AMT換擋過程的協調控制策略研究

范珊珊，孫文軍，聶幸福

（陜西法士特汽車傳動研究院，陜西 西安 710119）

前言

近年來， AMT的需求量越來越大，其性能要求也越來越高，其中最重要的就是換擋品質的問題。而AMT換擋時，動力中斷，前后速比有極差，勢必會造成換擋沖擊，所以必須與發動機和離合器相互協調配合，及時調整發動機轉速扭矩以及離合器分離接合來匹配整車狀態，提高乘坐的舒適性。

早期由于發動機電子控制單元 ECU技術以及整車通訊技術發展不夠完善，變速器控制單元TCU只能通過調整節氣門開度間接地實現對發動機轉速轉矩的控制。文獻[1]提出加裝一個電子節氣門實現發動機轉速的自動控制[1]，文獻[2]提出通過控制斷油電磁閥來調節發動機轉速的方法，兩者都可以減小換擋時離合器主、從動部分的轉速差，提高換擋品質[2]。文獻[3]則采用自適應PID神經網絡的方法進行油門調速，提高了發動機調速的響應速度、魯棒性以及自適應能力[3]。

但是上述方法，無法實時準確地獲取發動機轉矩、轉速等參數以及按照汽車行駛工況有效地實現對AMT和發動機、離合器的直接協調控制。隨著技術的進步，通信協議逐漸開放，使得發動機超越控制成為可能，也就是發動機控制系統允許傳動系統（如變速器、緩速器、取力器等）暫時接管發動機控制，以實現良好的駕駛性能。文獻[4]將AMT換擋過程分為三個階段：離合器分離階段，變速器摘擋、選擋、掛擋階段，離合器接合階段，前兩個階段采用轉速控制，第三階段采用轉矩控制，該方法基本滿足AMT換擋需求[4]。文獻[5]和[6]，繼續細分各個換擋階段，縮短換擋過程發動機控制時間[5-6]。但是發動機扭矩降低和增加的速率與AMT所處經濟動力模式相關，同時還應考慮油門踏板位置，反應駕駛員意圖，實現AMT的智能化控制。目前對這方面的研究還有所欠缺，本文通過CAN總線完成AMT與發動機的通信，在換擋過程中由 AMT暫時接管發動機控制功能，依據離合器分離接合位置將換擋過程分為三個階段，分別采用發動機降扭控制、轉速控制、還扭控制，并在一定程度上反應駕駛員意圖，實現AMT換擋過程的協調控制，可明顯提高換擋品質。

1 發動機超越控制

正常工作情況下，發動機電控單元（ECU）通過采集加速踏板位置、發動機轉速、曲軸位置、冷卻水溫、進氣壓力和進氣溫度等傳感器信號按照設定的規律（調速特性）控制燃油噴射系統的噴油量。為了實現良好的駕駛性能，車輛運行過程中，發動機也允許其他電控單元介入，如取力器、制動系統、ASR、TCU等，通過CAN總線發送轉速或轉矩控制請求，從而暫時接管發動機的控制功能，這個過程就叫做發動機超越控制。

AMT換擋過程中離合器分離，動力中斷，必須合理控制發動機轉速轉矩，與離合器分離接合的快慢相匹配，才能減小離合器沖擊，提高離合器壽命。其次，換擋前后傳動比有突變，必須進行調速，使帶嚙合的齒輪達到同步才能順利掛入目標擋位，也就是通常所說的“降擋升速，升擋降速”。這些都要求變速器在換擋過程中，與發動機協調配合。所以AMT工作時，不僅僅通過采集換擋手柄位置、加速踏板位置、制動踏板位置、車速、離合器位移、當前擋位、輸入軸和輸出軸轉速等信號來控制離合器的分離、接合及AMT的摘擋、選擋和換擋過程，而且要通過 CAN總線發超越控制請求，要求發動機達到目標轉速轉矩，協調控制各執行機構。基于CAN總線的AMT控制系統如圖1所示。

