劉勇，焦志斌

江鈴汽車(chē)股份有限公司,江西南昌 330000

0 引言

機(jī)械式自動(dòng)變速箱(AMT)是基于手動(dòng)變速箱增加離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)和選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及變速箱控制單元(TCU)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋功能的一種變速箱，具有手動(dòng)變速箱效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，特別適用于輕型卡車(chē)。

AMT執(zhí)行換擋時(shí)，離合器和選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要配合完成摘擋、選擋和掛擋3個(gè)過(guò)程。該過(guò)程中離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)經(jīng)歷分離和結(jié)合，由于機(jī)械摩擦、彈性變形、裝配誤差及間隙等影響因素的存在，使響應(yīng)速度和傳動(dòng)效率受到影響，進(jìn)而影響整車(chē)的換擋品質(zhì)。所以為了保證整車(chē)良好的換擋品質(zhì)以及AMT的傳動(dòng)效率，TCU的控制策略和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的效率保證尤為重要。

1 離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)介紹

根據(jù)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的構(gòu)成和動(dòng)力來(lái)源，離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為電控電動(dòng)、電控液動(dòng)、電控氣動(dòng)3種。其中電控氣動(dòng)在重型車(chē)應(yīng)用較廣泛，這里詳細(xì)介紹電控電動(dòng)和電控液動(dòng)兩種類(lèi)型。

1.1 電控電動(dòng)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)

TCU發(fā)出分離結(jié)合指令控制電機(jī)，電機(jī)通過(guò)機(jī)械減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)離合器的分離與結(jié)合。減速機(jī)構(gòu)起到減速增扭及將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，又可以分為滾珠絲杠、蝸輪蝸桿等結(jié)構(gòu)形式。

電控電動(dòng)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特色是：結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕，采用易于控制、精度更高的電機(jī)代替液壓執(zhí)行元件，使系統(tǒng)的動(dòng)作誤差少、控制方法簡(jiǎn)單。其缺點(diǎn)是：減速機(jī)構(gòu)的效率相對(duì)較低，蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)帶自鎖功能，無(wú)論分離還是結(jié)合離合器都需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)，滾珠絲杠不帶自鎖功能，長(zhǎng)時(shí)間關(guān)閉離合器需要電機(jī)輔助。低壓直流電機(jī)調(diào)速較慢，平順性較難保證。

1.2 電控液動(dòng)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)

TCU控制電磁閥和電機(jī)，系統(tǒng)有儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)，不工作時(shí)電機(jī)給系統(tǒng)加壓儲(chǔ)能，需要?jiǎng)幼鲿r(shí)控制電磁閥通過(guò)油壓使執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成離合器的分離和結(jié)合動(dòng)作。其優(yōu)點(diǎn)是工作穩(wěn)定、傳動(dòng)效率高，且機(jī)構(gòu)緊湊、易于實(shí)現(xiàn)安全維護(hù)、吸振和吸沖擊能力強(qiáng)、使起步和換擋品質(zhì)好。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、成本較高，而且受溫度影響較大。

2 工程問(wèn)題研究

2.1 問(wèn)題描述

某輕卡車(chē)型匹配AMT變速箱，其離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用電控電動(dòng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸輪上帶一個(gè)小半徑齒輪與扇齒嚙合，扇齒的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)主缸推桿運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)主缸，再由分缸驅(qū)動(dòng)離合器分離。蝸輪蝸桿及扇齒的潤(rùn)滑采用油潤(rùn)滑。

圖1 離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)

車(chē)輛在進(jìn)行冬季試驗(yàn)時(shí)，在-30 ℃以下出現(xiàn)靜置一晚后離合器無(wú)法分離，導(dǎo)致冷啟動(dòng)困難，啟動(dòng)后偶發(fā)出現(xiàn)換擋失敗。

2.2 問(wèn)題分析

AMT帶有低溫輔助啟動(dòng)功能，該功能在系統(tǒng)上電時(shí)若識(shí)別到變速箱油溫低于-15 ℃時(shí)，打開(kāi)離合器，斷開(kāi)動(dòng)力鏈，來(lái)幫助發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫時(shí)啟動(dòng)。換擋時(shí)，若TCU判斷離合器未分離到設(shè)定位置，則不會(huì)執(zhí)行換擋動(dòng)作。如果離合器在低溫下不能及時(shí)打開(kāi)，就會(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)困難及換擋失敗現(xiàn)象。

離合器位置對(duì)應(yīng)的傳感器電壓曲線如圖2所示。

圖2 離合器位置對(duì)應(yīng)的傳感器電壓曲線

圖2記錄了該車(chē)輛在-30 ℃靜置一晚后第一次啟動(dòng)時(shí)的離合器打開(kāi)位置數(shù)據(jù)。離合器應(yīng)當(dāng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)打開(kāi)到“opencheck”(完全打開(kāi)點(diǎn)，傳感器數(shù)值5 200 mV)，結(jié)果顯示離合器打開(kāi)到4 100 mV左右就停止打開(kāi)，時(shí)間達(dá)到0.9 s，不符合目標(biāo)(目標(biāo)冷態(tài)第一次打開(kāi)時(shí)間不大于0.6 s)。

2.3 系統(tǒng)低溫性能研究

離合分離系統(tǒng)受溫度影響較大的零部件有蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、主分泵液壓系統(tǒng)、電機(jī)等。潤(rùn)滑油品在低溫下運(yùn)動(dòng)黏度會(huì)急劇升高，可能影響蝸輪蝸桿系統(tǒng)整體的阻尼，而液壓油同樣存在此種問(wèn)題。小功率電機(jī)由于低溫使?jié)櫥矶仍龃蠡蚰虄鼋Y(jié)，引起靜態(tài)阻力矩增加，從而影響電機(jī)的起動(dòng)及負(fù)荷。

