電動式AMT變速箱功能及換擋概述

曠龍 馮華帥 汪輝 楊連波 任強 朱海龍

【摘 要】AMT變速箱是在MT（手動變速箱）的基礎(chǔ)上，通過控制單元完成自動換擋動作，從而達到與自動變速箱相同的效果。AMT變速箱的換擋過程與MT十分相近，由電腦完成整個“離合器結(jié)合—扭矩控制—離合器松開—選擋/換擋—離合器結(jié)合”過程。AMT變速箱為自動變速箱中成本最低的一種，它既保持了手動機械式變速器的優(yōu)點，又具備自動變速器自動換擋的功能，缺點是在換擋時動力丟失有失速的感覺。文章介紹了電動式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】U463.212 【文獻標識碼】A 【文章編號】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“自動手動變速箱”的含義。顧名思義，其是在MT（手動變速箱）的基礎(chǔ)上，通過控制單元完成自動換擋動作，從而達到與自動變速箱相同的效果。AMT變速箱研究始于20世紀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，單獨實現(xiàn)各自的自動控制功能的半自動化階段；應用自動離合器、換擋控制與換擋策略的全自動化階段；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個階段。AMT變速器不僅具有自動換擋的便捷，而且具有手動變速箱齒輪傳動一樣的高動力傳輸效率、機構(gòu)緊湊、工作可靠等優(yōu)點，相對AT和CVT變速箱，AMT變速箱結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，可匹配在經(jīng)濟型家庭用車上。AMT的操縱系統(tǒng)可分為電控—氣動、電控—液動和電控—電動3種類型，在電機性能得到保證的前提下，電控—電動式AMT操縱系統(tǒng)與電控—氣動和電控—液動相比，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。

1 電動式AMT變速箱的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

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

1.1 電動式AMT的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

AMT系統(tǒng)由下列4個部分組成。

被控對象：包括發(fā)動機、離合器和變速器。

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

傳感器：包括速度傳感器（發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器、輸入軸轉(zhuǎn)速傳感器、車速傳感器）、油門開度傳感器、空倒擋傳感器等。

電子控制單元（ECU）：包括CPU、RAM、FO接口等通過電信號對執(zhí)行機構(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)傳感器實時采集的駕駛員的操縱參數(shù)信息（油門踏板、制動踏板、轉(zhuǎn)向盤、選擋控制桿的操縱等）和車輛的運行狀態(tài)參數(shù)信息（發(fā)動機轉(zhuǎn)速、變速器輸入軸轉(zhuǎn)速、車速、擋位），進行綜合判斷和處理，按照控制器中存儲的控制規(guī)律（換擋規(guī)律、離合器接合規(guī)律等），借助于相應的操縱系統(tǒng)（發(fā)動機油量調(diào)節(jié)機構(gòu)、選換擋執(zhí)行機構(gòu)、離合器分離和接合執(zhí)行機構(gòu)），對車輛的動力傳動系統(tǒng)（發(fā)動機、離合器、變速器）進行聯(lián)合自動操縱，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)成熟的手動變速箱結(jié)構(gòu)，各擋位速比設(shè)計合理（根據(jù)整車參數(shù)校核動力性、經(jīng)濟性以及換擋舒適性），同時滿足手動變速箱的各項試驗標準（如同步器耐久、總成疲勞、靜扭、潤滑、高速等試驗）。

2.2 離合器總成功能要求

離合器總成應采用量產(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)，滿足離合器臺架的各項試驗標準，并且在整車上進行了耐久驗證。

2.3 選換擋執(zhí)行機構(gòu)、離合器執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計功能要求

①行程——能夠滿足離合器徹底分離接合，各個擋位換擋到位，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高速響應性能——滯后0.05 s。④動作精度及分辨率——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)計合理，滿足發(fā)動機艙的空間布置。

