汽车自动变速器换挡规律的优化设计方法

葛振伟

摘要：汽车运行的过程中，在进行加速或者减速的操作时，属于一个动态的换挡过程。在此过程中，如果操作换挡频繁就会产生一定的耗油量，对于汽车运行的经济性性带来严重影响。我国每在汽车换挡操作中就会产生大量的燃油能源浪费，为了改善这种局面，就必须对汽车自动变速器的换挡规律进行分析，并且对其展开优化设计，降低换挡操作时所产生的流量消耗。文中在对汽车换挡规律的原理进行分析之后，又对其动态规划算法的换挡规律优化进行阐述。

关键词：汽车性能;自动变速器;换挡规律

在科学技术快速发展的基础上，自动化技术获得了全面的发展，在多个领域中均表现出良好的有一种效果。汽车运行中所使用的自动变速器就是在此基础上发展起来的，对原有的手动变速器进行升级与改装，应用电子控制系统，实现变速器的自动化发展，这样不仅能够提升燃油的利用率，使其经济效益更大得到更好发挥，还能够在一定程度上节省制造成本。燃油的经济性属于评价汽车性能的一项重点内容，不仅会对车辆的驾驶成本造成影响，还关乎大气环境。

一、汽车换挡规律的原理

1、换挡规律原理

规律指的是事物在运行过程中的规律变化。就汽车的换挡规律而言，主要指的是汽车在行驶的过程中，利用变速器的挡位，对汽车行驶状态和速度进行调节时所产生的变化值。我们将处于不同行驶速度下的参数变化值进行分析之后，找出参数变化的关系，这便是对换挡规律的确定。在实际运行的过程中，可以根据汽车行驶状态下，所进行的换挡操作来确定换挡规律。一般而言，根据控制参数的不同，我们可以将其分成单参数、两参数和三参数。其中的单参数指的是，车辆的运行速度，但是由于换挡操作属于驾驶员的自主行为，自动变速器无法实现对驾驶人自身行为的有效干预。为此，该项参数并不能作为优化动力和经济性能的主要参数。在当前的汽车系统中，很少采用单参数的换挡规律。

而三参数的换挡规律是在两参数的换档规律基础上，增加了加速度参数，而发展起来的换档规律。在原有的基础上，对加速度参数规律进行分析之后可以更好的了解车辆的行驶状况。但是相对来说，参数处理的难度也大大提升，对系统的实时响应带来一定影响。同时，也会增加车辆制造的成本。为此，针对三参数换挡规律的研究还停留在理论阶段。在实际车辆运行的过程中，是将车速和油门的开度作为主要参考参数，这也是两参数换挡规律的重点内容。图1中所示的为两参数换挡规律原理，其中的横坐标表示车速，中坐标表示油门开度。

从图1可以发现，存在两种线形，，我们将实线和虚线分别代表不同的挡位曲线。实线为升挡曲线，虚线为降挡曲线。为了确保不会出现循环换挡的现象，在换挡系统中增加了一定的换挡延迟。图1所示的u=f21（a）表示为由二挡转换为一挡曲线。而u=f23（a）为由二挡调整至三挡的曲线。从图中的曲线变化情况可以看出，当变速去处于二档状态时，汽车的运行状态在u=f21（a）和u=f23（a）两个曲线之间，当曲线u=f21（a）和u=f23（a）发生变化时，则表示进行了升档或者降挡操作。

2、换挡规律数学模型

为了实现对汽车换挡规律的有效优化，使其燃油经济性得到全面提升，并且保证汽车的动力作用，我们需要对汽车对换档规律进行全面分析之后，找出耗油量最低，且汽车动力作用最强的参数。根据这一参数对汽车的换挡规律进行优化，使其在燃油消耗量和行驶动力性上均能得到有效提升。为了保证对换挡规律和燃油经济性的有效分析，我们将等速状况下的汽车单位燃油量以及换挡操作下，燃油消耗量的变化情况进行对比分析，绘制出发动机万有特性曲线图。图2所示内容中，横坐标为发动机的转数，纵坐标为发动机的转矩。

