徐秀華 陳 勇 羅大國 劉文忠 張俊祥

（浙江吉利汽車研究院有限公司）

1 前言

由于制造公差和長期使用磨損等原因，會(huì)使機(jī)械式自動(dòng)變速器的選換擋機(jī)構(gòu)中產(chǎn)生位置偏差,影響到準(zhǔn)確、快速地實(shí)現(xiàn)選換擋[1]。為此，設(shè)計(jì)了一種可應(yīng)用于車輛靜態(tài)和動(dòng)態(tài)2種工況的選換擋位置自識(shí)別方法，并基于該識(shí)別方法獲得的選換擋位置范圍和控制目標(biāo)設(shè)計(jì)了影響換擋時(shí)間的關(guān)鍵同步器換擋控制策略。

2 全電式AMT選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)

全電式AMT選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力傳動(dòng)和工作原理為:通過選擋齒輪機(jī)構(gòu)將選擋電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為選換擋軸上、下移動(dòng)，同時(shí)放大選擋電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力，從而達(dá)到選擋的目的；通過換擋齒輪機(jī)構(gòu)將換擋電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為選換擋軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)放大換擋電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力，從而達(dá)到換擋的目的。

圖1為AMT選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置。如圖1所示，選擋過程為選換擋軸帶動(dòng)換擋指在同步器叉口架內(nèi)左、右移動(dòng)，分別到達(dá)4個(gè)選擋位置；換擋過程為選換擋軸帶動(dòng)換擋指前、后轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)同步器叉口架到達(dá)兩端的在擋位置。

3 選換擋位置自識(shí)別

3.1 選換擋位置自識(shí)別方法

選換擋位置自識(shí)別實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)為:當(dāng)換擋指位于4個(gè)選擋位置和兩端在擋位置（共7個(gè)擋，R擋和6個(gè)前進(jìn)擋）時(shí)，能夠通過選換擋位置傳感器將以上11個(gè)位置以選擋傳感器值和換擋傳感器范圍值組合的方式表示，并且設(shè)定目標(biāo)值作為控制目標(biāo)。圖2為選換擋位置示意圖。

為實(shí)現(xiàn)選換擋位置自識(shí)別控制，在選擋方向上，為限制換擋指在選擋兩端極限位置內(nèi)移動(dòng)，在互鎖板上設(shè)計(jì)有定位銷；在換擋方向上，由于在同步器叉口架上設(shè)計(jì)有彈簧，換擋指只能在空擋和兩端在擋位置范圍內(nèi)移動(dòng)；同時(shí)互鎖板的設(shè)計(jì)也確保了任一時(shí)刻只能選擇1個(gè)擋位，不會(huì)出現(xiàn)2個(gè)擋位同時(shí)被選擇的情況。在以上機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)的選換擋位置自識(shí)別控制方法為:TCU首先控制選擋電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)換擋指到達(dá)5/6選擋極限位置時(shí)記錄選擋傳感器值B；再控制選擋電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)換擋指到達(dá)R/N選擋極限位置時(shí)記錄選擋傳感器值A(chǔ)。根據(jù)尺寸鏈計(jì)算，以1/2選擋位置為目標(biāo)，通過PID算法控制到達(dá)該目標(biāo)位置，再控制換擋電機(jī)正反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)，以確定計(jì)算出的1/2、3/4選擋位置能夠進(jìn)行換擋動(dòng)作。再以相同的控制思路獲得換擋方向的兩端極限位置的換擋傳感器值C和D；以計(jì)算E=1/2（C+D）為退空擋的位置目標(biāo)，通過PID算法控制到達(dá)該目標(biāo)位置后，再控制選擋電機(jī)正反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)，以確定計(jì)算出的空擋位置能夠進(jìn)行選擋動(dòng)作。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)的自識(shí)別控制方法進(jìn)行自識(shí)別時(shí)，當(dāng)所記錄的A與B的差值較小時(shí)，可判斷換擋指位于在擋范圍，此時(shí)可根據(jù)圖3中的初始換擋指位于某一在擋位置時(shí)的自識(shí)別操作步驟記錄選擋傳感器值A(chǔ)′和B′后，先進(jìn)行換擋再進(jìn)行選擋動(dòng)作。

通過選換擋位置自識(shí)別方法可記錄11組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的4個(gè)選擋位置和7個(gè)在擋位置范圍，并設(shè)置控制目標(biāo)為:

3.2 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)工況下位置自識(shí)別的應(yīng)用規(guī)則

選換擋位置自識(shí)別可應(yīng)用于車輛靜態(tài)和動(dòng)態(tài)2種工況下。靜態(tài)自識(shí)別是指AMT樣機(jī)裝配完成后的位置初始化；動(dòng)態(tài)自識(shí)別是指當(dāng)出現(xiàn)更換零件或車輛行駛超過設(shè)定里程時(shí)進(jìn)行位置自識(shí)別，以保證車輛能夠正常行駛，避免無法完成換擋操作或同步器損壞的極端情況發(fā)生。

