自动变速器自动变速的设计与研究

钱江，刘洪波，刘义强，李军，王瑞平,2

（1.宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，浙江 宁波 315336；2.浙江吉利罗佑发动机有限公司，浙江 宁波 315800）

自动变速器自动变速的设计与研究

钱江1，刘洪波1，刘义强1，李军1，王瑞平1,2

（1.宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，浙江 宁波 315336；2.浙江吉利罗佑发动机有限公司，浙江 宁波 315800）

随着科技的发展、人类社会的进步，人们对生活质量的追求越来越高，对汽车的品质要求也越来越高。自动变速器的出现实现了车辆的自动变速，降低了驾驶员的劳动强度及污染排放，提高了汽车的动力性、经济型及舒适性。自动变速技术作为自动变速器控制的核心策略之一，直接决定了自动变速器的性能优越。文章 首先介绍了当前市场上主流的几款自动变速器的发展历程，讨论了电控液力自动变速器的结构与系统原理；论述了自动变速器的档位控制策略及各个变速模式；接着分析了各种变速规律的原理及其性能，探讨了降档速差并且重点分析了换档线的经济型和动力性；最后简述了双离合变速器的档位预挂功能。

自动变速器；变速模式；变速预测；变速规律

CLC NO.:U463.211Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-49-04

引言

汽车工业一百多年的历史长河，自动变速一直是人们追求的目标。在汽车发展过程中，自动变速技术不断的得到更新和完善。尤其是最近十几年，电子技术和计算机技术的飞速发展为车辆的自动化变速改进提供了强大的支持，进入21世纪以来，自动变速技术的发展更是日新月异。

当今世界使用最多的汽车自动变速器主要有四种：双离合变速器(Dual Clutch Transmission) 、电控液力自动变速器(Automatic Transmission)、电控机械式自动变速器(Automatic Mechanical Transmission)、电控机械无级自动变速器(Continuously Variable Transmission)。

自动变速器根据转速、车速、动力负荷等因素自动变速，不需要驾驶者操作离合器换档，使用很方便。尤其在交通比较拥挤的市区行驶，自动变速器更加体现出了便利性。自动变速器比手动变速器复杂得多，有很多方面不相同，但最大的区别在于控制方面。手动变速器由驾驶员操纵档位，加档或减档均由人工操作，而自动变速器是由机器自动控制档位，变换档位是由液压控制装置进行的。以AT为例，液压控制装置根据节气门（油门）开度和变速器输出轴上输送来的信号控制升降档。根据节气门开度变化，液压控制装置中的调节阀产生与加速踏板踏下量成正比的液压，该液压作为节气门开度“信号”加到液压控制装置；另外有装配在输出轴上的速控液压阀产生与转速（车速）成正比的液压，作为车速“信号”加到液压控制装置。因此，就有节气门开度“信号”和车速“信号”，液压控制装置根据这两个“信号”自动调节变速器油量，从而控制换档时机。也就是说在汽车驾驶中，驾驶员踏下加速踏板（油门踏板），控制节气门开度和汽车的行驶速度（变速器输出轴转速），就能自动控制变速器内的液压控制装置，液压控制装置会利用液力去控制行星齿轮系统的离合器和制动器，通过改变行星齿轮的传动状态，实现了自动变速。

1、档位控制及变速模式

档位控制就是根据汽车运行状态、外界环境和驾驶员意图，按照标定好的目标，确定当前车辆的最佳档位，并通过选换档执行机构和离合器控制机构控制自动变速器工作在最佳档位。档位控制策略的优劣是衡量车辆在采用自动变速技术后能否充分发挥其经济型、动力性和驾驶性的关键。

最佳档位控制策略的方法一直在不断发展，早起的决策方案主要采用基于理论求解方法，即选择一定的换档控制参数（单参数、双参数、三参数），按照某种指标的最优目标，通过汽车动力学方程求解，计算出最佳档位。此方法相对成熟稳定，但它只参考了汽车的行驶状态和驾驶员意志，而没有考虑车辆的驾驶环境和驾驶员的意志对传动系统自动变速控制的影响，缺乏灵活性。20世纪末申水文在双参数换档控制方法中，引入坡道和弯道等环境信息，通过修正二参数变速规律，实现了在坡道、弯道等特殊条件环境下按照驾驶员意志正确换档，进一步优化了档位控制策略。时至今日，档位控制策略已经在二参数变速规律的基础上，充分考虑了外界环境以及整车环境因素：高温、高寒、高原、上坡、下坡、尾气催化剂的催化活性、空调采暖效果、负载量等，最终设计出了一系列的变速模式(见表1)。车辆根据道路环境、驾驶员意志、车辆的运行状态等信息，制定了自适应复杂行驶环境和不同驾驶意图的换档控制策略，并有效解决了特定路面上(弯道、坡道、冰面)上的频繁和不期望的换档问题。表1左边列举的是变速模式，右边是综合国内外法规、驾驶员意志以及外界环境定义出的各变速模式的优先级。

