全電式AMT選換擋位置自識別方法和換擋策略研究

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，會使機械式自動變速器的選換擋機構(gòu)中產(chǎn)生位置偏差,影響到準(zhǔn)確、快速地實現(xiàn)選換擋[1]。為此，設(shè)計了一種可應(yīng)用于車輛靜態(tài)和動態(tài)2種工況的選換擋位置自識別方法，并基于該識別方法獲得的選換擋位置范圍和控制目標(biāo)設(shè)計了影響換擋時間的關(guān)鍵同步器換擋控制策略。

2 全電式AMT選換擋執(zhí)行機構(gòu)

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

圖1為AMT選換擋執(zhí)行機構(gòu)位置。如圖1所示，選擋過程為選換擋軸帶動換擋指在同步器叉口架內(nèi)左、右移動，分別到達4個選擋位置；換擋過程為選換擋軸帶動換擋指前、后轉(zhuǎn)動，推動同步器叉口架到達兩端的在擋位置。

3 選換擋位置自識別

3.1 選換擋位置自識別方法

選換擋位置自識別實現(xiàn)的目標(biāo)為:當(dāng)換擋指位于4個選擋位置和兩端在擋位置（共7個擋，R擋和6個前進擋）時，能夠通過選換擋位置傳感器將以上11個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。

為實現(xiàn)選換擋位置自識別控制，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，在互鎖板上設(shè)計有定位銷；在換擋方向上，由于在同步器叉口架上設(shè)計有彈簧，換擋指只能在空擋和兩端在擋位置范圍內(nèi)移動；同時互鎖板的設(shè)計也確保了任一時刻只能選擇1個擋位，不會出現(xiàn)2個擋位同時被選擇的情況。在以上機械設(shè)計的基礎(chǔ)上，設(shè)計的選換擋位置自識別控制方法為:TCU首先控制選擋電機反向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)換擋指到達5/6選擋極限位置時記錄選擋傳感器值B；再控制選擋電機正向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)換擋指到達R/N選擋極限位置時記錄選擋傳感器值A(chǔ)。根據(jù)尺寸鏈計算，以1/2選擋位置為目標(biāo)，通過PID算法控制到達該目標(biāo)位置，再控制換擋電機正反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)，以確定計算出的1/2、3/4選擋位置能夠進行換擋動作。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算法控制到達該目標(biāo)位置后，再控制選擋電機正反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)，以確定計算出的空擋位置能夠進行選擋動作。

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

通過選換擋位置自識別方法可記錄11組數(shù)據(jù)對應(yīng)的4個選擋位置和7個在擋位置范圍，并設(shè)置控制目標(biāo)為:

3.2 靜態(tài)和動態(tài)工況下位置自識別的應(yīng)用規(guī)則

選換擋位置自識別可應(yīng)用于車輛靜態(tài)和動態(tài)2種工況下。靜態(tài)自識別是指AMT樣機裝配完成后的位置初始化；動態(tài)自識別是指當(dāng)出現(xiàn)更換零件或車輛行駛超過設(shè)定里程時進行位置自識別，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。

位置自識別只在需要時執(zhí)行一次即可，自識別的位置結(jié)果將會存儲在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別完成后，將設(shè)立選換擋位置自識別完成標(biāo)志位。若位置自識別過程在規(guī)定時間內(nèi)自識別完成標(biāo)志位未成立，且儀表臺上顯示故障燈，則通過故障診斷方法首先排除故障后再進行位置自識別。

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價方法主要采用與整車平順性相關(guān)的評價指標(biāo)，即沖擊度、換擋時間和滑磨功[2，3]。

