离合器最佳接合规律在执行过程中体现在离合器的接合点和接合速度两个控制量上，就是确定离合

30、器的接合点和接合速度。AMT操纵系统实现离合器自动操纵的核心问题就是离合器的最佳接合规律。影响离合器接合平稳因素主要是离合器释放行程l，这里指的是分离叉挺杆处的行程，即使离合器接合的行程。一般从离合器分离到接合为止，其行程经历三个阶段（如图3.1）： 无转矩传递区 传递转矩区 转矩不再增长区图3.1 离合器释放行程与传递转矩关系图显然，因第一阶段无转矩传递，所以接合速度尽可能快，以快速起步和减少换挡时功率中断的时间。第二阶段要放慢接合速度，以获得平稳起步或换挡，提高乘客的乘坐舒适性和减少传动系冲击载荷。但为了防止滑摩时间过长，离合器发热而严重影响寿命，亦需控制在一定时间内尽快完成。在起步过程中

31、，传递转矩增长阶段还分为摩擦剧烈的传递转矩未克服阻力阶段和离合器主副摩擦盘之间转矩变化引起旋转冲击的传递转矩超过阻力阶段。第三阶段是接合完成，这一是为了压紧力增加至最大压紧力还有一个继续接合的行程，二是保留分离轴承与分离叉之间的间隙，所以应以尽可能快的速度释放。离合器自动操纵机构对离合器结合速度vc的控制还受以下因素影响：vc与油门开度、发动机的角加速度de /dt成正比，与ig、坡度与载重力G成反比。在起步或换挡过程中，离合器操纵除了上述因素影响，在同样的行驶工况下，也会因偶然出现的情况或驾驶员的人为因素而产生不同的操纵。离合器的自动操纵机构的释放行程l是在选换挡工作结束后进行，分为三部分，

32、在无转矩传递区行程l1（即消除离合器主从动盘的摩擦衬片间隙所需行程）速度要快，其释放行程位移函数为指数函数形式；在转矩传递区行程l2（即由压缩从动盘的轴向弹性行程通过分离叉操纵机构传动比所需的相应的行程），其释放行程位移函数为二次函数形式；在转矩不再增加区行程l3（为在离合器片磨损后，有补偿分离轴承和分离杆之间缩小的间隙量，以保证离合器的正常工作，在分离轴承和分离杆之间还需留间隙通过分离叉操纵机构传动比所需的相应的行程），其释放行程位移函数也为二次函数形式。所以离合器的分离过程要求为气缸的最大速度。而离合器的接合过程其行程要求是二快一慢（见图3.2）：图3.2 离合器的接合过程为了补偿离合器摩

33、擦片的磨损，需查明离合器接合的起点，这是离合器控制的重点。离合器接合控制中，离合器从动片与压盘初始接触位置点和有效转矩传递点是接合控制的两个重要参数。这两点的识别，直接影响着控制中离合器接合特性的准确把握及离合器接合时间的长短。3.2 最佳换挡控制规律3.2.1 换挡规律类型 换挡规律是指相邻两排挡间自动换挡时刻随控制参数变化的规律。换挡规律应该是单值，即对输人变量的每一组合，仅存在唯一的输出状态。其类型如下：（1） 单参数换挡规律有油门开度发动机转速ne及车速v等控制参数。若用油门作为控制参数，则大油门升高挡，小油门回低挡，这就无法在低挡发挥出大牵引力，以适应爬坡，超车的需要；而且松油门制动

34、时，系统仍然在挡，也形成矛盾，并且行驶条件复杂，油门位置经常改变，造成换挡频繁，既影响乘坐舒适性也降低车辆寿命。发动机转速ne最容易被检测，但在换挡过程中，其值一直变动，所以选用相对稳定的车速为控制参数。如图3.3所示，当车速达到v2时升入2挡，反之当车速降至v1时换回1挡。 v1与v2间是两挡都可能的工作区，视车辆原来的行驶状况而定。这种往返换挡之间的交错现象，称之为换挡重叠或换挡延迟，其作用是：1)换人新挡后，不会因油门踏板的振动或车速稍有降低而重新换回原来挡位，保证了换挡过程的稳定性；2)有利于减少换挡循环(不断地来回换挡)，防止操纵系统各部件加速磨损与乘坐舒适性降低。单参数控制系统结构

