重型車輛整車一體化自動(dòng)變速技術(shù)^*

【摘要】針對(duì)重型車輛裝用手動(dòng)操縱12擋機(jī)械變速器，經(jīng)常出現(xiàn)因換擋誤操作、跳擋變速而造成換擋沖擊，導(dǎo)致主離合器過度磨損的問題后，設(shè)計(jì)了整車一體化自動(dòng)變速系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了電氣自動(dòng)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)。同時(shí)通過發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元的通信，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整車動(dòng)力傳動(dòng)的協(xié)調(diào)控制。實(shí)車試驗(yàn)證明，所加裝的全氣動(dòng)機(jī)械自動(dòng)變速系統(tǒng)解決了離合器過度磨損的問題，整車燃油經(jīng)濟(jì)性提升了20%。

關(guān)鍵詞：重型機(jī)械自動(dòng)變速系統(tǒng)  換擋控制策略

中圖分類號(hào)：U463.212

Auto-shift technology through integrated-control method based on heavy truck

Wang  Yang ,  Xi Junqiang ,  Liu Fuqing,  Chen Huiyan 

（ Beijing Institute of Technology Beijing 100081,China ）

Abstract: the heavy truck which is installed with a manual 12 gear positions’ gear box, in the practice using process, because of wrong control action usually makes the clutch wear and tear. For solving this question, we design the auto-shift system through integrated control method, and also design the automatic implements for gear box and clutch. Through interaction on electric controlling engine, we carry out the adapted control on the truck’s power train. The vehicle driving tests prove that the auto-shift system can resolve the excessive wear of the clutch, and the economical characteristic of fuel is improved about 20%.

Keyword: automatic mechanical transmission system, communication, shifting control method.

引言

多擋位變速器可以為整車動(dòng)力傳輸提供更多的換擋點(diǎn)，充分發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力特性和經(jīng)濟(jì)特性，改善整車的燃油經(jīng)濟(jì)性，所以在重型車輛上得到了廣泛應(yīng)用。但由于多擋變速器的換擋點(diǎn)較多，在車輛行駛過程中操縱繁瑣，容易造成駕駛員的誤操作而產(chǎn)生換擋沖擊。在重型車輛上裝有充足的氣源，為整車提供轉(zhuǎn)向、剎車等功能的氣助力，因此以壓縮空氣作為驅(qū)動(dòng)力的整車自動(dòng)變速系統(tǒng)（AMT）具有統(tǒng)一車載動(dòng)力源、減輕駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度、提高整車燃油經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)點(diǎn)。

1整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)

該重型12擋牽引車輛的整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力經(jīng)離合器、12擋變速器、車后橋差速器傳遞至車輪。其中12擋變速器由3部分組成：主箱、高低擋切換副箱、插入式副箱。主箱有4個(gè)擋位，高低擋切換副箱和插入式副箱各有2個(gè)擋位：H擋和L擋。通過主箱和插入式副箱的組合可實(shí)現(xiàn)6個(gè)擋位，再配合高低擋切換副箱的H擋和L擋，實(shí)現(xiàn)12個(gè)擋位的換擋過程。

圖1 重型牽引車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

Fig1 the transmission of power train about heavy truck

整車動(dòng)力經(jīng)12擋變速器的功率流如圖2所示。在每個(gè)擋位下，功率流從變速器左側(cè)的輸入軸經(jīng)過相應(yīng)的擋位流到右側(cè)的輸出軸。

圖2 12擋變速器功率流示意圖

Fig2 the power flow of 12gear box

2自動(dòng)換擋操縱系統(tǒng)

自動(dòng)換擋操縱系統(tǒng)由5部分組成：選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)、離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)、動(dòng)力傳動(dòng)CAN通信模塊、駕駛員控制單元（包括換擋手柄、油門踏板、制動(dòng)踏板）、電子控制單元（ECU），如圖3所示。

