CN117780922A - 基于效率最优的自动变速箱升挡线计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于效率最优的自动变速箱升挡线计算方法，包括步骤：S1、数据准备；S2、处理发动机数据；S3、处理自动变速箱数据；S4、计算最优效率的挡位Map；S5、处理踏板Map数据；S6、提取和生成变速箱升挡线。本发明的基于效率最优的自动变速箱升挡线计算方法，在数字样车阶段就完成换挡策略的制定，缩短开发周期；使用MATLAB软件，综合考虑发动机万有特性、踏板特性和变速箱效率，确保动力传动系统处于最佳状态，在不增加整车成本和不牺牲动力性能的情况下，降低整车油耗。

Description

基于效率最优的自动变速箱升挡线计算方法

技术领域

本发明属于自动变速箱技术领域，具体地说，本发明涉及一种基于效率最优的自动变速箱升挡线计算方法。

背景技术

近年来，随着汽车市场的竞争日趋激烈化，推动着汽车技术不断往前发展。对于传统燃油汽车来说，普遍使用的自动变速箱是汽车的核心部件之一，其自身的效率和工作性能直接影响着整车的动力性、经济性以及乘坐舒适性。而升挡线作为自动变速箱换挡控制规律中很重要的一部分，它影响着整车的动力性和燃油经济性，这本身是两个相互矛盾的性能指标，因此，在样车还未出来前，在确保动力性的前提下得到一组兼顾最佳燃油经济性的换挡线是很有意义的，它不仅可以用于整车油耗工况仿真预测整车油耗，同时也为后面样车标定做参考，在样车调校时大大减少标定工作量，缩短标定开发时间。

如公开号为CN111810624A的专利文献公开了一种换挡规律的确定方法及车辆，其包括：确定升挡车速基准加速踏板开度；确定基准加速踏板开度的升挡车速确定原则；根据升挡车速确定原则计算升挡发动机转速；拟合升挡时发动机转速曲线，并计算各个加速踏板开度对应的升挡发动机转速；根据升挡发动机转速和车辆参数，计算升挡车速点并获得升挡车速曲线；根据加速踏板开度和挡位，获得固定时间长度；根据固定时间长度和升挡线车速计算降挡车速点，并获得降挡车速线根据设定的固定加速踏板开度值调整降挡车速线；将升挡车速线和降挡车速线组成换挡规律。该发明需要在样车出来后，对样车进行不同升档车速确定原则(动力性或经济性原则)下，多组加速踏板开度、不同挡位下各车速点的比油耗试验，从而得到升挡车速点，进而得到升档发动机转速；且为避免偶然因素或误差，试验需进行多组取平均值；工作量之巨大，成本之高且工作开展滞后会给标定开发工作带来较大困难。

如公开号为CN115828550A的专利文献公开了一种AT车辆的换挡策略优化方法，包括以下步骤：进行实车转毂油耗试验，采集油耗数据；基于AVL CRUISE软件搭建一维仿真模型；设定车速V范围和轮边扭矩T_W范围，并将发动机万有特性和外特性数据以及一维仿真模型的边界条件在MATLAB中进行初始化；以MATLAB初始化参数为输入，油耗最优挡位为输出，建立Simulink挡位优化模型；依据Simulink挡位优化模型，绘制发动机最佳油耗工况图；在不同的油门和车速情况下，从发动机最佳油耗工况Map中提取最佳经济换挡线，对AT车辆的换挡策略进行优化。该发明将变速箱效率以0.95作为均值来参与计算，与实际变速箱的效率特性有一定偏差，从而会导致发动机的工作状态与理想状态有一定偏差。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种基于效率最优的自动变速箱升挡线计算方法，目的是实现在数字样车阶段完成换挡策略的制定，缩短开发周期。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：基于效率最优的自动变速箱升挡线计算方法，包括步骤：

