重卡AMT自动换挡策略及关键参数研究

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1、脚删忸舢舢川舢删I I 肿 Y 333 5 7 f ll J 1 6 I llll1 0 1 1 1 1 1 分类号：U 4 9 1 密 级：公开 单位代码：1 0 4 2 2 学号：2 0 1 2 2 0 3 8 1 户震只季 S H A N D O N GU N I V E R S I T Y 博士学位论文 D is s e r t a t lo nf o rD o ct o r a l D e g r e e 论文题目：重卡A M T 自动换挡策略及关键参数研究 R e S e a r chO nG e a r - s h if t in gS t r a t e g ya n dK e

2、 y P a r a m e t e r s f o r A z _ 幻m a t icM e ch a n ica lT r a n s m is s io no fH e a v yT r u ck 作者姓名 培养单位 专业名称 指导教 合作导 丛晓妍 飙械工程学院 车辆工程 师王增才教授 _ 一 师 2 0 i7 年 11 翻- - i拍曰1 年1 一窑6 嗣 粥I 污：u 锅 密级：衔J 1 1 1 1 1 11 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 Y 3 3 3 5 7 6 0 单位代码：1 0 4 2

3、 2 警 鼍 陋剐 户紊力番 S H A N D O N GU N I V E R S n ? Y 博士学位论文 D is s e r t a t io nf o rD o ct o r a l D e g r e e 论文题目：重 钾倘氟磷参敞蜘也 烛伽文 A 也诹 作者姓名 培养单位 专业名称 指导教师 合作导师 匀 如 蚋h 么 跏年月呷日 AD is s e r t a t io nS u b m it t e dt ot h eF a cu lt yo fG r a d u a t eS ch 0 0 1o f S h a n d o n gU n iv e r s it yf o

4、r t h eD e g r e e o fD o ct o ro fP h ilo s o p h y R e s e a r cho nG e a r - s h if t in gS t r a t e g ya n dK e y P a r a m e t e r sf o rA u t o m a t icM e ch a n ica lT r a n s m is s io n o fH e a v yT r u ck C a n d id a t e ： C o n gX ia o y a n S p e cia lt y ： V e h icleE n g in e e r i

5、n g S u p e r v is o r ：P r o f W a n gZ e n g ca i S h a n d o n gU n iv e r s it y ，J in a n ，C h in a N o v e m b e r2 0 17 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：幽殛日期：塑丑! 生些 关于学位论文使用授权的声明

6、本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者銮名：蝉导师签名：拗日 目录 目录 目录 I C O N T E N T S I V 摘要 i A b s t r a ct iii 第1 章绪论 1 1 1 课题背景及意义 1 1 2 研究现状与发展趋势 2 1 2 1 自动变速器的发展及在卡车上的应用 2 1 2 2 换挡策略的研究现状与发展趋势 5 1 2 3 G P S

7、在换挡系统中的应用状况 1 1 1 2 4 目前存在的问题 、 1 3 1 3 本课题研究内容 1 3 第2 章整车动力系统建模和基础换挡规律制定以及地理信息系统构建 一1 7 2 1 动力传动系统特性分析与建模 1 7 2 1 1 发动机模型 1 8 2 1 2 传动系模型 2 0 2 1 3 整车受力模型 2 l 2 2 仿真建模 2 4 2 3 基础换挡规律制定 2 7 2 3 1 最佳动力性换挡规律 2 8 2 3 2 最佳经济性换挡规律 3 2 2 4 换挡用地理信息预知系统 3 5 2 4 1 换挡策略用道路信息库需包含的内容 3 6 2 4 2 地理信息预知系统与换挡系统关系 3

8、 7 2 5 本章小结 3 8 第3 章载荷与行驶坡道识别及对应重卡换挡策略 4 1 3 1 重卡换挡策略影响因素分析 4 l 山东大学博士学位论文 3 1 1 载荷变化对换挡规律的影响 4 1 3 1 2 坡度值变化对换挡规律的影响 4 2 3 2 基于质量预估的卡尔曼滤波方法识别车辆质量与坡度 4 4 3 2 1 基于卡尔曼滤波的车辆质量与坡度识别方法 4 4 3 2 2 基于质量预估的卡尔曼滤波改进方法 4 8 3 2 3 实车实验与离线辨识 5 2 3 3 多挡位重卡载荷变化和坡道换挡策略 5 3 3 3 1 多挡位优势原理与越级换挡可行性分析 5 4 3 3 2 载荷变化的多挡位重卡

