陳趙偉,王 程,戴建國,朱建輝,許善珍

(淮陰工學院 交通工程學院，江蘇 淮安 223003)

汽車作為目前人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡慕煌üぞ?，也是能源需求和排放增長的主要貢獻者，在其市場保有量不斷攀升、全球能源不斷枯竭及環(huán)保意識不斷加強的大背景下，對其操縱性能、環(huán)保性和經(jīng)濟性的要求越來越高。

變速器作為汽車關鍵核心部件，其在汽車的操縱性、舒適性以及燃油經(jīng)濟性等方面起到了重要作用。隨著電控技術、計算機技術和高精度加工技術的不斷發(fā)展與應用，近年來，自動變速器綜合性能取得了長足的發(fā)展和進步，其市場滲透率不斷提升并呈快速增長態(tài)勢，2017-2020年變速器年復合增長率在13%～15%波動，如圖1所示，預計2022年我國汽車變速箱市場規(guī)模將達到3790億元。

圖1 2017-2022年汽車變速器市場規(guī)模統(tǒng)計及預測

目前主流的自動變速器有AT、AMT、CVT和DCT[1]。其中AMT具有生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)繼承性好、傳動效率高、燃油經(jīng)濟性高等優(yōu)點[2]，在商用車領域獲得了較好的發(fā)展。在新能源汽車領域，傳動系統(tǒng)多擋化有利于提升車輛動力性和續(xù)航里程，AMT具有控制響應快、無離合器控制的天然優(yōu)勢，符合我國新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)略需求，發(fā)展前景廣闊。但是，由于AMT的非動力換擋，換擋過程存在動力中斷、換擋沖擊大，控制參數(shù)多，控制技術復雜等問題，許多困擾其發(fā)展的關鍵技術還在深入研究。

1 AMT國內(nèi)外應用現(xiàn)狀

AMT的研究最早開始于20世紀60年代的歐洲，經(jīng)過長時間的摸索，20世紀80年代奔馳和斯堪尼亞開發(fā)出第一代AMT產(chǎn)品，1989年AMT首次應用在IVECO輕型卡車上，20世紀90年代AMT逐漸占據(jù)歐美、日本商用車市場，并于2002年開始大規(guī)模裝配，成為歐洲商用車型標配。目前歐美發(fā)達國家AMT商用車型普及率都已超過70%，主要采用奔馳Power-Shift變速箱、沃爾沃I-shift變速箱、采埃孚Traxon變速箱和馬克m DRIVE變速箱[3]。在乘用車領域AMT主要被用于帕加尼、蘭博基尼、軒尼詩和西爾貝的超跑車型中。

國內(nèi)關于AMT的研究于改革開放后逐漸展開，由于研究基礎薄弱，直到2008年重汽推出豪沃A7，AMT車型才開始出現(xiàn)在商用車市場上。2015年后，隨著自動變速器逐漸成為市場的主流，我國商用車市場自動擋車型的需求的不斷擴大。AMT在油耗、輸出扭矩、傳動效率等方面的優(yōu)勢使其越來越受到市場的青睞，裝機率穩(wěn)步提升。一汽解放J7、重汽汕德卡C7H、重汽HOWO T7H、上汽躍進H500、上汽C500等車型，均配備了重汽自主研發(fā)的AMT變速器。有分析認為2025年我國商用車AMT普及率有望達到50%[4]。在乘用車領域中，受AMT換擋品質(zhì)及微型、小型車輛市場不斷萎縮的影響，AMT變速器在乘用車市場上的表現(xiàn)不盡人意，至2020年，只有寶駿旗下有AMT車型在售[5]。但是，隨著新能源車輛多擋化進程的推進，可以預見，AMT將在新能源乘用車領域有不錯的表現(xiàn)。

2 AMT研究現(xiàn)狀

針對AMT控制技術復雜、換擋品質(zhì)不佳的問題，目前，AMT的研究工作主要圍繞無動力中斷換擋技術、多系統(tǒng)綜合控制、智能擋位決策策略研究等方面展開[6]。

