重型車輛整車一體化自動變速技術^*

【摘要】針對重型車輛裝用手動操縱12擋機械變速器，經常出現因換擋誤操作、跳擋變速而造成換擋沖擊，導致主離合器過度磨損的問題后，設計了整車一體化自動變速系統，并設計了電氣自動換擋執行機構。同時通過發動機電控單元的通信，實現了對整車動力傳動的協調控制。實車試驗證明，所加裝的全氣動機械自動變速系統解決了離合器過度磨損的問題，整車燃油經濟性提升了20%。

關鍵詞：重型機械自動變速系統  換擋控制策略

中圖分類號：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力傳輸提供更多的換擋點，充分發揮發動機的動力特性和經濟特性，改善整車的燃油經濟性，所以在重型車輛上得到了廣泛應用。但由于多擋變速器的換擋點較多，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生換擋沖擊。在重型車輛上裝有充足的氣源，為整車提供轉向、剎車等功能的氣助力，因此以壓縮空氣作為驅動力的整車自動變速系統（AMT）具有統一車載動力源、減輕駕駛員勞動強度、提高整車燃油經濟性的優點。

1整車動力傳動系統

該重型12擋牽引車輛的整車動力傳動系統如圖1所示。發動機輸出動力經離合器、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個擋位，高低擋切換副箱和插入式副箱各有2個擋位：H擋和L擋。通過主箱和插入式副箱的組合可實現6個擋位，再配合高低擋切換副箱的H擋和L擋，實現12個擋位的換擋過程。

圖1 重型牽引車輛動力傳動系統結構原理圖

Fig1 the transmission of power train about heavy truck

整車動力經12擋變速器的功率流如圖2所示。在每個擋位下，功率流從變速器左側的輸入軸經過相應的擋位流到右側的輸出軸。

圖2 12擋變速器功率流示意圖

Fig2 the power flow of 12gear box

2自動換擋操縱系統

自動換擋操縱系統由5部分組成：選換擋執行機構、離合器執行機構、動力傳動CAN通信模塊、駕駛員控制單元（包括換擋手柄、油門踏板、制動踏板）、電子控制單元（ECU），如圖3所示。

圖3 自動換擋操縱系統原理圖

Fig3 the auto-shift control system

駕駛員通過換擋手柄、制動踏板以及加速踏板來反映其駕駛意圖。ECU通過轉速傳感器獲取當前車輛的行駛狀態信息，并根據設計的換擋規律分析當前情況下車輛是否處于最佳的擋位，并向各個執行結構發出控制指令；再通過各個位移傳感器反饋回來的信號，精確控制變速箱、離合器和發動機的動作，從而保證車輛在不同道路條件下的平順行駛。

2.1自動選換擋操縱機構的設計

為了滿足該12擋變速器的換擋動作要求，分別在主箱、插入式箱、高低擋切換副箱上設計了以壓縮空氣為動力源的選、換擋執行氣缸，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電磁閥驅動。在換擋時，s1、s2、s3電磁閥驅動主箱換擋氣缸完成換擋動作；s4、s5驅動選位氣缸完成選位動作；s6和s7、s8和s9分別驅動高低擋切換副箱和插入式副箱氣缸完成高、低擋切換動作。各個氣缸通過其活塞桿上的連接頭k1、k2、k3、k4撥動變速器中的執行機構完成相應的選位、換擋操作。

圖4 選位換擋執行機構控制原理圖

Fig4 the control method of gear shifting and selecting

換擋時電控單元ECU向各電磁閥發出控制指令的邏輯關系如表1所示。

表1 選位、換擋氣缸動作邏輯表

Tab.1 chart on selection and shift operating logic

2.2離合器自動執行機構的設計

離合器作為整車在換擋過程中動力中斷—動力恢復的關鍵部件，其控制精度對于整車的換擋品質具有至關重要的作用。

在本自動變速系統中，離合器的動作通過3個電磁閥組合控制一個單作用氣缸的進排氣量來實現，其控制原理如圖5所示。

圖5 離合器執行機構控制原理圖

Fig5 clutch movement control method

1-從動盤；2-壓盤；3-膜片彈簧； 4-位置傳感器；5-分離缸

圖5中的限壓閥用來控制通往執行氣缸的最大壓力，以解決車載氣壓源在車輛的行駛過程中產生的氣壓波動問題。整個離合器動作執行機構通過一個單作用氣缸推動分離杠桿做分離、結合操作。3個電磁閥中C1常開，C2常閉，C3是1個兩位三通閥，以保證在斷電時離合器能自動回位。C3通電可使離合器分離，C2和C3同時通電離合器結合，在分離結合過程中若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作邏輯關系如表2所示。

表2 離合器動作邏輯表

Tab.2 chart on clutch cylinder operating logic

2.3基于CAN總線的動力傳動協調控制

在換擋的過程中，變速器所要換入目標擋位的輸入軸轉速與發動機輸出軸的轉速差應盡可能小，以縮短換擋時間，減少離合器的滑磨。通過CAN通信模塊可以方便地對發動機進行調速，實現上述功能，控制關系如圖6所示。