S1、数据准备；

S2、处理发动机数据；

S3、处理自动变速箱数据；

S4、计算最优效率的挡位Map；

S5、处理踏板Map数据；

S6、提取和生成变速箱升档线。

所述步骤S1中，需要收集发动机万有特性试验数据、外特性数据、踏板Map数据和自动变速箱效率数据。

所述步骤S2中，需要先将发动机万有特性试验数据中的比油耗数据转化为效率值，然后利用Matlab软件将试验转速和试验扭矩分别按照一定步长单调递增划分特征点，并形成正交网格，插值，得到每个网格点的效率值，所得二维效率表即为发动机效率Mapη__eng。

所述步骤S3中，需将变速箱效率转化为基于车速和轮边扭矩的变速箱各挡位效率Map；

所述步骤S3包括：

S301、利用Matlab软件编写脚本文件，将变速箱输入扭矩作为列向量，将变速箱输入转速作为行向量，计算当前转速下对应的输出扭矩向量；

S302、计算各转速下轮边扭矩对应的变速箱效率；

S303、计算基于车速和轮边扭矩的变速箱效率。

所述步骤S301中，当变速箱输入转速ATN₁为某一设定值，将变速箱输入扭矩ATT_in向量各数值乘以变速箱当前档位速比i1，再分别与当前转速下对应的效率η_in11、η_in21、η_in31…η_inn1相乘，即ATT_in1*i1*η_in11、ATT_in2*i1*η_in21、ATT_in3*i1*ηi_n31…ATT_inn*i1*ηi_nn1，就得到了当前转速下对应的变速箱输出扭矩向量ATT_out11、ATT_out21、ATT_out31…ATT_outn1，也即传递到轮边的扭矩。

所述步骤S302中，设定轮边扭矩为Trq，并将其划分为等间隔单调递增的一系列特征点，将所述步骤S301中设定转速下对应的效率向量和输出扭矩向量，按照轮边扭矩特征点进行线性插值，得到一个新的效率向量，记为η_out11、η_out21、η_out31…η_outn1；依次遍历所有转速，获得各转速下轮边扭矩对应的变速箱效率η_outi_j。

所述步骤S303中，设定车速为V，单位km/h，并将其划分为等间隔单调递增的一系列特征点，然后根据公式V＝ATN*2*pi*r*3.6/(60*i1)，将所述步骤S302获得的变速箱效率η_outij对应的输入转速转化为车速，并按照车速特征点进行线性插值，最终就得到了基于车速和轮边扭矩的变速箱效率Mapη_{tr_1st}。

所述步骤S4中，根据步骤S3获得的变速箱各挡位效率，再计算各档位下不同工况的系统效率，最后得到系统效率最优的档位Map。

所述步骤S5包括：

S501、利用Matlab软件编写脚本文件，将踏板Map中发动机转速作为列向量，记为n_p，将踏板开度作为行向量，记为pedal；设定发动机扭矩t_p，并将发动机扭矩划分为等间隔单调递增的一系列特征点；

S502、从设定的发动机转速开始，将踏板开度向量pedal与当前转速下的发动机扭矩向量，按照发动机扭矩特征点进行线性插值，得到一个新的踏板开度向量；

S503、依次遍历所有发动机转速，获得基于发动机转速和发动机扭矩的踏板开度Map。

所述步骤S6中，根据步骤S4获得的最优效率档位Map，不同档位的交界线为理论升档线，应用于整车时，将升档线转化为基于车速和踏板开度的数据时，将每一条升档线以点坐标来描述，其对应目标档位的发动机转速、扭矩及变速箱效率是能够计算和查询的，再根据步骤S5，将升档线工况点对应的发动机转速和扭矩去插值查询步骤S5得到的踏板开度Map，就得到了每个工况点对应的踏板开度，最终获得以车速和踏板开度确定的升档线。

本发明的基于效率最优的自动变速箱升挡线计算方法，在数字样车阶段就完成换挡策略的制定，缩短开发周期；使用MATLAB软件，综合考虑发动机万有特性、踏板特性和变速箱效率，确保动力传动系统处于最佳状态，在不增加整车成本和不牺牲动力性能的情况下，降低整车油耗。