2.1 無動力中斷換擋技術

通過換擋結構優(yōu)化、控制參數(shù)優(yōu)化是實現(xiàn)AMT無動力中斷換擋的主要技術手段。

2.1.1 AMT無動力中斷換擋結構優(yōu)化

AMT動力傳動系統(tǒng)的優(yōu)劣影響著車輛行駛的平順性與動力性[7]。在系統(tǒng)結構優(yōu)化上，李丹等[8-9]討論了使用多?？煽負Q擋器(MCS)替代換擋同步器的新型UST動力傳動系統(tǒng)，實現(xiàn)了AMT無動力中斷換擋但仍然無法完全避免換擋沖擊的問題。Kuroiwa等[10]針對換擋中的動力中斷問題，在AMT換擋系統(tǒng)中增加輔助離合器，其結構如圖2所示，在換擋時主離合器控制擋位的變換，此時輔助離合器電機推動輔助離合器和5擋結合，將發(fā)動機動力傳遞給車輛，作為換擋期間的動力補償，直至換擋結束。王明等[11]調(diào)整后置式二擋AMT變速器的同步器將其布置與變速器第二軸，通過切換同步器與離合器減小換擋過程中的最大沖擊度與滑摩損失，實現(xiàn)無動力中斷換擋。

圖2 轉矩輔助AMT結構

隨著越來越多的學者對AMT結構改進的不懈努力，在很大程度上提高了換擋質(zhì)量，并以此出現(xiàn)了諸如動力補償、結構布局改動等方案。與此同時，不少學者也將目光投射到以控制優(yōu)化改善換擋動力中斷上去。

2.1.2無動力中斷換擋控制優(yōu)化

針對離合器的非線性特點和執(zhí)行機構在跟蹤、控制等方面遇到的困難，目前主要通過控制參數(shù)優(yōu)化以縮短換擋時間、減小換擋時的沖擊度和摩擦損失，使離合器輸出平順無動力中斷。

Saini等[12]使用遺傳算法對離合器的工作效率和加速性能進行優(yōu)化縮短了換擋時間提高了換擋動力輸出的連續(xù)性。趙玉才[13]換擋執(zhí)行機構使用PID控制器進行控制，提升了AMT離合器的換擋性能。李聰波等[14]提出新型換擋機構參數(shù)優(yōu)化匹配方法，構建以沖擊度和滑摩功為優(yōu)化目標的多目標優(yōu)化模型輔以灰狼算法進行優(yōu)化求解，結果表明此方法能有效降低換擋過程中的沖擊度和滑摩功，實現(xiàn)無動力中斷換擋。Huang等[15]在驅動系統(tǒng)中集成多速變速器，提出了一種新型的雙速行星自動手動變速器(PAMT)，基于所提出的控制策略將換擋過程有序地分為五個階段并通過控制個階段電磁轉矩降低縱向車輛制動和換檔持續(xù)時間實現(xiàn)最佳換擋質(zhì)量。Hu等[16]針對同步器齒套與齒圈嚙合時動力中斷時間長、沖擊力大的問題，引入泊松恢復系數(shù)碰撞模型對換擋力、相對速度差、相對轉角進行分析，得出換擋沖擊隨著相對角度絕對值的增加而逐漸增加，在換擋時套筒的角度變化不能滯后于齒圈的角度變化，并以此為基礎實現(xiàn)無動力中斷。

2.2 多系統(tǒng)綜合控制

2.2.1驅動-傳動系統(tǒng)綜合控制

AMT變速器在換擋時遭受的困境在很大程度上是來自驅動系統(tǒng)在離合器接合時調(diào)速問題難以做到實時適應。在換擋期間發(fā)動機轉速、轉矩不但要保持相對穩(wěn)定還要對變速器轉速、轉矩做出適應性變化，以求減小換擋沖擊、提升換擋效率。

針對此種問題各大企業(yè)和專家學者都做出了重要研究，并在實際運用中取得了階段性成果。何忠波等[17]通過控制發(fā)動機油路的通斷實現(xiàn)在換擋過程中發(fā)動機轉速的實時控制，但此方法忽視了慣性在控制過程中的不可控性，轉速無法在短時間內(nèi)達到指定范圍。隨著CAN協(xié)議逐漸開源，黃英等[18]將TCU和ECU采集的信號通過CAN總線實時共享，構建對轉速和轉矩的聯(lián)合控制，其動力傳動控制如圖3所示，避免了轉矩突變、減小了換擋時的動力損失、提高了舒適性，隨著以混動車型為代表的多動力源車型的出現(xiàn)，通過電子節(jié)氣門影響進氣量進而控制發(fā)動機轉速的方法已然處于邊緣地位，動力傳動系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制開啟了新階段。張炳力等[19]在設計了一種以轉矩、轉速雙閉環(huán)控制為底層邏輯的自動換擋協(xié)調(diào)控制策略。梁亮等[20]發(fā)現(xiàn)了加速踏板開度超過一定值的時間比例與駕駛員的起步意圖的聯(lián)系，通過精確識別和量化駕駛員在不同駕駛道路條件下的起動意圖協(xié)調(diào)發(fā)動機輸出扭矩和離合器的接合速度，實現(xiàn)平穩(wěn)起步。