位置自識(shí)別只在需要時(shí)執(zhí)行一次即可，自識(shí)別的位置結(jié)果將會(huì)存儲(chǔ)在TCU中，在同步器控制過程中作為標(biāo)定量直接調(diào)用。當(dāng)選擋和換擋位置自識(shí)別完成后，將設(shè)立選換擋位置自識(shí)別完成標(biāo)志位。若位置自識(shí)別過程在規(guī)定時(shí)間內(nèi)自識(shí)別完成標(biāo)志位未成立，且儀表臺(tái)上顯示故障燈，則通過故障診斷方法首先排除故障后再進(jìn)行位置自識(shí)別。

4 換擋控制策略

4.1 換擋控制的影響因素

在同步器的控制中，換擋控制是影響換擋品質(zhì)的關(guān)鍵步驟。傳統(tǒng)的同步器換擋性能評(píng)價(jià)方法主要采用與整車平順性相關(guān)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，即沖擊度、換擋時(shí)間和滑磨功[2，3]。

不同主機(jī)廠針對(duì)換擋時(shí)間的定義不同，本文定義發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩開始降低直至發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與輸入軸轉(zhuǎn)速同步時(shí)的時(shí)間為換擋時(shí)間。圖4為德國某公司針對(duì)目前市場(chǎng)上AMT、AT和DSG在不同油門開度下1擋升2擋時(shí)換擋時(shí)間和換擋前發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，當(dāng)設(shè)計(jì)的變速器控制策略對(duì)應(yīng)的換擋時(shí)間少于統(tǒng)計(jì)結(jié)果時(shí)表明滿足市場(chǎng)需求，如油門開度為50%時(shí)，要求AMT 1擋升2擋的換擋時(shí)間≤2.12 s。

4.2 換擋控制的關(guān)鍵點(diǎn)分析

換擋控制動(dòng)作是指當(dāng)換擋指已到達(dá)目標(biāo)擋位對(duì)應(yīng)的空擋位置范圍時(shí)，以在擋位置為目標(biāo)，控制換擋電機(jī)到達(dá)在擋范圍。換擋動(dòng)作包括如圖5所示的以“位移”為目標(biāo)的階段1和階段4，以及以“力”為目標(biāo)的階段2和階段3。

4.2.1 位移控制階段1

位移控制階段1的目的是控制同步器迅速到達(dá)靠近同步開始點(diǎn)的位置，從而縮短換擋時(shí)間。在同步器機(jī)械結(jié)構(gòu)上是指同步器的滑塊與同步環(huán)剛剛接觸的點(diǎn)，如圖6所示。

通過以下2種方法獲得靠近同步開始點(diǎn)的位置值:一是在選換擋位置自識(shí)別過程中，首先進(jìn)行力控制階段2的測(cè)試，以記錄的換擋傳感器的“實(shí)際值-偏差Offest”為控制目標(biāo)；二是通過標(biāo)定獲得該值。獲得該目標(biāo)位置后，通過PID算法控制換擋電機(jī)的占空比到達(dá)該位置，同時(shí)選擋電機(jī)保持關(guān)閉狀態(tài)。

4.2.2 力控制階段2

力控制階段2的目的是找到同步開始點(diǎn)。在同步器機(jī)械結(jié)構(gòu)上，在換擋力F1的作用下同步器接合套的鎖止面與同步環(huán)的鎖止面接觸并產(chǎn)生摩擦力矩，在摩擦力矩的作用下使同步環(huán)與接合齒套的轉(zhuǎn)速迅速接近，最終同步環(huán)鎖止[4]，如圖7所示。

當(dāng)電機(jī)的電流變化率大于標(biāo)定值，且換擋傳感器的變化率小于標(biāo)定值時(shí)，表示同步器在換擋過程中遇到較大阻力[5]，即設(shè)置該點(diǎn)為同步開始點(diǎn)并設(shè)定標(biāo)志位，同時(shí)記錄此處的換擋傳感器的實(shí)際值和輸出軸轉(zhuǎn)速。

此階段為控制的關(guān)鍵階段，控制速度過快將影響換擋質(zhì)量甚至損壞同步器。此時(shí)以計(jì)算的占空比控制換擋電機(jī)推動(dòng)同步器移動(dòng)，直至滿足以上判斷條件，同時(shí)選擋電機(jī)保持關(guān)閉狀態(tài)。

