平行軸式直接掛擋機(jī)構(gòu)過(guò)沖問(wèn)題研究

李昕昕　王東興　茍踐

摘要：對(duì)商用車AMT變速器的掛擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究，特別對(duì)平行軸式直接掛擋機(jī)構(gòu)的過(guò)沖問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)研究。為了減弱摘擋時(shí)的過(guò)沖現(xiàn)象，提出了一種新的摘擋控制策略，對(duì)其控制流程進(jìn)行了詳細(xì)闡述。以某車型為例，驗(yàn)證摘擋控制策略的可行性。研究表明，此摘擋控制策略的應(yīng)用可以明顯減弱摘擋過(guò)沖現(xiàn)象，提高換擋舒適性和行車安全性。

關(guān)鍵詞：AMT；平行軸式直接掛擋機(jī)構(gòu)；過(guò)沖問(wèn)題；實(shí)車驗(yàn)證

AMT（Automatic Mechanical Transmission）變速器在國(guó)內(nèi)商用車領(lǐng)域已推廣應(yīng)用多年，目前對(duì)AMT掛擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的研究也越來(lái)越細(xì)致深入。AMT掛擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用是代替手動(dòng)變速器操縱機(jī)構(gòu)完成掛擋和摘擋工作。根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方式的不同，可以分為氣動(dòng)、電動(dòng)、液動(dòng)等形式[1]。目前市場(chǎng)常見(jiàn)的中重型AMT基本上使用的都是氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，輕型AMT有電動(dòng)和液動(dòng)等不同形式。

掛擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的質(zhì)量對(duì)于AMT掛擋性能和品質(zhì)至關(guān)重要。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一個(gè)精密的電控元器件，包括了電磁閥、傳感器、氣缸和內(nèi)部氣道等關(guān)鍵部件。部分集成式執(zhí)行機(jī)構(gòu)還包括PCB板、加速度傳感器及集成線路等核心部件。讓這些部件緊密配合，實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的掛擋和摘擋功能，需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)本身硬件和應(yīng)用層軟件的緊密配合才能完成[2]。

掛擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)

本文只討論主流的氣動(dòng)掛擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)。國(guó)內(nèi)AMT產(chǎn)品經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，已經(jīng)形成了輕、中、重全扭矩段的覆蓋，也實(shí)現(xiàn)了從第一代模塊化向第二代集成化的轉(zhuǎn)變。

根據(jù)其掛擋形式，又可以分為XY結(jié)構(gòu)和YY結(jié)構(gòu)[3]，如圖1所示?？梢钥闯觯琗Y結(jié)構(gòu)具有選擋氣缸和掛擋氣缸，與手動(dòng)擋操縱機(jī)構(gòu)類似，掛擋過(guò)程需要先動(dòng)選擋軸再掛擋，掛擋過(guò)程清晰準(zhǔn)確。在很多變速器上得到了應(yīng)用，比如國(guó)內(nèi)第一代重型貨車AMT，很多廠家就是采用模塊化的XY執(zhí)行機(jī)構(gòu)，第二代重型貨車AMT雖然采用了先進(jìn)的集成化布局，但執(zhí)行機(jī)構(gòu)依然是XY結(jié)構(gòu)。

YY執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即平行軸式執(zhí)行機(jī)構(gòu)[4]，是近年流行起來(lái)的布置形式，因?yàn)锳MT不需要完全像手動(dòng)擋一樣先選擋再掛擋，而是采用幾排獨(dú)立的掛擋軸，靠位移傳感器由應(yīng)用層軟件來(lái)判斷其他軸是否處于空擋位置，省略選擋過(guò)程，直接進(jìn)行掛擋。這樣做可以縮短換擋時(shí)間，盡可能地減少動(dòng)力中斷時(shí)間。目前一些中輕型AMT上使用的就是YY結(jié)構(gòu)的模塊化執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)然，YY結(jié)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)也可以做成集成式，外型與XY集成式類似，只是氣缸布置形式和內(nèi)部氣路會(huì)有所區(qū)別。

