AMT换挡冲击产生机理与对策研究.pdf

1、2009年 (第 31卷 )第 3期汽 车 工 程Automotive Engineering 2009 (Vol. 31) No. 32009052AMT换 挡 冲 击 产 生 机 理 与 对 策 研 究 33 国 家 高 新 技 术 研 究 发 展 计 划 (863计 划 ) (2006AA110115)资 助 。原 稿 收 到 日 期 为 2008年 5月 20日 ,修 改 稿 收 到 日 期 为 2008年 8月 20日 。王 阳 ,席 军 强 ,陈 慧 岩(北 京 理 工 大 学 机 械 与 车 辆 工 程 学 院 ,北 京 100081)摘 要 文 中 研 究 了 自 动 机 械

2、变 速 器 (AMT)在 换 挡 时 同 步 器 未 起 作 用 而 产 生 冲 击 的 问 题 ,分 析 了 产 生 换 挡 冲击 的 机 理 并 确 定 了 换 挡 执 行 机 构 的 最 优 运 动 速 度 。 据 此 ,提 出 了 消 除 冲 击 的 换 挡 控 制 方 法 ,并 在 某 载 货 车 的 变 速 器上 进 行 实 验 验 证 。 结 果 表 明 该 方 法 能 够 有 效 避 免 车 辆 在 换 挡 过 程 中 产 生 冲 击 的 现 象 。关 键 词 :自 动 机 械 变 速 器 ;换 挡 冲 击 ;同 步 ;换 挡 控 制A Study on the Mechani

3、sm and Countermeasures for Shift2impact in AMTW ang Yang, X i Junq iang sh ift im pact; synchron izer; sh ift con trol前 言自 动 机 械 式 变 速 器 (AMT)由 在 原 固 定 轴 式 有级 变 速 器 的 基 础 上 ,通 过 加 装 电 控 自 动 变 速 操 纵 系统 构 成 1 。 它 以 操 纵 简 单 、 成 本 低 、 工 作 可 靠 等 优点 ,得 到 了 重 型 商 用 车 驾 驶 员 的 青 睐 。目 前 在 欧 美 国 家 重 型 商 用 车 上

4、装 配 AMT的 比例 正 在 逐 步 增 加 。 据 预 测 在 未 来 几 年 ,欧 洲 近 50%的 MT将 被 AMT取 代 2 。 我 国 从 20世 纪 80年 代 初开 始 了 AMT技 术 的 研 究 工 作 ,目 前 在 理 论 研 究 上 已接 近 国 际 水 平 。 各 相 关 研 究 机 构 均 开 发 了 功 能 验 证车 并 完 成 了 实 车 验 证 3 。 但 在 一 些 关 键 问 题 上 仍 需要 改 进 ,诸 如 换 挡 过 程 避 免 同 步 打 齿 的 控 制 ,该 问 题是 由 于 对 AMT换 挡 过 程 控 制 不 当 ,在 当 前 挡 位 与

5、目标 挡 位 的 换 挡 齿 轮 未 达 到 转 速 一 致 的 情 况 下 即 换 入目 标 挡 ,造 成 了 “ 非 同 步 冲 击 ” 现 象 。 相 关 实 验 显 示该 现 象 直 接 影 响 同 步 器 的 使 用 寿 命 。文 中 通 过 分 析 换 挡 过 程 的 动 力 传 递 模 型 ,找 到了 同 步 器 在 换 挡 过 程 中 未 起 到 同 步 作 用 的 原 因 ,提出 了 换 挡 过 程 控 制 方 法 ,以 解 决 在 换 挡 过 程 中 产 生的 “ 非 同 步 冲 击 ” 问 题 ,充 分 发 挥 同 步 器 的 同 步 作用 ,提 高 车 辆 的 换 挡

6、品 质 、 延 长 同 步 器 的 使 用 寿 命 。1 换 挡 过 程 同 步 冲 击 产 生 机 理 分 析为 了 分 析 产 生 换 挡 同 步 冲 击 的 机 理 ,并 据 此 提出 解 决 方 案 ,首 先 建 立 了 换 挡 过 程 的 动 力 学 模 型 。111 换 挡 过 程 动 力 传 动 模 型采 用 等 效 集 中 质 量 法 把 车 辆 动 力 传 动 系 统 简 化为 线 性 多 自 由 度 弹 性 集 中 质 量 系 统 ,各 相 关 部 件 以集 中 质 量 形 式 存 在 4 。 车 辆 在 换 挡 时 的 动 力 传 动 系统 可 分 解 为 两 个 部 分