附图说明

本说明书包括以下附图，所示内容分别是：

图1是本发明基于效率最优的自动变速箱升挡线计算方法的流程图；

图2是最优效率的挡位Map示意图；

图3是自动变速箱升档线示意图；

图中标记为：201为一挡效率，202为二档效率，203为三档效率，204为四档效率，205为五档效率，206为六档效率，207为七档效率，208为八档效率，301为1→2升档线，302为2→3升档线，303为3→4升档线，304为4→5升档线，305为5→6升档线，306为6→7升档线，307为7→8升档线。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。

如图1所示，本发明提供了一种基于效率最优的自动变速箱升挡线计算方法，包括如下的步骤：

S1、数据准备；

S2、处理发动机数据；

S3、处理自动变速箱数据；

S4、计算最优效率的挡位Map；

S5、处理踏板Map数据；

S6、提取和生成变速箱升档线。

具体地说，为了解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种基于效率最优的自动变速箱升挡线计算方法，在数字样车阶段就完成换挡策略的制定，缩短开发周期。本发明使用MATLAB软件，综合考虑发动机万有特性、踏板特性和变速箱效率，确保动力传动系统处于最佳状态，在不增加整车成本和不牺牲动力性能的情况下，降低整车油耗。

在上述步骤S1中，需要收集发动机万有特性试验数据、发动机外特性数据、踏板Map数据和自动变速箱效率数据。车辆上的发动机与自动变速箱连接，设定r为车轮半径，车轮半径的单位为米。

踏板Map如表1所示，根据不同的换挡策略原则来选择，可以是动力性踏板Map，也可以是经济性踏板Map，计算方法是一致的，其以踏板开度为横坐标，以发动机转速为纵坐标，对应值为发动机扭矩。自动变速箱各档效率数据如表2所示，其以输入转速为横坐标，以输入扭矩为纵坐标，对应值为变速箱效率。

表1

表2

在上述步骤S2中，为了能将发动机的油耗性能与变速箱的效率结合考虑，需要先将发动机万有特性试验数据中的比油耗数据转化为效率值，然后利用Matlab软件将试验转速和试验扭矩分别按照一定步长单调递增划分特征点，如n₁，n₂，n₃…和t₁，t₂，t₃…，并形成正交网格，然后进行插值处理，得到每个网格点的效率值，所得二维效率表即为发动机效率Mapη__eng，其X、Y坐标分别为发动机转速和发动机扭矩。

为了便于从轮端需求推算发动机需求，在上述步骤S3中，需将变速箱效率转化为基于车速和轮边扭矩的变速箱各挡位效率Map。

上述步骤S3包括：

S301、利用Matlab软件编写脚本文件，将变速箱输入扭矩作为列向量，将变速箱输入转速作为行向量，计算当前转速下对应的变速箱输出扭矩向量，也即轮边扭矩；

S302、计算各转速下轮边扭矩对应的变速箱效率；

S303、计算基于车速和轮边扭矩的变速箱效率。

在上述步骤S301中，当变速箱输入转速ATN₁为某一设定值，将变速箱输入扭矩ATT_in向量各数值乘以变速箱当前档位速比i1，再分别与当前转速下对应的效率η_in11、η_in21、η_in31…η_inn1相乘，即ATT_in1*i1*η_in11、ATT_in2*i1*η_in21、ATT_in3*i1*ηi_n31…ATT_inn*i1*ηi_nn1，就得到了当前转速下对应的变速箱输出扭矩向量ATT_out11、ATT_out21、ATT_out31…ATT_outn1，也即传递到轮边的扭矩。

