黄星，刘文彬，郭文松

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230022）

基于某车型的自动变速器经济性换挡线标定研究与应用

黄星，刘文彬，郭文松

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230022）

对于自动挡车辆来说，经济性换挡线既要考虑燃油经济性又要兼顾驾驶性与排放要求。那么如何标定换挡线就显得尤为重要。文章根据经济性换挡线理论分析和实车标定应用，阐述了经济性换挡标定内容及优化方向，并在整车上对换挡线进行了标定验证。

经济性换挡线；油耗；排放；标定

引言

变速器作为车辆传动系统的核心部件之一，对车辆的动力性、燃油经济性和乘坐舒适性等都有着显著的影响。目前越来越多车开始匹配自动变速箱，尤其是近年来发展起来的双离合器自动变速器(Dual Clutch Transmission简称DCT)具有传动效率高、换挡过程无动力中断、舒适性好、燃油经济性好等诸多优点[1]。

经济性换挡线(自动变速器换挡车速)作为常用的换挡线，它的优劣直接影响到整车的换挡品质、动力性、燃油经济性和舒适性等性能。如果经济性换挡线太过于偏向经济性，虽然油耗有所降低但是对车辆驾驶性有很大影响，换挡过程中可能会出现拖档、抖动等现象，影响主观驾驶性评价，如果经济性换挡线偏向于动力性则会影响油耗和排放测试结果，油耗和排放可能不满足法规要求，所以经济性换挡线既要满足驾驶性需求又要满足法规对于排放和油耗的要求。

1 最佳燃油经济性换挡模型

1.1 汽车燃油消耗理论模型

汽车单位小时燃油消耗量为：

其中，ge为发动机燃油消耗率，g/(KW·h)；Pe为发动机驱动功率，KW。

根据发动机理论，发动机的负荷特性是发动机在转速一定时燃油消耗与发动机功率之间的函数关系。不同转速下的负荷特性可以组合绘制出发动机的万有特性，即将发动机的燃油消耗率表示为发动机功率和转速的函数(具体函数可以通过发动机试验数据进行模拟获得)：

其中，n 为发动机转速，r／min。

汽车速度与发动机转速之问的转换关系如下：

式中，r为车轮滚动半径，m；ig为变速器当前档位速比；i0为主减速器速比。

将式(3)代入式(2)，发动机燃油消耗率可以转换为汽车车速和加速度的函数：

发动机输出功率为汽车驱动力和速度的乘积，将单位换算为kW，则：

其中，ηT为传动系统效率；G为汽车重量，N；f为滚动阻力系数；I为道路坡度系数；Cd为空气阻力系数；Af为汽车迎风面积，m2；u为车速，km/h；δ为旋转质量换算系数；a为汽车加速度，m/s2；g为重力加速度，9.81m/s[2]。

根据上面公式推出，发动机输出功率是汽车速度和加速度的函数：

将式(4)、式(6)代入式(1)，汽车单位时间燃油消耗量可以转换为汽车速度和加速度的函数：

1.2 汽车最佳燃油经济性分析

在加速度值a一定时，汽车单位小时燃油耗量可以简化汽车速度的函数为：

将各个档位对应的汽车单位小时燃油消耗率绘制到同一坐标系，如图1所示：

汽车燃油消耗就是对图1中曲线进行积分，计算单位小时燃油消耗量曲线下方所围的面积：

图1 车速-燃油消耗率曲线图

要燃油消耗Q值最小，也就是要使得单位小时燃油消耗量曲线下方所围的面积最小。加速度一定时，在相邻两档单位小时燃油消耗量曲线的交点处(最佳燃油经济型换挡点)换挡，可以实现这一面积最小，即：

其中，igc代表DCT正在使用的档位；ign代表DCT准备切换的相邻档位。

如果方程有解，如图1中c点，即为最佳燃油经济性换挡点。如果方程无解，则两曲线在同一速度下Qt，差值最小的位置就是最佳燃油经济性换挡点，如图1中A点和B点[3]。

在DCT车辆中，换挡切换由电子控制单元自动完成，可实现车辆在最佳燃油经济性换挡点进行换挡，获得最小的燃油消耗[4]。

2 整车转毂油耗测试

根据理论分析结果，在小时燃油消耗曲线图上,同一油门下相邻两档小时燃油消耗曲线的交点即为该行驶条件下燃油经济性最佳的换档点，因此需要测试车辆在不同档位、不同油门开度下的燃油消耗率。