9、换挡策略 5 5 3 3 3 多挡位重卡坡道换挡策略 5 8 3 4 本章小结 6 2 第4 章基于地理信息预知的综合换挡规律优化 6 3 4 1 预知性换挡策略在车辆燃油性方面的优点 6 3 4 2 基于动态规划的综合换挡策略 6 4 4 2 1 动态规划理论 6 5 4 2 2 动态规划在换挡策略中的应用 6 6 4 3 仿真验证与权重系数的确定 6 9 4 3 1 仿真油耗模型搭建 6 9 4 3 2 不同权重值的仿真比较 7 0 4 4 本章小结 7 5 第5 章特殊行驶环境下的预知性动态换挡策略 7 7 5 】弯道动态换挡策略研究 7 7 5 1 1 弯道动力学分析 7 8 5 1

10、2 驾驶者因素分析 8 1 5 1 3 弯道A M T 控制方法 8 3 5 1 4 降挡提前系数的确定 8 4 5 1 5 建模与仿真 8 6 5 2 坡道动态换挡策略研究 8 8 目录 一 5 2 1 坡道驾驶行为与换挡分段分析 8 8 5 2 2 对应换挡策略 8 9 5 3 下坡动态换挡策略研究 9 1 5 3 1 发动机辅助制动原理 9 1 5 3 2 下坡动力学分析 9 2 5 3 3 下长坡发动机制动挡位决策 9 5 5 4 本章小结 。9 7 第6 章重卡A M T 自动换挡策略整车实验 9 9 6 1 实验设备 9 9 6 2 重卡越级换挡策略实验 9 9 6 2 1 起步越

11、级升挡实验 9 9 6 2 2 坡道越级降挡实验 1 0 1 6 3 基于地理信息预知的重卡换挡策略实验 1 0 2 6 3 】既定实验场内地理信息预知条件设置 】0 2 6 3 2 坡道综合换挡策略实验 1 0 3 6 3 3 坡道动态换挡策略实验 1 0 8 6 3 4 弯道动态换挡策略验证 1 1 0 6 4 本章小结 1 1 2 第7 章结论和展望 1 1 5 7 1 全文总结 一1 1 5 7 2 主要创新点 1 1 6 7 3 展望 一1 1 7 参考文献 ： 1 1 9 博士期间发表论文 一1 3 3 致谢 ： 1 3 5 I ll 山东大学博士学位论文 C O N T E N

12、T S A b s t r a ct ( inC h in e s e l i A b s t r a ct ， n li C h a p t e r1 I n t r o d u ct io n 1 1 1B a ck g r o u n da n ds ig n if ica n ce 1 1 2R e s e a r chs t a t u sa n dt r e n d 2 1 2 1T h ed e v e lo p m e n to fa u t o m a t ict r a n s m is s io na n dt h ea p p lica t io no n t r u

13、ck s ，2 1 2 2R e s e a r chs t a t u sa n dt r e n do fg e a r - s h if t in gs t r a t e g y 5 1 2 3R e s e a r chs t a t u so ft h ea p p lica t io no fG P Sinv e h icle t r a n s m is s io ns y s t e m11 1 2 4C u r r e n tp r o b le m s 1 3 1 3M a inr e s e a r chco n t e n t s 1 4 C h a p t e r2

14、D y n a m icm o d e lin go ft h ev e h iclep o w e rs y s t e m ，f o r m u la t io no f f u n d a m e n t a l g e a r s h iR in g s ch e d u lea n dco n s t r u ct io no f g e o g r a p h icin f o r m a t io ns y s t e m 1 7 2 1A n a ly s isa n dm o d e lin go f p o w e rt r a n s m is s io ns y s t

15、 e m 1 7 2 1 1M o d e l o f e n g in e 1 7 2 1 2M o d e l o f p o w e r t r a in 2 0 2 1 3M o d e lo f v e h iclef o r ce 2 1 2 2S im u la t io nm o d e lin g ， 。 2 4 2 3F u n d a m e n t a lg e a r s h if t in gs ch e d u lef o r m u la t io n 2 7 2 3 1B e s td y n a m icg e a r s h if t in gs ch e

16、 d u le 。 。2 8 2 3 2B e s te co n o m ic g e a r - s h if t in gs ch e d u le 3 2 2 4P r e d ictg e o g r a p h icin f o r m a t io ns y s t e mf o rg e a r s h if t in g 。3 5 2 4 1C o n t e n to f t h ee le ct r o n icr o a dm a pf o rg e a r s h if t in g 3 7 2 4 2R e la t io n s h ipb e t w e e n

