基于CRUISE-GSP模块的自动档车辆换挡规律的制定与仿真分析

2011AVL先进模拟技术中国用户大会论文基于CRUISEGSP模块的自动档车辆换挡规律的制定与仿真分析张丽雪桑泽英李胜江刘月杰（一汽轿车股份有限公司，长春市东风大街83号）摘要：通过对发动机燃油消耗特性的研究，提出了经济性换挡规律的制定方法。讨论了在AVLCruise软件环境下，如何通过GSP模块实现换挡规律的制定和换挡图谱的生成；最后对采用不同换挡规律的整车性能进行了仿真分析。通过性能指标的对比，完成对换挡规律的调整与优化，从而验证了换挡规律的有效性，对后期的开发工作提供了数据支撑，提高了整车开发效率，便于建立换挡数据库，分析换挡规律的制定与优化。关键词：换挡规律；仿真；优化；燃油经济性主要软件：AVLCRUISE1.前言在开发一款新车的初期，进行整车动力性与经济性的一维计算，掌握车辆的基础性能，并以此作为后期开发的依据，对于新车型的开发起着至关重要的作用，在此过程中有效的缩短开发周期，节约成本。AT汽车自动变速器控制的关键技术是换挡规律的制定，换挡规律是指两排挡间自动换挡时刻随控制参数变化的规律。换挡规律的好坏直接影响车辆的动力性、燃油经济性、排放特性、安全性和舒适性等的优劣。本文利用Cruise软件，通过GSP模块制取了某款车的经济性换挡规律，并对换挡规律进行了对比分析和仿真评价。2.换挡规律制定原则CRUISE软件是用来研究车辆动力性、燃油经济性、排放性能及制定性能的高级模拟仿真软件，为车辆的性能预测和整车仿真计算提供了数据支撑，而CruiseGSP是Cruise软件集成的用于换挡规律设计，生成换挡规律的功能模块，是基于整车模型基础上实现换挡策略研究的高级仿真分析模块，此模块集成了驾驶员驾驶经验对换挡的影响，对后期换挡规律的标定和检测提供了依据。经济性换挡规律是使自动变速箱能够以最经济的换挡点进行换挡操作，以达到降低燃油消耗的目的。目前，自动变速器上应用的最佳燃油经济性换挡规律，包括两参数最佳燃油经济性换挡规律和动态三参数最佳燃油经济性换挡规律。通过对发动机燃油特性的分析可见，汽车的燃油消耗量不仅与发动机负荷特性有关，还受到道路阻力、空气阻力以及加速阻力的影响，在制定经济性换挡规律时需全面考察这些因素。根据发动机原理及汽车动力学，可以得到燃油消耗量与发动机经济性、汽车结构参数及环境条件间的关系式为2011AVL先进模拟技术中国用户大会论文)15.21(36002tdtdugGuACGiGfugQfdte（1）式中，tQ为动态小时燃油消耗量，kg/h；G为汽车重量，N；g为重力加速度，去9.82/ms；f为滚动阻力系数；i为道路坡度；dC为空气阻力系数；fA为迎风面积，2m；为考虑发动机动态特性的旋转质量转换系数；t为传动效率。式（1）即为汽车的燃油消耗量方程，它基本包括了影响汽车燃油消耗量的所有因素。发动机小时燃油消耗量tQ与汽车燃油消耗量Q（kg）的关系为：tQ=dtdududQdtdQ(2)当加速度为定值时，设dtdu=a，则可以得到燃油消耗量的计算式：Q=duQat1(3)从上式可以看出，要使燃油消耗量最小就是要使式（3）的积分结果最小。（1）升档规律的获取对于经济性换挡规律，在小油门开度时，同一油门开度而不同档位时，有交点则以交点为换挡点，否则以动力性换挡规律作为参考进行选取。（2）降档规律的获取对于经济性换挡规律可以采用等延迟型降档控制策略。3.GSP模块换挡规律模拟3.1自动档车辆计算模型搭建与参数输入GSP模块是基于整车模型基础上进行仿真模拟计算，整车构型及基本参数如图1所示。图1整车模型图2011AVL先进模拟技术中国用户大会论文模型中所使用的主要参数如表1所示：整车模型参数名称参数值整车空载质量（kg）1441满载质量（kg）1891迎风面积(㎡)2.24阻力系数0.32发动机排量（L）2.0最高转速（1/min）6500怠速转速（rpm）700转动惯量（kg*㎡）0.134轮胎静力半径（mm）299滚动半径（mm）317变速器各档转动惯量（kg*㎡）0.005各档效率0.95主减速器主减速比3.8673.2GSP模块参数输入及换挡规律制定通过GSP模块的基础参数和设置参数的输入，可得到整车的加速度图谱，根据整车开发需求采用动力性换挡、经济性换挡或综合换挡。3.2.1GSP模块参数输入GSP模块分为四种换挡策略的仿真模拟，分别为经济性换挡、动力性换挡、在4%-9%坡度下的经济性换挡，9%坡度下的动力性换挡，经济性换挡规律的设计原则是使车辆的发动机在较低的油耗区工作，以保证最低的燃油消耗量。动力性换挡充分发挥发动机功率的潜力，从而获得优异的加速能力、爬坡能力。