2.1 某车型样车基本参数

表1 某车型样车基本参数

2.2 测试方法

在整车转毂上根据单点法进行加载测试车辆热机状态下各档位、各固定油门对应的油耗、车速、驱动力、发动机转速等信息，其中油耗是在油箱出油口串联一个油耗仪，通过转毂连接的电脑记录单位时间内的油箱出油口的汽油流量，从而得到单位时间内发动机的燃油消耗量。

2.3 测试工况

为了与后期换挡线标定设置的油门一致，试验过程所用油门开度就是换挡线对应的油门开度即从0开始每隔6.25%油门变化做一次试验，档位分别为6个，具体的试验测试工况如下表2所示，每种工况的数据从发动机转速1000转到发动机断油转速5600转或能到达的最高转速为止。

表2 整车转毂油耗测试工况

2.4 数据处理

在转毂上进行油耗测试试验，试验完成所有档位对应油门开度的测试后，不同油门开度下的发动机转速、瞬时油耗、车速等信息，然后根据选出的信息绘制出各档位不同油门的车速-油耗曲线图，如下图所示：

图2 12.5%油门车速-油耗曲线图

图3 25%油门车速- 油耗曲线图

图4 37.5%油门车速-油耗曲线图

图5 50%油门车速- 油耗曲线图

图6 62.5%油门车速-油耗曲线图

图7 75%油门车速- 油耗曲线图

图8 87.5%油门车速-油耗曲线图

图9 100%油门车速- 油耗曲线图

3 换挡线标定

3.1 换挡点选取

根据车速-油耗曲线图挑选不同档位对应的不同油门升降档车速。

3.1.1 小油门升档点选取

小油门情况下（油门小于 30%）升档点选取一般是要求获得较好的燃油经济性，在同样车速下，尽量使用高档位，当高档位不能满足动力需求时，才采用低档位。所以，一般选择换档后满足发动机转速不低于某一值，即升档之后发动机转速不低于发动机负载情况下最低稳定运转转速，即1000rpm。此时应以车速单参数进行换档。

如下表2为某车型部分转速对应的车速，根据小油门情况下汽车换档点的选取原则，利用插值法可获得不同油门对应不同档位的换档点，如表3为10%油门开度下的升档车速。

表2 发动机转速与汽车速度关系

表3 换档点车速（节气门开度10%）

3.1.2 中油门升档点选取

中油门（油门 30%-60%）升档点选取时，为保证汽车的最佳燃油经济性，从经济性换挡线理论分析可知，在小时燃油消耗曲线图上，同一油门下相邻两档小时燃油消耗曲线的交点即为汽车在该行驶条件下燃油经济性最佳的换档点，如各档位车速-油耗曲线有交点，则取交点对应车速为换档点车速，如没有交点，则取参照图1中的A点车速或者B点车速选取升档点，通过此方法选取的 37.5%油门开度的各档位升档车速如表4所示。

表4 汽车换档点（节气门开度为37.5%）

3.1.3 大油门升档点选取

图10 车速与牵引力关系图

表5 汽车换档点（节气门开度为90%）

大油门（油门大于60%）升档点选取时主要是为了获得较强的加速性能，所以取同一油门开度下相邻两档的驱动力曲线交点为最佳换档点，或取同一油门开度下相邻两档的功率曲线的交点为最佳换档点(如不存在交点，则取低档下发动机转速对应最大驱动力工况点为换档点)，通过分析整理转毂测试的车速-驱动力曲线图如图10所示，根据前面大油门换档点选取规则，如各档位驱动力曲线有交点，则取交点对应车速为换档点车速，如没有交点，则取前一档位最大驱动力对应的车速为换档点，所以可得下表5所示的90%油门升档图。

3.1.4 降档点选取

为了保证汽车不出现循环换挡，降档车速点的确定，必须满足以下两个条件：

1）在保证节气门开度不变的情况下，汽车在较低档产生的加速度，使汽车车速再次达到升档曲线中的升档点的车速时间间隔最少为1.3s；

2）降档后，在低档位时发动机转速应低于发动机最大转速的75%。

根据设计经验，汽车在降档的情况下，往往希望获得较大的牵引力来满足汽车动力的需求。以 90%油门开度降档点选取为例，发动机转速在4400rpm时驱动力达到峰值，由发动机转速与车速的对应关系可以查到在4400rpm时对应的车速，以及此时汽车的牵引力如下表6所示。

