载货汽车AMT不分离离合器换挡技术的研究与应用＊

王松张志欧董瑞先王玉海

（一汽解放青岛汽车有限公司）

载货汽车AMT不分离离合器换挡技术的研究与应用＊

王松张志欧董瑞先王玉海

（一汽解放青岛汽车有限公司）

根据换挡接合齿轮副的特性和车辆动力学原理，分析载货汽车AMT不分离离合器摘挡、挂挡过程及换挡前后的动力中断与恢复过程，并确定应用此技术的工况及其实现方法。将该技术应用于某重型载货汽车AMT中，得出应用该技术既能保证换挡的舒适性及缩短AMT换挡过程中动力中断时间，又能提高离合器使用寿命的结论。

1 前言

AMT不仅能减轻驾驶员劳动强度、降低油耗，而且成本低、制造相对简单，已成为载货汽车传动系统发展的趋势。AMT在手动变速器基础上增加电控换挡机构，在换挡过程中会有动力中断，且动力中断时间的长短是影响AMT系统性能的重要因素[1]。

不分离离合器换挡技术是在行车换挡过程中离合器保持不动作，利用发动机对变速器换挡齿轮副调节后，直接进行换挡。如此既能缩短换挡过程中动力中断的时间，又能减少离合器磨损、延长使用寿命，因此该技术是载货汽车AMT技术的研究方向之一[2～4]。

随着国Ⅲ排放标准的实施，柴油机已进入电控时代，通过ECU能精确控制发动机的转速和扭矩，为实现不分离离合器换挡提供了重要的技术支持。在市场调研中发现，山西一些矿山的自卸车驾驶员能够凭经验在行驶过程中采用不分离离合器进行换挡，以此来减少离合器的更换次数。因此，从理论和实践角度分析，载货汽车AMT系统中应用不分离离合器换挡技术已经成为可能。

2 系统组成

不分离离合器换挡技术是依托AMT系统平台实现的。

2.1 电控发动机

电控发动机通过CAN总线发送发动机的扭矩和转速信息，同时响应从总线上接收到的扭矩请求。换挡时所需的扭矩和转速信息由ECU通过发动机电控信息（EEC1）报文发送，TCU通过发动机扭矩/转速控制（TSC1）报文请求发动机输出相应的扭矩和转速。

2.2变速器

试验研究是在CA10TAX双中间轴、无同步器变速器上进行的，共有10个前进挡，速比见表1。其内部结构示意图如图1所示，图中黑色三角位置加装转速传感器，用于测量输入轴转速和输出轴转速。

表1 CA10TAX变速器前进挡速比

3 不分离离合器换挡关键技术

不分离离合器换挡过程如果完成得不理想，会造成变速器异常磨损、整车舒适性差等后果，因此对不分离离合器换挡过程进行细致分析，并给出具体实现方法。

3.1 最佳摘挡时机

图2所示为变速器内部一对换挡接合齿轮副在不同状态下的示意图。其中图2a是变速器正在传递动力；图2b为车辆反推发动机传递阻力；图2c中变速器既不传递动力，也不传递阻力。

拨头拨动换挡拨叉摘挡过程中的摘挡力可根据图2用如下公式表示：

式中，N为正压力；Fb为拨动换挡拨叉所需克服的拨叉传动系统阻力，是拨叉系统固有的，与N没有关系；Fm为换挡齿轮间由于存在正压力N而产生的摩擦阻力；μ为换挡齿轮间的摩擦系数；其中各力的方向都是垂直于图2平面的。

由公式（1）可知，最佳摘挡时机是使摘挡力FZ最小（Fm=0，FZ仅与Fb有关）。此时变速器既不传递动力也不传递阻力，处于传递零扭矩[5、6]状态，即变速器内的传动啮合齿轮处于自由状态。因此摘挡动作应该尽量在图2c状态时进行。

理论上，根据输出轴转速和发动机转速可以推算挡位接合齿和换挡滑动齿套的转速，并通过当前路况、挡位等信息计算出滑动齿套在车辆摘挡过程（无牵引力）中的转速趋势，然后调节发动机使两者一直保持图2c中状态。然而受控制精度的影响，该方法不易实现，只能通过调节发动机扭矩和转速以使变速器出现最佳摘挡时机再进行摘挡。

以试验样车为例，说明此种方法在不分离离合器摘挡过程中的可行性。

汽车行驶方程为[7]：

式中，Ft为汽车驱动力；Ff为滚动阻力；Fw为空气阻力；Fi为坡道阻力；Fj为加速阻力。

令Ft=0，可得摘挡过程中阻力在换挡滑动齿套端产生的角减速度：

式中，io为后桥速比；ir为当前挡位后副箱速比；r为车轮半径；δ为旋转质量系数；m为整车质量。

发动机自由状态下由于内摩擦阻力会在飞轮端产生角减速度Δωe，可计算出摘挡过程中挡位接合齿端的角减速度：

式中，ig为变速器的挡位速比。

试验样车载重55 t，在国家二级公路最大坡度（7%）上以2挡爬坡行驶时，由公式（3）计算Δω2值约为22.4 rad/s2，而样车Δωe约为（47.1～52.3）rad/s2，在2挡挡位接合齿端的角减速度Δω1约为(25.7～28.5)rad/s2。在使发动机扭矩降零后，由于Δω1大于Δω2，即ω1下降比ω2快，所以传动接合齿轮副状态会由图2a状态向图2b状态转换。在此过程中会出现图2c状态（最佳摘挡时机），此时应尽快完成摘挡。若在图2c状态停留的时间较短，来不及完成摘挡动作，可利用发动机增加扭矩升速，在升速过程或升速后再降低速度过程中会出现图2c状态，此时继续完成摘挡动作。