因变速箱各挡位效率各不相同，在上述步骤S301中，以变速箱一挡效率Map为例，利用Matlab软件编写脚本文件，将表2中变速箱输入扭矩作为一个列向量，记为ATT_in，将变速箱输入转速作为行向量，记为ATN。当变速箱输入转速ATN₁＝750rpm，将变速箱输入扭矩ATT_in向量各数值乘以变速箱一挡速比i1，再分别与当前转速下对应的效率向量η_in11、η_in21、η_in31…η_inn1各数值相乘，即为ATT_in1*i1*η_in11、ATT_in2*i1*η_in21、ATT_in3*i1*ηi_n31…ATT_inn*i1*ηi_nn1，就得到了当前转速下对应的变速箱输出扭矩向量ATT_out11、ATT_out21、ATT_out31…ATT_outn1。在上述公式中，n为正整数。

在上述步骤S302中，设定车辆的轮边扭矩为Trq，并将其划分为等间隔单调递增的一系列特征点，如Trq₁，Trq₂,Trq₃…，将步骤S301中设定转速ATN₁下对应的效率向量和输出扭矩向量，按照轮边扭矩特征点进行线性插值，得到一个新的效率向量，记为η_out11、η_out21、η_out31…η_outn1，n为正整数；依次遍历所有转速，获得各转速下轮边扭矩对应的变速箱效率η_outij。

在上述步骤S303中，设定车辆的车速为V，单位为km/h，并将车速划分为等间隔单调递增的一系列特征点，如V₁、V₂、V₃…，然后根据公式V＝ATN*2*pi*r*3.6/(60*i1)，将步骤S302获得的变速箱效率η_outij对应的输入转速转化为车速，并按照车速特征点进行线性插值，最终就得到了一档时基于车速和轮边扭矩的变速箱效率Mapη_{tr_1st}。

同理，在上述步骤S3中，当计算二档或以上档位变速箱效率时，在计算某转速下输出扭矩时，输入扭矩ATTin向量各数值需乘以计算档位速比(不同档位用相应的速比)，再分别与计算档位当前转速下对应的效率η_in11、η_in21、η_in31…η_inn1相乘，如ATT_in1*i2*η_in11、ATT_in2*i2*η_in21、ATT_in3*i2*η_in31…ATT_inn*i2*ηi_nn1等；输入转速转为车速时，根据V＝ATN*2*pi*r*3.6/(60*i2)等式关系，速比同样为计算档位的速比。

以上就得到了变速箱在各挡位下基于车速和轮边扭矩的效率Map。

在上述步骤S4中，根据步骤S3获得的变速箱各挡位效率Map，计算各挡位不同工况的系统效率，对于传统燃油车动力传动系统，如果不考虑离合器或液力变矩器等部件的传递损失或増扭效应，传动系统效率即发动机和变速箱的综合效率。

以一挡为例，当车速为V_j，轮边扭矩为Trq_i时，变速箱效率为η_{tr_1st(i,j)}；那么发动机转速n根据公式n＝V_j*60*i1/(3.6*2*pi*r)计算，发动机扭矩t根据公式t＝Trq_i/η_{tr_1st(i,j)}/i1计算，以得到的发动机转速和扭矩查询步骤S2得到的发动机效率Mapη_{_eng}，便得到了一挡此工况点发动机的效率η_{eng_1st(i,j)}；因而系统效率η_{_1st(i,j)}＝η_{tr_1st(i,j)}*η_{eng_1st(i,j)}；

遍历所有工况点，就得到了一档系统效率Mapη_{_1st}。

以同样的方法求二档及以上档位系统效率，在计算发动机转速和扭矩时，需要将等式中的速比替换为计算档位的速比，再用得到的转速和扭矩去查询发动机效率Map；

这样就得到了各档位下的效率Map；比较各档位在各工况点的效率值，取最优效率的档位记入档位Map，如图2所示，不同的区域颜色代表该档位在区域工况点的效率最优。

通常发动机开发部门提供的踏板Map是基于发动机转速和踏板开度的发动机扭矩Map，为了方便由发动机转速和扭矩得到踏板开度，需要对踏板Map进行坐标转换。上述步骤S5包括：

