曠龍 馮華帥 汪輝 楊連波 任強(qiáng) 朱海龍

【摘 要】AMT變速箱是在MT（手動(dòng)變速箱）的基礎(chǔ)上，通過(guò)控制單元完成自動(dòng)換擋動(dòng)作，從而達(dá)到與自動(dòng)變速箱相同的效果。AMT變速箱的換擋過(guò)程與MT十分相近，由電腦完成整個(gè)“離合器結(jié)合—扭矩控制—離合器松開(kāi)—選擋/換擋—離合器結(jié)合”過(guò)程。AMT變速箱為自動(dòng)變速箱中成本最低的一種，它既保持了手動(dòng)機(jī)械式變速器的優(yōu)點(diǎn)，又具備自動(dòng)變速器自動(dòng)換擋的功能，缺點(diǎn)是在換擋時(shí)動(dòng)力丟失有失速的感覺(jué)。文章介紹了電動(dòng)式AMT變速箱系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、功能要求及換擋控制規(guī)律。

【關(guān)鍵詞】AMT變速箱；控制單元；扭矩控制

【中圖分類號(hào)】U463.212 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2017）04-0078-06

0 引言

AMT變速箱英文名為“Automated mannual transmission”，從其英文名稱就可以看出其“自動(dòng)手動(dòng)變速箱”的含義。顧名思義，其是在MT（手動(dòng)變速箱）的基礎(chǔ)上，通過(guò)控制單元完成自動(dòng)換擋動(dòng)作，從而達(dá)到與自動(dòng)變速箱相同的效果。AMT變速箱研究始于20世紀(jì)70年代，其發(fā)展大致經(jīng)歷了將離合器控制和換擋控制分別考慮，單獨(dú)實(shí)現(xiàn)各自的自動(dòng)控制功能的半自動(dòng)化階段；應(yīng)用自動(dòng)離合器、換擋控制與換擋策略的全自動(dòng)化階段；引入模糊推理的智能方法，采用模糊換擋策略和離合器結(jié)合速度的模糊控制的智能化階段等3個(gè)階段。AMT變速器不僅具有自動(dòng)換擋的便捷，而且具有手動(dòng)變速箱齒輪傳動(dòng)一樣的高動(dòng)力傳輸效率、機(jī)構(gòu)緊湊、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)AT和CVT變速箱，AMT變速箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，可匹配在經(jīng)濟(jì)型家庭用車上。AMT的操縱系統(tǒng)可分為電控—?dú)鈩?dòng)、電控—液動(dòng)和電控—電動(dòng)3種類型，在電機(jī)性能得到保證的前提下，電控—電動(dòng)式AMT操縱系統(tǒng)與電控—?dú)鈩?dòng)和電控—液動(dòng)相比，具有換擋速度快、零件數(shù)少、占用空間小、故障率低等優(yōu)勢(shì)。

1 電動(dòng)式AMT變速箱的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

AMT以發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元TCU（Transmission Control Unit）為核心，運(yùn)用控制理論、微機(jī)控制技術(shù)、傳感技術(shù)和信息處理技術(shù)改造傳統(tǒng)手動(dòng)變速器的典型機(jī)電一體化產(chǎn)品。

1.1 電動(dòng)式AMT的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

AMT系統(tǒng)由下列4個(gè)部分組成。

被控對(duì)象：包括發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器和變速器。

操縱系統(tǒng)：由電子換擋器、選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)、離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電機(jī)（選、換擋動(dòng)作電機(jī)，離合器動(dòng)作電機(jī)）等組成。

傳感器：包括速度傳感器（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、輸入軸轉(zhuǎn)速傳感器、車速傳感器）、油門開(kāi)度傳感器、空倒擋傳感器等。

電子控制單元（ECU）：包括CPU、RAM、FO接口等通過(guò)電信號(hào)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制，完成AMT變速箱的選換擋及離合器的結(jié)合與分離。

1.2 AMT控制的基本原理

AMT根據(jù)傳感器實(shí)時(shí)采集的駕駛員的操縱參數(shù)信息（油門踏板、制動(dòng)踏板、轉(zhuǎn)向盤、選擋控制桿的操縱等）和車輛的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)信息（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、變速器輸入軸轉(zhuǎn)速、車速、擋位），進(jìn)行綜合判斷和處理，按照控制器中存儲(chǔ)的控制規(guī)律（換擋規(guī)律、離合器接合規(guī)律等），借助于相應(yīng)的操縱系統(tǒng)（發(fā)動(dòng)機(jī)油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)、離合器分離和接合執(zhí)行機(jī)構(gòu)），對(duì)車輛的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)（發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器）進(jìn)行聯(lián)合自動(dòng)操縱，完成車輛的平穩(wěn)起步和換擋。圖1、圖2分別為某款汽車上的電動(dòng)式AMT的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制原理圖。