17、g e o g r a p h icin f o r m a t io ns y s t e ma n ds h if tco n t r o l s y s t e m 3 8 2 5 S u m m a r y ， ， 3 9 C h a p t e r3 T r u cklo a da n dr o a ds o lp er e co g in t io na n dco r r e s p o n d in gg e a r s h if t in g I V C O N T E N T S s t r a t e g yf o rh e a v y t r u ck 4 1 3 1A

18、 n a ly s iso fin f lu e n cin gf a ct o r so f h e a vt r u ckg e a r - s h if t in gs ch e d u le 4 1 3 1 1I n f lu e n ceo f lo a dch a n g eo ng e a r s h if t in gs ch e d u le 一4 1 3 1 2I n f lu e n ceo f s lo p ech a n g eo ng e a r - s h if t in gs ch e d u le 4 2 3 2V e h iclelo a da n dr o

19、 a ds o lp er e co g in t io nb yK a lm a nf ilt e r in gb a s e do nlo a d p r e d ict io n 4 4 3 2 1V e h iclelo a da n dr o a ds o lp er e co g n it io nb yK a lm a nf ilt e r in g 4 4 3 2 2V e h iclelo a da n dr o a ds o lp er e co g n it io nb yK a lm a nf ilt e r in gb a s e do n lo a dp r e d

20、 ict io n 4 8 3 2 3R e a lv e h iclet e s ta n do f f - lin eid e n t if ica t io n 5 2 3 3C o r r e s p o n d in gg e a r - s h if t in gs t r a t e g yf o rd if f e r e n tlo a d sa n do nr a m p 5 3 3 3 1 P r in cip lea n a ly s iso fa d v a n t a g eo fm u lt ig e a r sa n df e a s ib ilit ya n

21、a ly s iso f s k ips h if t 5 4 3 3 2G e a r - s h if t in gs 仃a t e g yf o rd if f e r e n tlo a d s 5 5 3 3 3G e a r s h if t in g s t r a t e g yo nr a m p 5 8 3 4S u m m a r y 6 2 C h a p t e r4G e a r s h if t in g s ch e d u leo p t im iz a t io nb a s e do nt h ep r e d ict iv eg e o g r a p

22、h ic in f o r m a t io n ： 6 3 4 1A d v a n t a g eo f t h ep r e d ict iv eg e a r s h if t in gs ch e d u le 6 3 4 2G e a r s h if t in gs ch e d u leo p t im iz a t io nb a s e do nd y n a m ic p r o g r a m m in g 6 4 4 2 1P r in cip leo fd y n a m ic p r o g r a m m in g 6 5 4 2 2A p p lica t i

23、o no f d y n a m icp r o g r a m m in ging e a r s h if t in gs ch e d u le 6 6 4 3S im u la t io nv e r if ica t io na n dt h ed e t e r m in a t io no f w e ig h tco e f f ice e n t ： 6 9 4 3 1M o d e lo ff u e l co n s u m p t io nins im u la t io n 6 9 4 3 2S im u la t io no f d if f e r e n t w

24、 e ig h t s 7 0 4 4S u m m a r y 7 5 C h a p t e r5D y n a m icp r e d ict iv eg e a r - s h if t in gs ch e d u leins p e cia ld r iv in ge n v ir o m e n t 7 7 5 1D y n a m ic g e a r s h if t in g s ch e d u leincu r v ed r iv in g 7 7 V 山东大学博士学位论文 5 1 1C u r v ed y n a m icsa n a ly s is 7 8 5 1

25、 2D r iv e rf a ct o ra n a ly s is 8 1 5 1 3C o n t r o lm e t h o df o r A M T t r u ckincu r v e 8 3 5 1 4D e t e r m in a t io no f e a r lyd o w n s h if tco e f f ice e n t 8 4 5 1 5S im u la t io nv e r if ica t io n 8 6 5 2D y n a m icg e a r s h if t in gs ch e d u leo nr a m p 8 8 5 2 1 A

26、n a ly s is o fd r iv in gb e h a v io ra n ds e ct io na n a ly s iso fg e a r - s h if t in g b e h a v io r 8 8 5 2 2C o r r e s p o n d in gg e a r s h if t in gs t r a t e g y 8 9 5 3D y n a m icg e a r s h if t in gs ch e d u leind o w n g r a d ed r iv in g 9 1 5 3 1P r in cip leo fe n g in e

