自动变速器换挡规律的研究现状与展望作者：倪忠北摘要：分析了自动变速器换挡规律的原理、发展过程以及国内外的研究现状，预测智能控制将成为未来的研究热点。

关键词：车辆工程换挡规律控制随着汽车技术的发展，人们对汽车的操纵的方便性和舒适性提出了更高的要求，车辆实现传动系统的自动化可以使操纵简单省力、提高安全性、减轻驾驶员的疲劳强度、提高汽车的动力性和经济性、降低传到系的动载荷、消除驾驶员换挡技术的差异性、改善汽车的排放性能等多方面优点。

自动变速器总体上可分为液力自动变速器(AT)、电控机械式自动变速器(AMT)、无级自动变速器(CVT)。

换挡和起步控制是自动变速器控制功能的关键。

其中换挡规律是自动变速器的核心问题,它将直接影响车辆的动力性、燃油经济性、通过性及对环境的适应。

换挡规律是挡位随控制参数变化的规律, 也就是换挡时刻挡位与控制参数之间的关系。

换挡规律的研究方法一般是从车辆作业状况参数(如车速、牵引力、发动机油门开度及转速、扭矩、制动力等) 中找到影响其挡位变化的主要因素, 建立一包含各主要因素的数学模型,优化后确定最佳换挡点。

现代自动变速器多按照油门开度和行驶速度两个参数控制换挡。

当油门开度及行驶速度变化到某一数值时，就自动换入新的档位。

变换档位时，油门开度a和速度v的关系成为换挡规律。

（见图1）。

一．自动变速器换挡规律的发展选档控制参数是指在对自动变速器进行档位决策时起决定性作用的参数，即根据这些参数可以通过逻辑判断得到当前最佳档位状态。

自动变速器换挡规律的发展经历了单参数、两参数、动态三参数换挡规律3个阶段。

1．单参数换挡规律汽车用单参数换挡规律一般选择相对稳定的车速v作为控制参数。

如图2所示, 当车速达到v2 时升入2 挡；反之, 当车速降至v1 时换回到1 挡。

v 1 和v 2 之间是两挡均可能出现的工作区,视车辆原来的行驶状况而定。

这种升、降档之间的交错现象称为换挡延迟或换挡重叠。

其作用是: ①换入新挡后, 不会因油门的振动或车速引起的轻度变化, 而重新换回原来挡位, 保证换挡过程的稳定性。

②有利于减小换挡循环, 防止控制系统元件的加速磨损,并防止乘坐舒适性的降低。

图2 单参数换挡规律a——油门开度n——发动机转速v ——车速单参数换挡规律结构简单, 但无论油门开度如何变化, 换挡点、换挡延迟大小都不变, 不能实现驾驶员干预换挡，而且噪声大，使换挡品质也大打折扣。

为了保证动力性，升档点多设计在发动机最大转速。

这就造成中小油门开度也要在发动机最大转速才换挡，导致燃油的经济性大大降低，不符合当今社会节能的理念。

这种规律难于兼顾动力性、经济性要求, 故目前已很少采用，只有极少数公共汽车、军用越野车上有所应用，目的是减少换挡次数。

2.两参数换挡规律两参数换挡规律克服了单参数换挡规律的缺点, 其控制参数类型有车速与油门开度、液力变矩器泵轮转速与涡轮转速、车速与发动机转矩等, 但当前采用最多的形式仍为车速与油门开度。

根据降挡延迟的不同可划分为等延迟型(降挡延迟$v 的大小不随油门变化)、发散型(降挡延迟随油门开度增大而增大)、收敛型(降挡延迟随油门开度增大而减小)与组合型(两段或多段不同类型的变化规律组合而成, 以实现不同油门下获得不同的性能)4种类型。

