機(jī)械自動(dòng)變速器換擋沖擊對(duì)策研究

劉成武，劉珂路，佘建強(qiáng)

（1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程系，十堰 442002；2.東風(fēng)汽車公司 技術(shù)中心，武漢 430056）

電控機(jī)械式自動(dòng)變速器 （Automatic Mechanical Transmission，）是在原有齒輪式機(jī)械變速器的基礎(chǔ)上加裝自動(dòng)操縱系統(tǒng)，代替由駕駛員完成的離合器控制、變速器選擋、掛擋以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速同步調(diào)整等操作，最終實(shí)現(xiàn)起步及換擋過(guò)程的自動(dòng)化。由于保持了原有的齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，所以傳動(dòng)效率高、油耗低、機(jī)構(gòu)緊湊、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)被很好的繼承下來(lái)，與液力自動(dòng)變速器相比，又具有成本低、生產(chǎn)繼承性好、安裝方便等優(yōu)勢(shì)，因此，在滿足重型車的動(dòng)力傳遞要求方面，更具發(fā)展優(yōu)勢(shì)。各國(guó)都將電控機(jī)械自動(dòng)變速器作為發(fā)展重點(diǎn)[1]。

AMT系統(tǒng)同樣利用同步器進(jìn)行換擋，換擋時(shí)需要通過(guò)離合器切斷與發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞，因此，換擋過(guò)程越長(zhǎng)，將嚴(yán)重影響汽車動(dòng)力性，但換擋時(shí)間過(guò)短，又將導(dǎo)致“不同步換擋”而產(chǎn)生沖擊，影響平順性。如何解決好這一矛盾，是AMT的關(guān)鍵技術(shù)之一。

所謂“不同步換擋”，是指在換擋過(guò)程，當(dāng)前擋位與目標(biāo)擋位的待嚙合齒輪未達(dá)到轉(zhuǎn)速一致時(shí)即掛入目標(biāo)擋，從而造成“換擋沖擊”的現(xiàn)象。相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明該現(xiàn)象也會(huì)造成同步器的早期損壞。本文通過(guò)詳細(xì)的換擋過(guò)程分析，找到了同步器在換擋過(guò)程中“不同步換擋”的原因，提出了換擋力的控制方法，以解決所造成的沖擊問(wèn)題。

1 不同步換擋沖擊產(chǎn)生機(jī)理

變速器在掛擋過(guò)程中，必須使所選擋位的待嚙合齒輪與輸出軸轉(zhuǎn)速同步，即齒輪的圓周速度相等，才能使之無(wú)沖擊地進(jìn)入嚙合而掛上擋。如果在兩者間存在轉(zhuǎn)速差強(qiáng)行掛擋，勢(shì)必發(fā)生沖擊和噪聲，甚至導(dǎo)致齒輪損傷。同步器在減小沖擊、改善換擋平順性方面，起到了突出的作用，它是在結(jié)合套換擋機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，有常壓式、慣性式、自行增力式等種類，目前廣泛應(yīng)用的是慣性式同步器。其工作過(guò)程如圖1所示[2]，可以將掛擋過(guò)程分為3個(gè)階段：

空擋階段：如圖 1（a）、（b）所示，滑塊在撥叉軸和撥叉的施加的換擋作用力下向左推動(dòng)結(jié)合套，結(jié)合套通過(guò)定位銷帶動(dòng)同步環(huán)左移動(dòng)，消除間隙后同步環(huán)與待嚙合齒輪的齒圈接觸。

同步階段：同步環(huán)與待嚙合齒輪的齒圈接觸促使同步環(huán)沿旋轉(zhuǎn)方向偏轉(zhuǎn)一定角度，使結(jié)合套及同步環(huán)的花鍵齒的齒尖錐面相頂。此時(shí)，滑塊繼續(xù)向左推結(jié)合套，一旦壓緊同步環(huán)與齒圈，則可利用同步環(huán)與齒圈錐面之間產(chǎn)生的摩擦力矩T來(lái)減少兩者之間的轉(zhuǎn)速差，直至兩者轉(zhuǎn)速相等時(shí)為止。在兩者同步之前，結(jié)合套及同步環(huán)的花鍵齒的齒尖錐面相頂，換擋作用力在錐面上的切向分力形成了撥環(huán)力矩M，試圖將同步環(huán)相對(duì)于結(jié)合套向后退轉(zhuǎn)以便嚙合，但在沒(méi)有同步之前，M總是小于T，即使接合套作用在同步環(huán)上的作用力非常大，同步環(huán)也會(huì)阻止結(jié)合套繼續(xù)往左移動(dòng)，不能與齒圈接合。