圖1 基于CAN總線的AMT控制系統

總線通信協議J1939中的TSC1報文對發動機超越控制進行了詳細定義。發動機超越控制模式包括轉速控制、扭矩控制、轉速/扭矩限制，報文同時還定義了超越控制優先級、轉速控制條件以及需求扭矩、轉速等參數，TSC1報文格式如表1所示。AMT運行過程中正是通過發送TSC1報文請求發動機超越控制，主要應用了發動機扭矩限制和速度控制兩種模式。AMT換擋過程從離合器開始分離到離合器完全接合為止，這期間可分為減載、空載、加載3個過程，分別采用發動機降扭控制，轉速控制，還扭控制，下面將對此展開詳細論述。

表1 發動機超越控制請求報文TSC1

2 AMT換擋過程的協調控制

AMT運行過程中，當檢測到目標擋位與當前擋位不符時，就開始進行換擋。首先分離離合器，然后摘擋、選擋，變速器同步后掛入目標擋位，最后再接合離合器。按照離合器位置，將該過程分為三段，如下圖所示，離合器分離階段負載逐漸降低，采用降扭控制；選換擋階段由于要同步帶嚙合齒輪，采用轉速控制；離合器接合階段則逐漸恢復扭矩，采用還扭控制。

圖2 AMT換擋過程

2.1 換擋前發動機降扭控制

換擋前也就是離合器分離階段，當目標擋位與當前擋位不符時，系統接受換擋請求，直到離合器分離至滑磨點（即離合器恰好可以傳遞扭矩所對應的接合位置）時結束，在這個階段，離合器在保持發動機轉速平穩的基礎上，遵循“快——慢——快”的規律，逐步分離離合器，發動機在此期間要同步降低輸出轉矩，防止發生明顯的減速沖擊。扭矩降低的速率由AMT所處的模式和當前瞬時扭矩決定，如表2所示。

表2 發動機降扭速率

倒擋R模式的降扭速率最大，手動模式也比較大，動力模式降扭速率較經濟模式大。發動機扭矩依據選擇的降扭斜率逐漸降至 0，以防出現扭矩突變或振蕩，造成換擋沖擊。整個過程中，扭矩響應延遲和跟隨誤差都應控制在一個很小的范圍。

2.2 換擋過程中發動機轉速控制

由于換擋時間很短，可以假設換擋期間車速是保持不變的，變速器輸出軸轉速也認為幾乎不變。換擋前，變速器輸入端轉速與輸出端轉速的關系如下：

式中，ni指的是輸入端轉速，no是輸出端轉速，in是換擋前變速器所處擋位，i0是主減速器速比。換擋后，輸入轉速與輸出轉速的關系如下：

式中，ni+1指的是換擋后輸入端轉速， in+1是目標擋位。從上式分析，升擋時，目標擋位速比較當前擋位速比小，掛入目標擋位后，輸入軸轉速要降低。相反，降擋時，輸入軸轉速要升高。所以，換擋前后變速器的傳動比發生了變化，使得變速器輸入軸轉速產生跳變，若換擋過程中不調節發動機轉速，在換擋完成離合器再接合時，其主、從動盤之間也會存在較大轉速差，導致換擋沖擊和離合器過度磨損，縮短離合器使用壽命。如下圖所示，圖3（a）為升擋時發動機的轉速控制，發動機實際轉速逐漸降低。圖3（b）為降擋時發動機的轉速控制，發動機實際轉速逐漸升高。

圖3 換擋過程發動機轉速控制

AMT換擋過程，變速箱內部也要對待嚙合齒輪進行調速，使之與滑套同步，平緩地掛入目標擋位，否則掛擋沖擊大，影響換擋品質。變速器內部調速同樣也遵循“升擋降速，降擋升速”的規律。變速器內部安裝有一個制動裝置，升擋時起制動中間軸的作用，使待嚙合齒輪和滑套的速度相匹配，順利掛入擋位。降擋時，則需要再次接合離合器，通過發動機帶動一軸及中間軸轉速升高，速度匹配后分離離合器，再掛入目標擋位。掛擋完成后，發動機轉速和變速器輸入軸轉速仍有一定速差，也就是離合器的主、從動盤仍要進行同步調速。因而，AMT換擋過程的轉速控制過程，可細分為變速器同步調速階段、換擋階段和離合器同步階段。

