电动式AMT变速箱功能及换挡概述

旷龙 冯华帅 汪辉 杨连波 任强 朱海龙

【摘 要】AMT变速箱是在MT（手动变速箱）的基础上，通过控制单元完成自动换挡动作，从而达到与自动变速箱相同的效果。AMT变速箱的换挡过程与MT十分相近，由电脑完成整个“离合器结合—扭矩控制—离合器松开—选挡/换挡—离合器结合”过程。AMT变速箱为自动变速箱中成本最低的一种，它既保持了手动机械式变速器的优点，又具备自动变速器自动换挡的功能，缺点是在换挡时动力丢失有失速的感觉。文章介绍了电动式AMT变速箱系统的基本结构、功能要求及换挡控制规律。

【关键词】AMT变速箱；控制单元；扭矩控制

【中图分类号】U463.212 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）04-0078-06

0 引言

AMT变速箱英文名为“Automated mannual transmission”，从其英文名称就可以看出其“自动手动变速箱”的含义。顾名思义，其是在MT（手动变速箱）的基础上，通过控制单元完成自动换挡动作，从而达到与自动变速箱相同的效果。AMT变速箱研究始于20世纪70年代，其发展大致经历了将离合器控制和换挡控制分别考虑，单独实现各自的自动控制功能的半自动化阶段；应用自动离合器、换挡控制与换挡策略的全自动化阶段；引入模糊推理的智能方法，采用模糊换挡策略和离合器结合速度的模糊控制的智能化阶段等3个阶段。AMT变速器不仅具有自动换挡的便捷，而且具有手动变速箱齿轮传动一样的高动力传输效率、机构紧凑、工作可靠等优点，相对AT和CVT变速箱，AMT变速箱结构简单、成本较低，可匹配在经济型家庭用车上。AMT的操纵系统可分为电控—气动、电控—液动和电控—电动3种类型，在电机性能得到保证的前提下，电控—电动式AMT操纵系统与电控—气动和电控—液动相比，具有换挡速度快、零件数少、占用空间小、故障率低等优势。

1 电动式AMT变速箱的系统结构与原理

AMT以发动机电子控制单元TCU（Transmission Control Unit）为核心，运用控制理论、微机控制技术、传感技术和信息处理技术改造传统手动变速器的典型机电一体化产品。

1.1 电动式AMT的系统结构

AMT系统由下列4个部分组成。

被控对象：包括发动机、离合器和变速器。

操纵系统：由电子换挡器、选换挡执行机构、离合器执行机构、电机（选、换挡动作电机，离合器动作电机）等组成。

传感器：包括速度传感器（发动机转速传感器、输入轴转速传感器、车速传感器）、油门开度传感器、空倒挡传感器等。

电子控制单元（ECU）：包括CPU、RAM、FO接口等通过电信号对执行机构控制，完成AMT变速箱的选换挡及离合器的结合与分离。

1.2 AMT控制的基本原理

AMT根据传感器实时采集的驾驶员的操纵参数信息（油门踏板、制动踏板、转向盘、选挡控制杆的操纵等）和车辆的运行状态参数信息（发动机转速、变速器输入轴转速、车速、挡位），进行综合判断和处理，按照控制器中存储的控制规律（换挡规律、离合器接合规律等），借助于相应的操纵系统（发动机油量调节机构、选换挡执行机构、离合器分离和接合执行机构），对车辆的动力传动系统（发动机、离合器、变速器）进行联合自动操纵，完成车辆的平稳起步和换挡。图1、图2分别为某款汽车上的电动式AMT的系统结构及控制原理图。

2 AMT变速箱子系统的功能要求

2.1 AMT变速箱本体功能要求

AMT变速箱本体采用量产成熟的手动变速箱结构，各挡位速比设计合理（根据整车参数校核动力性、经济性以及换挡舒适性），同时满足手动变速箱的各项试验标准（如同步器耐久、总成疲劳、静扭、润滑、高速等试验）。

2.2 离合器总成功能要求

离合器总成应采用量产的成熟产品，具有合适的后备系数、良好的散热能力、稳定的滑摩系数，满足离合器台架的各项试验标准，并且在整车上进行了耐久验证。

2.3 选换挡执行机构、离合器执行机构的设计功能要求

①行程——能够满足离合器彻底分离接合，各个挡位换挡到位，有一定后备行程余量。②操纵力——能克服静态载荷，有足够的余量，保证动作快捷，选挡在0.1～0.2 s内完成，摘挡换挡在0.2～04 s内完成，离合器分离或者接合保证在0.2～0.4 s内完成。③高速响应性能——滞后0.05 s。④动作精度及分辨率——能够控制位移的最小增量，具有较高的分辨率，满足挂挡柔性化操作及精确控制离合器的接合点和接合速度。⑤可靠性——工作可靠、满足整车使用寿命。⑥布置的合理性——结构设计合理，满足发动机舱的空间布置。