图3 所示为以车速和油门开度作为控制参数的收敛型两参数换挡规律示意图, 图3b下半部是反映降挡延迟所引起输入轴转速的变化。

两参数换挡规律已被广泛应用于轿车、货车等车辆上。

图3 收敛型二参数换挡规律a——油门开度n——发动机转速v ——车速两参数换挡规律克服了单参数换挡规律动力性、经济性不匹配的难题。

由于两参数换挡规律分为四种类型，这里我们以收敛型为例来研究。

由图3我们可以看出，大油门时降档速差小，Δn小所以升降档都有好的功率利用，动力性好。

减小油门时，延迟增大，避免过多的换挡，且发动机可以在较低转速工作，燃油经济性好，噪声低，行驶平稳舒适。

这四种类型中收敛型由于其他类型，它是未来的发展方向。

3．动态三参数的换挡规律以油门开度a和车辆速度v 为参数的两参数换挡规律是将发动机的稳态试验数据作为求解换挡规律的前提,属静态范畴。

然而, 车辆在起步、换挡及道路条件变化时, 不是加速就是减速,是一个动态过程。

显然两参数控制不符合实际，也就不可能保证车辆始终处于最佳挡位行驶, 从而影响整车最佳性能的发挥。

为此, 葛安林将更能反映车辆实际工作状态的重要态参数——加速度dv / dt 引入换挡控制,形成动态三参数换挡规律,即dv/dt、v、α三参数换挡规律。

动态三参数换挡规律的制定是在汽车的行驶加速度—速度曲线图上取同一油门开度下的相邻两档加速度曲线的交点，保证了汽车具有最佳的动力性。

而且动态三参数换挡规律可以使汽车在不同情况的路面上选择最优的档位，在保证汽车的动力性的同时，也保证了汽车的燃油经济性。

同时它还具有使汽车平稳、无冲击的特点，提高了乘坐舒适性，提高了换挡品质。

所以其前景广阔，值得推广。

二．自动变速器的研究现状由于像卡车和越野车，其工作环境复杂、恶劣,驾驶员劳动强度大,操纵控制非常复杂,所以建立其精确的数学模型是极其困难的，而传统的二参数、三参数换挡规律正是建立在被控对象的精确数学模型上，因此基于精确数学模型控制的古典控制论和现代控制论很难解决这一问题。

近年来,智能控制理论的迅速发展为解决这一问题带来了生机。

智能控制系统能够利用人的经验和智能进行推理决策,以通过学习自动调节控制参数, 具有处理大时变、非线性系统及控制环境和任务不确定问题的能力。

智能控制种类很多, 其中模糊控制和神经网络控制在车辆工程中已被逐渐使用。

为了实现车辆的动力性和经济性以及排放性能的最优，采用什么参数作为控制信号，如何根据车辆的运行参数，做出换挡决策是保证换挡特性，影响车辆动力性，燃油经济性的关键。

以车辆在平直道路上稳定行驶为前提的两参数换挡规律，考虑到车辆在起步换挡过程中发动机的非稳态工作过程，以发动机的动态驱动力模型为控制依据的动态三参数换挡规律，以及考虑到弯路及坡路上的车辆效应，在换挡决策中引入了坡道和弯路信息识别的人、车、环境一体化的思想，研究和制订了模糊换挡策略。

模糊自动控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制, 它是一种非线性控制, 目前已成为实现智能控制的一种重要而又有效的形式。

模糊换挡策略原理如图4所示, 根据车辆的作业过程和行驶状态选取控制规则集, 然后在不同的状态下, 根据系统的偏差变化率来确定控制规则, 以此来适应车辆操作过程中各种不同作业状态和环境状态的要求。