圖3 自動(dòng)換擋操縱系統(tǒng)原理圖

Fig3 the auto-shift control system

駕駛員通過換擋手柄、制動(dòng)踏板以及加速踏板來(lái)反映其駕駛意圖。ECU通過轉(zhuǎn)速傳感器獲取當(dāng)前車輛的行駛狀態(tài)信息，并根據(jù)設(shè)計(jì)的換擋規(guī)律分析當(dāng)前情況下車輛是否處于最佳的擋位，并向各個(gè)執(zhí)行結(jié)構(gòu)發(fā)出控制指令；再通過各個(gè)位移傳感器反饋回來(lái)的信號(hào)，精確控制變速箱、離合器和發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)作，從而保證車輛在不同道路條件下的平順行駛。

2.1自動(dòng)選換擋操縱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為了滿足該12擋變速器的換擋動(dòng)作要求，分別在主箱、插入式箱、高低擋切換副箱上設(shè)計(jì)了以壓縮空氣為動(dòng)力源的選、換擋執(zhí)行氣缸，如圖4所示。主箱換擋缸為三位氣缸，副箱換擋缸為兩位氣缸，各氣缸均由常閉式二位三通響應(yīng)電磁閥驅(qū)動(dòng)。在換擋時(shí)，s1、s2、s3電磁閥驅(qū)動(dòng)主箱換擋氣缸完成換擋動(dòng)作；s4、s5驅(qū)動(dòng)選位氣缸完成選位動(dòng)作；s6和s7、s8和s9分別驅(qū)動(dòng)高低擋切換副箱和插入式副箱氣缸完成高、低擋切換動(dòng)作。各個(gè)氣缸通過其活塞桿上的連接頭k1、k2、k3、k4撥動(dòng)變速器中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的選位、換擋操作。

圖4 選位換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制原理圖

Fig4 the control method of gear shifting and selecting

換擋時(shí)電控單元ECU向各電磁閥發(fā)出控制指令的邏輯關(guān)系如表1所示。

表1 選位、換擋氣缸動(dòng)作邏輯表

Tab.1 chart on selection and shift operating logic

2.2離合器自動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

離合器作為整車在換擋過程中動(dòng)力中斷—動(dòng)力恢復(fù)的關(guān)鍵部件，其控制精度對(duì)于整車的換擋品質(zhì)具有至關(guān)重要的作用。

在本自動(dòng)變速系統(tǒng)中，離合器的動(dòng)作通過3個(gè)電磁閥組合控制一個(gè)單作用氣缸的進(jìn)排氣量來(lái)實(shí)現(xiàn)，其控制原理如圖5所示。

圖5 離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制原理圖

Fig5 clutch movement control method

1-從動(dòng)盤；2-壓盤；3-膜片彈簧； 4-位置傳感器；5-分離缸

圖5中的限壓閥用來(lái)控制通往執(zhí)行氣缸的最大壓力，以解決車載氣壓源在車輛的行駛過程中產(chǎn)生的氣壓波動(dòng)問題。整個(gè)離合器動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過一個(gè)單作用氣缸推動(dòng)分離杠桿做分離、結(jié)合操作。3個(gè)電磁閥中C1常開，C2常閉，C3是1個(gè)兩位三通閥，以保證在斷電時(shí)離合器能自動(dòng)回位。C3通電可使離合器分離，C2和C3同時(shí)通電離合器結(jié)合，在分離結(jié)合過程中若C1通電、C2斷電，則離合器行程將保持不變。離合器單作用氣缸的動(dòng)作邏輯關(guān)系如表2所示。

表2 離合器動(dòng)作邏輯表

Tab.2 chart on clutch cylinder operating logic

2.3基于CAN總線的動(dòng)力傳動(dòng)協(xié)調(diào)控制

在換擋的過程中，變速器所要換入目標(biāo)擋位的輸入軸轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)速差應(yīng)盡可能小，以縮短換擋時(shí)間，減少離合器的滑磨。通過CAN通信模塊可以方便地對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，實(shí)現(xiàn)上述功能，控制關(guān)系如圖6所示。