图3、图4分别为某款汽车上的电动式AMT的选换挡机构和离合器执行机构工作原理图。

2.4 传感器的功能要求

①换挡器信号分辨率高，能够精准、及时地反馈驾驶员意图信号。②位移传感器信号准确稳定，重复性好，分辨率足够。③转速信号传感器准确可靠，稳定，信号盲区少。④开关信号尽量少用接触式开关，以避免振动造成信号错误。⑤所有的传感器都要有足够的寿命，可靠，安装方便。

2.5 TCU控制功能要求

电子控制单元ECU的设计中，应该兼顾车辆在各种工况下的使用及各种安全操作上的问题规避。为了加强系统的可靠性，可在内部设置多重检测系统，通过声、光报警等方式随时监测工作状态，安装主控和应急备控2个电控单元，当主控单元全部或部分失控，应急系統自动启动，保证汽车行驶的最基本功能。以下为常见功能要求：①多模式控制功能——例如具有蠕动功能，自动、手动、雪地和运动模式，以便适应各种路面及交通情况。②逻辑判断——例如在前进挡状态下，车速大于5 km/h时，TCU不允许执行机构挂入倒挡。③离合器控制——应能保证离合器结合分离迅速，起步平稳，接合控制具有良好的自适应性，能适应各种路面（包括坡道起步）。④换挡控制——换挡规律控制合理，换挡过程平稳、快捷，无明显冲击，具有良好的动力性能及经济性能，并在路面与交通复杂的情况下，能避免频繁的循环换挡。⑤CAN通信——例如与ECU、ESC等系统通信，有良好的可驾驶性，在复杂多变的情况下也能自如操作，能快速响应制动、摘空挡操作，发动机不能熄火，确保安全行驶。⑥诊断——具有故障自诊断功能，在故障时能及时报警并具有“容错性”或“跛行”的功能。⑦TCU功能扩展及刷写——TCU具有可刷写功能，以便更新换挡曲线数据；控制系统中增加许多附加功能，例如加装IC片后形成操纵系统的识别与防盗，以及加入控制车速、降低驾驶风险等功能。

AMT變速箱总成应满足高温、低温、湿度、振动、冲击、盐雾、电磁兼容等环境要求。

3 AMT变速箱系统的换挡控制规律介绍

3.1 离合器分离结合控制规律

离合器工作工况众多，且与发动机油门及换挡需要协调配合，因此对离合器操纵系统有很高而复杂的要求。离合器分离过程比较简单，一般不会对车辆性能产生影响，分离过程越快越好，做到彻底分离，避免半接合滑磨，造成挂挡困难甚至打齿。当需要重新恢复动力传递时，为使汽车速度和发动机转速的变化比较平稳，应该适当放慢离合器接合的速度。离合器最佳接合规律在执行过程中体现在离合器的接合点和接合速度2个控制量上，即确定离合器的接合点和接合速度。AMT操纵系统实现离合器自动操纵的核心问题就是离合器的最佳接合规律。

影响离合器接合平稳因素主要是离合器释放行程，一般从离合器分离到接合为止，其行程经历3个阶段（如图5所示）。

离合器的自动操纵机构的释放行程l是在选换挡工作结束后进行，分为3个部分：在无转矩传递区行程l1（即消除离合器主从动盘的摩擦衬片间隙所需行程）速度要快，以快速起步和减少换挡时功率中断的时间，其释放行程位移函数为指数函数形式；在转矩传递区行程l2（即由压缩从动盘的轴向弹性行程通过分离叉操纵机构传动比所需的相应的行程），该阶段要放慢接合速度，以获得平稳起步或换挡，提高乘客的乘坐舒适性和减少传动系冲击载荷，但为了防止滑摩时间过长，离合器发热而严重影响寿命，亦需控制在一定的时间内尽快完成，其释放行程位移函数为二次函数形式；在转矩不再增加区行程l3（即在离合器片磨损后，有补偿分离轴承和分离指之间缩小的间隙量，以保证离合器的正常工作），尽可能快地释放速度，其释放行程位移函数也为二次函数形式。

由以上分析可知：离合器的分离过程要求电机快速转动，而离合器的接合过程其行程要求是“二快一慢”。

离合器执行机构对离合器结合速度vc的控制还受以下因素影响：vc与油门开度α、发动机的角加速度dωe/dt成正比，与ig、坡度θ、载重力G成反比。在起步或换挡过程中，离合器操纵除了受上述因素的影响，在同样的行驶工况下，也会因偶然出现的情况或驾驶员的人为因素而产生不同的操纵。

