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的研究與應用＊

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力學原理，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力中斷與恢復過程，并確定應用此技術的工況及其實現(xiàn)方法。將該技術應用于某重型載貨汽車AMT中，得出應用該技術既能保證換擋的舒適性及縮短AMT換擋過程中動力中斷時間，又能提高離合器使用壽命的結論。

1 前言

AMT不僅能減輕駕駛員勞動強度、降低油耗，而且成本低、制造相對簡單，已成為載貨汽車傳動系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。AMT在手動變速器基礎上增加電控換擋機構，在換擋過程中會有動力中斷，且動力中斷時間的長短是影響AMT系統(tǒng)性能的重要因素[1]。

不分離離合器換擋技術是在行車換擋過程中離合器保持不動作，利用發(fā)動機對變速器換擋齒輪副調節(jié)后，直接進行換擋。如此既能縮短換擋過程中動力中斷的時間，又能減少離合器磨損、延長使用壽命，因此該技術是載貨汽車AMT技術的研究方向之一[2～4]。

隨著國Ⅲ排放標準的實施，柴油機已進入電控時代，通過ECU能精確控制發(fā)動機的轉速和扭矩，為實現(xiàn)不分離離合器換擋提供了重要的技術支持。在市場調研中發(fā)現(xiàn)，山西一些礦山的自卸車駕駛員能夠憑經驗在行駛過程中采用不分離離合器進行換擋，以此來減少離合器的更換次數(shù)。因此，從理論和實踐角度分析，載貨汽車AMT系統(tǒng)中應用不分離離合器換擋技術已經成為可能。

2 系統(tǒng)組成

不分離離合器換擋技術是依托AMT系統(tǒng)平臺實現(xiàn)的。

2.1 電控發(fā)動機

電控發(fā)動機通過CAN總線發(fā)送發(fā)動機的扭矩和轉速信息，同時響應從總線上接收到的扭矩請求。換擋時所需的扭矩和轉速信息由ECU通過發(fā)動機電控信息（EEC1）報文發(fā)送，TCU通過發(fā)動機扭矩/轉速控制（TSC1）報文請求發(fā)動機輸出相應的扭矩和轉速。

2.2變速器

試驗研究是在CA10TAX雙中間軸、無同步器變速器上進行的，共有10個前進擋，速比見表1。其內部結構示意圖如圖1所示，圖中黑色三角位置加裝轉速傳感器，用于測量輸入軸轉速和輸出軸轉速。

表1 CA10TAX變速器前進擋速比

3 不分離離合器換擋關鍵技術

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

3.1 最佳摘擋時機

圖2所示為變速器內部一對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力；圖2b為車輛反推發(fā)動機傳遞阻力；圖2c中變速器既不傳遞動力，也不傳遞阻力。

撥頭撥動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為撥動換擋撥叉所需克服的撥叉?zhèn)鲃酉到y(tǒng)阻力，是撥叉系統(tǒng)固有的，與N沒有關系；Fm為換擋齒輪間由于存在正壓力N而產生的摩擦阻力；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，最佳摘擋時機是使摘擋力FZ最?。‵m=0，F(xiàn)Z僅與Fb有關）。此時變速器既不傳遞動力也不傳遞阻力，處于傳遞零扭矩[5、6]狀態(tài)，即變速器內的傳動嚙合齒輪處于自由狀態(tài)。因此摘擋動作應該盡量在圖2c狀態(tài)時進行。

理論上，根據(jù)輸出軸轉速和發(fā)動機轉速可以推算擋位接合齒和換擋滑動齒套的轉速，并通過當前路況、擋位等信息計算出滑動齒套在車輛摘擋過程（無牽引力）中的轉速趨勢，然后調節(jié)發(fā)動機使兩者一直保持圖2c中狀態(tài)。然而受控制精度的影響，該方法不易實現(xiàn)，只能通過調節(jié)發(fā)動機扭矩和轉速以使變速器出現(xiàn)最佳摘擋時機再進行摘擋。

以試驗樣車為例，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為汽車驅動力；Ff為滾動阻力；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齒套端產生的角減速度：

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

發(fā)動機自由狀態(tài)下由于內摩擦阻力會在飛輪端產生角減速度Δωe，可計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。