圖6 動(dòng)力傳動(dòng)CAN通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

Fig6 the method of CAN BUS communication

 for power transmission

車輛換擋時(shí)，通過對(duì)換擋點(diǎn)的計(jì)算，可以知道變速器換入目標(biāo)擋位時(shí)的輸入軸轉(zhuǎn)速和與之對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速。在換擋時(shí)首先離合器分離中斷整車動(dòng)力，自動(dòng)變速系統(tǒng)通過ECU發(fā)出換擋指令，同時(shí)CAN通信模塊向發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出調(diào)速請(qǐng)求和需要發(fā)動(dòng)機(jī)提供的輸出軸目標(biāo)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩值。發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元在接收到該指令后，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，此時(shí)變速器完成換擋動(dòng)作，離合器結(jié)合，恢復(fù)整車動(dòng)力。

3 換擋規(guī)律

車輛的換擋規(guī)律可以分為動(dòng)力性換擋規(guī)律和經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律。動(dòng)力性換擋規(guī)律以保證車輛獲得所期望的動(dòng)力性能為目標(biāo)，但沒有考慮到車輛的經(jīng)濟(jì)性能。經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律力求換擋過程中使發(fā)動(dòng)機(jī)處

圖7 滿載情況下平道換擋規(guī)律曲線

Fig7 integrated auto-shift rule of fully loaded vehicle

于或接近最經(jīng)濟(jì)區(qū)域，但不能滿足車輛在加速、爬坡時(shí)對(duì)動(dòng)力性能的要求。針對(duì)這些特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了在中小油門開度下采用經(jīng)濟(jì)性換擋策略、大油門開度下采用動(dòng)力性換擋策略的綜合換擋規(guī)律。車輛在滿載情況下的平道換擋規(guī)律曲線如圖7所示。

4試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 自動(dòng)變速執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能分析

圖8 4H 擋換入5L擋時(shí)的自動(dòng)變速過程試驗(yàn)曲線

Fig8 the auto shifting process of ４H→5L gear position

以4H擋換入5L擋為例，圖8通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明了整個(gè)換擋過程。其中n2、n1、ne分別為變速器輸出軸轉(zhuǎn)速、變速器輸入軸轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速，sl為選位行程位置傳感器數(shù)值，tx為換擋行程位置傳感器數(shù)值，lc為離合器位置傳感器數(shù)值，均無(wú)量綱。Lpd為油門踏板的位置傳感器值（%）。

   從圖8中可以看出，當(dāng)電控單元ECU檢測(cè)到換擋點(diǎn)后，在換擋開始前的A區(qū)，離合器慢速分離至半結(jié)合點(diǎn)，此時(shí)ne和n1轉(zhuǎn)速一致。在B區(qū)，首先離合器快速分離，整車動(dòng)力中斷，發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元ECU根據(jù)CAN通信模塊的請(qǐng)求，快速調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，同時(shí)選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成整個(gè)換擋動(dòng)作（如圖8中的a-b-e-f為換擋過程，c-d-e為選位過程），此時(shí)變速器輸出軸轉(zhuǎn)速有下降的趨勢(shì)。在完成整個(gè)換擋動(dòng)作后的C區(qū)，離合器從半結(jié)合點(diǎn)慢慢結(jié)合，ne和n1的轉(zhuǎn)速慢慢同步一致，整車恢復(fù)動(dòng)力傳輸，油門踏板值不斷增大，變速器輸出軸轉(zhuǎn)速上升。