7、 :离 合 器 被 动 部 分 至 同 步 器 主动 部 分 和 同 步 器 被 动 部 分 至 车 轮 ,如 图 1所 示 。 254 汽 车 工 程 2009年 (第 31卷 )第 3期图 1 车 辆 换 挡 过 程 动 力 传 动 模 型车 辆 在 换 挡 同 步 阶 段 的 动 力 学 模 型 为I2 d 2 ( t) /dt =M 2 ( t) - M ( t) / i0 (1)车 辆 行 驶 过 程 中 加 速 度 与 车 速 的 关 系 式 为a ( t) = ri0 d 2 ( t)dt(2)冲 击 度 j是 评 价 换 挡 品 质 的 重 要 指 标 ,它 的 大小 用 车

8、辆 纵 向 加 速 度 的 变 化 率 表 示 :j = da ( t)dt = 1316 d2 v ( t)dt2(3)由 式 (1) 式 (3)可 得j = ri0 I2 d (M 2 ( t) - M ( t) / i0 )dt (4)式 中 v ( t)为 车 辆 行 驶 速 度 ; a ( t)为 车 辆 加 速 度 ; r为轮 边 半 径 。从 式 (4)可 以 看 出 :因 为 r、 I2、 i0 均 为 常 量 ,所 以影 响 换 挡 冲 击 度 的 因 素 与 同 步 器 传 递 转 矩 M 2 ( t)的变 化 率 和 地 面 阻 力 矩 M ( t)的 变 化 率 有 关

9、 ,而 换 挡过 程 是 在 短 时 匀 速 的 情 况 下 进 行 的 ,由 于 整 车 的 惯性 质 量 非 常 大 ,所 以 通 常 认 为 M ( t)的 变 化 率 很 小 。因 此 M 2 ( t)的 变 化 越 剧 烈 则 产 生 的 换 挡 冲 击 也 就 越大 。 综 合 上 述 分 析 可 知 ,在 换 挡 的 同 步 阶 段 ,冲 击 度的 大 小 主 要 取 决 于 同 步 器 传 递 转 矩 M 2 ( t)的 变 化率 。 在 换 挡 同 步 的 不 同 阶 段 ,同 步 器 传 递 力 矩 M 2指 :摩 擦 力 矩 M f 或 拨 环 力 矩 M b。112 换

10、 挡 同 步 冲 击 产 生 机 理 分 析同 步 器 对 于 增 强 整 车 的 换 挡 平 顺 性 起 到 了 突 出的 作 用 ,它 安 装 在 变 速 器 的 相 邻 挡 位 之 间 ,通 常 有 惯性 式 、 常 压 式 等 形 式 。以 惯 性 式 同 步 器 为 例 其 工 作 原 理 为 :换 挡 过 程中 ,在 换 挡 拨 叉 的 作 用 下 ,结 合 套 、 锁 环 、 结 合 齿 圈 相互 接 触 ,并 产 生 摩 擦 力 矩 M f ;该 力 矩 带 动 锁 环 快 转一 个 角 度 与 花 键 毂 的 底 槽 接 触 (图 2所 示 位 置 ) ,使锁 环 与 结 合

11、 套 同 步 转 动 ;此 时 ,结 合 套 齿 端 倒 角 与 锁环 齿 端 倒 角 互 相 抵 住 ,在 结 合 套 轴 向 力 F1 的 作 用下 ,切 向 力 Q产 生 拨 环 力 矩 M b ,径 向 力 P使 锥 面 间产 生 等 效 摩 擦 力 矩 M f。图 2 惯 性 式 同 步 器 结 构 原 理 图当 M f M b 时 ,齿 端 面 保 持 接 触 ,结 合 套 的 轮 齿不 能 与 锁 环 的 轮 齿 啮 合 (即 同 步 锁 止 作 用 )。 随 着高 挡 齿 圈 转 速 n1、 锁 环 转 速 n2 的 同 步 ,摩 擦 力 矩 M f减 小 , M f M b