2 AMT變速箱子系統(tǒng)的功能要求

2.1 AMT變速箱本體功能要求

AMT變速箱本體采用量產(chǎn)成熟的手動(dòng)變速箱結(jié)構(gòu)，各擋位速比設(shè)計(jì)合理（根據(jù)整車參數(shù)校核動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及換擋舒適性），同時(shí)滿足手動(dòng)變速箱的各項(xiàng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（如同步器耐久、總成疲勞、靜扭、潤(rùn)滑、高速等試驗(yàn)）。

2.2 離合器總成功能要求

離合器總成應(yīng)采用量產(chǎn)的成熟產(chǎn)品，具有合適的后備系數(shù)、良好的散熱能力、穩(wěn)定的滑摩系數(shù)，滿足離合器臺(tái)架的各項(xiàng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，并且在整車上進(jìn)行了耐久驗(yàn)證。

2.3 選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)、離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)功能要求

①行程——能夠滿足離合器徹底分離接合，各個(gè)擋位換擋到位，有一定后備行程余量。②操縱力——能克服靜態(tài)載荷，有足夠的余量，保證動(dòng)作快捷，選擋在0.1～0.2 s內(nèi)完成，摘擋換擋在0.2～04 s內(nèi)完成，離合器分離或者接合保證在0.2～0.4 s內(nèi)完成。③高速響應(yīng)性能——滯后0.05 s。④動(dòng)作精度及分辨率——能夠控制位移的最小增量，具有較高的分辨率，滿足掛擋柔性化操作及精確控制離合器的接合點(diǎn)和接合速度。⑤可靠性——工作可靠、滿足整車使用壽命。⑥布置的合理性——結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)艙的空間布置。

圖3、圖4分別為某款汽車上的電動(dòng)式AMT的選換擋機(jī)構(gòu)和離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理圖。

2.4 傳感器的功能要求

①換擋器信號(hào)分辨率高，能夠精準(zhǔn)、及時(shí)地反饋駕駛員意圖信號(hào)。②位移傳感器信號(hào)準(zhǔn)確穩(wěn)定，重復(fù)性好，分辨率足夠。③轉(zhuǎn)速信號(hào)傳感器準(zhǔn)確可靠，穩(wěn)定，信號(hào)盲區(qū)少。④開(kāi)關(guān)信號(hào)盡量少用接觸式開(kāi)關(guān)，以避免振動(dòng)造成信號(hào)錯(cuò)誤。⑤所有的傳感器都要有足夠的壽命，可靠，安裝方便。

2.5 TCU控制功能要求

電子控制單元ECU的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該兼顧車輛在各種工況下的使用及各種安全操作上的問(wèn)題規(guī)避。為了加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，可在內(nèi)部設(shè)置多重檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)聲、光報(bào)警等方式隨時(shí)監(jiān)測(cè)工作狀態(tài)，安裝主控和應(yīng)急備控2個(gè)電控單元，當(dāng)主控單元全部或部分失控，應(yīng)急系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)，保證汽車行駛的最基本功能。以下為常見(jiàn)功能要求：①多模式控制功能——例如具有蠕動(dòng)功能，自動(dòng)、手動(dòng)、雪地和運(yùn)動(dòng)模式，以便適應(yīng)各種路面及交通情況。②邏輯判斷——例如在前進(jìn)擋狀態(tài)下，車速大于5 km/h時(shí)，TCU不允許執(zhí)行機(jī)構(gòu)掛入倒擋。③離合器控制——應(yīng)能保證離合器結(jié)合分離迅速，起步平穩(wěn)，接合控制具有良好的自適應(yīng)性，能適應(yīng)各種路面（包括坡道起步）。④換擋控制——換擋規(guī)律控制合理，換擋過(guò)程平穩(wěn)、快捷，無(wú)明顯沖擊，具有良好的動(dòng)力性能及經(jīng)濟(jì)性能，并在路面與交通復(fù)雜的情況下，能避免頻繁的循環(huán)換擋。⑤CAN通信——例如與ECU、ESC等系統(tǒng)通信，有良好的可駕駛性，在復(fù)雜多變的情況下也能自如操作，能快速響應(yīng)制動(dòng)、摘空擋操作，發(fā)動(dòng)機(jī)不能熄火，確保安全行駛。⑥診斷——具有故障自診斷功能，在故障時(shí)能及時(shí)報(bào)警并具有“容錯(cuò)性”或“跛行”的功能。⑦TCU功能擴(kuò)展及刷寫——TCU具有可刷寫功能，以便更新?lián)Q擋曲線數(shù)據(jù)；控制系統(tǒng)中增加許多附加功能，例如加裝IC片后形成操縱系統(tǒng)的識(shí)別與防盜，以及加入控制車速、降低駕駛風(fēng)險(xiǎn)等功能。