27、a u x ilia r yb r a k e 9 1 5 3 2D y n a m icsa n a ly s isind o w n g r a d e 9 2 5 3 3G e a r s h if t in gs t r a t e g yo fe n g in eb r a k in ginlo n gd o w n g r a d e 9 5 5 4S u m m a r y 9 7 C h a p t e r6V e h iclee x p e r im e n tf o rA M Tg e a r s h if t in gs t r a t e g y 9 9 6 1E x

28、p e r im e n t a l e q u ip m e n t 9 9 6 2E x p e lim e n t a lv e r if ica t io nf o rs k ipg e a r - s h if t in gs t r a t e g y 9 9 6 2 1S k ipg e a r s h if t in gs t r a t e g yo f u ps h if tinv e h icles t a r t 9 9 6 2 2S k ipg e a r s h if t in gs t r a t e g yo f d o w ns h if to nr a m

29、p 1 0 1 6 3 E x p e r im e n t a l v e r if ica t io nf o rg e a r s h if t in g s t r a t e g yb a s e do ng e o g r a p h ic in f o r m a t io n 1 0 2 V j 6 3 1E x p e r im e n t a lco n d it io ns e t t in gf o rp r e d ictg e o g r a p h icin f o m la t io nint h e g iv e ne x p e r im e n t a l

30、 s it e 10 2 6 3 2E x p e r im e n t a lv e r if ica t io nf o rco m p r e h e n s iv eg e a r s h if t in gs t r a t e g yo n r a m pb a s e do ng e o g r a p h ic in f o r m a t io n 10 3 6 3 3E x p e r im e n t a lv e r if ica t io nf o rd y n a m icg e a r s h if t in gs t r a t e g yo nr a m p

31、b a s e do ng e o g r a p h icin f o r m a t io n 1 0 8 6 3 4E x p e r im e n t a lv e r if ica t io nf o rd y n a m ics h if ts t r a t e g yincu r v eb a s e do n C O N T E N T S g e o g r a p h ic in f o r m a t io n 1 1 0 6 4S u m m a r y 1 12 C h a p t e r7C o n clu s io n sa n dr e co m m e n

32、d a t io n s 115 7 1C o n clu s io n so f f u llt e x t 1 1 5 7 2A cco m p lis h m e n t s 116 7 3R e co m m e n d a t io n s 1 1 7 R e f e r e n ce s 11 9 P u b lis hp a p e r sa n ds cie n t if icr e s e a r chit e m s 13 3 A ck n o w le d g m e n t s 1 3 4 V I I 摘要 摘要 自动变速器能够提高车辆使用便利性，减轻驾驶员作业疲劳，随

33、着我国交通 运输业发展和国民经济水平提升，在卡车上的装车率越来越高。换挡策略作为自 动变速器的关键技术应该具有较高的智能化程度，能够适应车辆特点，满足不同 行驶环境和驾驶意图要求。卡车自动变速器换挡策略除需具备以上换挡策略的共 性特点，还需较多关注车辆的使用经济性与动力性问题。本文在充分调研重型卡 车使用特点基础上，结合自动换挡策略发展现状及未来发展趋势，对重卡换挡策 略影响因素识别及换挡策略设计进行研究。主要研究内容包括： ( 1 ) 针对目标重卡设计基础换挡规律并建立整车仿真模型。根据所研究重卡结 构尺寸、发动机扭矩、燃油特性及传动系参数，设计其动力性换挡规律和经济性 换挡规律，为后续多种

34、换挡策略的设计提供初步依据；使用T r u ck s im M a t la b 软件 建立车辆动力系统和换挡逻辑系统的仿真模型，为换挡策略的设计与性能验证提 供仿真基础与平台。 ( 2 ) 针对重卡变速器挡位数量多而需频繁换挡从而引发动力损失问题，提出多 挡位重卡越级换挡策略。首先研究车辆在不同载荷时的合理起步挡位设置，以减 少速度由零升至稳定值过程中需换挡数量；然后在行驶过程中根据车辆加速度决 定一次升挡所跨越的挡位数量，以减少换挡执行次数。针对车辆高速入坡后的降 挡情况，提出预估所需降挡数量并考虑发动机转速范围的越级降挡策略以尽量减 少坡道中换挡次数。 ( 3 ) 针对重型卡车因货物装卸