12、,在 拨 环 力 矩 M b 的 拨 动 下 ,锁 环 的 轮齿 相 对 于 结 合 套 的 轮 齿 向 后 倒 转 一 个 角 度 ,结 合 套进 入 啮 合 。 此 时 锁 环 转 速 n2、 结 合 套 转 速 n3、 花 键毂 n4 的 转 速 关 系 为 n2 n3 = n4 ,结 合 套 继 续 左 移 ,挂 入 挡 位 ,从 而 完 成 了 整 个 同 步 换 挡 过 程 5 。实 际 换 挡 时 ,在 产 生 摩 擦 力 矩 M f、 使 锁 环 快 转一 个 角 度 并 与 花 键 毂 底 槽 接 触 的 过 程 中 ,如 果 换 挡动 作 速 度 过 快 ,会 出 现 结

13、合 套 的 轮 齿 直 接 与 锁 环 的轮 齿 啮 合 的 现 象 造 成 打 齿 。 下 面 以 高 挡 换 入 低 挡 为例 说 明 该 过 程 。图 3 高 挡 挂 入 低 挡 位 时 锁环 结 合 套 动 作 分 析 图高 挡 换 入 低 挡 时 ,首先 结 合 套 回 到 空 挡 位 ,锁环 的 凸 起 部 的 一 侧 与 花键 毂 通 槽 的 上 侧 靠 合 如图 3 ( a)所 示 。 此 时 低 挡齿 圈 转 速 n5、 锁 环 转 速n2、 结 合 套 转 速 n3 的 转 速关 系 为 : n5 n2 = n3。 挂入 低 挡 时 ,在 同 步 摩 擦 力矩 M f 的

14、作 用 下 使 得 n5 n2 n3 ,因 此 锁 环 相 对 于结 合 套 向 下 运 动 ,如 图 3( b)所 示 。 当 换 挡 运 动 速度 过 快 时 ,结 合 套 齿 端 就会 在 此 时 快 速 与 锁 环 齿端 啮 合 如 图 3 ( c)所 示 ,没 有 产 生 图 的 齿 端 受 力同 步 过 程 而 产 生 了 很 大 的 同 步 传 递 力 矩 M 2 ,造 成 打齿 ,产 生 换 挡 冲 击 6 。2009 (Vol. 31) No. 3 王 阳 ,等 : AMT换 挡 冲 击 产 生 机 理 与 对 策 研 究 255 2 换 挡 执 行 机 构 最 优 控 制

15、方 法 分 析211 换 挡 过 程 最 大 同 步 速 度 vmax的 确 定为 避 免 换 挡 打 齿 现 象 ,就 需 要 计 算 出 在 换 挡 同步 瞬 间 ,换 挡 执 行 机 构 运 动 一 个 齿 端 距 离 的 时 间 t1与 同 步 环 齿 转 过 一 个 齿 宽 的 时 间 t2 的 关 系 。 当 t1 t2 时 ,可 以 避 免 打 齿 现 象 的 发 生 。根 据 112节 的 分 析 ,可 建 立 如 下 数 学 关 系 式 :t1 = g / vend (5) n = ( n2 - n3 ) (6) = 120 / n (7)t2 = 2 Z / (8)式 中

16、t1 为 同 步 执 行 机 构 移 动 一 个 齿 端 角 距 离 所 用 的时 间 ; t2 为 同 步 环 转 过 一 个 齿 宽 所 用 的 时 间 ; g为 同步 环 和 结 合 套 齿 端 角 的 长 度 ,见 图 3 ( b) ; vend为 换 挡执 行 机 构 运 动 到 同 步 起 始 点 的 速 度 ; n为 同 步 环 转速 n2 与 结 合 套 转 速 n3 的 转 速 差 ; n2 为 同 步 前 同 步环 的 转 速 ; n3 为 结 合 套 同 步 前 的 转 速 ; 为 结 合 套 相对 于 同 步 环 的 相 对 角 速 度 ; Z为 同 步 环 的 齿 数