35、最简单，但它不论油门开度如何变化，换挡点，换挡延迟v=v2-v1的大小都不变，不能实现驾驶员干预换挡；为了保证动力性，升挡点多设计在发动机最大转速nemax，这造成小油门开度也要在nemax，才换挡，故噪声大；这种规律也难于兼顾动力性与经济性的要求。图3.3 单参数换挡规律（2） 两参数换挡规律控制参数多为：车速与油门、车速与发动机转矩等。由于换挡规律决定了控制参数和换挡延迟，故它又分为：等延迟型、发散型、收敛型、组合型等。1)等延迟型 等延迟的概念是换挡延迟v的大小不随油门变化，故单参数控制是等延迟，而两参数的等延迟与其相比，特点是：引入了驾驶员的干预，在小油门时可提前换人高挡，使发动机在高

36、效率区工作，既减小发动机噪声，又延迟换回低挡，改善了燃料经济性。2)发散型 其换挡延迟随油门开度增大而增大，呈发散分布，也称增延迟换挡规律。其特点是：驾驶员可以干预换挡，快松油门时可提前换人高挡，降低噪声并改善燃料经济性；大油门时升挡的发动机转速高，接近最大功率点动力性好，换挡延迟增大，减少了换挡次数，提高了舒适性。但在大油门降挡时的发动机转速ne必须降得很低，n大功率利用差，适用于后备功率大的轿车。3)带强制低挡的发散型 这是发散型的改进，能提早降挡，以便充分发挥发动机大功率的潜力，满足超车、爬坡等工况需要。当驾驶员猛踩油门踏板产生超过行程a时，车辆便被强迫换入低挡，使n小来获得良好的功率和

37、牵引力。它保留了发散型的优点，又克服了缺点，得到广泛应用。但需防止发动机超速。4)收敛型 其换挡延迟随油门开度增大而减小，呈收敛状分布，也称减延迟换挡规律。它大油门时降挡速差最小，n小所以升降挡都有好的功率利用，动力性好。减小油门时，延迟增大，避免过多的换挡，且发动机可以在较低转速工作，燃料经济性好，噪声低，行驶平稳舒适。适合于比功率较低的货车。5)组合型 组合型是由两段或更多段不同变化规律组成的规律。它更便于在不同油门下获得不同的车辆性能。通常小油门开度以舒适、稳定、少污染为主，中油门开度以保证最佳燃料经济性为主，兼顾动力性；大油门开度则以获得最佳动力性为佳。在实际车辆中用的全是组合型。图3

38、.4 两参数换挡规律（3） 三参数换挡规律上述换挡规律都是以稳定行驶为前提的，实际上起步、换挡时均处于非稳定状态。不同载重力和行驶阻力情况下，车辆加速度不同，换档点也不同。实验表明，加速状态下换挡点的速度与稳态时两参数控制的换挡点速度误差高达13%以上。油门越大，加速度越大，则误差越大。所以反映真实动态过程的车速、加速度和油门开度动态三参数控制，可以使车辆真正发挥出最佳性能。对于三参数换挡规律，其换挡点分为一般换挡点和边界换挡点。一般换挡点是指换挡前后车辆的加速度不发生变化，为同一点的换挡点。边界换挡点是指换挡前后车辆的加速度发生变化，为不同点的换挡点。三参数换挡规律处理边界点换挡规律采用的方

39、法是；若升挡前后两挡dua/dt曲线不相交，则取低挡该油门开度下加速度曲线的最高车速为换挡点。三参数换挡规律在边界点可能发生升挡后驱动力小于外界阻力，使车速下降造成换挡循环或发动机熄火现象或降挡后车速的提高受到发动机转速的限制造成换挡循环以及发动机高速噪声。所以在边界点换挡，若升挡后汽车的加速度为正，则升挡，若升挡后汽车的加速度为负，即驱动力小于阻力，则不应升挡；若降挡前汽车的加速度为负，则必需降挡，否则动力性不足造成发动机熄火，若降挡前汽车的加速度为正，此时若降挡，发动机工作于高转速状态，为改善发动机的工作状态，不应降挡 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。考

40、虑工程车辆作业特点，工程车辆三参数换挡策略与汽车不同。其参数为：油门开度、发动机泵轮转速、变矩器涡轮转速。（4） 四参数换挡规律针对以往工程车辆液力机械传动系统，自动变速换挡规律的研究中把工作泵所消耗的发动机功率当作固定值考虑，没有反映工作泵消耗功率的变化情况，不能准确把握发动机功率的流向这一问题，提出了四参数换挡规律。工程车辆二参数和三参数的换挡规律没有考虑工作泵所消耗发动机功率的变化，因而不能准确地把握发动机动力的流向，难以获得较好的自动换挡效果。比较工程车辆的作业工况与汽车行驶工况的不同之处，从液力变矩器和变速器在工程车辆传动系统中的作用出发，为了利用变速器换挡来控制液力变矩器在高效区工