35、导致的载荷变化以及坡道行驶常出现换挡循环问 题，提出一种基于质量预估的卡尔曼滤波识别车辆载荷和行驶坡度的改进方法。 为缩短卡尔曼滤波识别载荷、坡度的收敛速度，在A M T 车辆换挡动力中断期间 预估车辆载荷，然后将该预估结果带入在挡期间的卡尔曼滤波方法中，并以实车 行驶数据验证辨识效果。 ( 4 ) 针对利用换挡策略保证卡车足够的动力性同时又尽可能省油的问题，以 G P S 系统为换挡控制系统提供道路信息为前提，提出了一种基于地理信息预知的 换挡策略。根据一定距离内车辆行驶前方道路地理状况，通过构建动力性和经济 性综合优化指标，使用动态规划方法求取该预见距离内最优换挡策略，通过权重 山东大学博

36、士学位论文 系数的调整，能够求得车辆在一定行驶环境下满足道路动力需求而车辆又最为省 油的换挡规律。 ( 5 ) 针对使用普通换挡规律的车辆在弯道行驶时易出现意外换挡的情况，利用 预知的地理信息构建弯道换挡策略。建立弯道驾驶行为模型，通过车辆弯道动力 学分析及车辆过弯速度观测实验提出弯道换挡指标以指导降挡提前系数的设计， 从而对换挡点进行调节。并用计算机仿真对该策略有效性进行了验证。 ( 6 ) 在上坡工况中，利用预知的地理信息设计拟人化换挡策略。根据驾驶人上 坡操作特点，设计换挡策略对驾驶人坡底加大油门的操作做一定范围内的升挡抑 制；对车辆即将驶出坡道时的换挡进行抑制或延迟，使换挡符合驾驶人意

37、图并有 利于车辆坡道行驶。在下坡路况中进行了发动机辅助制动挡位策略研究。通过车 辆下坡动力学分析所需制动力，并以台架实验获取目标发动机制动能力，制定下 坡利用发动机辅助制动的换挡策略。同时，分析目标车辆加入发动机辅助制动后 车辆的制动稳定性并在换挡策略中予以考虑。 ( 7 ) 在目前尚不具备地理信息预知系统与换挡系统的连接通讯情况下，设计既 定行驶轨迹的实车实验验证本文提出的基于地理信息预知的换挡策略的有效性。 关键词：A M T 自动变速器；换挡策略；坡道识别；动态规划；地理信息预知 综合换挡规律优化 A B S T R A C T A b s t r a ct A u t o m a t

38、ict r a n s m is s io nca nim p r o v ed r iv in gf a cilit ie sa n d r e d u ced r iv e rf a t ig u e W it hr a p idd e v e lo p m e n to ft h et r a n s p o r t a t io nin d u s t r ie sa n dn a t io n a l e co n o m yle v e l in o u rco u n t r y ，t h es h a r eo ft r u ck se q u ip p e dw it ha

39、u t o m a t ict r a n s m is s io n sisr a is in g A s t h ek e yt e ch n o lo g yo fa u t o m a t ic t r a n s m is s i0 1 1 ，g e a r - s h if t in gs t r a t e g ys h o u ldb eh ig h ly in t e llig e n tt h a tca na d a p tt ot h ech a r a ct e r is t icso fv e h icle s ，m e e tt h er e q u ir e m

40、 e n t so f d if f e r e n td r iv in ge n v ir o n m e n ta n dd r iv in gin t e n t io n T h eg e a r - s h if t in gs t r a t e g yo ft r u ck n e e d st op a ym o r ea t t e n t io nt ot h ee co n o m ica n dd y n a m icch a r a ct e r is t icso ft h ev e h icle ina d d it io nt oh a v et h eco

41、m m o nch a r a ct e r is t icso ft h eco m m o ng e a r s h if t in g s t r a t e g y B a s e do naf u ll in v e s t ig a t io no ft h ech a r a ct e r is t icso fh e a v yt r u ck sa n dco m b in e dw it h t h e d e v e lo p m e n ts t a t u s a n df u t u r e t r e n d so fg e a r - s h if t in gs t r a t e g y , t h isr e s e a r ch id e n t if ie sin f lu e n cin gf a ct o rt ot h eg e a r - - s h if t in gs t r a t e g ya n dd e s ig n sn e wg e a r - - s h if t in g t o rh e a v yt r u ck s T h eco n t e n t so ft h isr e s e a r chm a in lyin clu d e ： ( 1 ) S h if ts ch e d u le