从图2中可以看出，发动机最佳燃油经济性工作区域对应的发动机转速主要集中在2000—2600r/min的范围内。传统换挡规律换挡点的制定是假设在换挡过程中车速不变的条件下，将发动机的小时油耗Q。

该方法求得的换挡规律在汽车行驶过程中始终保持不变，没有考虑汽车行驶环境以及驾驶员操纵意图对换挡过程的影响，仅适合于汽车平稳行驶过程。而AMT的实际换挡过程为加速或减速的动态过程，非线性程度高，时变性强，换挡过程中车辆处于非稳定状态，按稳定状态得到的换挡规律会产生较大的误差，在城市循环工况、制动和转弯等特殊路段容易导致频繁换挡或意外升挡现象，从而影响整车燃油经济性能。

二、利用动态规划算法进行换挡规律优化

1、动态规划算法的流程

动态规划算法具有理论性能强、适用范围广和工程化程度高的特点。在汽车变速器换挡规律的优化方案中，可以充分发挥其自身性能。实际进行动态规划计算时，所包含的计算方法可以分为逆向法和正向法。其中的逆向法指的是，将边界条件k=N作为计算的最优值，当运算结果呈现出初始状态时，便可以认为整个过程为最优算法，将该项参数作为重点优化参数即可。而正向法指的是，将边界条件k=1作为各阶段的最优值，当计算结果为终止状态时，便可以认为其为系统优化的最优解释，图3为动态规划算法的流程图。

2、利用动态规划算法进行换挡规律建模

由于传动系统在运行时的响应时间限制，在对换挡规律进行优化时，需要将时间作为逆向算法的起始值。同时，对特定情况下所产生的循环工况进行离散分解，从其中的某一步开始，进行逐层计算，在对每层进行计算时需要设定好最终的目标与目的，进而保证对整体换挡规律的优化作用，使其变量在控制范围之内。

（1）状态变量和控制变量的确定。对于汽车的传动系统来说，其自身发动机运行时的转速和档位均可作为状态变量。而发动机的转矩和换挡指令作为控制变量。鉴于自动变速器在运行的过程中，传动操作并不是连续开展的状态，为此无法获取到有效的时间参数。在对其时间参数据进行确认时，需要利用系统模型对其进行离散处理，将得出的最终结果作为时间参数。

（2）目标函数的建立。为了实现对汽车变速器换挡规律的有效优化，我们首先需要对目标函数进行确认。实际上指的就是，对多种运行状态下汽车的耗油量和能动作用进行对比分析之后，找出最佳的控制率。对于目标函数的确定需要多种参数作为支持。主要包括汽车的燃油消耗量、行驶的能动性以及汽车运行成本等。

（3）约束条件和惩罚函数。当驾驶人员在进行频繁换挡操作时，会对变速器内部的零件造成严重磨损，尤其是变速箱内的齿轮部件。经过多次换挡操作之后，其自身的使用性能和使用寿命将受到严重威胁，不仅影响驾驶人员的驾驶操作舒适性，还对汽车行驶中的燃油消耗量造成一定浪费。这就会对汽车的燃油经济性以及性能指标带来严重影响。为此，需要设置惩罚函数和约束条件对汽车变速器中的换档规律进行有效优化，对相应的换挡操作做出限制，进而保证汽车的良好運行。

结语：分析了换挡规律系统原理，以发动机台架试验数据为基础建立了换挡规律的数学模型，指出了传统换挡规律的不足。结果表明，基于动态规划的换挡规律减小了发动机转速波动，降低了换挡频率，汽车燃油经济性明显提高，验证了优化算法的准确性与合理性，为换挡规律的研究提供了一种新的思路。

参考文献：

[1]杨克锋.纯电动汽车自动变速器换挡控制与速比优化研究[D].湖南大学，2015;

[2]蒲生，余阿东.浅谈汽车机械式变速器的优化设计[J].科技经济导刊，2017（1）;

[3]赵世婧，卢慧娟，艾佳琨.动态规划在矿用汽车换挡规律优化中的应用[J].机械设计与制造，2016（1）：165-168.

姓名：（第一作者）李晓波;刘宗胜; 刘立铁; 王丽

单位及邮编：塔里木油田塔西南公司喀什油气运行中心