3.2 换挡曲线设计的方法

与换挡曲线直接相关的是发动机的万有特性，因为在起步和换挡的自动控制过程中要通过控制油门开度来控制发动机转速及输出转矩来协调离合器、发动机和变速器的联合控制。以下是3种常用的方法。

3.2.1 理论计算法

根据整车参数，做汽车动力计算，求出2挡之间的动力曲线交叉点作为升挡点，降挡点在交叉点之前（车速有所下降），即可保证取得最好动力性和换挡平稳性。这里应该提出的是，换挡是在非稳定状态下进行的，有一定的差异性，为保证有良好的经济性，则尽可能地使发动机工作在较经济的区域内，则需要有发动机的动力特性曲线为依据。以下介绍2种常用的换挡规律计算方法。

3.2.1.1 最佳动力性换挡规律

上述曲线上是理论上的最佳动力性换挡点，但在实际应用中，若从低挡升高挡与高挡降低挡的换挡点相同时，则极易产生换挡循环，因此可以在已求得的行驶加速度交点图上，取交点加速度的0.95作一条水平线，与相应的同油门开度下的2挡加速度曲线交于2点，取其行驶速度较大值作为升挡点，较小值作为降挡点，或者将理论最佳换挡点相应的速度值乘以1.05作为最佳升挡点，乘以0.95作为最佳降挡点，这样可以避免换挡循环，并且能保持其最佳动力性。

3.2.1.2 最佳燃油经济性换挡规律

由图11中可知，油门开度过小时其数据不合理，所因此一般选择100%、75%和50%油门开度曲线进行拟合，得最佳经济性换挡点为下一挡稳定转速点对应的速度处；但是在50%油门开度时存在于下一挡稳定转速点换挡后不久2挡就出现交点，此时应回到低挡，但由于低挡很快与相隔一挡发生交点，此时换挡即所谓“跳挡”会出现较大的换挡冲击，所以不考虑换挡。又因为在稳定转速点发动机转矩并不稳定，且高速时单位时间燃油消耗量变化较慢，同时行驶阻力较大，所以综合考虑在下一挡稳定转速点乘以1.1系数出对应点进行升挡，在当前挡稳定转速点降挡。此时与油门开度、载重量无关，近似于单参数换挡规律。图12为某款汽车理论上的最佳燃油经济性换挡曲线。

3.2.2 经验法

以有经验的驾驶员的实际操作为依据，进行综合统计为神经网络图，有局限性。

3.2.3 试验法

综合前2种方法，用试验（即标定）最终来定，借助于粗略的计算和实际经验，初步确认升降挡点的换挡规律，再用试验来校正，借助于数据采集系统的实车分析，从中总结出换挡规律。

在实际车辆使用过程中，要考虑到各种工况下的车辆参数变化（高温、高寒、高原条件下系统元件的反应滞后或功能衰减）都能正常工作，因此以上各种方法都需要实车标定修正，而且通常小油门开度以舒适、稳定、少污染为主，采用经济型换挡线；中油门开度以保证最佳燃料经济性为主，兼顾动力性；大油门开度则采用动力性换挡，以获得最佳动力性为佳。图13为某款乘用车匹配5速AMT变速箱的实际换挡曲线。

3.3 发动机油门自适应控制规律

车辆在起步、换挡过程中，离合器分离与接合，即离合器执行机构动作的同时，油门要进行相应的自适应调节，即通常所说的“油离配合”，以便发动机工作状态适应外部负载离合器摩擦转矩Tq的变化。离合器分离过程中，因为与整车惯量脱离且离合器转动惯量小，为避免发动机超速，需减小油门，油门开度随时间的变化是减函数。离合器接合过程中，因与整车惯量接合，惯性质量增大，为避免发动机转速降至最低稳定转速以下，需增大油门，油门开度随时间的变化是增函数。

参 考 文 献

[1]高维山.变速器[M].北京：人民交通出版社，1990.

[2]王望予.汽车设计[M].第3版.北京：机械工业出版社，2000.

[3]陈永东.电控机械式自动变速器换挡规律的研究[D].武汉：武汉理工大学，2011.

[4]曾兴.汽车AMT变速器控制技术的研究[D].长沙：湖南大学，2010.

[5]葛安林.车辆自动变速理论与设计[M].北京：机械工业出版社，1993.

[6]张国胜，牛秦玉，方宗德，等.最佳燃油经济性换挡规律理论及其应用研究[J].中国机械工程，2005（5）.

[7]李君，张建武，冯金芝，等.电控机械式自动变速器的发展、现状和展望[J].汽车技术，2000（3）.

[8]金伦，葛安林，程秀生，等.电控机械式自动变速器起步控制[J].汽车技术，2002（12）.