S501、利用Matlab软件编写脚本文件，将表1中发动机转速作为一个列向量，记为n_p，将踏板开度作为一个行向量，记为pedal；另外设定发动机扭矩t_p，并将发动机扭矩划分为等间隔单调递增的一系列特征点如T_p1、T_p2、T_p3…；

S502、从设定转速开始，将踏板开度向量pedal与当前转速下的扭矩向量T_e11、T_e12、T_e13…，按照发动机扭矩特征点进行线性插值，得到一个新的踏板开度向量，记为p₁₁、p₁₂、p₁₃…；

S503、依次遍历所有发动机转速，获得基于发动机转速和发动机扭矩的踏板开度Map。

在上述步骤S6中，从步骤S4得到的最优效率档位Map，我们可以知道，不同档位之间的交界线就是我们计算的理论升挡线，应用于整车时，需要将升档线转化为基于车速和踏板开度的数据。具体地，将每一条升档线以点坐标(车速，轮边扭矩)来描述，根据步骤S4，每个工况点对应的发动机转速和扭矩及变速箱效率是可以计算和查询的，那么通过发动机转速和扭矩去插值查询步骤S5得到的踏板开度Map，就得到了每个工况点对应的踏板开度，这样就得到了以车速和踏板开度确定的升档线。用MATLAB软件将这些点连起来绘制在以车速为横坐标，踏板开度为纵坐标的图中，如图3所示，即为我们基于效率分析得到的理论升挡线。需要注意的是，低负荷区域的换挡点车速需要考虑发动机在各档位下的最低稳定工作转速以及断油策略进行调整，高负荷区域的换挡点车速需要根据整车动力性、驾驶性需求进行实车标定。

上述升挡线计算方法适用于大多数多挡位自动变速箱，不考虑离合器或液力变矩器的传递效率及増扭影响，在数字样车阶段就能初步确定换挡策略，大大提高整车经济性能开发效率。借助MATLAB软件对变速箱效率数据以及发动机踏板Map数据进行了坐标变换，分析了不同挡位下各工况点的系统效率(不考虑离合器或液力变矩器)，通过取效率最优得到最优挡位Map，提取各挡交界线就得到我们需要的理论升挡线，并以车速和踏板开度来描述和展示。

上述自动变速箱升挡线计算方法，基于发动机和变速箱的效率和踏板工作特性，在不牺牲动力性的情况下挖掘最优的燃油经济性，使发动机工作在最佳的工况点，且不增加整车成本；更重要的是，它可以在样车出来之前，只要有发动机和变速箱的相关数据，就可以进行早期换挡规律的制定，即使数据有更新，计算也快速简单，其结果可用作整车油耗工况仿真的边界，用于预测、优化和评价整车油耗，待样车出来，在实车上结合驾驶性进行标定调整，大大减少标定工作量，缩短换挡策略开发时间；另外，此方法对工程师的技术经验依赖度较低，对全新开发的变速箱的换挡策略也可以做到心中有数。

以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于效率最优的自动变速箱升挡线计算方法，其特征在于，包括步骤：

S1、数据准备；

S2、处理发动机数据；

S3、处理自动变速箱数据；

S4、计算最优效率的挡位Map；

S5、处理踏板Map数据；

S6、提取和生成变速箱升档线。

2.根据权利要求1所述的基于效率最优的自动变速箱升挡线计算方法，其特征在于，所述步骤S1中，需要收集发动机万有特性试验数据、外特性数据、踏板Map数据和自动变速箱效率数据。

3.根据权利要求1所述的基于效率最优的自动变速箱升挡线计算方法，其特征在于，所述步骤S2中，需要先将发动机万有特性试验数据中的比油耗数据转化为效率值，然后利用Matlab软件将试验转速和试验扭矩分别按照一定步长单调递增划分特征点，并形成正交网格，插值，得到每个网格点的效率值，所得二维效率表即为发动机效率Mapη__eng。

