AMT技術在依維柯車型上的應用

[摘要] 本文主要闡述AMT技術在依維柯車型上的應用。

[關鍵詞] 自動擋；操控；動力性；經(jīng)濟性

中圖分類號：U463.6 " 文獻標志碼：A " " "文章編號：1003-8639（2023）07

The Application of AMT Technology on Iveco Models

LU Xiao-chuan，SUN Wen-zheng

（Product Engineering Department of Nanjing Iveco Automobile Co.，Ltd.，Nanjing 210028，China）

Abstract： This article mainly elaborates on the application of AMT technology on Iveco models.

Key words： automatic transmission；control；power；economy

收稿日期：2023-02-13

1 前言

中國汽車市場在近幾年發(fā)生了重大意義的變革，法規(guī)和市場壓力均要求其提高燃油經(jīng)濟性和排放，激烈的競爭給整車廠帶來了更大的成本壓力。例如，家用小轎車的自動擋的配置率已經(jīng)超過50%，而用于城市物流、特種運輸?shù)纳逃密囎詣訐醯呐渲寐室苍诜€(wěn)步提升。以房車市場的依維柯車型為例，其自動擋配置率高達80%。中國市場對自動擋的需求越來越大，其產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化的要求也越來越高。

在中國，不少整車廠及汽車零部件廠想致力于汽車自動變速器的開發(fā)工作，但容易受到一種思想的影響，希望一種類型的自動變速器，能夠獲得最大的市場份額。因此，在一個自動變速器產(chǎn)品還沒有完成全部開發(fā)，或者一個自動變速器產(chǎn)品還需進一步完善時，受到不同自動變速器技術路線的影響，就放棄了原有的技術路線，轉(zhuǎn)而去進行另一種類型的自動變速器的開發(fā)。自動變速器作為動力總成傳輸?shù)年P鍵環(huán)節(jié)，決定了整車動力性、經(jīng)濟性、平順性等關鍵性能，其開發(fā)，需要從整車應用場景出發(fā)，確認了整車性能需求，尤其是動力性、平順性指標，才能確認采用何種自動變速器產(chǎn)品進行開發(fā)。沒有得到整車開發(fā)技術支持的自動變速器產(chǎn)品往往很難滿足整車設計要求。

每一種自動變速器有優(yōu)點也同樣存在著缺點，沒有一種自動變速器的技術方案可以完全兼顧動力性、經(jīng)濟性、平順性和成本等各項指標。所以，以客戶為中心，從應用場景出發(fā)，選擇合適的自動變速器技術路線，才是合理的選擇。同樣的車，在不同的使用場景下，也可能采用不同的自動變速器技術路線。不同種類變速器的比較如圖1所示。

圖1 不同種類變速器的比較

AMT是在中國第1個進行研發(fā)的自動變速器類型。雖然在過去，它的產(chǎn)業(yè)化一直不是很令人滿意，但這并不是因為這種變速器不好，或不適合中國的市場，而是過去的開發(fā)模式需要完善，過去支持產(chǎn)業(yè)化的資源不充足。隨著新技術的發(fā)展，AMT在中國會有一個美好的未來，原因在于：中國具有MT的豐富制造資源；用戶越來越關注燃油經(jīng)濟性、舒適性、成本；CAN-BUS和動力一體化控制技術的應用使AMT的性能得到了極大的提高。

2 "AMT關鍵技術介紹

2.1 AMT的技術優(yōu)缺點

AMT是在原有的手動變速器上增加自動控制系統(tǒng)，離合器的自動控制增強了對離合器的保護。①和手動變速器相比，離合器的壽命有顯著提高，如：重型車輛AMT在工程應用方面，其離合器壽命增加1倍，中型AMT（如中國城市公交），手動變速器一般只有3～6個月的離合器壽命，而AMT能達到30個月以上；②同時沿用現(xiàn)有手動變速器可靠性部件（比如同步器、齒輪、軸、軸承等）；③通過傳動系統(tǒng)保護控制可縮小傳動系統(tǒng)部件損耗，可以根據(jù)發(fā)動機燃油曲線來優(yōu)化換擋策略，軟件能自適應來提供智能換擋，降低油耗和提高性能；④大大降低了駕駛員的駕駛水平要求，使駕駛員表現(xiàn)得更好，同時降低駕駛疲勞，提升了駕駛員的專注力；⑤和AT相比，能提高燃油經(jīng)濟性，通過CRUSE軟件仿真顯示，同樣擋位數(shù)量下，AMT比AT有22%的油耗降低；⑥和手動變速器相比，能提升車隊整體駕駛水平，并規(guī)范駕駛員換擋習慣。