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

2.4 傳感器的功能要求

①換擋器信號分辨率高，能夠精準、及時地反饋駕駛員意圖信號。②位移傳感器信號準確穩(wěn)定，重復性好，分辨率足夠。③轉(zhuǎn)速信號傳感器準確可靠，穩(wěn)定，信號盲區(qū)少。④開關(guān)信號盡量少用接觸式開關(guān)，以避免振動造成信號錯誤。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)計中，應該兼顧車輛在各種工況下的使用及各種安全操作上的問題規(guī)避。為了加強系統(tǒng)的可靠性，可在內(nèi)部設(shè)置多重檢測系統(tǒng)，通過聲、光報警等方式隨時監(jiān)測工作狀態(tài)，安裝主控和應急備控2個電控單元，當主控單元全部或部分失控，應急系統(tǒng)自動啟動，保證汽車行駛的最基本功能。以下為常見功能要求：①多模式控制功能——例如具有蠕動功能，自動、手動、雪地和運動模式，以便適應各種路面及交通情況。②邏輯判斷——例如在前進擋狀態(tài)下，車速大于5 km/h時，TCU不允許執(zhí)行機構(gòu)掛入倒擋。③離合器控制——應能保證離合器結(jié)合分離迅速，起步平穩(wěn)，接合控制具有良好的自適應性，能適應各種路面（包括坡道起步）。④換擋控制——換擋規(guī)律控制合理，換擋過程平穩(wěn)、快捷，無明顯沖擊，具有良好的動力性能及經(jīng)濟性能，并在路面與交通復雜的情況下，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，在復雜多變的情況下也能自如操作，能快速響應制動、摘空擋操作，發(fā)動機不能熄火，確保安全行駛。⑥診斷——具有故障自診斷功能，在故障時能及時報警并具有“容錯性”或“跛行”的功能。⑦TCU功能擴展及刷寫——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)的識別與防盜，以及加入控制車速、降低駕駛風險等功能。

AMT變速箱總成應滿足高溫、低溫、濕度、振動、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)動機油門及換擋需要協(xié)調(diào)配合，因此對離合器操縱系統(tǒng)有很高而復雜的要求。離合器分離過程比較簡單，一般不會對車輛性能產(chǎn)生影響，分離過程越快越好，做到徹底分離，避免半接合滑磨，造成掛擋困難甚至打齒。當需要重新恢復動力傳遞時，為使汽車速度和發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化比較平穩(wěn)，應該適當放慢離合器接合的速度。離合器最佳接合規(guī)律在執(zhí)行過程中體現(xiàn)在離合器的接合點和接合速度2個控制量上，即確定離合器的接合點和接合速度。AMT操縱系統(tǒng)實現(xiàn)離合器自動操縱的核心問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個階段（如圖5所示）。

離合器的自動操縱機構(gòu)的釋放行程l是在選換擋工作結(jié)束后進行，分為3個部分：在無轉(zhuǎn)矩傳遞區(qū)行程l1（即消除離合器主從動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功率中斷的時間，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（即由壓縮從動盤的軸向彈性行程通過分離叉操縱機構(gòu)傳動比所需的相應的行程），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系沖擊載荷，但為了防止滑摩時間過長，離合器發(fā)熱而嚴重影響壽命，亦需控制在一定的時間內(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：離合器的分離過程要求電機快速轉(zhuǎn)動，而離合器的接合過程其行程要求是“二快一慢”。

離合器執(zhí)行機構(gòu)對離合器結(jié)合速度vc的控制還受以下因素影響：vc與油門開度α、發(fā)動機的角加速度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)計的方法

與換擋曲線直接相關(guān)的是發(fā)動機的萬有特性，因為在起步和換擋的自動控制過程中要通過控制油門開度來控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速及輸出轉(zhuǎn)矩來協(xié)調(diào)離合器、發(fā)動機和變速器的聯(lián)合控制。以下是3種常用的方法。

3.2.1 理論計算法

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

3.2.1.1 最佳動力性換擋規(guī)律

上述曲線上是理論上的最佳動力性換擋點，但在實際應用中，若從低擋升高擋與高擋降低擋的換擋點相同時，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圖上，取交點加速度的0.95作一條水平線，與相應的同油門開度下的2擋加速度曲線交于2點，取其行駛速度較大值作為升擋點，較小值作為降擋點，或者將理論最佳換擋點相應的速度值乘以1.05作為最佳升擋點，乘以0.95作為最佳降擋點，這樣可以避免換擋循環(huán)，并且能保持其最佳動力性。

