載貨汽車AMT不分離離合器換擋技術(shù)的研究與應(yīng)用＊

王松張志歐董瑞先王玉海

（一汽解放青島汽車有限公司）

載貨汽車AMT不分離離合器換擋技術(shù)的研究與應(yīng)用＊

王松張志歐董瑞先王玉海

（一汽解放青島汽車有限公司）

根據(jù)換擋接合齒輪副的特性和車輛動(dòng)力學(xué)原理，分析載貨汽車AMT不分離離合器摘擋、掛擋過程及換擋前后的動(dòng)力中斷與恢復(fù)過程，并確定應(yīng)用此技術(shù)的工況及其實(shí)現(xiàn)方法。將該技術(shù)應(yīng)用于某重型載貨汽車AMT中，得出應(yīng)用該技術(shù)既能保證換擋的舒適性及縮短AMT換擋過程中動(dòng)力中斷時(shí)間，又能提高離合器使用壽命的結(jié)論。

1 前言

AMT不僅能減輕駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度、降低油耗，而且成本低、制造相對(duì)簡(jiǎn)單，已成為載貨汽車傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。AMT在手動(dòng)變速器基礎(chǔ)上增加電控?fù)Q擋機(jī)構(gòu)，在換擋過程中會(huì)有動(dòng)力中斷，且動(dòng)力中斷時(shí)間的長(zhǎng)短是影響AMT系統(tǒng)性能的重要因素[1]。

不分離離合器換擋技術(shù)是在行車換擋過程中離合器保持不動(dòng)作，利用發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)變速器換擋齒輪副調(diào)節(jié)后，直接進(jìn)行換擋。如此既能縮短換擋過程中動(dòng)力中斷的時(shí)間，又能減少離合器磨損、延長(zhǎng)使用壽命，因此該技術(shù)是載貨汽車AMT技術(shù)的研究方向之一[2～4]。

隨著國(guó)Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，柴油機(jī)已進(jìn)入電控時(shí)代，通過ECU能精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩，為實(shí)現(xiàn)不分離離合器換擋提供了重要的技術(shù)支持。在市場(chǎng)調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，山西一些礦山的自卸車駕駛員能夠憑經(jīng)驗(yàn)在行駛過程中采用不分離離合器進(jìn)行換擋，以此來減少離合器的更換次數(shù)。因此，從理論和實(shí)踐角度分析，載貨汽車AMT系統(tǒng)中應(yīng)用不分離離合器換擋技術(shù)已經(jīng)成為可能。

2 系統(tǒng)組成

不分離離合器換擋技術(shù)是依托AMT系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的。

2.1 電控發(fā)動(dòng)機(jī)

電控發(fā)動(dòng)機(jī)通過CAN總線發(fā)送發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速信息，同時(shí)響應(yīng)從總線上接收到的扭矩請(qǐng)求。換擋時(shí)所需的扭矩和轉(zhuǎn)速信息由ECU通過發(fā)動(dòng)機(jī)電控信息（EEC1）報(bào)文發(fā)送，TCU通過發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩/轉(zhuǎn)速控制（TSC1）報(bào)文請(qǐng)求發(fā)動(dòng)機(jī)輸出相應(yīng)的扭矩和轉(zhuǎn)速。

2.2變速器

試驗(yàn)研究是在CA10TAX雙中間軸、無同步器變速器上進(jìn)行的，共有10個(gè)前進(jìn)擋，速比見表1。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，圖中黑色三角位置加裝轉(zhuǎn)速傳感器，用于測(cè)量輸入軸轉(zhuǎn)速和輸出軸轉(zhuǎn)速。

表1 CA10TAX變速器前進(jìn)擋速比

3 不分離離合器換擋關(guān)鍵技術(shù)

不分離離合器換擋過程如果完成得不理想，會(huì)造成變速器異常磨損、整車舒適性差等后果，因此對(duì)不分離離合器換擋過程進(jìn)行細(xì)致分析，并給出具體實(shí)現(xiàn)方法。

3.1 最佳摘擋時(shí)機(jī)

圖2所示為變速器內(nèi)部一對(duì)換擋接合齒輪副在不同狀態(tài)下的示意圖。其中圖2a是變速器正在傳遞動(dòng)力；圖2b為車輛反推發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞阻力；圖2c中變速器既不傳遞動(dòng)力，也不傳遞阻力。