當然AMT也有其技術短板，如：換擋時的動力中斷；換擋沖擊較大；控制復雜等，這就需要我們通過更好的結(jié)構(gòu)設計和標定策略來弱化這些缺點。

2.2 AMT原理介紹

AMT系統(tǒng)是根據(jù)駕駛員意圖（油門踏板、制動開關、手柄）和車輛狀態(tài)（發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速、輸入軸轉(zhuǎn)速、擋位），以及依據(jù)設定的換擋規(guī)律和借助相應的執(zhí)行機構(gòu)（選換擋機構(gòu)、離合器機構(gòu)），對車輛動力傳動系統(tǒng)（發(fā)動機、變速器、離合器）進行聯(lián)合操縱。AMT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示[1]。AMT控制的基本思想是：如何通過軟件和標定控制系統(tǒng)收油、分離、選換擋、結(jié)合和回油。

圖2 AMT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 "AMT技術在依維柯車上的匹配

3.1 "結(jié)構(gòu)設計

依維柯車型使用的AMT系統(tǒng)由選換擋執(zhí)行機構(gòu)和離合器執(zhí)行機構(gòu)組成。選換擋執(zhí)行機構(gòu)是通過2個電機分別驅(qū)動選擋組件和換擋組件；離合器執(zhí)行機構(gòu)是1個電機驅(qū)動傳動組件，可以補償摩擦片磨損。

選換擋機構(gòu)設計有蝸輪蝸桿驅(qū)動方式和滾珠絲杠副驅(qū)動方式。由于依維柯車的變速器上換擋功能開口在變速器上方，所以選換擋執(zhí)行機構(gòu)只能布置在上方。鑒于依維柯的車身限制，上面放置的空間有限，在設計時要考慮機構(gòu)體積及溫度聚集性，使機構(gòu)周邊溫度盡量與環(huán)境溫度相同，以免長時間高溫影響綜合性能，最終確定采用滾珠絲杠副驅(qū)動方式的方案。

選換擋功能具有選擋和換擋動作原理。選擋動作時，電機驅(qū)動選擋滾珠絲杠副，通過絲杠副上的選擋撥頭撥動選換擋撥塊使軸轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)選擋動作。換擋動作時，電機驅(qū)動換擋滾珠絲杠副，絲杠副帶動換擋撥頭旋轉(zhuǎn)來撥動選換擋撥塊實現(xiàn)換擋動作。選換擋機構(gòu)設計結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 "選換擋機構(gòu)設計結(jié)構(gòu)

比較成熟的離合器機構(gòu)結(jié)構(gòu)均采用蝸輪蝸桿驅(qū)動方式，有拉式和推式兩種。因依維柯原有手動變速器的離合器撥叉為推式驅(qū)動，故AMT離合器機構(gòu)也選擇推式驅(qū)動，與手動變速器布置在同側(cè)。鑒于依維柯的車型為商用車，分離力較乘用車大，最終確定采用帶彈簧助力和磨損補償?shù)耐剖椒桨?，離合器彈簧通過撥叉助推頂桿的方式實現(xiàn)離合器的結(jié)合動作。根據(jù)蝸輪蝸桿傳動的效率及磨損，蝸桿采用金屬件，扇齒采用塑料件，考慮到兩者的強度對磨損的影響，蝸輪蝸桿采取變位設計。離合器機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 離合器機構(gòu)結(jié)構(gòu)