AMT變速箱總成應(yīng)滿足高溫、低溫、濕度、振動(dòng)、沖擊、鹽霧、電磁兼容等環(huán)境要求。

3 AMT變速箱系統(tǒng)的換擋控制規(guī)律介紹

3.1 離合器分離結(jié)合控制規(guī)律

離合器工作工況眾多，且與發(fā)動(dòng)機(jī)油門及換擋需要協(xié)調(diào)配合，因此對(duì)離合器操縱系統(tǒng)有很高而復(fù)雜的要求。離合器分離過(guò)程比較簡(jiǎn)單，一般不會(huì)對(duì)車輛性能產(chǎn)生影響，分離過(guò)程越快越好，做到徹底分離，避免半接合滑磨，造成掛擋困難甚至打齒。當(dāng)需要重新恢復(fù)動(dòng)力傳遞時(shí)，為使汽車速度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化比較平穩(wěn)，應(yīng)該適當(dāng)放慢離合器接合的速度。離合器最佳接合規(guī)律在執(zhí)行過(guò)程中體現(xiàn)在離合器的接合點(diǎn)和接合速度2個(gè)控制量上，即確定離合器的接合點(diǎn)和接合速度。AMT操縱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)離合器自動(dòng)操縱的核心問(wèn)題就是離合器的最佳接合規(guī)律。

影響離合器接合平穩(wěn)因素主要是離合器釋放行程，一般從離合器分離到接合為止，其行程經(jīng)歷3個(gè)階段（如圖5所示）。

離合器的自動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)的釋放行程l是在選換擋工作結(jié)束后進(jìn)行，分為3個(gè)部分：在無(wú)轉(zhuǎn)矩傳遞區(qū)行程l1（即消除離合器主從動(dòng)盤的摩擦襯片間隙所需行程）速度要快，以快速起步和減少換擋時(shí)功率中斷的時(shí)間，其釋放行程位移函數(shù)為指數(shù)函數(shù)形式；在轉(zhuǎn)矩傳遞區(qū)行程l2（即由壓縮從動(dòng)盤的軸向彈性行程通過(guò)分離叉操縱機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比所需的相應(yīng)的行程），該階段要放慢接合速度，以獲得平穩(wěn)起步或換擋，提高乘客的乘坐舒適性和減少傳動(dòng)系沖擊載荷，但為了防止滑摩時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，離合器發(fā)熱而嚴(yán)重影響壽命，亦需控制在一定的時(shí)間內(nèi)盡快完成，其釋放行程位移函數(shù)為二次函數(shù)形式；在轉(zhuǎn)矩不再增加區(qū)行程l3（即在離合器片磨損后，有補(bǔ)償分離軸承和分離指之間縮小的間隙量，以保證離合器的正常工作），盡可能快地釋放速度，其釋放行程位移函數(shù)也為二次函數(shù)形式。

由以上分析可知：離合器的分離過(guò)程要求電機(jī)快速轉(zhuǎn)動(dòng)，而離合器的接合過(guò)程其行程要求是“二快一慢”。

離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)離合器結(jié)合速度vc的控制還受以下因素影響：vc與油門開(kāi)度α、發(fā)動(dòng)機(jī)的角加速度dωe/dt成正比，與ig、坡度θ、載重力G成反比。在起步或換擋過(guò)程中，離合器操縱除了受上述因素的影響，在同樣的行駛工況下，也會(huì)因偶然出現(xiàn)的情況或駕駛員的人為因素而產(chǎn)生不同的操縱。

3.2 換擋曲線設(shè)計(jì)的方法

與換擋曲線直接相關(guān)的是發(fā)動(dòng)機(jī)的萬(wàn)有特性，因?yàn)樵谄鸩胶蛽Q擋的自動(dòng)控制過(guò)程中要通過(guò)控制油門開(kāi)度來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及輸出轉(zhuǎn)矩來(lái)協(xié)調(diào)離合器、發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器的聯(lián)合控制。以下是3種常用的方法。

3.2.1 理論計(jì)算法

根據(jù)整車參數(shù)，做汽車動(dòng)力計(jì)算，求出2擋之間的動(dòng)力曲線交叉點(diǎn)作為升擋點(diǎn)，降擋點(diǎn)在交叉點(diǎn)之前（車速有所下降），即可保證取得最好動(dòng)力性和換擋平穩(wěn)性。這里應(yīng)該提出的是，換擋是在非穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行的，有一定的差異性，為保證有良好的經(jīng)濟(jì)性，則盡可能地使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在較經(jīng)濟(jì)的區(qū)域內(nèi)，則需要有發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力特性曲線為依據(jù)。以下介紹2種常用的換擋規(guī)律計(jì)算方法。