41、作，提出了基于油门开度、车速、行驶加速度、工作泵所消耗的发动机功率的四参数换挡规律。在三参数自动变速技术的基础上,考虑了工作泵消耗的功率及油泵工作引起的动力流波动,通过计测油泵工作而带来的发动机飞轮力矩的下降Mp,并将Mp等价为油门开度的下降量,再由折合后的油门开度(-)值,按三参数自动换挡原理来进行自动变速控制 韩顺杰，赵丁选基于四参数的工程车辆自动变速节能换挡策略J 江苏大学学报，2006，27( 6) : 505508。3.2.2 发动机特性与整车参数与AMT操纵系统直接相关的是发动机的速度特性，因为在起步和换挡的自动控制过程中要通过控制油门开度来控制发动机转速以及输出转矩来协调离合器、

42、发动机和变速器的联合控制。本文中选用的与AMT匹配的发动机为柴油机，由于车用柴油机为了运转平稳，减少冒烟，避免驾驶员踩加速踏板过于疲劳，选用两级调速器。由于油门开度为控制规律中的参数，对于采用位置控制式燃油喷射系统的柴油机，其供油量调节齿杆位置变化与加速踏板位置变化不一定成正比。所以保持加速踏板位置不变得到的速度特性曲线与保持供油量调节齿杆位置不变得到的速度特性曲线有区别。加速踏板位置不变时，各转速对应的供油量调节齿杆位置往往会通过校正或调速而有变动。但是两级调速器能满足高速限速和低、怠速稳速的两项基本要求，而在中间转速由驾驶员直接控制供油量，这与汽油机相似，具有操纵轻便，加速灵活等特点。在汽

43、车正常行驶过程中，对于柴油机满足其供油量调节齿杆位置变化与加速踏板位置变化成正比的要求，所以依然使用油门开度作为控制规律的参数。发动机参数与特性曲线如下：表3.1发动机参数表：型号东风 EQD140-31工作容积4.334压缩比18.5:1额定功率/转速103/2800最大扭矩/转速403/1600最高空载转速3090怠速稳定转速750表3.2外特性数据:转速n(r/min)转矩Ttq(N.m)功率Pe(kW)耗油率be(g/kW.h)80036642265100039050236120039758219140040065213160040372209180040078206200039885

44、21022003859021524003709522526003501002362800320103255图3.5 EQD140-31柴油机外特性曲线表3.3发动机稳态转矩Ttq特性试验数据 ：n25%50%75%100%800219200284366100016220829439012001172003003971400791812924001600471602814031800211232604002000787232398220003620038524000015837026000010935028000050320图3.6 EQD140-31柴油机转矩特性曲线由图3.6数据，经matl

45、ab拟合后得：拟合100%油门开度下转矩特性二次方程为Ttq=259.448951+0.182175ne-0.000057ne2；拟合75%油门开度下转矩特性二次方程为Ttq=170.286580+0.217123ne-0.000093ne2拟合50%油门开度下转矩特性二次方程为Ttq=107.696429+0.205208ne-0.000108ne2拟合25%油门开度下转矩特性二次方程为Ttq=512.642857-0.444762ne+0.000096ne2图3.7 EQD140-31柴油机稳态输出转矩表3.4发动机燃油消耗率be特性试验数据 ：ne 25%50%75%100%800299

46、2652772651000247206233236120025319821321914003082091972131600390251190209180045428919120620005233151982102200585336215215240065036824022526007083942652362800767422304255图3.8 EQD140-31柴油机燃油消耗率曲线根据等速行驶车速ua，确定行驶阻力功率，再根据相应的燃油消耗率b，从而计算出以该车速等速行驶时单位时间内的燃油消耗量（mL/s）为Qt=Peb367.1g柴油的g可取为8.04N/L。根据不同油门开度下的速度特性曲

47、线可知：表3.5发动机功率Pe特性试验数据 ：ne 25%50%75%100%8002224344210002229395012002132445814001933476516001732497218001331507820007284985220002447902400019449526000154010028000834103发动机功率Pe特性试验数据 ：图3.9 EQD140-31柴油机功率特性曲线根据公式Qt=Pb367.1g计算可得：表3.6发动机等速行驶工况燃油消耗量ne 25%50%75%100%8002.232.153.193.7710001.842.023.084.00120

48、01.802.153.184.3014001.982.343.144.6916002.252.723.155.1018002.003.043.245.4420001.242.993.296.05220002.733.426.56240002.373.587.24260002.003.598.00280001.143.508.90图3.10 EQD140-31柴油机燃油经济性曲线由图3.10数据，Qt应是ne的四次函数，但由于三阶与四阶的系数较小，所以拟合二次函数，经matlab拟合后得：拟合100%油门开度下单位时间燃油消耗量二次方程为：Qt1= 3.648168 -4.5706e-004ne