4.2.3 力控制階段3

力控制階段3的目的是找到同步器轉(zhuǎn)速同步點(diǎn)。在同步器機(jī)械結(jié)構(gòu)上，接合套的鎖止角穿過同步環(huán)鎖止角，在換擋力F1′的作用下同步器接合套的鎖止面與接合齒圈的鎖止面接觸。在此過程中，接合齒圈的轉(zhuǎn)速迅速上升到與同步環(huán)的轉(zhuǎn)速相同，同步環(huán)連同齒圈及與之相連的所有零件一同相對(duì)接合套逆轉(zhuǎn)一個(gè)角度，使接合套能順利與同步環(huán)結(jié)合，如圖8和圖9所示。

當(dāng)各擋位計(jì)算出的目標(biāo)輸入軸轉(zhuǎn)速與實(shí)際輸入軸轉(zhuǎn)速的差值小于標(biāo)定值時(shí)，表示同步器到達(dá)換擋轉(zhuǎn)速同步階段，設(shè)置該點(diǎn)為轉(zhuǎn)速同步點(diǎn)，并設(shè)定轉(zhuǎn)速同步點(diǎn)標(biāo)志位。

控制過程以計(jì)算的占空比控制換擋電機(jī)，直至滿足以轉(zhuǎn)速為目標(biāo)的判斷條件，同時(shí)選擋電機(jī)保持關(guān)閉狀態(tài)。

4.2.4 位移控制階段4

由于在位移控制階段4已基本完成同步器接合套與接合齒圈的轉(zhuǎn)速同步（圖10、圖11），因此以換擋自識(shí)別出的在擋位置為目標(biāo)，通過PID算法迅速控制同步器到達(dá)目標(biāo)位置，從而節(jié)約換擋時(shí)間，同時(shí)選擋電機(jī)保持關(guān)閉狀態(tài)。

5 樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證AMT選換擋位置自識(shí)別方法的可行性，在某樣機(jī)（6AMT）上進(jìn)行了試驗(yàn)，并通過TCU計(jì)算的速比驗(yàn)證選換擋自識(shí)別的位置是否正確。同時(shí)在此基礎(chǔ)上驗(yàn)證設(shè)計(jì)的換擋控制策略的可行性。該樣機(jī)的各擋速比見表1。

表1 6AMT各擋速比

5.1 11個(gè)擋位的選換擋自識(shí)別位置

根據(jù)選換擋位置自識(shí)別方法獲得的11個(gè)擋位的選換擋范圍見表2。當(dāng)選擋傳感器和換擋傳感器檢測(cè)的值同時(shí)滿足表2中的選換擋范圍時(shí)，表示變速器此時(shí)位于對(duì)應(yīng)的擋位。圖12為設(shè)定目標(biāo)值通過PID算法控制到達(dá)目標(biāo)選擋位置的過程。

表2 11個(gè)擋位的選換擋范圍 mV

5.2 換擋試驗(yàn)結(jié)果

圖13為50%油門開度下1擋升2擋時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可知從發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際扭矩開始降低到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和輸入軸轉(zhuǎn)速同步的時(shí)間約＜1.5s，同步器工作時(shí)間為離合器開始分離到擋位更新之間的時(shí)間＜200 ms，滿足市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)的設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語

每臺(tái)全電式AMT的選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的裝配位置均存在一定差異，為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、快速地?fù)Q擋，設(shè)計(jì)了應(yīng)用于車輛靜態(tài)和動(dòng)態(tài)工況的選換擋位置自識(shí)別方法。對(duì)同步器控制中與換擋時(shí)間關(guān)系密切的換擋控制策略的控制關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了分析，退擋和選擋控制僅需以設(shè)定的控制目標(biāo)值為目標(biāo)通過PID控制即可實(shí)現(xiàn)。通過試驗(yàn)驗(yàn)證表明，所設(shè)計(jì)的自識(shí)別方法識(shí)別出的選換擋位置范圍和控制目標(biāo)能夠順利實(shí)現(xiàn)換擋控制，且換擋控制策略滿足換擋時(shí)間市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)的設(shè)計(jì)要求。

1 李勇，常思勤，等.AMT選換擋機(jī)構(gòu)自學(xué)習(xí)控制策略研究.汽車工程，2010，32（10）:878～882.

2 何忠波、梁憲福.AMT換擋過程動(dòng)力學(xué)建模及換擋品質(zhì)影響因素分析.軍械工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，16（6）:45～49.

3 陳寧，趙丁選，于微波.改善動(dòng)力換擋變速箱換擋品質(zhì)的研究.機(jī)械與液壓，2004（10）:29～31.

4 羅元月，李鈞浩，等.機(jī)械式自動(dòng)變速器同步過程的控制策略研究.機(jī)電工程技術(shù)，2012（8）.

5 徐秀華，陳勇，等.全電式AMT同步器控制分析及其驗(yàn)證.汽車技術(shù)，2013（5）:41～45.