圖6 動力傳動CAN通信系統結構圖

Fig6 the method of CAN BUS communication

 for power transmission

車輛換擋時，通過對換擋點的計算，可以知道變速器換入目標擋位時的輸入軸轉速和與之對應的發動機輸出軸轉速。在換擋時首先離合器分離中斷整車動力，自動變速系統通過ECU發出換擋指令，同時CAN通信模塊向發動機發出調速請求和需要發動機提供的輸出軸目標轉速、轉矩值。發動機電控單元在接收到該指令后，對發動機轉速、轉矩進行協調控制，此時變速器完成換擋動作，離合器結合，恢復整車動力。

3 換擋規律

車輛的換擋規律可以分為動力性換擋規律和經濟性換擋規律。動力性換擋規律以保證車輛獲得所期望的動力性能為目標，但沒有考慮到車輛的經濟性能。經濟性換擋規律力求換擋過程中使發動機處

圖7 滿載情況下平道換擋規律曲線

Fig7 integrated auto-shift rule of fully loaded vehicle

于或接近最經濟區域，但不能滿足車輛在加速、爬坡時對動力性能的要求。針對這些特點，設計了在中小油門開度下采用經濟性換擋策略、大油門開度下采用動力性換擋策略的綜合換擋規律。車輛在滿載情況下的平道換擋規律曲線如圖7所示。

4試驗結果分析

4.1 自動變速執行機構的性能分析

圖8 4H 擋換入5L擋時的自動變速過程試驗曲線

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

以4H擋換入5L擋為例，圖8通過試驗數據說明了整個換擋過程。其中n2、n1、ne分別為變速器輸出軸轉速、變速器輸入軸轉速、發動機輸出軸轉速，sl為選位行程位置傳感器數值，tx為換擋行程位置傳感器數值，lc為離合器位置傳感器數值，均無量綱。Lpd為油門踏板的位置傳感器值（%）。

   從圖8中可以看出，當電控單元ECU檢測到換擋點后，在換擋開始前的A區，離合器慢速分離至半結合點，此時ne和n1轉速一致。在B區，首先離合器快速分離，整車動力中斷，發動機電控單元ECU根據CAN通信模塊的請求，快速調整發動機輸出軸轉速到目標轉速，同時選換擋執行機構完成整個換擋動作（如圖8中的a-b-e-f為換擋過程，c-d-e為選位過程），此時變速器輸出軸轉速有下降的趨勢。在完成整個換擋動作后的C區，離合器從半結合點慢慢結合，ne和n1的轉速慢慢同步一致，整車恢復動力傳輸，油門踏板值不斷增大，變速器輸出軸轉速上升。

圖9 離合器磨損量關系示意圖

Fig 9 the abrasion of clutch in different condition

   在完成整車的道路里程實驗后，對離合器的磨損量進行了測量。離合器的磨損量可通過離合器在無磨損狀態下的行程值與有磨損狀態下的行程值的差值表示出來。圖9中（h-g）和（k-g）可分別表示自動擋車型與手動擋車型的離合器磨損程度。可以看出，自動擋車型的離合器磨損量小于手動擋車型的離合器磨損量，且兩者均在允許的磨損量范圍內。

4.2 手動模式與自動模式下換擋特性對比分析

針對上述設計的整車一體化機械自動變速系統，進行了3000km的不同路況下的跑車試驗。實車試驗的燃油經濟性對比測試結果為：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，自動擋樣車比手動擋樣車節油9%；山區公路路況下（包含有爬坡、下坡、慢速過彎、高速行駛等道路情況），因行駛工況復雜，換擋相對頻繁，自動擋樣車比手動擋樣車節油20%。

為檢測自動換擋系統的性能，對手動換擋滿載原地起步急加速的換擋、加速時間特性與采用自動換擋系統的換擋、加速時間特性進行了對比試驗。試驗在平滑環道試車場進行。3位經驗豐富的試車員分別駕駛手動擋樣車和自動擋樣車進行了滿載原地起步急加速換擋試驗，通過對采集數據的分析得到的試驗結果如表3和表 4所示。

從試驗數據的對比中可以看出，手動換擋每個擋位的換擋時間均大于或等于自動換擋時間。自動換擋模式下的1H擋到6H擋的加速時間與手動模式下的時間相比，縮短了16.6s，即在不改變整車動力匹配的條件下，使整車的加速性能得到了明顯的改善。

表3手動換擋滿載原地起步急加速試驗結果

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

表4自動換擋滿載原地起步急加速試驗結果

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

5結論

  （1）運用電子、氣動技術實現了對裝有多擋位變速器重型牽引車輛的自動變速控制，開發了整車一體化自動變速系統，并完成了在高速公路、山區道路等行駛條件下的實車試驗。

 （2）與原手動換擋過程相比，自動變速系統適應性好、換擋動作快捷、駕駛員控制簡便。在3000km道路行駛后對變速箱的離合器及各選換擋執行機構進行了檢測，其磨損量均在設計許可范圍內。

（3）自行設計的自動換擋規律，充分利用了該多擋變速器的各換擋點，最大程度發揮了整車的動力特性。高速公路路況下自動擋樣車比手動擋樣車節油9%；山區路況下自動擋樣車比手動擋樣車節油20%。整車的燃油消耗率有較好的改善。