49、+ 8.2343e-007ne2拟合75%油门开度下单位时间燃油消耗量二次方程为：Qt2= 3.178172 -1.5850e-004ne+ 1.1334e-007ne2拟合50%油门开度下单位时间燃油消耗量二次方程为：Qt3=-0.968154+ 4.3823e-003ne-1.2605e-006ne2拟合25%油门开度下单位时间燃油消耗量二次方程为：Qt4=0.9985711.8738e-003ne-8.0952e-007ne2发动机稳态油耗特性曲面如下，由于发动机的动态特性对其燃油消耗量影响不大，所以用其稳态油耗量近似替代发动机的动态油耗量。图3.11 EQD140-31柴油机稳态油耗特

50、性EQ1090整车参数如下：表3.7整车参数表：整车装备质量m(kg)30001挡传动比ig17.31最大总质量m(kg)92902挡传动比ig24.31车轮半径r(m)0.483挡传动比ig32.45迎风面积A(m2)3.594挡传动比ig41.54空气阻力系数CD0.65挡传动比ig51滚动阻力系数f0.015主传动比i06.33传动效率T0.85重力加速度g(m/s2)9.83.2.3 最佳动力性换挡规律汽车的动力性是指汽车在良好路面上直线行驶时由汽车受到的纵向外力决定的、所能达到的平均行驶速度。计算汽车原地起步加速时间时，忽略原地起步的离合器打滑时间，即假设在最初时刻，汽车已具有起步挡

51、位的最低车速来计算，那么应使汽车加速时间最小，即在1/a曲线的交点处换挡，若无交点，则在低挡位加速行驶至发动机转速达到最高转速时升挡。其他各挡间的换挡时刻亦按此原则确定。要保证最佳动力性，应该在汽车的行驶加速度曲线图上取同一油门开度下相邻两挡加速度曲线的交点，即dvdtn=dvdtn+1。将不同油门下相邻两挡加速度的交点连成曲线，即为动力性最佳的换挡特性，将其转换到a-v图上就是最佳动力性的换挡规律。严格来说需反映加速度dvdt对换挡规律的影响，应以三参数dvdt、v、所确定的空间坐标来表达。在汽车正常行驶工况下，发动机有66%80%的时间处于非稳态工况。在正常工作状况下的柴油发动机，一般是通

52、过曲轴转速、油门踏板位置（供油量调节齿杆的位置）和空燃比这三项来实现柴油机的控制和调速的。但是以时间t来看，当出现dne/dt0或者d/dt0时，柴油机就进入了动态工况。柴油机动态工况可简化为3种情况：一是负荷转速线性变化工况，保持转速负荷不变，负荷转速线性增加或减小；而是负荷转速阶跃工况，保持转速负荷不变，负荷转速产生明显的阶跃；三是同变工况，转速和负荷同时线性变化工况。车辆在起步或换挡时，发动机均处于动态工况下，亦即其转速、负荷等参数时刻在变化，以适应各种工况的需要。根据资料，采用修正系数处理对柴油机稳态工况下的输出转矩特性进行修正，来作为非稳态工况下的输出转矩：TtqD=Ttq-ddtd

53、dt发动机曲轴角加速度（1s2）非稳态工况下发动机输出转矩下降系数，取0.08由于转速变化与车速及实际行驶状况有关，在换挡过程中，由各相邻挡位传动比最大值为ig2ig3=1.76，换挡总过程时间为0.5s，假设在最大转速处换挡，可知ddt=20.26Nm，与柴油机稳态转矩局限相比，工作过程中转矩下降值其所占比重较小，为简化实际计算，取TtqD=Ttq-20。根据汽车动力学方程:TtqDigi0Tr=Fw+Ff+Fi+Fj其中：Fw=CDAua221.15；Fi=mgi；良好路面上的滚动阻力系数以下式计算： f=(0.0076+0.000056ua)Ff=mgf=mg(0.0076+0.000056ua)Fj=mduadt=1+1mIwr2+1mIfig2i02Tr2可根据货车旋转质量换算系数与传动系总传动比igi0的关系图，可得经验公式=1+1+2ig2估算，其中12=0.030.05。这里取1=2=0.04。于是则有：duadt=TtqDigi0Tr-CDAua221.15-mg0.0076+0.000056ua-mgim(1.04+0.04ig2)TtqD随发动机油门开度和转