在第（1）階段中間軸同步時，發動機轉速在目標轉速窗口外，如圖3所示，要求發動機的速度控制具有較快的轉速響應和較小的穩態轉速偏差，可以采用較大的PI參數進行調節；第（2）階段換擋時，發動機轉速已基本進入目標轉速窗口內，可以采用較小的PI參數進行調節；第（3）階段，當變速箱掛擋完成進入離合器同步階段，要求發動機速度控制的扭矩輸出要平滑、穩定，但對轉速響應速度和穩態轉速偏差要求較低，可以采用較小的PI參數，并引入D環節進行補償。

2.3 換擋后發動機還扭控制

選換擋結束離合器接合階段，需將當前的發動機扭矩逐漸恢復。離合器遵循“快—慢—快”的接合規律，從分離點到滑磨點，接合速度可以較快，但是從滑摩點到同步點則采用慢速接合，該階段最易引起換擋沖擊，同步點到完全接合點，又應該快速接合。發動機還扭速率與AMT模式相關，具體如表3所示。

表3 發動機還扭速率

離合器接合行程的每個點可傳遞的扭矩有限，如果接合速度過快，離合器可傳遞扭矩大于發動機還扭矩，那么將產生類似發動機制動的反拖效果，造成沖擊，降低換擋舒適性。如果接合速度過慢，離合器可傳遞扭矩小于發動機還扭矩，那將延長滑磨時間，降低離合器使用壽命。所以，問題的關鍵是使發動機還扭矩與離合器傳遞扭矩相協調，實現離合器快速接合，盡快恢復汽車的動力，達到駕駛員期望的牽引效果。

3 試驗驗證

基于文中換擋過程協調控制策略，開發16速AMT控制軟件，在裝有WP12.375 E4發動機和SACHS SAE1#離合器的車輛上進行試驗驗證。如表4所示，為整車參數：

表4 整車參數列表

在試車場以及實際道路進行測試，發現換擋迅速，舒適性提高。如圖4所示為從8擋到10擋的升擋過程，發動機轉速變化平穩，換擋沖擊小，動力中斷時間短。原因是，離合器分離過程中離合器分離和發動機降扭保持協調一致，發動機轉速平穩，車輛繼續保持一定的加速度，減小了動力損失；選換擋過程中通過轉速控制使待嚙合齒輪達到精確同步，換擋平順，沖擊減小，同時離合器主、從動轉速差也大大減小。第3階段扭矩恢復，發動機扭矩與離合器接合過程保持一致，既保持了換擋舒適性，又增強了換擋過程的動力性。

圖4 升擋過程（8~10）

圖5為從15擋到14擋的降擋過程，降擋平穩快捷，通過發動機轉速控制及扭矩控制，減小了離合器主、從動部分轉速差，車輛無制動感，發動機轉速無轟響，獲得了很好的換擋效果。

圖5 降擋過程（15~14）

試驗結果表明，AMT換擋過程的協調控制策略，可提高換擋舒適性，減小沖擊，能夠滿足實際車輛運行的需要。

4 結論

AMT換擋過程影響因素眾多，邏輯復雜，本文詳細分析AMT換擋過程，提出一種協調控制策略，結合離合器的分離接合狀態，將AMT換擋過程分為換擋前降扭控制，換擋過程轉速控制，和換擋后還扭控制，實現了AMT與發動機、離合器的綜合控制，改善了 AMT的換擋品質。在裝有WP12.375 E4發動機，16速AMT，SACHS SAE1#離合器的車輛上進行試驗驗證，試驗結果表明，該方法有利于縮短換擋時間，提高換擋舒適性和動力性，為AMT換擋過程控制提供參考。