掛擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)過(guò)沖問(wèn)題研究

掛擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)在回空擋或者換另外一個(gè)擋時(shí)，一般需要先回到空擋位置，再進(jìn)行掛擋。在這個(gè)過(guò)程中，理想情況是每次回空擋時(shí)都回到正中間，不要回過(guò)了也不要回不到位。實(shí)際情況是，經(jīng)過(guò)機(jī)械優(yōu)化和彈簧硬度選配，一般情況下回空擋不到位的情況容易解決和避免，但回過(guò)了的情況時(shí)有發(fā)生，即通常所說(shuō)的摘擋過(guò)沖問(wèn)題。

過(guò)沖現(xiàn)象在XY結(jié)構(gòu)和YY結(jié)構(gòu)上都有可能發(fā)生。XY結(jié)構(gòu)因?yàn)橹虚g有多個(gè)零件，零件間存在間隙，導(dǎo)致?lián)懿孑S的運(yùn)動(dòng)慣性小。YY結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)慣性大，更容易發(fā)生過(guò)沖現(xiàn)象。正常情況，空擋位置附近有一定范圍自有行程，在合理范圍（一般是±2mm）內(nèi)的過(guò)沖不用考慮，應(yīng)用層軟件也會(huì)把這統(tǒng)一看作是空擋。從實(shí)際使用情況來(lái)看，XY結(jié)構(gòu)很少發(fā)生因?yàn)檫^(guò)沖嚴(yán)重引起的換擋品質(zhì)問(wèn)題，而YY結(jié)構(gòu)因?yàn)檫^(guò)沖發(fā)生了幾個(gè)典型問(wèn)題。

以中輕型AMT所使用的平行軸式執(zhí)行機(jī)構(gòu)為例說(shuō)明過(guò)沖帶來(lái)的換擋品質(zhì)問(wèn)題。此執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程為-12～+12mm，負(fù)值說(shuō)明撥叉軸縮回來(lái)，表示一個(gè)擋位；正值說(shuō)明撥叉軸伸出去，表示另外一個(gè)擋位；0mm表示空擋位置。定義回空擋時(shí)，位移偏差大于3mm即為過(guò)沖問(wèn)題，大于5mm為嚴(yán)重過(guò)沖問(wèn)題。

問(wèn)題1：回空擋憋熄火問(wèn)題。駕駛?cè)送＼囍苿?dòng)時(shí)，換擋手柄回空擋，車輛有向前沖的趨勢(shì)，把發(fā)動(dòng)機(jī)憋熄火。造成此問(wèn)題的原因是換擋手柄發(fā)出回空擋命令后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)開(kāi)始工作，撥叉軸回到了0mm，此時(shí)應(yīng)用層軟件判斷變速器已經(jīng)在空擋，會(huì)發(fā)出結(jié)合離合器的指令，離合器開(kāi)始結(jié)合。但在此時(shí)發(fā)生了過(guò)沖現(xiàn)象，撥叉軸繼續(xù)向?qū)γ孢\(yùn)動(dòng)，造成了變速器實(shí)際不在空擋，而是齒輪嚙合了一部分的情況。駐車制動(dòng)時(shí)，車輛會(huì)憋熄火，不駐車制動(dòng)時(shí)車輛會(huì)向前沖，有很大的危險(xiǎn)性。

問(wèn)題2：換擋沖擊大問(wèn)題。摘擋過(guò)程中，過(guò)沖現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生齒輪撞擊的聲音，主觀感受明顯，用戶體驗(yàn)差。此問(wèn)題雖然不會(huì)導(dǎo)致駕駛安全性問(wèn)題，但是時(shí)常發(fā)生會(huì)造成不好的駕駛體驗(yàn)，駕駛舒適性明顯降低。

掛擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)過(guò)沖問(wèn)題解決方案

為了解決和減少過(guò)沖帶來(lái)的換擋品質(zhì)問(wèn)題。機(jī)械設(shè)計(jì)和應(yīng)用層軟件上都需要做優(yōu)化。機(jī)械方面的優(yōu)化主要包括：

1）掛擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)活塞結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減少摘擋時(shí)間，降低過(guò)沖概率。

2）增加自鎖彈簧剛度，減少過(guò)沖概率。

3）空擋自鎖槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減少過(guò)沖概率。

本文著重說(shuō)明軟件方面的優(yōu)化。軟件現(xiàn)有回空擋策略是兩個(gè)電磁閥同時(shí)作用，為了減少過(guò)沖現(xiàn)象，將回空擋策略進(jìn)行優(yōu)化，先打開(kāi)對(duì)側(cè)電磁閥吹氣，起到緩沖作用，再同時(shí)打開(kāi)兩個(gè)電磁閥，具體控制策略如圖2所示。