AMT的換擋器是電動換擋器，由手球、面板防塵組件、換向組件和底座構(gòu)成，換擋器外罩沿用手動車型皮套與車身相連。手球部分和連桿連接，通過換向組件完成橫向、縱向移動，帶動下端磁塊的位置變化，從而實現(xiàn)相應位置霍爾原件的感應，完成信號的輸出。電子部分是磁塊與相應位置霍爾感應，輸出高低電信號實現(xiàn)對擋位系統(tǒng)的控制。

3.2 "控制器和標定開發(fā)

AMT系統(tǒng)采用自制的TCU，鋁客體，正常工作電壓范圍：9～16V，正常工作電流小于30A，工作溫度在-40～+105oC之間。其有2個接插件，共121個PIN腳，可驅(qū)動2個選換擋電機，1個離合器電機，同時帶有兩路CAN通信，一路用于采集整車的車速信號、發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號和整車狀態(tài)信息，另外一路用于診斷和標定。TCU采集變速器轉(zhuǎn)速信號，結(jié)合手柄輸入信號和整車相關信息，控制選換擋電機和離合器電機的工作。電機工作時，TCU適時采集電機電流信息、離合器角度信合和選換擋位置信息，進行修正，以實現(xiàn)閉環(huán)管理。AMT系統(tǒng)原理如圖5所示。

圖5 AMT系統(tǒng)原理

要想實現(xiàn)一個汽車級AMT控制單元TCU的開發(fā)，需要完成軟件開發(fā)、軟/硬件集成測試和標定3項重要工作。底層軟件是基礎，控制策略由上層控制軟件編制，各電機的控制由功能軟件實現(xiàn)，一般采用V字形開發(fā)的模式，即從系統(tǒng)功能開始分解各子系統(tǒng)的軟件開發(fā)，再進一步集成調(diào)試，然后按照各個子系統(tǒng)進行標定和驗收，最后完成整個AMT電控單元系統(tǒng)軟件測試。在控制軟件編制過程中，需要經(jīng)過進行大量的標定工作，包括軟件在環(huán)標定、硬件在環(huán)臺架測試、整車轉(zhuǎn)轂測試、實車道路標定工作等。所有的軟件開發(fā)和標定工作，最終是以整車獲得一個最優(yōu)的換擋舒適性為目標。如何優(yōu)化換擋過程中的舒適性，是軟件開發(fā)和標定的難點。

AMT的起步性能考核是整車標定的關鍵項目，提高起步品質(zhì)顯得非常重要。道路狀況錯綜復雜，如爬大坡、沖下坡、路面積雪、半幅路面結(jié)冰等情況，都會對車輛起步提出不同的要求，影響整車起步時離合器結(jié)合的時間點。一樣的路面，因為不同的鋪裝材料，松軟度不一樣，其摩擦系數(shù)差異也很大，理論上，摩擦系數(shù)越小，要求離合器結(jié)合時間越早。就算是同一路面，晴天、雨天、冰雪天多離合器結(jié)合點也有不同需求。自動變速器只有油門踏板，完全靠油門信號來識別駕駛員駕駛需求，這就需要自動變速器自動識別坡道情況，來輔助駕駛員起步車輛。坡道起步策略更為重要，如果坡道較小，只需松掉腳制動后立即踩油門就能保證不溜車，如果坡道較大，那就需要配合手制動，具體操作如下：先拉緊手制動，再松掉腳制動，然后踩油門，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到2000r/min時立即松掉手制動就可起步，否則可能起步失敗。一般，國外的AMT車都配備ESP電子駐車，在坡道上松掉制動后，ESP會保持5s左右，使車不會溜車。因此，對于不帶ESP的AMT車對手制動性能要求比較高，要求其駐車時不能溜車，否則很難坡起。