3.2.1.1 最佳動(dòng)力性換擋規(guī)律

上述曲線上是理論上的最佳動(dòng)力性換擋點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中，若從低擋升高擋與高擋降低擋的換擋點(diǎn)相同時(shí)，則極易產(chǎn)生換擋循環(huán)，因此可以在已求得的行駛加速度交點(diǎn)圖上，取交點(diǎn)加速度的0.95作一條水平線，與相應(yīng)的同油門開(kāi)度下的2擋加速度曲線交于2點(diǎn)，取其行駛速度較大值作為升擋點(diǎn)，較小值作為降擋點(diǎn)，或者將理論最佳換擋點(diǎn)相應(yīng)的速度值乘以1.05作為最佳升擋點(diǎn)，乘以0.95作為最佳降擋點(diǎn)，這樣可以避免換擋循環(huán)，并且能保持其最佳動(dòng)力性。

3.2.1.2 最佳燃油經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律

由圖11中可知，油門開(kāi)度過(guò)小時(shí)其數(shù)據(jù)不合理，所因此一般選擇100%、75%和50%油門開(kāi)度曲線進(jìn)行擬合，得最佳經(jīng)濟(jì)性換擋點(diǎn)為下一擋穩(wěn)定轉(zhuǎn)速點(diǎn)對(duì)應(yīng)的速度處；但是在50%油門開(kāi)度時(shí)存在于下一擋穩(wěn)定轉(zhuǎn)速點(diǎn)換擋后不久2擋就出現(xiàn)交點(diǎn)，此時(shí)應(yīng)回到低擋，但由于低擋很快與相隔一擋發(fā)生交點(diǎn)，此時(shí)換擋即所謂“跳擋”會(huì)出現(xiàn)較大的換擋沖擊，所以不考慮換擋。又因?yàn)樵诜€(wěn)定轉(zhuǎn)速點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩并不穩(wěn)定，且高速時(shí)單位時(shí)間燃油消耗量變化較慢，同時(shí)行駛阻力較大，所以綜合考慮在下一擋穩(wěn)定轉(zhuǎn)速點(diǎn)乘以1.1系數(shù)出對(duì)應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行升擋，在當(dāng)前擋穩(wěn)定轉(zhuǎn)速點(diǎn)降擋。此時(shí)與油門開(kāi)度、載重量無(wú)關(guān)，近似于單參數(shù)換擋規(guī)律。圖12為某款汽車?yán)碚撋系淖罴讶加徒?jīng)濟(jì)性換擋曲線。

3.2.2 經(jīng)驗(yàn)法

以有經(jīng)驗(yàn)的駕駛員的實(shí)際操作為依據(jù)，進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖，有局限性。

3.2.3 試驗(yàn)法

綜合前2種方法，用試驗(yàn)（即標(biāo)定）最終來(lái)定，借助于粗略的計(jì)算和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，初步確認(rèn)升降擋點(diǎn)的換擋規(guī)律，再用試驗(yàn)來(lái)校正，借助于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)車分析，從中總結(jié)出換擋規(guī)律。

在實(shí)際車輛使用過(guò)程中，要考慮到各種工況下的車輛參數(shù)變化（高溫、高寒、高原條件下系統(tǒng)元件的反應(yīng)滯后或功能衰減）都能正常工作，因此以上各種方法都需要實(shí)車標(biāo)定修正，而且通常小油門開(kāi)度以舒適、穩(wěn)定、少污染為主，采用經(jīng)濟(jì)型換擋線；中油門開(kāi)度以保證最佳燃料經(jīng)濟(jì)性為主，兼顧動(dòng)力性；大油門開(kāi)度則采用動(dòng)力性換擋，以獲得最佳動(dòng)力性為佳。圖13為某款乘用車匹配5速AMT變速箱的實(shí)際換擋曲線。

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)油門自適應(yīng)控制規(guī)律

車輛在起步、換擋過(guò)程中，離合器分離與接合，即離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的同時(shí)，油門要進(jìn)行相應(yīng)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，即通常所說(shuō)的“油離配合”，以便發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)適應(yīng)外部負(fù)載離合器摩擦轉(zhuǎn)矩Tq的變化。離合器分離過(guò)程中，因?yàn)榕c整車慣量脫離且離合器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，為避免發(fā)動(dòng)機(jī)超速，需減小油門，油門開(kāi)度隨時(shí)間的變化是減函數(shù)。離合器接合過(guò)程中，因與整車慣量接合，慣性質(zhì)量增大，為避免發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降至最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速以下，需增大油門，油門開(kāi)度隨時(shí)間的變化是增函數(shù)。

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