圖3 基于CAN總線的動力傳動控制系統(tǒng)

2.2.2驅動-制動系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制

車輛在換擋過程中驅動與制動系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制是提升駕駛感受，確保行車安全性的重要方面。Zhang等[21]對Prius和volt中離合器個數(shù)和系統(tǒng)工作模式進行分析引入動態(tài)規(guī)劃對離合器參數(shù)很換擋策略進行了匹配優(yōu)化。現(xiàn)代集團對混動汽車動力模式切換過程中對離合器承受的壓力進行閉環(huán)控制，確保了車輛在行駛過程中的穩(wěn)定性[22]。張俊智等[23]在研究混動車輛動力混合度對換擋時機的影響規(guī)律和換擋后檔位變化對混動車輛驅動系統(tǒng)工作狀態(tài)影響的規(guī)律，提出混動車輛變速器換擋控制策略，解決了變速器換擋規(guī)律和驅動系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的問題。

2.3 智能擋位決策策略研究

AMT換擋規(guī)律受到“人-車-路”(駕駛員意圖、車輛狀態(tài)、行駛環(huán)境)的影響，如圖4所示。傳統(tǒng)的擋位決策策略聚焦的經(jīng)濟最佳擋位和動力最佳擋位已愈加無法適應日益復雜的駕駛環(huán)境。

圖4 人-車-路關系圖

目前智能化換擋的研究熱點是在擋位決策系統(tǒng)中加入神經(jīng)模糊技術控制算法，將神經(jīng)網(wǎng)絡技術和模糊控制技術相結合，制定不同工況下的換擋策略。由于訓練樣本的數(shù)量限制以及無法進行動態(tài)訓練來及時適應車況、路況和駕駛員特性的變化導致決策模型的精度較低，容易出現(xiàn)最佳擋位判斷失誤。因此對AMT擋位決策系統(tǒng)的優(yōu)化研究就成為提高換擋準確性的關鍵。

陳清洪等[24]在三參數(shù)換擋模型中加入神經(jīng)網(wǎng)絡，利用經(jīng)驗豐富的駕駛員的駕車經(jīng)驗和專家知識對換擋模型進行訓練，利用神經(jīng)網(wǎng)絡動態(tài)學習的特性提升了其適應能力提高了換擋準確率。焦海寧等[25]通過建立擋位決策-離合器接合控制模型，將神經(jīng)網(wǎng)絡應用到離合器接合控制上，實現(xiàn)了擋位判別和離合器分離的快速響應。任永強等[26]利用三參數(shù)換擋規(guī)律進行參數(shù)和算法優(yōu)化，使用交叉熵代價函數(shù)取代傳統(tǒng)的二次代價函數(shù)優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡，提升了樣本學習速度并且優(yōu)化后也提高了決策模型的準確度。趙丁選等[27]提出在四參數(shù)換擋策略下，通過變步長法和動量梯度法向傳播算法對BP神經(jīng)網(wǎng)絡進行改進，改善了其收斂速度慢、存在“局部最小值”的問題并且提高了傳動效率，縮短了樣本學習時間。

3 研究趨勢

經(jīng)過多年的研究與探索，AMT技術已取得了長足的進步，但其換擋性能、駕駛體驗還未能達到DCT、CVT變速器的水準，應用上還只局限于部分商用車和微型車。在汽車工業(yè)智能化、網(wǎng)聯(lián)化、電動化的發(fā)展潮流推動下，AMT技術正朝著換擋預測網(wǎng)聯(lián)化、智能換擋動態(tài)學習與決策控制、直驅換擋控制、電機-變速器協(xié)調(diào)控制等方向發(fā)展，不斷提高控制精細度和魯棒性。

(1)換擋預測網(wǎng)聯(lián)化。車輛在換擋前實現(xiàn)對路況、車況信息的精準把控，為車輛中央處理器提供數(shù)據(jù)支撐來實現(xiàn)車輛換擋智能動態(tài)決策始終是各大車企和院校的追求目標。因此研究車內(nèi)通信、車際通信、云端通信三網(wǎng)融合技術將車輛作為網(wǎng)絡節(jié)點提前感知路況、車況。研究數(shù)據(jù)在車內(nèi)傳輸時的信息傳輸時延、失效以及云端通信時網(wǎng)絡基站切換對車輛信息傳輸穩(wěn)定性影響，利用反饋控制等手段提高抗干擾能力[28]。