進(jìn)擋階段：如圖1（d）所示，同步環(huán)與齒圈同步，同步環(huán)的鎖止作用消失，此時(shí)結(jié)合套的齒尖與齒圈的齒尖抵觸產(chǎn)生的撥環(huán)力矩，使齒圈相對(duì)于結(jié)合套轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)齒圈與接合套的接合，直至結(jié)合套的端面與齒輪的端面相接觸而限位，完成掛擋的全過(guò)程。

在上述換擋同步階段，同步環(huán)與結(jié)合齒圈錐面產(chǎn)生的同步摩擦力矩T的大小與錐面摩擦系數(shù)μ、作用在摩擦錐面上的軸向分力F、摩擦錐面的平均直徑d和錐面角α相關(guān)，其大小為[3]：

而撥環(huán)力矩M與結(jié)合套及同步環(huán)的花鍵齒的齒尖錐面上的切向分力和齒面摩擦系數(shù)μ′相關(guān)。

通過(guò)合理選擇同步器花鍵齒的鎖止角和摩擦錐面的錐角，可以確保同步環(huán)與結(jié)合齒圈錐面壓緊后，產(chǎn)生的同步摩擦力矩T總是大于撥環(huán)力矩M。但在同步環(huán)和結(jié)合齒圈錐面沒(méi)有完全壓緊前（圖1a），若換擋力過(guò)大，將導(dǎo)致結(jié)合套移動(dòng)速度過(guò)快，同步環(huán)沒(méi)有產(chǎn)生足夠的同步摩擦力矩T，就在撥環(huán)力矩作用下稍作轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)合套從而直接越過(guò)同步環(huán)與目標(biāo)擋齒圈結(jié)合（圖1c），造成未同步即與結(jié)合齒圈嚙合而造成打齒現(xiàn)象，即出現(xiàn)了前述的“不同步換擋沖擊”。

變速器換擋過(guò)程中，可將離合器、變速器輸入軸至目標(biāo)擋齒輪等看作動(dòng)力輸入端，將同步器和輸出軸至驅(qū)動(dòng)輪部分看作動(dòng)力輸出端。在輸入端轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的車輛上（比如混合動(dòng)力汽車，其輸入端往往連接動(dòng)力電機(jī)，使轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大），換擋時(shí)需要更大的換擋桿推力，才能產(chǎn)生足夠的同步力矩，縮短換擋同步時(shí)間。換擋力的增大，使得“不同步換擋”現(xiàn)象更容易出現(xiàn)。

換擋力的增加，對(duì)同步環(huán)與齒圈的性能也提出更高要求，其在短時(shí)間內(nèi)同步摩擦將產(chǎn)生大量的熱量，達(dá)到一定溫度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致同步環(huán)的燒蝕，同時(shí)大的換擋力也會(huì)增加摩擦件的磨損，甚至撥叉的彎曲變形；同步器過(guò)度磨損，也是造成出現(xiàn)“不同步嚙合”的原因之一。當(dāng)過(guò)度磨損，造成同步環(huán)錐面形成臺(tái)階，使得接觸面積減小而降低同步力矩，當(dāng)其小于撥環(huán)力矩時(shí)，導(dǎo)致“不同步嚙合”。

綜上所述，換擋力過(guò)大，是導(dǎo)致?lián)Q擋沖擊的最終原因。故如何選擇并實(shí)現(xiàn)換擋力的合理控制，是有效避免換擋沖擊，兼顧換擋時(shí)動(dòng)力性的關(guān)鍵因素。

2 掛擋過(guò)程中最佳換擋力的確定

根據(jù)前述掛擋過(guò)程分析，換擋時(shí)保持一個(gè)固定不變的過(guò)大換擋力不可避免會(huì)產(chǎn)生沖擊，理想情況下，應(yīng)在不同階段隨結(jié)合套位移調(diào)整換擋力大小。

空擋階段主要消除結(jié)合齒圈與同步環(huán)的間隙，可施加大力矩快速完成，有利于縮短掛擋時(shí)間。

同步階段時(shí)換擋力矩應(yīng)變化，當(dāng)結(jié)合套與同步環(huán)接觸時(shí)，應(yīng)適當(dāng)減小換擋力矩，確保鎖環(huán)被目標(biāo)擋齒圈帶動(dòng)使其正常鎖止，這是避免不同步嚙合，充分發(fā)揮同步器的關(guān)鍵。鎖止后再適當(dāng)增加力矩，以使其迅速同步。

鑒于現(xiàn)有AMT是基于原機(jī)械變速器直接改裝的，其最大換擋力不應(yīng)超過(guò)原變速器手動(dòng)換擋力的最大值，以避免同步器早期損壞。具體值的確定應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)，綜合考慮換擋時(shí)間與沖擊度來(lái)確定。

進(jìn)擋階段中接合套與齒圈已經(jīng)同步，只需要繼續(xù)將接合套往前推動(dòng)，就可以實(shí)現(xiàn)接合套與齒圈的接合。但力矩應(yīng)在結(jié)合套到位前及時(shí)減小，避免接合套的端面與齒輪的端面相接觸而限位導(dǎo)致振動(dòng)。具體換擋力變化過(guò)程如圖2所示。