撥頭撥動(dòng)換擋撥叉摘擋過程中的摘擋力可根據(jù)圖2用如下公式表示：

式中，N為正壓力；Fb為撥動(dòng)換擋撥叉所需克服的撥叉?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)阻力，是撥叉系統(tǒng)固有的，與N沒有關(guān)系；Fm為換擋齒輪間由于存在正壓力N而產(chǎn)生的摩擦阻力；μ為換擋齒輪間的摩擦系數(shù)；其中各力的方向都是垂直于圖2平面的。

由公式（1）可知，最佳摘擋時(shí)機(jī)是使摘擋力FZ最?。‵m=0，F(xiàn)Z僅與Fb有關(guān)）。此時(shí)變速器既不傳遞動(dòng)力也不傳遞阻力，處于傳遞零扭矩[5、6]狀態(tài)，即變速器內(nèi)的傳動(dòng)嚙合齒輪處于自由狀態(tài)。因此摘擋動(dòng)作應(yīng)該盡量在圖2c狀態(tài)時(shí)進(jìn)行。

理論上，根據(jù)輸出軸轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以推算擋位接合齒和換擋滑動(dòng)齒套的轉(zhuǎn)速，并通過當(dāng)前路況、擋位等信息計(jì)算出滑動(dòng)齒套在車輛摘擋過程（無牽引力）中的轉(zhuǎn)速趨勢(shì)，然后調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)使兩者一直保持圖2c中狀態(tài)。然而受控制精度的影響，該方法不易實(shí)現(xiàn)，只能通過調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速以使變速器出現(xiàn)最佳摘擋時(shí)機(jī)再進(jìn)行摘擋。

以試驗(yàn)樣車為例，說明此種方法在不分離離合器摘擋過程中的可行性。

汽車行駛方程為[7]：

式中，F(xiàn)t為汽車驅(qū)動(dòng)力；Ff為滾動(dòng)阻力；Fw為空氣阻力；Fi為坡道阻力；Fj為加速阻力。

令Ft=0，可得摘擋過程中阻力在換擋滑動(dòng)齒套端產(chǎn)生的角減速度：

式中，io為后橋速比；ir為當(dāng)前擋位后副箱速比；r為車輪半徑；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)；m為整車質(zhì)量。

發(fā)動(dòng)機(jī)自由狀態(tài)下由于內(nèi)摩擦阻力會(huì)在飛輪端產(chǎn)生角減速度Δωe，可計(jì)算出摘擋過程中擋位接合齒端的角減速度：

式中，ig為變速器的擋位速比。

試驗(yàn)樣車載重55 t，在國(guó)家二級(jí)公路最大坡度（7%）上以2擋爬坡行駛時(shí)，由公式（3）計(jì)算Δω2值約為22.4 rad/s2，而樣車Δωe約為（47.1～52.3）rad/s2，在2擋擋位接合齒端的角減速度Δω1約為(25.7～28.5)rad/s2。在使發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩降零后，由于Δω1大于Δω2，即ω1下降比ω2快，所以傳動(dòng)接合齒輪副狀態(tài)會(huì)由圖2a狀態(tài)向圖2b狀態(tài)轉(zhuǎn)換。在此過程中會(huì)出現(xiàn)圖2c狀態(tài)（最佳摘擋時(shí)機(jī)），此時(shí)應(yīng)盡快完成摘擋。若在圖2c狀態(tài)停留的時(shí)間較短，來不及完成摘擋動(dòng)作，可利用發(fā)動(dòng)機(jī)增加扭矩升速，在升速過程或升速后再降低速度過程中會(huì)出現(xiàn)圖2c狀態(tài)，此時(shí)繼續(xù)完成摘擋動(dòng)作。

由公式（4）可知，擋位越高，ig越小，Δω1越大，在降低扭矩后出現(xiàn)圖2c狀態(tài)的機(jī)率越大。故樣車在上述路況行駛時(shí)，2擋以上都可以采用不分離離合器摘擋。