從離合器第1次分開到離合器完全結(jié)合所用的時間叫做換擋時間，定義為th，換擋時間可以分為5個階段，第1步是分開離合器，第2步是退出原擋位，第3步選擇新?lián)跷?，?步同步進入新?lián)跷?，?步是離合器重新結(jié)合，分別定義為t1、t2、t3、t4和t5。AMT是在原有手動變速器MT的技術上增加了自動選換擋結(jié)構(gòu)而衍生出自動變速器技術。它和傳統(tǒng)手動變速器一樣，必須脫離原擋位后才能開始掛入新的擋位。因為駕駛員只有油門踏板可以控制，在換擋過程中，離合器脫離時，駕駛員會感覺到動力中斷，為了保證整車的平順性能，需要我們縮短AMT的選換擋時間，減少駕駛員對動力中斷的感知。選換擋時間若過長，動力中斷時間越長，駕駛員甚至能明顯感知到整車車速下降和動力損失，這是AMT駕駛性提升的關鍵因素。離合器分開和離合器重新結(jié)合時間太短，可以很好保護離合器的使用壽命，但會出現(xiàn)很大的換擋沖擊，車子頓挫感很強，駕駛性差。若加長該時間，對選換擋的平順性有很好的幫助，但影響其使用耐久性。退出原擋位和掛入新?lián)跷坏臅r間則是越短越好，這個是可以決定AMT性能的一個關鍵因素。換擋時間除與計算機運算速度、電磁閥反應速度有關外，還與發(fā)動機動態(tài)特性、同步時間、執(zhí)行機構(gòu)的反應速度、換擋速度有關，其主要由被控制的變速器、離合器、發(fā)動機三者動作的正確時序決定[2]。

離合器重新結(jié)合時會產(chǎn)生滑摩功Lc，其對離合器是有損害的，也是離合器耐久性設計的關鍵點?；κ请x合器結(jié)合時的摩擦力，包含兩方面，首先是用于克服汽車行駛力矩。車輛起動后，摩擦力矩Tc一直增加，使傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)速與發(fā)動機轉(zhuǎn)速相等，具體公式如下：

LC= c（t）〡ωe（t）-ω1（t）〡dt " " " " " " " " " " " " （1）

式中：Tc（t）——離合器結(jié)合時的摩擦面所產(chǎn)生的力矩；ω1（t）——離合器從帶動輸出軸的角速度；ωe（t）——離合器動力源輸入的角速度。

AMT是在原有手動變速器MT的技術上增加自動選換擋結(jié)構(gòu)，而衍生出自動變速器技術。它和傳統(tǒng)手動變速器一樣，必須脫離原擋位后才能開始掛入新的擋位。因為駕駛員只有油門踏板可以控制，在換擋過程中離合器脫離時，駕駛員會感覺到動力中斷，為了保證整車的平順性能，必須縮短AMT的選換擋時間，減少駕駛員對動力中斷的感知。在整個換擋過程中，各種指令及其滯后時間可以參考表1。

表1 各種指令及其滯后時間

在排除復雜道路條件和駕駛員操作不當?shù)纫蛩氐那闆r下，我們需要建立一個數(shù)學模型來表達出乘客對自動變速器換擋動力性和平順性的感知，即大家所說的沖擊度。離合器分離和結(jié)合的時候，對整車能夠產(chǎn)生明顯的沖擊度，一般采用縱向加速度對時間求導的方式來真實地反映汽車運動過程中的動力性和平順性。

離合器分離過程主要是收油及分離離合器，如果收油過快，以及離合器分離過快，車輛動力會猛地失去，加速度會負的較多，影響平順性；收油過慢，以及離合器分離過快，會造成發(fā)動機轟油門的現(xiàn)象；收油過快，以及離合器分離過慢，又會讓駕駛員覺得車輛加速性不夠好。因此，怎么樣設置收油速度以及離合器分離速度是AMT控制的一大難點，需要大量的標定以及實驗來匹配兩者的關系。

AMT升擋時，在換擋過程中控制發(fā)動機降扭，使發(fā)動機轉(zhuǎn)速與輸入軸轉(zhuǎn)速一致，減少離合器磨損。需要標定AMT和發(fā)動機之間扭矩匹配關系，結(jié)合油門開度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、輸入軸轉(zhuǎn)速等情況，做到升擋減扭，如圖6所示。

圖6 AMT和發(fā)動機之間扭矩匹配關系（升擋減扭）

AMT降擋時，在換擋過程中控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速升扭，使發(fā)動機轉(zhuǎn)速與輸入軸轉(zhuǎn)速一致，減少離合器磨損。此時同樣需要標定AMT和發(fā)動機之間扭矩匹配關系，結(jié)合發(fā)動機轉(zhuǎn)速、輸入軸轉(zhuǎn)速、離合器位置等情況，做到降擋增扭，如圖7所示。

