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机械式自动变速器的重型卡车在坡道上的预知性换挡策略

小雁聪，张永刚，王春鹏，红玄珠和王曾蔡

摘要

预知性信息已经应用于车辆换挡系统，并导致了换挡策略的创新变化。换挡策略对卡车的动力性和经济性有着重要的影响。如果换挡控制系统能够预测前方道路的信息，则可以利用动态规划方法获得最优换挡策略，从而实现卡车动力性能与经济性能之间的最佳平衡。确定卡车经济性和动力性的权重是动态规划的关键。权重与道路坡度值有关，因此，本研究在3%、5%、10%坡度模拟试验中，采用不同的权重，研究油耗与运行时间的关系，确定不同坡度的最佳权重。在通过动态规划得到的最优换挡策略的基础上，利用前方道路的坡道信息对换挡点进行调整，避免了入坡前不必要的换挡，减少了坡道上的换挡时间。实际的卡车试验表明，本研究提出的人性化换挡策略满足了驾驶员的期望，有利于机械式自动变速器卡车的坡道行驶。

关键字

权重系数、最优换挡策略、人性化换挡策略、预知性、经济性性能和动力性性能

介绍

在一辆重型卡车的产品周期中，30%的成本花费在燃料上。重型卡车的主要用途是运输货物；因此，卡车制造商对燃油经济性的关注远超过了对乘客对乘坐舒适性的关注。借助预知性信息，智能速度适应和控制，这种所谓的“无成本”的解决方案已经被开发出来，可以显著降低车辆的能源消耗。在速度适应研究中，如道路坡度、车速限制、停车标志位置、道路弯曲度、平均交通流速和交通灯等已经被利用。除速度适应外，换挡策略也与车辆的燃料消耗量密切相关。使用预知性信息是近年来换挡策略发展的一个新方向。介绍预知性换挡策略中的信息可以帮助减少车辆耗油量。在过去的几年里，重型卡车变速箱中的挡位数的增加使得发动机能够在规定的速度范围内工作在低油耗状态或有足够的扭矩。这些速度范围不重叠，整车的燃油经济性和动力性表现为一对矛盾的关系。换挡策略可以确定发动机转速是在经济转速范围内还是在动力转速范围内。不同的斜坡构成不同的车辆功率需求。因此，一个经济或动力换挡模式的手柄或按钮已经设计为驱动程序手动选择以适应不断变化的道路条件。但当坡道与平坦道路交替出现时，频繁换挡会导致驾驶员的容易疲劳。此外，驾驶员对道路通行能力的判断需求并不总是合理的。目前的自动换挡策略不能智能地决定道路的车辆动力性需求，因此无法自动进入最佳换挡模式。然而，在变速挡中添加预知性信息控制系统可以帮助解决这些问题。

在速度适应的文献中，一个最优基于动态规划的控制算法(DP)算法是常用的。DP算法也可用于在驾驶员控制油门的普通驾驶模式下，具有预知性信息的最优换挡序列。对于不同的车型，由于优化目标和车型结构的不同，DP算法的具体应用也不尽相同。对于传统的车辆，DP算法的关键问题是如何实现动力性与经济性指标在成本函数中的整合，即如何将换挡策略的焦点转移到车辆的动力性能或经济性能上。Hellstrometal提出了一种动力和经济绩效加权的方法，但没有解释权重是如何确定的。Hanetal将动力性指标转化为功率需求，但没有提出如何将实际道路与功率需求进行匹配。傅将目标函数的动力型指标转化为优化过程的备用功率约束。在本研究中，我们分别在3%、5%和10%(平缓、中等和陡峭)坡道仿真实验中使用不同的权重值来研究油耗和运行时间之间的关系，并确定不同坡道的最佳权重值。因此，可以在DP中自动分配与前方道路坡度对应的确定权重值，在实时驾驶中规划最优换挡策略。

然而，预知性的信息也有助于设计人性化的自动换挡策略。优秀的驾驶员不仅要考虑车辆的性能，还要考虑车辆在手动换挡模式下将要行驶的道路。驾驶环境识别是换挡策略的重要前提。正常的识别方法只有在车辆在该环境中运行时才有效。因此，在不考虑车辆前方道路信息的情况下，往往会发生不必要的移动。虽然在目前的道路条件下，不必要的换挡和换挡逻辑并不冲突，但不符合驾驶员意图，会增加自动机械变速器车辆的油耗。