由公式（4）可知，挡位越高，ig越小，Δω1越大，在降低扭矩后出现图2c状态的机率越大。故样车在上述路况行驶时，2挡以上都可以采用不分离离合器摘挡。

若样车在此路况以1挡爬坡行驶，Δω2不变，Δω1约为（19.2～21.3）rad/s2，则Δω2＞Δω1，所以在降低扭矩后，无图2a、图2b状态间的转化，不会出现图2c状态，无法采用不分离离合器摘挡。但如果配备中间轴制动器，可使Δω1增大，从而使Δω1＞Δω2，就可以采用不分离离合器摘挡。

根据Δω1＞Δω2的原则，计算出试验样车各挡位采用不分离离合器摘挡所允许的最大爬坡度。由图3样车不同挡位不分离离合器摘挡的最大坡度可以看出，该试验样车在普通公路上行驶一般都可以应用不分离离合器摘挡技术。

3.2 最佳挂挡时机

图4是变速器内部一对换挡接合齿轮副空挡时的剖面图。当挡位接合齿和挡位花键齿轮转速及相位都符合时挂挡最容易，但受控制精度的限制，该种控制方法不容易实现。

由Thomas A.Genise的专利[8]可知，当输出轴转速乘以目标挡位速比与输入轴转速之差的数值在±20 r/min之内时为最合适的换挡转速。本文认为，通过控制接合齿轮副的转速差实现挂挡会增加挂挡的成功率并且使不同挡位的挂挡一致性更好。具体过程可分为3个步骤：

a.控制发动机转速使挡位接合齿和换挡滑动齿套存在一定的转速差（30～60 r/min）时挂挡，由于导向角的作用两者会出现一定程度的浅啮合；

b.在导向面正压力下会使滑动齿套与挡位接合齿的转速趋向一致；

c.在换挡力作用下继续啮合完成挂挡，在此过程中也应该利用上述发动机调节方法使接合齿轮处于不传递扭矩的状态。当接合齿轮副之间存在合适的转速差且转速趋向一致时换挡力小，很容易完成挂挡，是挂挡的最佳时机。

实际应用中，挂挡过程中应结合当前坡度信息[9]、准备换入的挡位和飞轮特性等参数实时调节发动机，顺利完成挂挡。

3.3 换挡前、后车辆动力中断与恢复

不分离离合器换挡前、后的发动机控制过程与普通换挡方法的发动机扭矩控制过程有差异，若沿用后者的发动机扭矩输出方式会产生换挡冲击而影响驾驶舒适性。评价换挡冲击的量化指标是冲击度，其是指车辆的纵向加速度对时间的导数j=d2v/dt2[1]。因此，保证不分离离合器换挡舒适性的关键是换挡前、后过程中将冲击度控制在舒适的范围内。

采用不分离离合器换挡技术摘挡前应将当前的车辆加速度与动力中断时的加速度（车辆阻力产生的加速度）做差值计算冲击度，若不在冲击度的舒适范围内，则需要对发动机进行扭矩控制（一般是降扭操作），待接近或进入冲击度舒适范围方可进行摘挡。

普通换挡后与不分离离合器换挡技术换挡后的动力恢复过程差别较大。普通换挡完成后由于离合器的扭转减振作用，传动部件已被压紧成整体传递扭矩，此时只需根据冲击度的舒适要求控制发动机升扭加速即可。不分离离合器换挡技术挂挡完成后变速器、传动轴、后桥等传动部件均可能处于间隙状态，升扭的过程是将传动部件逐一压紧直至间隙消除进而转至整体传递扭矩状态。需要注意的是间隙消除的最后时刻若传递的扭矩过大会引起传动系统冲击、振荡，超出冲击度的舒适范围，故此过程发动机扭矩控制的目标是快速使传动部件压紧且压紧时刻又不能输出较大扭矩，待传动部件压紧转成整体传递扭矩状态后只需根据冲击度的舒适要求控制发动机升扭加速即可。

3.4 应用框图

在实际应用中，当AMT控制系统策略层计算并发出需要换挡命令后，先检查是否符合不分离离合器换挡技术的应用条件，如符合则采用不分离离合器换挡方法，否则采用普通换挡方法，具体如图5所示。

4 试验效果

图6所示是试验样车在城市路况2挡起步连续加速至5挡的试验曲线（包括发动机转速、换挡拨头位置传感器电压值及目标挡位），图中采用不分离离合器模式3次换挡的动力中断时间分别为0.75 s、0.93 s、0.89 s，都没有超过1 s，缩短了动力中断的时间，提高了AMT系统的总体性能。图6中两椭圆处的摘挡曲线和挂挡曲线稍有停顿，说明此刻已不是最佳摘（挂）挡时机，摘（挂）挡的阻力变大，不适合继续执行摘（挂）挡，但是通过调节发动机后执行机构再次动作顺利完成摘（挂）挡。

1葛安林.车辆自动变速理论与设计.机械工业出版社，1993.

2王云成.重型商用车不分离离合器AMT关键技术研究:[学位论文].长春：吉林大学，2010.

3裴栋.不分离离合器AMT综合控制研究:[学位论文].长春：吉林大学，2009.

4初明忠.重型商用车不分离离合器AMT电动换挡的研究: [学位论文].长春：吉林大学，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. Linköping University，2008.

7余志生.汽车理论.北京：机械工业出版社，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协议的重型车辆坡道识别实时算法.汽车工程，2010.

（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为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，FAW 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

载货汽车AMT不分离离合器换挡动力中断

U463.212

：A

1000-3703（2014）02-0013-03

青岛市重点技术创新项目。