3.2.1.2 最佳燃油經(jīng)濟性換擋規(guī)律

由圖11中可知，油門開度過小時其數(shù)據(jù)不合理，所因此一般選擇100%、75%和50%油門開度曲線進行擬合，得最佳經(jīng)濟性換擋點為下一擋穩(wěn)定轉(zhuǎn)速點對應的速度處；但是在50%油門開度時存在于下一擋穩(wěn)定轉(zhuǎn)速點換擋后不久2擋就出現(xiàn)交點，此時應回到低擋，但由于低擋很快與相隔一擋發(fā)生交點，此時換擋即所謂“跳擋”會出現(xiàn)較大的換擋沖擊，所以不考慮換擋。又因為在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速點發(fā)動機轉(zhuǎn)矩并不穩(wěn)定，且高速時單位時間燃油消耗量變化較慢，同時行駛阻力較大，所以綜合考慮在下一擋穩(wěn)定轉(zhuǎn)速點乘以1.1系數(shù)出對應點進行升擋，在當前擋穩(wěn)定轉(zhuǎn)速點降擋。此時與油門開度、載重量無關(guān)，近似于單參數(shù)換擋規(guī)律。圖12為某款汽車理論上的最佳燃油經(jīng)濟性換擋曲線。

3.2.2 經(jīng)驗法

以有經(jīng)驗的駕駛員的實際操作為依據(jù)，進行綜合統(tǒng)計為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖，有局限性。

3.2.3 試驗法

綜合前2種方法，用試驗（即標定）最終來定，借助于粗略的計算和實際經(jīng)驗，初步確認升降擋點的換擋規(guī)律，再用試驗來校正，借助于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實車分析，從中總結(jié)出換擋規(guī)律。

在實際車輛使用過程中，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車標定修正，而且通常小油門開度以舒適、穩(wěn)定、少污染為主，采用經(jīng)濟型換擋線；中油門開度以保證最佳燃料經(jīng)濟性為主，兼顧動力性；大油門開度則采用動力性換擋，以獲得最佳動力性為佳。圖13為某款乘用車匹配5速AMT變速箱的實際換擋曲線。

3.3 發(fā)動機油門自適應控制規(guī)律

車輛在起步、換擋過程中，離合器分離與接合，即離合器執(zhí)行機構(gòu)動作的同時，油門要進行相應的自適應調(diào)節(jié)，即通常所說的“油離配合”，以便發(fā)動機工作狀態(tài)適應外部負載離合器摩擦轉(zhuǎn)矩Tq的變化。離合器分離過程中，因為與整車慣量脫離且離合器轉(zhuǎn)動慣量小，為避免發(fā)動機超速，需減小油門，油門開度隨時間的變化是減函數(shù)。離合器接合過程中，因與整車慣量接合，慣性質(zhì)量增大，為避免發(fā)動機轉(zhuǎn)速降至最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速以下，需增大油門，油門開度隨時間的變化是增函數(shù)。

參 考 文 獻

[1]高維山.變速器[M].北京：人民交通出版社，1990.

[2]王望予.汽車設(shè)計[M].第3版.北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[3]陳永東.電控機械式自動變速器換擋規(guī)律的研究[D].武漢：武漢理工大學，2011.

[4]曾興.汽車AMT變速器控制技術(shù)的研究[D].長沙：湖南大學，2010.

[5]葛安林.車輛自動變速理論與設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1993.

[6]張國勝，牛秦玉，方宗德，等.最佳燃油經(jīng)濟性換擋規(guī)律理論及其應用研究[J].中國機械工程，2005（5）.

[7]李君，張建武，馮金芝，等.電控機械式自動變速器的發(fā)展、現(xiàn)狀和展望[J].汽車技術(shù)，2000（3）.

[8]金倫，葛安林，程秀生，等.電控機械式自動變速器起步控制[J].汽車技術(shù)，2002（12）.