表1 变速模式及优先级

2、变速规律

2.1 变速规律的类型

变速规律可分为单参数变速规律、双参数变速规律以及三参数变速规律。单参数变速规律仅仅考虑车速作为控制参数，此时驾驶员无法直接干预换档，即无论怎么控制油门都无法触发换档，属于早期的变速规律，现今已很少有整车厂使用。双参数变速规律则同时参考了车门和油门开度，它是当前世界上主流的变速规律，也是最成熟最稳定的一套规律，配上不同的变速模式，可以很完美的实现在各种外界环境及路况下满足驾驶员的意图换档。最后一种是三参数变速规律，它在双参数变速规律的基础上参考了加速度。相比双参数变速规律相比，它更好的提高了车辆的动力性和经济型。但缺点是技术不够成熟稳定。下面主要针对主流的双参数变速规律来研究。

自动变速器的双参数变速规律按照油门开度和行驶速度两个参数来控制换档。当油门开度（汽油机为节气门、采油机为高压油泵齿条位置）及行驶速度变化到某一数值时，就会自动换入新的档位。汽车变换档位时候，油门开度a和速度v的关系称为变速规律（见图1）。变速规律用换档图来表示，换档图的横坐标用车速或者变速器输入/出轴转速表示，以每分钟转速或每小时公里数为单位；纵坐标用发动机节气门开度表示，以百分比为单位。图1中的任何一点，都是有节气门开度和车速大小所决定的，也称为变速点或者换档点。实线表示各升档线，比如1-2实线决定从1档升入2档的时刻。虚线表示各降档线，比如2-1虚线决定从2档降到1档的时刻。这一变速规律决定了变速器系统的结构和调整。

图1 经济型换档线

除此之外，采用换档图检查换档点是否符合行驶期间自动变速器正确变速规律，也可以对变速器进行道路试验和故障诊断，因此换档图对自动变速器故障诊断检修也十分重要的。

2.2 降档速差

汽车在行驶过程中，假设油门稳定在某一开度，当行驶阻力逐渐减小而速度增大并且击穿图1中任何一条实线，将实现自动升档；反之，当车辆速度减小到击穿任一条虚线时，将自动降档。这样，在升、降档之间就有个重叠区。例如，油门开度稳定在40%时，4-5升档点速度为50km/h，5-4降档点速度为40km/h，则在40km/h到50km/h之间，4档和5档都有可能工作的。这个速度差(50km/h - 40km/h = 10km/h)称之为降档速差。意在将降档点滞后于升档点。它是自动变速的一个必要条件，也是进行故障诊断的一个重要指标。

降档速差的存在也为人工干预换档提供了可能。如图1中，我们假设当前档位在4档,油门开度稳定在50%左右，此时4-5升档线在65km/h左右，5-4降档线在45km/h左右,车辆的行驶速度v在此降档速差内的50km/h左右(65km/h ＞ v ＞45km/h),如果驾驶员突然急松油门踏板，导致油门开度突然从50%回到0%，此时由于惯性，车速是基本没变化的，然而油门开度瞬间到达了0%的位置，并且已经起作用了，变速点瞬间垂直往下移到X轴上，击穿了4-5升档线，于是升到了5档。若驾驶员立即又将油门恢复到50%左右，此时车辆可以继续维持在5档，不会又回到4档，实现了干预升档。反之，驾驶员若突然加大油门后立即恢复到原来的油门开度可实现干预降档。不必要的升降档会加速底盘和变速箱的磨损，同时影响汽车的驾驶品质。因此变速器必须要有降档速差。但是如果一味追求降档速差大，又会导致经济型变差。所以在标定降档速差的时候需要综合考虑，根据客户需求，变速器硬件特性取一个平衡点。

目前世界上各大变速器供应商虽然都采用主流的双参数变速规律来设计换档线，但是不同厂商之间还是有细微的差别。比如爱信的变速箱一般使用输出轴转速来代替车速，大众用的就是车速。还有一些厂商用输入轴转速和油门开度组合来计算换档线。