17、 。由 式 (5) 式 (8)及 t1 t2 的 同 步 条 件 ,得 到 :vend 60gZ ( n2 - n3 )= vmax (9)因 此 ,在 换 挡 过 程 中 ,换 挡 执 行 机 构 的 运 动 速 度有 一 个 最 大 上 限 值 vmax。 在 达 到 该 最 大 速 度 值 之 前 ,为 了 得 到 最 短 的 换 挡 时 间 ,换 挡 执 行 机 构 首 先 加 速运 动 ,再 减 速 缓 冲 ,如 图 4所 示 。 从 图 4中 可 以 看出 ,确 定 最 优 的 运 动 速 度 峰 值 v0 能 够 实 现 在 最 短 的换 挡 时 间 内 完 成 换 挡 动 作

18、且 不 会 产 生 同 步 冲 击 。图 4 换 挡 过 程 执 行 机 构 运 动 速 度 分 析 原 理 图212 换 挡 过 程 最 优 运 动 速 度 峰 值 v0 的 确 定换 挡 执 行 机 构 在 运 动 过 程 中 受 力 关 系 见 图 5。图 5中 L为 换 挡 行 程 , l为 从 空 挡 位 到 同 步 点 的行 程 , s为 从 空 挡 位 到 同 步 前 的 缓 冲 点 的 行 程 ,各 行程 位 置 关 系 与 图 4对 应 。 在 换 挡 过 程 中 换 挡 执 行 机构 先 加 速 再 减 速 运 动 ,执 行 机 构 的 初 始 运 动 速 度 为图 5 换

19、 挡 执 行 机 构 受 力 关 系 原 理 图0。 有 下 列 关 系 式 存 在 :Fd - f =m a1 (10)2a1 s = v20 - 0 (11)v20 - v2max = 2a2 ( l - s) (12)f - Fr =m a2 (13)式 中 a1 为 执 行 机 构 在 运 动 到 换 挡 缓 冲 点 前 的 正 向加 速 度 ; a2 为 执 行 机 构 从 换 挡 缓 冲 点 运 动 到 同 步 点时 的 反 向 加 速 度 ; Fd 为 正 向 加 速 运 动 阶 段 的 推 力 ;Fr为 反 向 加 速 运 动 阶 段 的 推 力 ; f为 换 挡 气 缸 的

20、反向 阻 力 ; m 为 换 挡 执 行 机 构 质 量 ; v0 为 换 挡 同 步 前 的运 动 速 度 峰 值 ; vmax为 换 挡 同 步 时 的 瞬 态 最 大 速 度 。a2 的 最 大 值 是 在 Fr = 0时 取 得 , a2max = f /m。根 据 式 (10) 式 (13) ,可 以 得 到 :m a2 = 2( Fd - f) s - v2maxm2 ( l - s)(14)令 Fd - f = C (常 量 ) , l - s = t,则 :m a2 = 2C ( l - t) - v2maxm /2 t (15)整 理 得 : m a2 = C l - 12

21、m v2max / t - C (16)从 式 (16)可 看 出 ,当 s变 大 时 a2 会 随 着 变 大 。根 据 式 (10) 式 (13)得 出 :smax = l - fl + 12 m v2max /Fd (17)v0 = 2 ( Fd - f)m ( fl + 12 m v2max )Fd1 /2(18)通 过 式 (17)和 式 (18)可 以 确 定 在 换 挡 过 程 中 ,执 行 机 构 所 能 达 到 的 运 动 速 度 峰 值 v0 ,以 及 达 到 运动 速 度 峰 值 时 的 行 程 位 置 smax。213 避 免 换 挡 冲 击 控 制 方 法 研 究根

22、据 212节 理 论 ,可 以 确 定 换 挡 同 步 前 运 动 速度 峰 值 和 达 到 该 运 动 速 度 时 的 行 程 位 置 。 据 此 ,换挡 过 程 控 制 策 略 的 设 计 思 想 为 :通 过 调 整 换 挡 执 行气 缸 在 不 同 运 动 阶 段 的 气 缸 腔 室 压 力 来 达 到 调 整 换挡 执 行 机 构 运 动 速 度 的 目 的 。图 6为 降 挡 时 换 挡 同 步 过 程 的 控 制 历 程 说 明 。 256 汽 车 工 程 2009年 (第 31卷 )第 3期首 先 ,通 过 换 挡 行 程 位 移 传 感 器 检 测 换 挡 执 行 机 构的