換擋動(dòng)作結(jié)束后，撥叉及撥叉軸在自鎖裝置的作用下保持相應(yīng)正確位置，撥叉靜止不動(dòng)，同步器則隨同齒輪高速旋轉(zhuǎn)。此時(shí)應(yīng)注意將換擋力矩完全撤除。對(duì)于電控電動(dòng)換擋機(jī)構(gòu)一般采用減速電機(jī)，其減速機(jī)構(gòu)具有自鎖作用的特殊性，如換擋結(jié)束后即使準(zhǔn)確控制電機(jī)停止，雖然電機(jī)不再施加力矩，但其減速器自鎖作用仍將導(dǎo)致滑塊與結(jié)合套接觸面壓緊而無(wú)法將力矩完全消除，增加滑塊的磨損，故應(yīng)采取措施予以避免。

3 掛擋力控制策略

針對(duì)電控電動(dòng)AMT操縱機(jī)構(gòu)，其換擋力矩可根據(jù)結(jié)合套位移調(diào)節(jié)換擋電機(jī)PWM的方式實(shí)現(xiàn)，通過(guò)換擋位置傳感器檢測(cè)掛擋過(guò)程中結(jié)合套的實(shí)際位移，并結(jié)合掛擋過(guò)程中電流的變化判斷同步器的3個(gè)階段。調(diào)節(jié)電機(jī)在同步階段工作時(shí)的占空比，來(lái)實(shí)現(xiàn)掛擋力的精確控制，換擋結(jié)束后，以極小的力矩反向微量移動(dòng)，達(dá)到完全撤銷壓力的目的。圖3為換擋過(guò)程的控制流程圖。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)換擋電機(jī)PWM與其輸出力矩關(guān)系如圖4所示，掛擋力值隨著占空比的變化線性度較好。根據(jù)這一特點(diǎn)，結(jié)合同步器的設(shè)計(jì)工作壓力，可以選擇合適的占空比來(lái)控制電機(jī)，保證換擋力的調(diào)節(jié)。在換擋結(jié)束后，也可實(shí)現(xiàn)反向的微量移動(dòng)，徹底消除換擋力矩且不造成嚙合狀態(tài)的改變。

4 掛擋過(guò)程控制試驗(yàn)結(jié)果分析

基于試驗(yàn)樣車，針對(duì)改進(jìn)的掛擋過(guò)程控制策略進(jìn)行了實(shí)車行駛試驗(yàn)，并與原固定大換擋力的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)，其中典型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 不同換擋力矩下的升擋時(shí)間

表2 不同換擋力矩下的減擋時(shí)間

試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明采用掛擋力控制的新策略后，掛擋時(shí)間并未受太大影響。

實(shí)車試驗(yàn)過(guò)程中，按照新?lián)Q擋策略換擋造成的車輛振動(dòng)和沖擊消除，臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)換擋噪聲和振動(dòng)也明顯改善，其效果顯著。

由于換擋力得到控制，掛擋沖擊減小，必然減小同步器工作的負(fù)荷，延長(zhǎng)同步器的使用壽命，減小滑塊等摩擦件的磨損量。由于新策略增加了換擋結(jié)束的撤力控制，對(duì)比原固定大換擋力換擋策略，相同行駛里程下的滑塊磨損情況見(jiàn)表3，磨損量明顯減小。

表3 滑塊磨損量對(duì)比

5 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)機(jī)械變速器換擋過(guò)程的理論分析，得出了造成換擋沖擊的原因：換擋同步階段的換擋力是關(guān)鍵，換擋力過(guò)大將造成不同步嚙合產(chǎn)生沖擊；同時(shí)指出換擋力過(guò)大將造成同步器過(guò)度磨損，也易出現(xiàn)不同步嚙合產(chǎn)生沖擊。

（2）通過(guò)分析得出換擋過(guò)程中，換擋力隨結(jié)合套位移合理的變化趨勢(shì)。

（3）結(jié)合電控電動(dòng)AMT換擋操縱機(jī)構(gòu)提出了可行的控制方案，并進(jìn)行了實(shí)車驗(yàn)證。試驗(yàn)表明，該方法能有效避免換擋過(guò)程中的沖擊，并減小同步器磨損。

［1］何忠波,白鴻柏.AMT技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望 ［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2007，38（5）.

［2］陳家瑞.汽車構(gòu)造［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

［3］高維山.變速器設(shè)計(jì)［M］.北京:人民交通出版社,1995.

［4］何忠波,白鴻柏，張培林 等.提高AMT車輛換擋品質(zhì)控制策略與試驗(yàn)研究［J］.汽車工程,2006,28(9):839-843.