2.3 换档线经济型和动力性

整车厂在设计汽车的时候，都会着重定义车辆的经济性和动力性，因为这直接涉及到车辆的油耗和驾驶性。一般而言，一辆新车的油耗和动力就是顾客选择的重要参数，所以如何设计换档线的经济型和动力性就至关重要了。前面介绍了经济型的换档线，图2则代表动力性换档线，可以明显的看出动力性换档线比经济型换档线分散且往高车速方向伸展。这是因为动力性换档线追求的是动力性，所以它主要集中在高功率高转速阶段。

图2 动力性换档线

换档线的经济型还是动力性需要基于发动机特性曲线。发动机特性曲线将发动机功率、转矩与发动机曲轴转速之间的函数关系以曲线表示。

发动机的速度特性曲线表示有效功率、扭矩和比燃料消耗量随发动机转速变化而变化的表现，它是由制动试验台架上测试得出的。比如保持发动机在一定节气门开度的情况下，稳定转速，测取在这一工况下的功率、比耗油。按照一定的转速间隔依次进行上述步骤。就能测出不同转速下的数值，这些数值点最终组成了连续曲线，如图3所示。

图3 发动机特性曲线

一般而言，在80%节气门以上的负荷时，由于混合气加浓使燃油消耗增大，经济性较差。

在40% - 80%节气门负荷时，经济性较好，其中60%节气门负荷、2000rpm时经济性最佳。

在20%节气门以下负荷时，变速器的机械摩擦损失几乎等于发动机有效输出功率，经济性差，车辆不宜工作在该范围。

在标定各个模式下的换档线，尤其经济模式和运动模式，一定要基于发动机特性曲线而定。

3、变速预测

目前主流的汽车自动变速器中，电控液力自动变速器（AT）、电控机械式自动变速器（AMT）和电控机械无级自动变速器（CVT）由于各自的硬件特性，一般不具备变速预测功能。而双离合变速器（DCT），它得硬件构造相当于是把两个MT智能的结合在一起，当一根轴在传递动力工作的同时，另一根轴是可以提前去挂档，只要相应的离合器完全打开，则互不干扰。这就为变速预测功能提供了可能性。

变速预测功能根据当前档位、外界环境和当前的车辆状况，设计一个档位预测功能，它可以预测出下一个新的目标档位，然后命令档位执行机构先一步挂上此档位，而当真的目标档位正式发出请求时，只需要进行扭矩交替即可。变速预测功能可以极大的减少换档时间，同时也可以实现无动力丢失换档，但实际上目前的档位预测技术还不够稳定。现实中的驾驶工况千变万化，当今的变速预测功能很难正确的预测到所有目标档位，它仍然需要不断的更新和改善。

4、结语

本文介绍了当今世界上的一些主流自动变速器。以电控液力自动变速器和双离合变速器为研究原型，全面解析了换档模式及档位控制策略。同时对自动变速器的变速规律进行了分类，分析了各种变速规律的原理及其性能，介绍了降档速差和换档线的经济型、动力性。初步研究了双离合变速器的智能化档位预测功能。

随着科学技术的发展，人们对车辆的要求越来越高，对汽车企业的要求也越来越高。我们只有不断投入研发、设计才能满足客户日益增加的需求。

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Design and Study of Automatic shift of Automatic Transmission

Qian Jiang1, Liu Hongbo1, Liu Yiqiang1, Li John1, Wang Ruiping1,2
( 1.Ningbo Geely Royal Engine Components Co., Ltd, Zhejiang Ningbo 315336; 2. Zhejiang Geely Royal Engine Co., Ltd, Zhejiang Ningbo 315800 )

Along with the development of science technology and the progress of human society, People's pursuit of the quality of life is getting higher and higher. The quality requirement of the car is also getting higher and higher. The Automatic Transmission of the vehicle makes the automatic shift possibly. It reduces the driver's labor intensity and decreases the pollution emissions. It also improves the power, economy and comfortable for drivers at the same time. Automatic shift technology is one of the key strategies for Automatic Transmission control. It determines the performance of the Automatic Transmission directly. Here firstly introduces the development history of several Automatic Transmissions in the current market, discusses the structure and system principle of Automatic Transmission, describe the strategy of target gear control and the shift mode. Here also introduces each shift’s principle and performance, it analysis the Economy shift maps and Sport shift maps. It shows the Pre-selecting function strategy for Dual Clutch Transmission.

Automatic Transmission; Shift Mode; Shift Pre-selection; Shift Rule

U463.211

A

1671-7988 (2017)02-49-04

钱江，就职于宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.017