23、运 动 位 置 。 在 未 进 入 同 步 阶 段 前 (图 6中 的 B区 ) ,电 控 单 元 ( ECU )控 制 主 气 路 电 磁 阀 CM驱 动 信号 占 空 比 的 上 升 斜 率 (该 斜 率 为 预 设 的 比 率 )使 换挡 执 行 机 构 运 动 速 度 逐 渐 增 大 。 当 位 移 信 号 检 测 到运 动 位 置 将 进 入 同 步 阶 段 时 (图 6中 的 C区 ) ,调 整主 气 路 电 磁 阀 CM驱 动 信 号 占 空 比 的 上 升 斜 率 ,减缓 执 行 机 构 的 运 动 速 度 。 同 时 检 测 转 速 信 号 ,在 换挡 轴 当 前 转 速 趋

24、 进 于 同 步 环 的 目 标 转 速 时 ,再 次 调整 CM电 磁 阀 的 脉 宽 如 图 6中 的 E区 所 示 ,增 大 气缸 驱 动 腔 室 的 供 气 压 力 ,快 速 完 成 换 挡 过 程 。 图 7为 根 据 换 挡 同 步 过 程 设 计 的 控 制 程 序 流 程 图 。图 6 换 挡 同 步 过 程 控 制 历 程 说 明 图3 控 制 方 法 的 实 验 验 证针 对 上 述 换 挡 过 程 控 制 策 略 进 行 了 如 图 8所 示的 台 架 实 验 。 该 实 验 台 架 模 拟 了 在 换 挡 过 程 中 ,整车 动 力 从 离 合 器 从 动 盘 传 输

25、到 车 轮 的 过 程 ,它 由 三部 分 组 成 :电 控 系 统 、 基 于 气 动 执 行 机 构 的 12挡 自动 变 速 器 和 动 力 拖 动 单 元 7 。 其 中 拖 动 电 机 连 接 惯性 飞 轮 模 拟 车 辆 在 行 驶 中 的 整 车 惯 性 量 ;变 速 器 在输 入 端 连 接 离 合 器 从 动 盘 模 拟 车 辆 在 换 挡 时 的 输 入端 惯 性 量 。 实 验 时 控 制 单 元 ECU实 时 采 集 传 感 器的 信 号 ,并 控 制 换 挡 执 行 机 构 的 动 作 ,上 位 机 显 示 系统 实 时 记 录 整 个 实 验 过 程 的 状 态 。

26、基 于 上 述 实 验 条 件 分 别 进 行 了 有 、 无 换 挡 过 程控 制 的 换 挡 对 比 试 验 。 图 9和 图 10分 别 为 未 采 用换 挡 过 程 控 制 和 采 用 换 挡 过 程 控 制 时 高 挡 换 入 低 挡图 7 换 挡 过 程 控 制 程 序 流 程 图图 8 换 挡 过 程 控 制 实 验 台时 输 出 轴 转 速 n2 ,输 入 轴 转 速 n1 ,换 挡 行 程 tx (无 量纲 量 ) ,换 挡 同 步 力 矩 M 的 变 化 曲 线 图 。从 图 9中 可 以 看 出 :高 挡 低 挡 时 ,在 换 挡 速 度没 有 采 用 换 挡 过 程 调

27、 节 时 ,换 挡 行 程 tx没 有 明 显 的同 步 阶 段 ,换 挡 速 度 与 之 对 应 的 同 步 力 矩 曲 线 中 的a点 产 生 了 转 矩 突 变 点 ,即 换 挡 冲 击 。在 采 用 同 步 过 程 控 制 方 法 后 (图 10) ,换 挡 执 行机 构 有 明 显 的 快 行 、 慢 速 同 步 再 快 行 换 入 挡 位 的 过程 。 换 挡 行 程 tx有 明 显 的 同 步 阶 段 ,与 之 对 应 的 同步 力 矩 峰 值 为 60N m,同 步 器 充 分 起 到 了 同 步 作用 。2009 (Vol. 31) No. 3 王 阳 ,等 : AMT换 挡