表6 发动机转速4400rpm时，汽车速度与驱动力

选出降档点后需要对换挡点进行验证，以2降1档为例，从2→1降档点车速到1→2升档点车速时间间隔为t=0.77s，不满足最少为1.3s的要求，所以根据1.3s的最小时间间隔计算 1档的车速和对应的发动机转速为 3600rpm时车速为v=29.55km/h。对其他档位点进行验证，如果满足使汽车车速再次达到升档曲线中的升档点的车速时间间隔最少为 1.3s的要求，此换挡点能够确认，如果时间小于1.3s，就要根据上述最短的1.3s来计算降档的车速。

按照以上降档点选取方法可以求得节气门开度为37.5%、10%油门开度下汽车降档点的车速。由于在 10%油门开度以下汽车的升档点车速根据发动机在1000rpm左右确定的，为了避免换档循环，降档点车速定在发动机转速为800rpm时对应的车速。

3.1.5 经济性换挡点确认

参考以上升降档选点要求挑选出各档位对应不同油门的升降档车速，根据换挡数据绘制出换档map图。

图19 经济性性换档曲线图

3.2 换挡点优化

通过上述换挡点选取原则选出的换挡点虽是最经济的换挡线，但是在整车换挡线应用中还得考虑车辆的驾驶性和换挡线对排放结果的影响，所以基本换挡线确认以后需要在实车上根据主观驾驶性评价结果和排放循坏工况测试结果两方面对换挡线进行优化。

3.2.1 换挡线主观评价结果优化

经济性换挡线主观评价结果优化主要是将基本换挡线应用到实车上后根据主观驾驶性评价结果对换挡线中一些工况下的换挡点进行优化，优化依据主要有以下几点：

1）正常驾驶瞬态工况下，无频繁换档现象发生；

2）主观驾驶过程中升档后没有明显的拖档感觉；

3）升档后无加速无力的主观感受。

3.2.2 排放工况换挡线优化

排放工况换挡线优化主要是将通过主观驾驶评价结果优化后的换挡线应用到排放循环工况中，根据排放测试结果和采集数据对换挡线进行进一步优化。

优化原则主要有以下两方面：

1）排放工况中稳定车速时的档位尽可能是最高档位并且稳定车速过程中不能出现换挡；

2）根据排放结果来优化，如果排放结果满足法规要求，则换挡线可以进行确认，如果排放结果不满足要求，根据排放测试采集到的秒采数据分析哪段工况排放结果不满足，针对不满排放结果的工况对此工况下的换挡线进行调整。

3.3 最终换挡点确认

根据最经济的原则选出的基本换挡点从主观驾驶性评价和排放循环工况两方面优化后得到最终的经济性换挡线，此版换挡线是满足主观驾驶性和排放测试结果下的最经济模式的换挡线。

4 总结

本文根据经济性换挡线理论分析结果，提出了在整车上根据转毂油耗测试结果、主观驾驶性评价、排放测试结果对换挡线进行标定优化的方法，通过本方法标定优化后的经济换挡线不仅满足油耗测试结果，同时还兼顾了主观驾驶感受。

[1] 葛安林.车辆自动变速器理论与设计.[M]北京:机械工业出版社,1993.

[2] 葛安林,李焕松,武文治.动态三参数最佳换挡规律的研究.[J]汽车工程,1992.14 (4):239～247.

[3] 张国胜,牛勤鱼等.最佳燃油经济性换挡规律理论及其应用研究.[J]中国机械工程,2005,3.

[4] 孙龙林.双离合自动变速器最佳燃油经济性换挡规律探讨.[J]深圳职业技术学院学报,2008（1）.

Shifts gears the line demarcation research based on some vehicle automatic transmission efficiency and the application

Huang Xing, Liu Wenbin, Guo Wensong
( Anhui Jianghuai Automobile group CO., LTD, Anhui Hefei 230022 )

For automatic vehicle, the economy shift line should not only consider to both handling and fuel economy and emission requirements. So it is very important how to calibrate shift line.Based on the theory of economic shift line analysis and real logo application, this paper expounds the economic shift calibration content and optimizing direction, and transmission line on the vehicle calibration verification.

Economy shift line; Fuel consumption; Emissions; calibration

CLC NO.: U462.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-21-04

U462.3 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)12-21-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.008

黄星，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。