表1為該變速箱采用的75W-85和DOT4油品的運(yùn)動(dòng)黏度對(duì)比。從表中可以得知，執(zhí)行機(jī)構(gòu)潤(rùn)滑油低溫黏度相較于高溫黏度變化非常大，并且相比于液壓油，其受低溫影響更顯著。DOT4是制動(dòng)系統(tǒng)常用的性能較好的制動(dòng)油，其低溫性能也非常優(yōu)秀。

表1 75W-85和DOT4油品的運(yùn)動(dòng)黏度對(duì)比 單位:mm2/s

該電機(jī)采用的是-60 ℃高低溫全合成脂，根據(jù)其低溫性能試驗(yàn)結(jié)果，該電機(jī)在-40 ℃低溫下性能衰減比較小。

綜合以上分析，可以得出結(jié)論，離合執(zhí)行系統(tǒng)低溫下受蝸輪蝸桿和扇齒潤(rùn)滑油黏度增大十分明顯，導(dǎo)致其內(nèi)部阻尼增大，其運(yùn)動(dòng)受到的影響較大，進(jìn)而導(dǎo)致離合器分離速度變慢。

2.4 離合器分離控制策略研究

當(dāng)前離合器控制策略為：下電離合器關(guān)閉;上電根據(jù)變速箱油溫判斷，油溫高于-15 ℃，離合器不打開(kāi)，油溫低于-15 ℃，離合器打開(kāi)，輔助低溫啟動(dòng)。離合器打開(kāi)為閉環(huán)控制，設(shè)定離合器打開(kāi)的目標(biāo)位置，控制對(duì)象為電機(jī)占空比，控制周期開(kāi)始時(shí)，以一定占空比開(kāi)始，并且根據(jù)離合器打開(kāi)的位置占空比可以自調(diào)節(jié)。在-30 ℃離合器第一次打開(kāi)時(shí)，離合器位置對(duì)應(yīng)的傳感器電壓及離合電機(jī)占空比曲線如圖3所示。由圖可知，在開(kāi)始控制時(shí)，電機(jī)占空比100%(縱坐標(biāo)10代表1%)只持續(xù)了一個(gè)0.1 s后迅速下落，此時(shí)離合器位置變化較慢，未分離到“opencheck”點(diǎn)就不再分離，不滿足要求。

圖3 離合器位置對(duì)應(yīng)的傳感器電壓及離合電機(jī)占空比曲線

以上控制策略存在的問(wèn)題是：①?zèng)]有分離到指定位置就停止分離，未實(shí)現(xiàn)針對(duì)離合器位置的閉環(huán)控制；②最大占空比持續(xù)時(shí)間短，電機(jī)性能未完全發(fā)揮。

3 改進(jìn)方案研究和驗(yàn)證

3.1 硬件改進(jìn)方案

通過(guò)之前的分析，離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)低溫下受蝸輪蝸桿和扇齒潤(rùn)滑油黏度增大影響，系統(tǒng)阻尼增大。改進(jìn)方案需要選擇一種低溫黏度較小的潤(rùn)滑油，根據(jù)常用潤(rùn)滑油的運(yùn)動(dòng)黏度，選擇了一款BOT350M潤(rùn)滑油，該油也是一款常用的齒輪潤(rùn)滑油，其黏度參數(shù)與原75W-85對(duì)比見(jiàn)表2。兩款油高溫黏度相當(dāng)，但BOT350M低溫黏度提升明顯，約75W-85的1/3。

表2 75W-85和BOT350M油品的運(yùn)動(dòng)黏度對(duì)比 單位:mm2/s

3.2 軟件改進(jìn)方案

針對(duì)離合器控制策略不能最大限度發(fā)揮電機(jī)性能的問(wèn)題，做出如下改進(jìn)：①增加閉環(huán)控制和電機(jī)控制的時(shí)間，以達(dá)到目標(biāo)位置，如果某個(gè)時(shí)間分離位置小于設(shè)定值，判斷執(zhí)行機(jī)構(gòu)硬件有可能損壞，則退出控制并報(bào)故障；②在冷態(tài)下增加100%占空比控制的時(shí)間，充分發(fā)揮電機(jī)性能。

3.3 改進(jìn)方案驗(yàn)證

更換了離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的潤(rùn)滑油為低黏度BOT350M，并且更新了離合器低溫下的控制策略，在相同的-30 ℃工況下離合器第一次打開(kāi)時(shí)，離合器位置對(duì)應(yīng)的傳感器電壓及離合電機(jī)占空比曲線如圖4所示。由圖可以看出，開(kāi)始控制時(shí)，離合器電機(jī)即以最大占空比工作并持續(xù)了0.4 s后開(kāi)始下行，離合器在0.6 s內(nèi)打開(kāi)到指定位置，達(dá)到項(xiàng)目目標(biāo)。

圖4 改進(jìn)后離合器位置對(duì)應(yīng)的傳感器電壓及離合電機(jī)占空比曲線

多次試驗(yàn)離合器打開(kāi)時(shí)間對(duì)比見(jiàn)表3，通過(guò)增大樣本量可以得出結(jié)論，離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)低溫下性能得到明顯提升。

表3 多次試驗(yàn)離合器打開(kāi)時(shí)間對(duì)比 單位:s

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)硬件方面和軟件方面兩個(gè)方向分析了低溫環(huán)境下AMT離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)打開(kāi)慢的問(wèn)題，并且針對(duì)兩個(gè)方面分別進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果顯示優(yōu)化效果良好，達(dá)到了目標(biāo)，為此類(lèi)AMT執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了借鑒和參考。