不同主機廠針對換擋時間的定義不同，本文定義發(fā)動機扭矩開始降低直至發(fā)動機轉(zhuǎn)速與輸入軸轉(zhuǎn)速同步時的時間為換擋時間。圖4為德國某公司針對目前市場上AMT、AT和DSG在不同油門開度下1擋升2擋時換擋時間和換擋前發(fā)動機扭矩的統(tǒng)計結(jié)果，當(dāng)設(shè)計的變速器控制策略對應(yīng)的換擋時間少于統(tǒng)計結(jié)果時表明滿足市場需求，如油門開度為50%時，要求AMT 1擋升2擋的換擋時間≤2.12 s。

4.2 換擋控制的關(guān)鍵點分析

換擋控制動作是指當(dāng)換擋指已到達目標(biāo)擋位對應(yīng)的空擋位置范圍時，以在擋位置為目標(biāo)，控制換擋電機到達在擋范圍。換擋動作包括如圖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靠近同步開始點的位置，從而縮短換擋時間。在同步器機械結(jié)構(gòu)上是指同步器的滑塊與同步環(huán)剛剛接觸的點，如圖6所示。

通過以下2種方法獲得靠近同步開始點的位置值:一是在選換擋位置自識別過程中，首先進行力控制階段2的測試，以記錄的換擋傳感器的“實際值-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算法控制換擋電機的占空比到達該位置，同時選擋電機保持關(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。在同步器機械結(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，表示同步器在換擋過程中遇到較大阻力[5]，即設(shè)置該點為同步開始點并設(shè)定標(biāo)志位，同時記錄此處的換擋傳感器的實際值和輸出軸轉(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。此時以計算的占空比控制換擋電機推動同步器移動，直至滿足以上判斷條件，同時選擋電機保持關(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。在同步器機械結(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接合套逆轉(zhuǎn)一個角度，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)各擋位計算出的目標(biāo)輸入軸轉(zhuǎn)速與實際輸入軸轉(zhuǎn)速的差值小于標(biāo)定值時，表示同步器到達換擋轉(zhuǎn)速同步階段，設(shè)置該點為轉(zhuǎn)速同步點，并設(shè)定轉(zhuǎn)速同步點標(biāo)志位。

控制過程以計算的占空比控制換擋電機，直至滿足以轉(zhuǎn)速為目標(biāo)的判斷條件，同時選擋電機保持關(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目標(biāo)位置，從而節(jié)約換擋時間，同時選擋電機保持關(guān)閉狀態(tài)。

5 樣機試驗驗證

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

表1 6AMT各擋速比

5.1 11個擋位的選換擋自識別位置

根據(jù)選換擋位置自識別方法獲得的11個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的值同時滿足表2中的選換擋范圍時，表示變速器此時位于對應(yīng)的擋位。圖12為設(shè)定目標(biāo)值通過PID算法控制到達目標(biāo)選擋位置的過程。

表2 11個擋位的選換擋范圍 mV

5.2 換擋試驗結(jié)果

圖13為50%油門開度下1擋升2擋時的試驗數(shù)據(jù)，可知從發(fā)動機實際扭矩開始降低到發(fā)動機轉(zhuǎn)速和輸入軸轉(zhuǎn)速同步的時間約＜1.5s，同步器工作時間為離合器開始分離到擋位更新之間的時間＜200 ms，滿足市場統(tǒng)計的設(shè)計要求。

6 結(jié)束語

每臺全電式AMT的選換擋執(zhí)行機構(gòu)的裝配位置均存在一定差異，為實現(xiàn)準(zhǔn)確、快速地換擋，設(shè)計了應(yīng)用于車輛靜態(tài)和動態(tài)工況的選換擋位置自識別方法。對同步器控制中與換擋時間關(guān)系密切的換擋控制策略的控制關(guān)鍵點進行了分析，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控制即可實現(xiàn)。通過試驗驗證表明，所設(shè)計的自識別方法識別出的選換擋位置范圍和控制目標(biāo)能夠順利實現(xiàn)換擋控制，且換擋控制策略滿足換擋時間市場統(tǒng)計的設(shè)計要求。

1 李勇，常思勤，等.AMT選換擋機構(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，2004，16（6）:45～49.

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

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

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