可以看出，當(dāng)TCU收到目標(biāo)擋位變化的信號(hào)后，開(kāi)始進(jìn)行擋位的判斷。策略1即為現(xiàn)有控制策略，只要判斷出擋位在+12mm或-12mm左右，需要進(jìn)行摘擋，則發(fā)出同時(shí)打開(kāi)閥1和閥2的指令并執(zhí)行回空擋操作。策略2為優(yōu)化后的控制策略，先進(jìn)行擋位判斷，如果擋位在+12mm左右，撥叉軸處于伸出去狀態(tài)，回空擋時(shí)則先打開(kāi)對(duì)側(cè)閥1，閥1先打開(kāi)一段時(shí)間后再同時(shí)打開(kāi)閥1和閥2，先打開(kāi)閥1的時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行標(biāo)定，否則會(huì)導(dǎo)致摘擋時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。如果擋位在-12mm左右，判斷邏輯類似，只是先打開(kāi)閥2，等待一段時(shí)間再同時(shí)打開(kāi)兩個(gè)閥。

實(shí)車驗(yàn)證

以某車型為例，說(shuō)明優(yōu)化摘擋控制策略后的實(shí)車應(yīng)用情況。圖3和圖4所示為實(shí)車測(cè)試數(shù)據(jù)，Bsw_PosnGearActrActRaw12為1/2擋的位移，+12mm左右表示1擋，此時(shí)撥叉軸是伸出去的，-12mm左右表示2擋，此時(shí)撥叉軸是縮回來(lái)的，0mm左右表示空擋，此時(shí)撥叉軸在中間位置。PRAC_DucycGearActrVlv1Ctl為閥1的指令，0表示關(guān)閉，1表示打開(kāi)。PRAC_DucycGearActrVlv2Ctl為閥2的指令，0表示關(guān)閉，1表示打開(kāi)。

圖3所示為電磁閥控制策略1時(shí)的5擋升6擋過(guò)程。對(duì)應(yīng)到8擋AMT上，即為1/2軸進(jìn)行動(dòng)作。5擋時(shí)，位移約為12mm，摘擋指令發(fā)出后，閥1和閥2同時(shí)打開(kāi)，撥叉軸開(kāi)始向空擋位置運(yùn)動(dòng)，正常應(yīng)該回到0mm左右，但出現(xiàn)了過(guò)沖現(xiàn)象，位移最多回到了-4.35mm，造成了明顯的換擋沖擊。

圖4所示為電磁閥控制策略2時(shí)的5擋升6擋過(guò)程。5擋時(shí)，位移約為12mm，摘擋指令發(fā)出后，閥1先打開(kāi)兩個(gè)周期的時(shí)間（10ms），然后同時(shí)打開(kāi)閥1和閥2，撥叉軸開(kāi)始向空擋位置運(yùn)動(dòng)，回到0mm左右，沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)沖現(xiàn)象。摘擋過(guò)程迅速準(zhǔn)確，沒(méi)有出現(xiàn)摘擋時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和摘擋過(guò)沖的問(wèn)題。

結(jié)語(yǔ)

平行軸式直接掛擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)因?yàn)槠浔旧硖攸c(diǎn)，很難從根本上完全杜絕摘擋過(guò)沖的問(wèn)題，有必要開(kāi)發(fā)一種新的摘擋控制策略，在摘空擋時(shí)先開(kāi)對(duì)側(cè)電磁閥，然后再打開(kāi)兩個(gè)電磁閥，給摘擋制造一點(diǎn)緩沖，抵消和減弱摘擋過(guò)沖現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)實(shí)車驗(yàn)證，此策略可以大大降低摘擋過(guò)沖發(fā)生的概率，提高換擋舒適性，保證行車安全，而且不會(huì)造成摘擋困難。摘擋控制策略在某車型的應(yīng)用，說(shuō)明此方法有效可行，可以推廣應(yīng)用到其他中輕型AMT車型。

參考文獻(xiàn)：

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