综合性换挡考虑在小油门开度下能保证良好的经济性，降低燃油消耗量；在大油门开度下能获得较强的动力性，发动机能够提供足够的功率和扭矩，因此，在小油门开度下采用经济性换挡规律，在大油门开度下采用动力性换挡规律。为了更精确的模拟换挡规律，在GSP模块中将换挡区间分为三个部分，即低速区、中速区和高速区，可根据预开发车辆的具体要求对低负荷区、中负荷区和全负荷区进行设置，其中包括油门踏板开度采样点设置、坡度采样点设置和液力变矩器采样点设置。3.2.2GSP模块换挡规律制定速度-加速度曲线是GSP模块仿真分析结果的一部分，选择加速度标准，通过分析速度-加速度曲线及NVH限值设置车辆升档后及降档前的加速度，结合该款车的开发需求完成对车辆换挡规律的设置。图2GSP设置三个区间的划分2011AVL先进模拟技术中国用户大会论文图3速度-加速度曲线3.3GSP模块换挡图谱生成及优化以经济性换挡为例通过各参数的设置及GSP模块的仿真，可得到该开发车型的经济性换挡规律如下：图4换挡规律12011AVL先进模拟技术中国用户大会论文根据GSP模拟分析得到的换挡规律进行动力性经济性仿真计算，得到整车动力性、经济性指标参数如表2下：模拟项目最高车速最大爬坡度0-100km/h加速时间NEDC循环油耗90km/h等速油耗120km/h等速油耗单位km/h%sL/100kmL/100kmL/100km模拟结果205.4848.269.58.847.159.11根据动力性经济性的仿真参数结果，考虑到换挡的平顺性，并通过与目标值的对比分析，对换挡参数设置进行重新调整，以便完成对换挡规律的调整和优化。调整后的换挡规律如下：图5换挡图谱2最终得到的整车的换挡规律如下：图6优化后的换挡图谱2011AVL先进模拟技术中国用户大会论文根据最终的换挡规律，得到的整车动力性、经济性的仿真结果如表3所示：4.整车性能仿真结果对比分析根据整车动力性、经济性的仿真计算需求，设置的主要的计算任务包括：动力性：（1）最高车速（2）最大爬坡度（3）0-100km/h加速时间经济性：（1）循环油耗：NEDC综合油耗（2）等速油耗：90km/h等速油耗，120km/h等速油耗通过调整GSP模块参数设置，得到三种换挡规律，经过动力性、经济性的仿真计算分析，得到采用不同换挡规律的整车性能参数如表4所示：模拟项目最高车速最大爬坡度0-100km/h加速时间NEDC循环油耗90km/h等速油耗120km/h等速油耗单位km/h%sL/100kmL/100kmL/100km方案1205.4848.269.58.847.159.11方案2203.7547.5110.038.967.179.12方案3201.5747.3611.369.177.219.13三种方案经济性能指标对比结果：图7经济性指标对比模拟项目最高车速最大爬坡度0-100km/h加速时间NEDC循环油耗90km/h等速油耗120km/h等速油耗单位km/h%sL/100kmL/100kmL/100km模拟结果201.5747.3611.369.177.219.13三种换挡方案经济性对比012345678910123换挡方案油耗值系列1系列2系列32011AVL先进模拟技术中国用户大会论文采用经济性换挡规律，整车主要运行在高档位，增加了高档位的运行范围，从而降低了油耗，根据车型开发需要，以经济性指标作为换挡控制参数，结合软件中整合的驾驶策略及模糊控制策略，对换挡策略进行调整和优化，确定了最终的换挡规律，最终确定的换挡过程更加的舒适、平稳，使换挡过程更加符合驾驶习惯，换挡过程更加平顺。采用方案3的换挡规律，整车在NEDC循环行驶工况条件下的车速及档位变化如图所示:图9方案3经济性换挡NEDC工况运行图图8方案3随着车速变化档位的切换过程2011AVL先进模拟技术中国用户大会论文5.结语（1）通过对发动机燃油消耗特性的研究，提出了经济性换挡规律的制定方法。（2）基于CRUISE软件，通过整车模型的建立及基本参数的输入，通过GSP模块实现了车辆换挡规律的制定，为车辆的前期开发提供了有效的数据参数。（3）利用CRUISE对GSP生成的换挡规律对整车的性能进行分析，通过性能指标的对比，完成对换挡规律的调整与优化，从而验证换挡规律的有效性，对后期的开发工作提供了数据支撑，便于建立换挡数据库，分析换挡规律的制定与优化。参考文献[1]余志生.汽车理论（第二版）.北京：机械工业出版社，1999[2]AVL-Cruisemanual.[3]卢德琼.汽车自动变速器建模和换挡规律的研究:[硕士学位论文].武汉：武汉理工大学,2006.[4]许洪国.汽车运用工程,北京:清华大学出版社,2003.[5]葛安林.车辆自动变速器理论与设计.北京：机械工业出版社，1993