若樣車在此路況以1擋爬坡行駛，Δω2不變，Δω1約為（19.2～21.3）rad/s2，則Δω2＞Δω1，所以在降低扭矩后，無圖2a、圖2b狀態(tài)間的轉(zhuǎn)化，不會(huì)出現(xiàn)圖2c狀態(tài)，無法采用不分離離合器摘擋。但如果配備中間軸制動(dòng)器，可使Δω1增大，從而使Δω1＞Δω2，就可以采用不分離離合器摘擋。

根據(jù)Δω1＞Δω2的原則，計(jì)算出試驗(yàn)樣車各擋位采用不分離離合器摘擋所允許的最大爬坡度。由圖3樣車不同擋位不分離離合器摘擋的最大坡度可以看出，該試驗(yàn)樣車在普通公路上行駛一般都可以應(yīng)用不分離離合器摘擋技術(shù)。

3.2 最佳掛擋時(shí)機(jī)

圖4是變速器內(nèi)部一對(duì)換擋接合齒輪副空擋時(shí)的剖面圖。當(dāng)擋位接合齒和擋位花鍵齒輪轉(zhuǎn)速及相位都符合時(shí)掛擋最容易，但受控制精度的限制，該種控制方法不容易實(shí)現(xiàn)。

由Thomas A.Genise的專利[8]可知，當(dāng)輸出軸轉(zhuǎn)速乘以目標(biāo)擋位速比與輸入軸轉(zhuǎn)速之差的數(shù)值在±20 r/min之內(nèi)時(shí)為最合適的換擋轉(zhuǎn)速。本文認(rèn)為，通過控制接合齒輪副的轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)掛擋會(huì)增加掛擋的成功率并且使不同擋位的掛擋一致性更好。具體過程可分為3個(gè)步驟：

a.控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速使擋位接合齒和換擋滑動(dòng)齒套存在一定的轉(zhuǎn)速差（30～60 r/min）時(shí)掛擋，由于導(dǎo)向角的作用兩者會(huì)出現(xiàn)一定程度的淺嚙合；

b.在導(dǎo)向面正壓力下會(huì)使滑動(dòng)齒套與擋位接合齒的轉(zhuǎn)速趨向一致；

c.在換擋力作用下繼續(xù)嚙合完成掛擋，在此過程中也應(yīng)該利用上述發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)方法使接合齒輪處于不傳遞扭矩的狀態(tài)。當(dāng)接合齒輪副之間存在合適的轉(zhuǎn)速差且轉(zhuǎn)速趨向一致時(shí)換擋力小，很容易完成掛擋，是掛擋的最佳時(shí)機(jī)。

實(shí)際應(yīng)用中，掛擋過程中應(yīng)結(jié)合當(dāng)前坡度信息[9]、準(zhǔn)備換入的擋位和飛輪特性等參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)，順利完成掛擋。

3.3 換擋前、后車輛動(dòng)力中斷與恢復(fù)

不分離離合器換擋前、后的發(fā)動(dòng)機(jī)控制過程與普通換擋方法的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩控制過程有差異，若沿用后者的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出方式會(huì)產(chǎn)生換擋沖擊而影響駕駛舒適性。評(píng)價(jià)換擋沖擊的量化指標(biāo)是沖擊度，其是指車輛的縱向加速度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)j=d2v/dt2[1]。因此，保證不分離離合器換擋舒適性的關(guān)鍵是換擋前、后過程中將沖擊度控制在舒適的范圍內(nèi)。

采用不分離離合器換擋技術(shù)摘擋前應(yīng)將當(dāng)前的車輛加速度與動(dòng)力中斷時(shí)的加速度（車輛阻力產(chǎn)生的加速度）做差值計(jì)算沖擊度，若不在沖擊度的舒適范圍內(nèi)，則需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行扭矩控制（一般是降扭操作），待接近或進(jìn)入沖擊度舒適范圍方可進(jìn)行摘擋。