28、 冲 击 产 生 机 理 与 对 策 研 究 257 图 9 未 采 用 换 挡 过 程 控 制 策 略 高 挡 低 挡 实 验 曲 线 图图 10 采 用 换 挡 过 程 控 制 策 略 高 挡 低 挡 实 验 曲 线 图最 后 ,对 该 换 挡 过 程 控 制 方 案 进 行 了 实 车 道 路实 验 。 实 验 曲 线 见 图 11。 其 中 n2、 n1、 ne 分 别 为 变速 器 输 出 轴 转 速 、 变 速 器 输 入 轴 转 速 、 发 动 机 输 出 轴转 速 ; s为 选 位 行 程 位 置 传 感 器 数 值 , tx为 换 挡 行 程位 置 传 感 器 数 值 , l

29、c为 离 合 器 位 置 传 感 器 数 值 ,均 为无 量 纲 量 ; L pd为 油 门 踏 板 的 位 置 传 感 器 值 ( % )。从 图 11中 可 看 出 ,当 电 控 单 元 ECU检 测 到 换挡 点 后 ,在 换 挡 过 程 的 B区 ,整 车 动 力 中 断 ,变 速 器转 速 下 降 ,选 换 挡 执 行 机 构 进 行 选 、 换 挡 动 作 (B区中 的 c - d为 选 位 过 程 , a - b - e - f为 换 挡 过 程 ,其图 11 4H挡 换 入 5L挡 时 的 自 动 变 速 过 程 实 验 曲 线中 的 b - e为 换 挡 同 步 阶 段 ,同

30、 步 效 果 明 显 ,变 速 器输 出 轴 转 速 n2 变 化 平 稳 ,满 足 车 辆 换 挡 的 要 求 。4 结 论(1) 通 过 建 立 换 挡 过 程 的 动 力 传 递 模 型 ,分 析了 影 响 换 挡 品 质 的 主 要 因 素 :在 换 挡 的 同 步 阶 段 ,换挡 冲 击 度 的 大 小 取 决 于 同 步 器 摩 擦 力 矩 的 大 小 。(2) 找 到 了 同 步 冲 击 产 生 的 机 理 ,并 通 过 分 析换 挡 过 程 执 行 机 构 的 运 动 特 点 ,确 定 了 最 优 的 运 动速 度 。(3) 提 出 了 换 挡 过 程 控 制 策 略 ,并 进

31、 行 了 实 验验 证 。 结 果 表 明 ,该 控 制 方 法 能 够 有 效 避 免 车 辆 在换 挡 过 程 中 产 生 冲 击 的 现 象 。参 考 文 献 1 何 忠 波 . 重 型 车 辆 AMT换 挡 品 质 控 制 与 换 挡 策 略 研 究 D . 北京 :北 京 理 工 大 学 , 2003. 2 卢 新 田 ,侯 国 政 . AMT控 制 系 统 结 构 及 国 外 主 要 AMT产 品 介绍 J . 汽 车 技 术 , 2004 (5). 3 席 军 强 ,丁 华 荣 ,陈 慧 岩 . ASCS与 AMT的 历 史 、 现 状 及 其 在 中国 的 发 展 趋 势 J

32、. 汽 车 工 程 , 2002, 24 (2). 4 何 忠 波 . AMT换 挡 过 程 动 力 学 建 模 及 换 挡 品 质 影 响 因 素 分 析 J . 军 械 工 程 学 院 学 报 , 2004 (16). 5 陈 家 瑞 . 汽 车 构 造 M . 北 京 :机 械 工 业 出 版 社 , 2005. 6 王 阳 . 气 动 AMT避 免 换 挡 冲 击 的 控 制 策 略 研 究 C . 2007全 国博 士 生 学 术 论 坛 论 文 集 . 上 海 :同 济 大 学 , 2007: 172 - 177. 7 W ang Yang. A Study of Automatic Mechanical Transm ission Basedon a Twelve2speed Gear Box C . The Fifth International Confer2ence on Mechanical Transm issions. Chongqing University, 2006,part1: 105 - 112.