本文从两方面探讨了预知性信息在变速策略中的应用。首先，讨论了DP算法中坡度与权重系数之间的关系，以达到油耗最小化的目的。其次，利用预知性信息，增加换挡策略的人性化，比以前更聪明。因此，根据DP算法和仿真的要求，在卡车模型部分中建立卡车模型后，详细研究了不同坡度时重量值对油耗和运行时间的影响。我们研究了如何利用预知性的曲线信息设计曲线关于换挡策略。在本研究的“坡道换挡策略”一节中，研究了一种基于坡道换挡信息的坡道换挡策略，并通过实际车辆试验验证“坡道换挡在线测试”部分中人性化的坡道换挡策略的有效性。最后，文章在结束语部分进行了总结。

卡车模型

卡车的动力传动系统可分为两部分：发动机和变速器。后者包括离合器、机械式自动变速器、后差速器、车轮和传动轴，如图1所示。发动机是汽车的动力源，其扭矩特性和燃料特性与换挡策略有关。

在本工作中，卡车的动力源是276千瓦柴油发动机。扭矩特性可用发动机角速度ne表示如下：

图1。汽车动力传动系统简图

图2。发动机负荷特性图。

图3。发动机油耗特性图。

在某个节气门开度下，可通过发动机转速的二次多项式拟合扭矩，如下所示

其中e₀、e₁和e₂是拟合系数。

发动机扭矩数据在不同的节气门开度通过发动机台架试验和拟合方程(2)，如图2所示。

发动机的油耗可以通过每小时油耗的时间积分来计算。单位小时的油耗 (kg/h)是节气门开度和发动机转速的函数，这也是可以通过发动机台架试验获得，如图3所示

似于扭矩拟合原理， 在某一节气门开度下可用发动机转速的二次多项式拟合，如下所示

其中ersquo;₀，ersquo;₁和ersquo;₂是拟合系数。

在不考虑离合器黏结特性和能量损失的情况下，将离合器简化为动力传递开关，将经过变速器、后减速器和差速器传递到车轮，发动机扭矩传递过程的建模为

其中i_g是挡位比，i₀是主减速器挡位比，h_t是传动效率，r是车轮半径。空气阻力(F_W)、滚动阻力(F_f)、重力(F_i)和加速度阻力(F_J)是车辆纵向方向上的主要阻力。在空气阻力的计算方程中，C_D是空气阻力系数，A是车辆的纵向迎风面积，m是车辆的质量，g是重力加速度，v是车辆的速度。在滚动阻力计算方程中，f是滚动阻力系数，a是路面坡度角。在加速度计算方程中，J_W和J_e分别是车轮的惯性和发动机的惯性。将发动机转速传递到车轮的过程可以写成

其中w_e是发动机角速度(rad/s)，w_r是车轮角速度(rad/s)。

根据方程(1)和(6)以及发动机转速n_e和v_e之间的关系，发动机扭矩可用车辆速度v(km/h)拟合如下：

同样，每小时的油耗 表示为

假设 。根据方程(5)和(7)，车辆的加速度可以表示为

其中x是包含速度v和当前使用挡位g的状态向量， 其中x是包含速度v和当前使用挡位g的状态向量，

斜坡上的预知性换挡策略

基于DP的换挡策略优化

成本函数。优化目标包括燃料消耗和运行时间。前者代表车辆经济效率，后者代表车辆动力性能。

优化的目的是尽量减少燃料的使用和行程时间。对于通过数值方法进行优化的方法，模型(4)和(5)应该依赖于位置而不是时间。根据Ivarsson等人和Franke等人的研究中提出的换挡方法，假设s表示短距离，t表示行程时间，则函数f(s(t))可表示如下

根据方程(10)，从s=s₀到s=s_f的行程的运行时间和油耗可以表示为

然后，成本函数是

其中l_d和l_e分别表示动力权重和经济权重。 和 。M_f和T具有不同的维数，在这种情况下使用归一化因子。

如果将预测的距离h划分为n个分段，则方程(11)和(12)可以用离散形式写成如下

然后，成本函数可以表示为

约束

状态约束包括两个方面：速度和挡位。每辆卡车都有一个最大的设计速度，根据变速器设计不会超过当前的速度。此外，在某一挡位下的速度是在某一范围内，因为它受到发动机转速范围的限制。