普通換擋后與不分離離合器換擋技術(shù)換擋后的動(dòng)力恢復(fù)過程差別較大。普通換擋完成后由于離合器的扭轉(zhuǎn)減振作用，傳動(dòng)部件已被壓緊成整體傳遞扭矩，此時(shí)只需根據(jù)沖擊度的舒適要求控制發(fā)動(dòng)機(jī)升扭加速即可。不分離離合器換擋技術(shù)掛擋完成后變速器、傳動(dòng)軸、后橋等傳動(dòng)部件均可能處于間隙狀態(tài)，升扭的過程是將傳動(dòng)部件逐一壓緊直至間隙消除進(jìn)而轉(zhuǎn)至整體傳遞扭矩狀態(tài)。需要注意的是間隙消除的最后時(shí)刻若傳遞的扭矩過大會(huì)引起傳動(dòng)系統(tǒng)沖擊、振蕩，超出沖擊度的舒適范圍，故此過程發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩控制的目標(biāo)是快速使傳動(dòng)部件壓緊且壓緊時(shí)刻又不能輸出較大扭矩，待傳動(dòng)部件壓緊轉(zhuǎn)成整體傳遞扭矩狀態(tài)后只需根據(jù)沖擊度的舒適要求控制發(fā)動(dòng)機(jī)升扭加速即可。

3.4 應(yīng)用框圖

在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)AMT控制系統(tǒng)策略層計(jì)算并發(fā)出需要換擋命令后，先檢查是否符合不分離離合器換擋技術(shù)的應(yīng)用條件，如符合則采用不分離離合器換擋方法，否則采用普通換擋方法，具體如圖5所示。

4 試驗(yàn)效果

圖6所示是試驗(yàn)樣車在城市路況2擋起步連續(xù)加速至5擋的試驗(yàn)曲線（包括發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、換擋撥頭位置傳感器電壓值及目標(biāo)擋位），圖中采用不分離離合器模式3次換擋的動(dòng)力中斷時(shí)間分別為0.75 s、0.93 s、0.89 s，都沒有超過1 s，縮短了動(dòng)力中斷的時(shí)間，提高了AMT系統(tǒng)的總體性能。圖6中兩橢圓處的摘擋曲線和掛擋曲線稍有停頓，說明此刻已不是最佳摘（掛）擋時(shí)機(jī)，摘（掛）擋的阻力變大，不適合繼續(xù)執(zhí)行摘（掛）擋，但是通過調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)后執(zhí)行機(jī)構(gòu)再次動(dòng)作順利完成摘（掛）擋。

1葛安林.車輛自動(dòng)變速理論與設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

2王云成.重型商用車不分離離合器AMT關(guān)鍵技術(shù)研究:[學(xué)位論文].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2010.

3裴棟.不分離離合器AMT綜合控制研究:[學(xué)位論文].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2009.

4初明忠.重型商用車不分離離合器AMT電動(dòng)換擋的研究: [學(xué)位論文].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2007.

5Pettersson M，Nielsen L.Gear Shifting by Engine Control. IEEE Transactions on Control Systems Technology，2000.

6Henrik Abrahamsson，Peter Carlson.Robust Torque Control for Automated Gear Shifting in Heavy Duty Vehicles. Link?ping University，2008.

7余志生.汽車?yán)碚?北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

8Thomas A Genise.Synchronizing and gear engagement sensing logic for automated mechanical transmission system. U.S 5682790，1997-09-04.

9王玉海，董瑞先，王松，等.基于SAEJ1939協(xié)議的重型車輛坡道識(shí)別實(shí)時(shí)算法.汽車工程，2010.

（責(zé)任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2013年9月24日。

Research and Application of Shift Technology with Non-Disengage-Clutch for AMT Truck

Wang Song，Zhang Zhiou，Dong Ruixian，Wang Yuhai
（Research&Development Division，F(xiàn)AW Jiefang Qingdao Automobile Co.，Ltd）

This article analyzes the key technology about shifting with non-disengage-clutch for AMT truck. According to the characteristic of the shift gear pair and the vehicle principle of dynamics，analyzed the process of nondisengage-clutch disengaging and engaging gear and power interruption and recover，the applying environment is summarized and an effective method is presented.The method has been applied in an AMT truck.Results show that application of this technology not only ensures the shift comfort but also reduces power interruption time and increases clutch life.

Truck,AMT,Non-disengage-clutch,Shift,Power interruption

載貨汽車AMT不分離離合器換擋動(dòng)力中斷

U463.212

：A

1000-3703（2014）02-0013-03

青島市重點(diǎn)技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目。