圖9 離合器磨損量關(guān)系示意圖

Fig 9 the abrasion of clutch in different condition

   在完成整車的道路里程實(shí)驗(yàn)后，對(duì)離合器的磨損量進(jìn)行了測(cè)量。離合器的磨損量可通過離合器在無(wú)磨損狀態(tài)下的行程值與有磨損狀態(tài)下的行程值的差值表示出來(lái)。圖9中（h-g）和（k-g）可分別表示自動(dòng)擋車型與手動(dòng)擋車型的離合器磨損程度。可以看出，自動(dòng)擋車型的離合器磨損量小于手動(dòng)擋車型的離合器磨損量，且兩者均在允許的磨損量范圍內(nèi)。

4.2 手動(dòng)模式與自動(dòng)模式下?lián)Q擋特性對(duì)比分析

針對(duì)上述設(shè)計(jì)的整車一體化機(jī)械自動(dòng)變速系統(tǒng)，進(jìn)行了3000km的不同路況下的跑車試驗(yàn)。實(shí)車試驗(yàn)的燃油經(jīng)濟(jì)性對(duì)比測(cè)試結(jié)果為：高速公路路況下，因路況較單一，大部分情況下樣車均在高擋位行駛，自動(dòng)擋樣車比手動(dòng)擋樣車節(jié)油9%；山區(qū)公路路況下（包含有爬坡、下坡、慢速過彎、高速行駛等道路情況），因行駛工況復(fù)雜，換擋相對(duì)頻繁，自動(dòng)擋樣車比手動(dòng)擋樣車節(jié)油20%。

為檢測(cè)自動(dòng)換擋系統(tǒng)的性能，對(duì)手動(dòng)換擋滿載原地起步急加速的換擋、加速時(shí)間特性與采用自動(dòng)換擋系統(tǒng)的換擋、加速時(shí)間特性進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)在平滑環(huán)道試車場(chǎng)進(jìn)行。3位經(jīng)驗(yàn)豐富的試車員分別駕駛手動(dòng)擋樣車和自動(dòng)擋樣車進(jìn)行了滿載原地起步急加速換擋試驗(yàn)，通過對(duì)采集數(shù)據(jù)的分析得到的試驗(yàn)結(jié)果如表3和表 4所示。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比中可以看出，手動(dòng)換擋每個(gè)擋位的換擋時(shí)間均大于或等于自動(dòng)換擋時(shí)間。自動(dòng)換擋模式下的1H擋到6H擋的加速時(shí)間與手動(dòng)模式下的時(shí)間相比，縮短了16.6s，即在不改變整車動(dòng)力匹配的條件下，使整車的加速性能得到了明顯的改善。

表3手動(dòng)換擋滿載原地起步急加速試驗(yàn)結(jié)果

Tab.4 manual shifting experiment of accelerating at full load condition

表4自動(dòng)換擋滿載原地起步急加速試驗(yàn)結(jié)果

Tab.5 auto shifting experiment of accelerating at full load condition

5結(jié)論

  （1）運(yùn)用電子、氣動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)裝有多擋位變速器重型牽引車輛的自動(dòng)變速控制，開發(fā)了整車一體化自動(dòng)變速系統(tǒng)，并完成了在高速公路、山區(qū)道路等行駛條件下的實(shí)車試驗(yàn)。

 （2）與原手動(dòng)換擋過程相比，自動(dòng)變速系統(tǒng)適應(yīng)性好、換擋動(dòng)作快捷、駕駛員控制簡(jiǎn)便。在3000km道路行駛后對(duì)變速箱的離合器及各選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了檢測(cè)，其磨損量均在設(shè)計(jì)許可范圍內(nèi)。

（3）自行設(shè)計(jì)的自動(dòng)換擋規(guī)律，充分利用了該多擋變速器的各換擋點(diǎn)，最大程度發(fā)揮了整車的動(dòng)力特性。高速公路路況下自動(dòng)擋樣車比手動(dòng)擋樣車節(jié)油9%；山區(qū)路況下自動(dòng)擋樣車比手動(dòng)擋樣車節(jié)油20%。整車的燃油消耗率有較好的改善。