自动变速箱换挡平顺性控制策略优化研究

摘要：自动变速箱的换挡平顺性是衡量其性能的重要指标，直接影响驾驶舒适性和整车动力性能。本文针对现有自动变速箱换挡过程中动力中断、冲击和噪声等问题，分析了换挡平顺性影响因素，包括换挡过程中的动力学特性与常见问题。采用仿真对比和实车测试验证了优化控制策略的有效性，结果表明，该策略显著提高了换挡平顺性，减少了换挡冲击和动力损失，为进一步提升自动变速箱性能提供了技术支持。

关键词：自动变速箱；换挡平顺性；控制策略优化；换挡逻辑；动力耦合

引言

自动变速箱换挡平顺性是衡量汽车传动系统性能的重要指标，直接影响驾驶舒适性和整车动力输出的稳定性。当前市场中大多数自动变速箱采用传统换挡控制策略，其基于固定逻辑的控制方式在复杂工况下表现出适应性不足，难以满足现代车辆对动力性能和舒适性的双重需求。针对这一现状，通过对换挡平顺性影响因素的深入研究，优化控制策略显得尤为必要。然而，在实际应用中优化换挡控制策略面临多重技术挑战，包括动力耦合过程中的多参数协调控制、实时响应性能提升以及系统实验验证的复杂性等。

1 换挡平顺性影响因素分析

1.1 自动变速箱换挡过程中的动力学特性分析

自动变速箱的换挡过程是一个复杂的动力学过程，涉及发动机、离合器或制动器、齿轮组以及变速箱控制单元的协同作用。换挡过程的本质是通过切换不同齿轮比实现动力输出的调整，但这一过程不可避免地伴随着动力中断和传递路径变化。在换挡开始时，动力从当前挡位切断，再传递至目标挡位。此过程涉及多个动力学环节的瞬态变化，包括发动机转速波动、变速箱输入与输出轴的瞬态力矩变化，以及液力变矩器的动态作用。动力传递路径的不连续性是换挡平顺性下降的主要原因之一。换挡时间是影响平顺性的关键参数，换挡时间过短可能导致动力突变，而时间过长则容易产生动力滞后，影响驾驶体验[1]。因此，换挡过程中动力学响应的调节需在时间与平顺性之间取得平衡。换挡过程中离合器或制动器的结合或释放是动力变化的主要触发点，其工作特性直接影响换挡平顺性。

1.2 换挡过程中常见问题及对平顺性的影响

在实际应用中，换挡过程中常见的问题主要集中在动力中断、冲击和噪声等方面，这些问题不仅降低驾驶体验，还可能对变速箱及相关部件造成长期损害。动力中断是换挡过程中最常见的问题之一。由于换挡过程需要切断当前挡位的动力输出再重新建立新的动力传递路径，因此在换挡瞬间可能出现动力输出的间隙。这种动力中断不仅影响驾驶舒适性，还可能导致车辆动态性能下降，尤其是在加速和爬坡工况下表现尤为明显[2]。换挡冲击是由于动力传递路径切换时的速度差或力矩差造成的瞬时振动和冲击现象。特别是在低速高负载情况下，冲击问题尤为突出。噪声问题是由动力系统和变速箱内部的机械振动引起的。在换挡过程中，如果动力传递路径切换不平顺，或者零部件的动态特性不匹配，可能导致瞬态噪声增加。这种噪声不仅对乘员的舒适性有负面影响，还可能成为识别系统异常的重要信号。

2 换挡平顺性控制策略优化方法

2.1 换挡逻辑控制优化方法

换挡逻辑控制是影响自动变速箱平顺性的核心环节，其优化的目标是根据实时工况和驾驶需求合理选择目标挡位和换挡时机，从而实现动力传递的平稳性与驾驶舒适性的兼顾。传统的换挡逻辑通常基于预设的固定换挡图，主要考虑车速和油门开度两个参数。然而，这种方法在复杂驾驶工况下表现出局限性，容易导致换挡频繁或滞后，影响驾驶体验。通过大数据技术分析车辆运行的工况分布，构建适应多工况的动态换挡图。优化后的换挡图能够根据实际需求动态调整挡位切换的阈值。例如，在高负载情况下，延迟升挡以增加发动机输出动力；在平稳驾驶状态下，提前升挡以降低燃油消耗。