圖7 AMT和發(fā)動機之間扭矩匹配關系（降擋增扭）

不同技術路線的自動變速器具備不一樣的換擋規(guī)律，其表現(xiàn)出來的技術復雜性、平順性、動力性、經(jīng)濟性等性能參數(shù)也不一樣。自動變速器根據(jù)其技術特點和整車所處的狀態(tài)，控制離開原擋位進入下個擋位的規(guī)律叫做換擋規(guī)律。AMT作為自動變速器的一種，同樣需要深入研究換擋規(guī)律，使整車達到動力性、經(jīng)濟性、平順性等整車性能的最優(yōu)平衡，以滿足客戶的使用場景。換擋規(guī)律中起到?jīng)Q定作用的控制邏輯是選擋控制參數(shù)，標定出最優(yōu)的整車控制換擋參數(shù)，能讓自動變速器達到最佳的換擋規(guī)律。根據(jù)控制邏輯的差異，可分為單參數(shù)、兩參數(shù)、三參數(shù)換擋規(guī)律。

單參數(shù)換擋規(guī)律是最為簡單的控制邏輯，只適用于如城市公共交通類工況較為單一的場景下。車速較低、駕駛員油門開度變化不大，為了提升整車的平順性，可以減少換擋次數(shù)。在較為復雜的工況下，單一參數(shù)調(diào)質(zhì)無法達到整車舒適性的要求，會采用兩參數(shù)換擋規(guī)律。一般采用油門和車速同時控制，按照換擋延遲情況又可分為：等延遲型、收斂型、發(fā)散型、組合型4種[3]。不同的場景下，可以使用不同的換擋控制邏輯。如為了改善整車的燃油經(jīng)濟性和噪聲，可以采用早升擋晚降擋的控制策略；如為了獲得較好的整車加速性，則需要自動變速器采用晚升擋的控制策略。在復雜路況下，車速變換較為頻繁時，在客戶油門信號沒有過多變化的情況下，為了保持整車較好的穩(wěn)定性，需要避免頻繁換擋而造成整車動力中斷。目前依維柯AMT車輛采用這種換擋規(guī)律。

當車輛行駛在坡道上時，最容易出現(xiàn)頻繁換擋，因為上坡時在換擋過程中存在動力中斷，導致車輛速度迅速減小，當減到一定速度又降擋，然后車速上去又降擋，如此循環(huán)，造成上坡失敗。而在平路上，由于換擋動力中斷期間車速下降不多就不會存在該現(xiàn)象，因此需要一項技術識別坡道，使其在坡道上時將升擋點延遲，在大坡時能做到不升擋。要想AMT能識別坡道，首先就要求發(fā)動機扭矩一定要準確，否則影響輸出扭矩的計算；其次，整車一致性要好，否則影響拖動扭矩的計算。因為，一般AMT標定時只針對一輛車標定，然后將拖動扭矩數(shù)據(jù)固化在TCU內(nèi)，如果其他車摩擦力較大，就會造成負載扭矩計算不準。同時，整車車速信號精度要高，因為需要通過車速計算加速度來計算慣性扭矩。

4 總結(jié)

隨著輕客技術的發(fā)展，商用車越來越體現(xiàn)出轎車化趨勢，如操控轎車化、設計人性化和乘坐舒適化。在此背景下，越來越多的依維柯車型有了匹配自動擋的需求。而AMT技術作為其中性價比最高、適用性最好和改動量最小的方案，將會有很好的應用前景。

參考文獻：

[1] 雷君.混合動力公交車機械式自動變速箱研究[D].上海：同濟大學，2006.

[2] 冉航.基于空氣動力學原型的VAN式電動物流車造型設計[D].太原：太原理工大學，2017.

[3] 牛炳.AMT換擋規(guī)律及其自適應性研究[D].上海：上海交通大學，2009.

（編輯 "凌 "波）