它以“两参数换挡规律”为基础, 引入更多的信息来修正不同环境下的换挡策略, 并在此基础上建立一种运算量小、易于实现实时控制的自学习模糊控制算法。

试验证明, 模糊换挡策略具有一定的智能, 能避免一些意外的换挡,同时又能继承两参数换挡的优点。

图4 模糊换挡策略原理示意图人工神经网络(ANN ) 理论具有很好的适应性和学习能力, 为实现有自适应特性的换挡控制策略提供了一种手段。

这就是所说的神经网络控制换挡规律。

图5 换挡规律的在线学习系统换挡规律一般是一个分段非线性函数,求解最佳换挡规律时往往得到的是包含车辆状态参数与对应最佳挡位关系的数据表。

人工神经网络在解决非线性问题即从离散数据中提取规律方面具有优势，可为表示最佳换挡规律及其在线运算提供一种有效的方法。

可以像图5那样,让网络在线向优秀驾驶员学习。

在线学习系统以描述汽车运行状态的参数为输入,以驾驶员设置的挡位为理想目标值,对网络进行一定的训练。

把驾驶员驾驶时的换挡规则存入网络,电控系统就可根据这个网络指导挡位的选择。

使用人工神经网络可提高挡位选择的智能水平,可以把理论优化的结果和不能由数学公式表达的换挡知识揉合到换挡规律中。

在国外, 自动变速器的研究始于汽车。

1985 年,日本五十铃公司率先研制成功NAVI5型全自动机械式变速器, 并装于飞鸟(ASKA )轿车,投放市场获得成功此后, 美国的福特(FORD )公司、法国雷诺(RENAULT) 公司、意大利的菲亚(FIAT) 公司都相继开发了这种变速器, 全自动AMT 已进入产品化和实用化阶段。

由于自动换挡和起步时都受到环境、驾驶员驾驶水平和车况等因素的影响, 日本的五十铃( ISUZU )、尼桑(NISSAN )等开始采用模糊推理的智能化方法进行此方面的研究, 包括模糊换挡策略和离合器接合速度的模糊控制。

三菱公司新的自动变速车“Fuzzy Shift4AT ”在自动变速系统中加入了“模糊控制”的概念。

在工程机械领域, 日本川崎重工公司开发的轮式装载机KLD97Z匹配15Z自动换挡变速器。

意大利萨姆(SAME)公司Rubin系列拖拉机采用了全自动换挡变速箱, 美国卡特彼勒(CATERPILLAR) 公司的Challenger橡胶履带拖拉机从第10档至第16挡可以实现自动换挡。

在国内, 吉林大学、北京理工大学、重庆医疗机械工业公司等多家单位均在自动变速器的研究方面取得了科研成果。

其中, 吉林大学率先将智能控制理论应用到工程机械中,对工程机械模糊神经网络挡位控制进行了试验研究,研制出推土机的模糊换挡系统并进行了室内试验。

对轮式装载机的模糊换挡策略也进行了研究。

1998 年8 月吉林大学自主研制桑塔纳2000AMT 样车通过了国家鉴定,目前正进一步加强系统可靠性等方面的研究。

神龙公司也向市场投放了装备进口AL4 智能型自动变速器的富康988“领导者”以及富康116 L 轿车,它们采用了模糊控制理论和动力传动系统综合控制技术, 实现了智能化控制, 电子控制单元 10种换挡规律, 按需分别调用几种换挡规律或同时或交替工作, 共同控制变速器的状态。

三．自动变速器换挡规律未来展望一套好的换挡规律应具备这样一些特点：1.优先考虑安全；2.充分体现驾驶员的意愿，即“人机”协调原则；3.充分利用各种信息，使档位选择与环境相适应；4.动力性、经济性、部件寿命最优的原则。

随着自动变速器换挡规律在使用中出现的问题以及人们对车辆性能要求的提高，使智能控制理论迅速发展，智能控制系统能够利用人得经验和智能进行推理决策，可以通过学习自动调节控制参数，具有处理非线性系统及控制环境和任务不确定问题的能力。

各种最新的监测、控制技术将不断引入车辆领域, 以改善自动变速器的性能, 使挡位决策、换挡控制与车辆、环境和驾驶员意图相适应，确定当前状态下的最佳档位。

电控机械式自动变速器就是通过分布在各处的传感器采集汽车的运行状态信息，经过相应的处理后输入ECU，通过ECU 中换挡规律的映射得到当前最佳的档位，从而控制变速器换挡，如图6图6 最佳档位决策系统框图在已有智能控制理论与车辆工程相结合的基础上,运用最新的智能控制理论修正传统的两参数、三参数换挡规律, 使车辆换挡更加经济、可靠。