2.2 动力耦合过程的实时协调控制策略研究

在换挡过程中，离合器或制动器的结合与释放直接决定了动力传递的平稳性。传统的离合器控制方法多基于固定的开闭时间或压力曲线，难以适应复杂工况下的动态变化。通过在换挡开始时降低发动机输出扭矩，减少动力传递路径中的瞬态冲击；在换挡结束时逐步恢复扭矩输出，避免动力响应滞后。此外，结合电子控制单元（ECU）的快速响应能力，可实现毫秒级的扭矩动态调节，从而提升换挡的平顺性和响应性。基于离合器和发动机的协调控制策略，进一步集成全工况动力耦合控制系统，通过模型预测控制（MPC）实现换挡过程的全局优化。MPC模型可在多参数约束条件下对换挡过程进行实时预测和调整，确保换挡过程中动力输出的平稳性。实际应用表明，该策略在复杂工况下表现出优异的平顺性和响应性能，为自动变速箱换挡控制提供了系统性解决方案。

3 优化控制策略的仿真与实验验证

3.1 优化前后换挡平顺性仿真对比分析

实验利用 MATLAB/Simulink 建立自动变速箱换挡过程的动力学仿真模型，包括发动机模型、液力变矩器模型、离合器模型及传动系统模型。对优化前后的控制策略分别进行仿真，比较其换挡平顺性指标[3]。实验指标主要关注以下三个换挡平顺性评价指标，换挡冲击力是通过测量输入轴和输出轴的速度变化率计算换挡冲击力，换挡时间从离合器脱开到目标挡位结合的时间间隔，换挡过程中输出功率为零的时间段。通过仿真得到优化前后换挡过程的关键参数，数据如表 1 所示：

3.2 实车测试验证的关键技术与数据分析

实验选择一辆自动变速箱车型（如6挡AT变速箱车辆）作为测试对象，安装数据采集系统，包括 CAN 总线信号采集器和加速度传感器。分别在优化前后进行实车测试，验证优化控制策略的实际效果。测试包括城市工况，低速频繁换挡，主要验证低挡位平顺性。高速工况是高挡位切换，验证换挡冲击和响应时间。实车测试的关键数据如表 2 所示：

图 2 展示了优化前后换挡冲击的对比曲线，优化后的加速度波动明显减小，车辆平顺性显著提升。仿真与实车测试结果表明，优化后的控制策略有效降低了换挡冲击和动力中断时间，改善了低速与高速工况下的平顺性。尤其是在城市工况中，换挡体验得到显著提升，为后续实际应用提供了可靠的技术支撑。

4结语

优化后的换挡平顺性控制策略通过换挡逻辑优化和动力耦合实时协调，有效降低了换挡冲击和动力中断时间，在仿真和实车测试中均表现出显著的技术优势。结果表明，该策略不仅提升了低速和复杂工况下的换挡平顺性，还在高速工况中实现了平稳动力切换，显著改善了驾驶舒适性和变速箱性能。未来研究应聚焦于智能算法的引入，如深度学习和模型预测控制，以进一步提升控制策略的适应性和实时性。

参考文献

[1]郭昕鹏，孙传宗，单光坤，等.风波耦合下垂荡板对风电机组水动力性态研究[J].太阳能学报，2024，45（12）：397-406.

[2]张婧叶，朱伟星，黄佳，等.基于分布式光伏电源的配电网电压控制策略[J].电器工业，2025，（01）：11-14+43.

[3]廖飘.双离合自动变速箱扭矩检测与换挡性能的研究[D].华东交通大学，2018.