目前的挡位仅限于变速器中的挡位数，不会跳级换挡。规则如下

其中g_k是当前挡位，g_{k 1}是前一个挡位，g_{k -1}是下一个挡位。

控制约束。如果当前的挡位有最低的值，那么向下移动是不可能的。下一个挡位只能保持当前位置或向上移动。如果目前的挡位有最高的值，那么下一个挡位不能移动。除上述两种情况外，目前的挡位可以向上移动、向下移动或保持静止。

表1。用于模拟的卡车参数

要素	特征
发动机 变速器 整车最大重量 车辆尺寸（长*宽*高） 主减速器传动比	最大功率：276KW 最大扭矩：1600N·m 16挡机械式自动变速器 18000kg 6.985*2.496*3.85 4.63

DP算法详细的DP算法指南可以在文献中找到。在目前的研究中，该算法概述如下

第一步让

第二步让

第三步让

第四步重复第三步对于K=N-2，N-3，，，，0；

第五步当k=0时，最优成本为J₀，然后设定最优控制，得到相应的速度，即某油门开度下的换挡点。

确定权重系数。DP中的权重系数决定了最优换挡策略的经济性和动力性。权重系数与道路在预测范围内的坡度值有关。一辆卡车拥有在陡坡上通过坡道所需的所有动力，而不能考虑经济问题。动力性和经济性只能在较小的陡坡上考虑，因为发动机仍然可以保留一定的备用功率。在这一部分中，离散仿真调整了权重，使坡度值能够同时满足道路的功率需求和节省燃料，找到最佳的权重。因此，实际车辆行驶中的重量系数将根据货车行驶的坡度来确定。

在3%、5%和10%的斜坡(1500米长)上，l_d的权重系数为1，0.9，0.8，0.7，0.6，0.4，0.2，0，对于l₀的权重系数为0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.6，0.8，1)用于搜索DP中的换挡规则。在上述匝道上建立了一种基于TRUCKSIM和SIMULINK联合仿真的汽车模型(仿真车辆参数如表1所示)，验证了100%油门下各换挡策略的性能。车辆运行时间和油耗如图4-6所示。

在大量用户调查的基础上，中国重型卡车集团有限公司得出结论，油耗是中国汽车用户最关心的问题。因此，卡车的经济性能是评价其换挡策略质量的第一个标准。仿真结果表明，不同坡度的权重系数对油耗和运行时间的影响总体趋势如下:当动力权重值达到最大值时，运行时间最短，油耗最高。随着动力权重值的减小，运行时间增加，油耗降低。当经济权重值达到最大值时，油耗最低，运行时间最长。

假设f₁代表经济重量在最大致(l_d=0，l_e=1)时的油耗，而f₂代表经济重量在其最小值(ld=1，l_e=0)和ff=f₂f₁时的油耗。同样，假设f₁表示动力权重在其最小值(l_d=0，l_e=1)时的运行时间，而t₂表示动力权重在最大值(l_d=1，l_e=0)和tt=t₁时的运行时间。仿真模型运行在三个坡道上(3%、5%和10%)，并在图7中比较了相应的ff和tt。

如图所示，以经济重量为重点的换挡策略所节省的燃料随着坡度的增加而显著减少。3%坡面上节油0.3134 kg，5%坡面节油0.22kg，低于3%坡面。当坡度增加到10%时，节油量仅为0.02 kg，因此动力性和经济性换挡策略的油耗基本相同。同时，在经济换挡策略中，节省油耗的额外运行时间随着坡度的增加而增加。在3%边坡上，附加运行时间为2.846 s；在5%坡度上，运行时间增加到10.75s。当坡度增加到10%时，运行时间为14s。因此，当坡度不陡峭（小于5%）时，换挡强调应处于车辆经济性能上。当坡度增加到10%时，由于换挡规律的经济特点，燃油几乎无法减少；相反，运行时间会增加。因此，换挡集中于车辆动力性能的影响是合适的。

图4。卡车仿真数据在坡道3%。

图5。卡车仿真数据在坡道5%。

资料编号：[4371]