試驗樣車載重55 t，在國家二級公路最大坡度（7%）上以2擋爬坡行駛時，由公式（3）計算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)動機扭矩降零后，由于Δω1大于Δω2，即ω1下降比ω2快，所以傳動接合齒輪副狀態(tài)會由圖2a狀態(tài)向圖2b狀態(tài)轉換。在此過程中會出現(xiàn)圖2c狀態(tài)（最佳摘擋時機），此時應盡快完成摘擋。若在圖2c狀態(tài)停留的時間較短，來不及完成摘擋動作，可利用發(fā)動機增加扭矩升速，在升速過程或升速后再降低速度過程中會出現(xiàn)圖2c狀態(tài)，此時繼續(xù)完成摘擋動作。

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)的機率越大。故樣車在上述路況行駛時，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)間的轉化，不會出現(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，計算出試驗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，該試驗樣車在普通公路上行駛一般都可以應用不分離離合器摘擋技術。

3.2 最佳掛擋時機

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

由Thomas A.Genise的專利[8]可知，當輸出軸轉速乘以目標擋位速比與輸入軸轉速之差的數(shù)值在±20 r/min之內時為最合適的換擋轉速。本文認為，通過控制接合齒輪副的轉速差實現(xiàn)掛擋會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個步驟：

a.控制發(fā)動機轉速使擋位接合齒和換擋滑動齒套存在一定的轉速差（30～60 r/min）時掛擋，由于導向角的作用兩者會出現(xiàn)一定程度的淺嚙合；

b.在導向面正壓力下會使滑動齒套與擋位接合齒的轉速趨向一致；

c.在換擋力作用下繼續(xù)嚙合完成掛擋，在此過程中也應該利用上述發(fā)動機調節(jié)方法使接合齒輪處于不傳遞扭矩的狀態(tài)。當接合齒輪副之間存在合適的轉速差且轉速趨向一致時換擋力小，很容易完成掛擋，是掛擋的最佳時機。

實際應用中，掛擋過程中應結合當前坡度信息[9]、準備換入的擋位和飛輪特性等參數(shù)實時調節(jié)發(fā)動機，順利完成掛擋。

3.3 換擋前、后車輛動力中斷與恢復

不分離離合器換擋前、后的發(fā)動機控制過程與普通換擋方法的發(fā)動機扭矩控制過程有差異，若沿用后者的發(fā)動機扭矩輸出方式會產生換擋沖擊而影響駕駛舒適性。評價換擋沖擊的量化指標是沖擊度，其是指車輛的縱向加速度對時間的導數(shù)j=d2v/dt2[1]。因此，保證不分離離合器換擋舒適性的關鍵是換擋前、后過程中將沖擊度控制在舒適的范圍內。

采用不分離離合器換擋技術摘擋前應將當前的車輛加速度與動力中斷時的加速度（車輛阻力產生的加速度）做差值計算沖擊度，若不在沖擊度的舒適范圍內，則需要對發(fā)動機進行扭矩控制（一般是降扭操作），待接近或進入沖擊度舒適范圍方可進行摘擋。

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

3.4 應用框圖

在實際應用中，當AMT控制系統(tǒng)策略層計算并發(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的應用條件，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 試驗效果

圖6所示是試驗樣車在城市路況2擋起步連續(xù)加速至5擋的試驗曲線（包括發(fā)動機轉速、換擋撥頭位置傳感器電壓值及目標擋位），圖中采用不分離離合器模式3次換擋的動力中斷時間分別為0.75 s、0.93 s、0.89 s，都沒有超過1 s，縮短了動力中斷的時間，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）擋時機，摘（掛）擋的阻力變大，不適合繼續(xù)執(zhí)行摘（掛）擋，但是通過調節(jié)發(fā)動機后執(zhí)行機構再次動作順利完成摘（掛）擋。

1葛安林.車輛自動變速理論與設計.機械工業(yè)出版社，1993.

2王云成.重型商用車不分離離合器AMT關鍵技術研究:[學位論文].長春：吉林大學，2010.

3裴棟.不分離離合器AMT綜合控制研究:[學位論文].長春：吉林大學，2009.

4初明忠.重型商用車不分離離合器AMT電動換擋的研究: [學位論文].長春：吉林大學，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.汽車理論.北京：機械工業(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別實時算法.汽車工程，2010.

（責任編輯晨曦）

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力中斷

U463.212

：A

1000-3703（2014）02-0013-03

青島市重點技術創(chuàng)新項目。