(2)AMT換擋動態(tài)學習與智能決策控制。未來的車機協(xié)同方向必然是無人駕駛，通過車輛的整體網(wǎng)聯(lián)化將實時數(shù)據(jù)載入控制系統(tǒng)實現(xiàn)車輛自主行駛。自動換擋系統(tǒng)作為整車控制系統(tǒng)中極其重要的子系統(tǒng)，將通過與數(shù)據(jù)實時共享輔以實時優(yōu)化算法，解決自動換擋控制的不確定性問題，包括模型預測控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡算法、基于Pontryagin最小原理的控制算法以及解耦算法。根據(jù)車況、路況的實時數(shù)據(jù)反饋通過優(yōu)化算法實現(xiàn)換擋的動態(tài)學習和實時決策控制。如圖5所示，路況信息和車況信息通過車載互聯(lián)系統(tǒng)傳入車輛的中央處理器中，同時中央處理器與云端保持互聯(lián)通過大數(shù)據(jù)進行優(yōu)化匹配既為車輛做出最佳的換擋策略同時也利用其進行動態(tài)學習，通過控制器控制換擋執(zhí)行器進行換擋。并且在此趨勢下實時預測和車輛速度跟蹤誤差補償[29]、減小換擋時執(zhí)行器響應延遲、提高車輛下層協(xié)同控制的魯棒性成為新一輪研究熱點。

(3)直驅換擋控制。近年來，AMT換擋直驅技術愈加受到重視，出現(xiàn)了電液直驅、電磁直驅等多種換擋驅動方案，其中電磁直驅裝置因其可實現(xiàn)較高集成度、擁有較高功率密度使得驅動力變化范圍大，響應速度快成為換擋執(zhí)行器的首選方案。圖6為一種電磁直線執(zhí)行器為換擋執(zhí)行機構的AMT技術方案。目前電磁直驅AMT控制中所面臨的換相推力波動、摩擦力估計與補償、高精度定位以及高精度軌跡跟蹤、多目標優(yōu)化等問題成為新一輪攻關目標，而實時預測精度補償、無傳感位置預測方法[30]、點位最優(yōu)運動控制、自抗擾軌跡追蹤、顯式抗擾控制[31]、基于偽譜法的多目標換擋控制優(yōu)化[32]等技術已成為解決上述問題的研究熱點。

圖5 整體控制架構

1、2、3：電磁直線執(zhí)行器；4、5、6：換擋桿；7、8、9：撥塊；10：撥叉軸座；11、12、13：撥叉；14、15、16：撥叉軸。圖6 換擋執(zhí)行機構示意圖

(4)電機-變速器協(xié)調(diào)控制。清潔能源正在成為車輛動力的更優(yōu)選，并且針對當前電池技術的局限性，車輛傳動系統(tǒng)多擋化已成為提升車輛動力性和續(xù)航里程的有效手段。在新能源車輛多擋化控制中AMT技術具有動力性強、集成度高、全路況適應力強等特點、發(fā)展前景廣闊。但也面臨著起步離合器滑摩、換擋過程轉矩突變、理想驅動特性、能量管理、電機調(diào)速同步時間過長等問題。而電機-變速器協(xié)調(diào)控制[33]是解決上述問題的關鍵。因此驅動電機-變速器聯(lián)合同步控制[34]、驅動電機轉速轉矩雙閉環(huán)控制、轉矩變化率控制、驅動電機加載曲線優(yōu)化、電機-變速器扭矩協(xié)調(diào)控制仍需在未來不斷深入。

4 結語

隨著當前對汽車經(jīng)濟環(huán)保、性能、駕乘感受等綜合要求的提高，各廠商對離合器的研發(fā)投入也在不斷加大。當前AMT變速器在商用車市場具有較大的增量空間，符合我國掌握AMT核心技術打破國外變速器技術壟斷的戰(zhàn)略需求。

目前，AMT在無動力中斷換擋、驅動傳動制動多系統(tǒng)綜合控制和智能換擋預測技術中取得了跨越式發(fā)展。在汽車工業(yè)智能化、網(wǎng)聯(lián)化、電動化的背景下，通過直驅技術、神經(jīng)網(wǎng)絡等技術手段不斷進行控制方法的革新，AMT在未來時間內(nèi)將進一步提升其綜合性能。