4.根据权利要求1至3任一所述的基于效率最优的自动变速箱升挡线计算方法，其特征在于，所述步骤S3中，需将变速箱效率转化为基于车速和轮边扭矩的变速箱各挡位效率Map；

所述步骤S3包括：

S301、利用Matlab软件编写脚本文件，将变速箱输入扭矩作为列向量，将变速箱输入转速作为行向量，计算当前转速下对应的输出扭矩向量；

S302、计算各转速下轮边扭矩对应的变速箱效率；

S303、计算基于车速和轮边扭矩的变速箱效率。

5.根据权利要求4所述的基于效率最优的自动变速箱升挡线计算方法，其特征在于，所述步骤S301中，当变速箱输入转速ATN₁为某一设定值，将变速箱输入扭矩ATT_in向量各数值乘以变速箱当前档位速比i1，再分别与当前转速下对应的效率η_in11、η_in21、η_in31…η_inn1相乘，即ATT_in1*i1*η_in11、ATT_in2*i1*η_in21、ATT_in3*i1*ηi_n31…ATT_inn*i1*ηi_nn1，就得到了当前转速下对应的变速箱输出扭矩向量ATT_out11、ATT_out21、ATT_out31…ATT_outn1，也即传递到轮边的扭矩。

6.根据权利要求4所述的基于效率最优的自动变速箱升挡线计算方法，其特征在于，所述步骤S302中，设定轮边扭矩为Trq，并将其划分为等间隔单调递增的一系列特征点，将所述步骤S301中设定转速下对应的效率向量和输出扭矩向量，按照轮边扭矩特征点进行线性插值，得到一个新的效率向量，记为η_out11、η_out21、η_out31…η_outn1；依次遍历所有转速，获得各转速下轮边扭矩对应的变速箱效率η_outij。

7.根据权利要求6所述的基于效率最优的自动变速箱升挡线计算方法，其特征在于，所述步骤S303中，设定车速为V，单位km/h，并将其划分为等间隔单调递增的一系列特征点，然后根据公式V＝ATN*2*pi*r*3.6/(60*i1)，将所述步骤S302获得的变速箱效率η_outij对应的输入转速转化为车速，并按照车速特征点进行线性插值，最终就得到了基于车速和轮边扭矩的变速箱效率Mapη_{tr_1st}。

8.根据权利要求1至3任一所述的基于效率最优的自动变速箱升挡线计算方法，其特征在于，所述步骤S4中，根据步骤S3获得的变速箱各挡位效率，再计算各档位下不同工况的系统效率，最后得到系统效率最优的档位Map。

9.根据权利要求1至3任一所述的基于效率最优的自动变速箱升挡线计算方法，其特征在于，所述步骤S5包括：

S501、利用Matlab软件编写脚本文件，将踏板Map中发动机转速作为列向量，记为n_p，将踏板开度作为行向量，记为pedal；设定发动机扭矩t_p，并将发动机扭矩划分为等间隔单调递增的一系列特征点；

S502、从设定的发动机转速开始，将踏板开度向量pedal与当前转速下的发动机扭矩向量，按照发动机扭矩特征点进行线性插值，得到一个新的踏板开度向量；

S503、依次遍历所有发动机转速，获得基于发动机转速和发动机扭矩的踏板开度Map。

10.根据权利要求1至3任一所述的基于效率最优的自动变速箱升挡线计算方法，其特征在于，所述步骤S6中，根据步骤S4获得的最优效率档位Map，不同档位的交界线为理论升档线，应用于整车时，将升档线转化为基于车速和踏板开度的数据时，将每一条升档线以点坐标来描述，其对应目标档位的发动机转速、扭矩及变速箱效率是能够计算和查询的，再根据步骤S5，将升档线工况点对应的发动机转速和扭矩去插值查询步骤S5得到的踏板开度Map，就得到了每个工况点对应的踏板开度，最终获得以车速和踏板开度确定的升档线。