平行軸式直接掛擋機構過沖問題研究

李昕昕　王東興　茍踐

摘要：對商用車AMT變速器的掛擋執行機構進行了研究，特別對平行軸式直接掛擋機構的過沖問題進行了詳細研究。為了減弱摘擋時的過沖現象，提出了一種新的摘擋控制策略，對其控制流程進行了詳細闡述。以某車型為例，驗證摘擋控制策略的可行性。研究表明，此摘擋控制策略的應用可以明顯減弱摘擋過沖現象，提高換擋舒適性和行車安全性。

關鍵詞：AMT；平行軸式直接掛擋機構；過沖問題；實車驗證

AMT（Automatic Mechanical Transmission）變速器在國內商用車領域已推廣應用多年，目前對AMT掛擋執行機構的研究也越來越細致深入。AMT掛擋執行機構的作用是代替手動變速器操縱機構完成掛擋和摘擋工作。根據執行機構驅動方式的不同，可以分為氣動、電動、液動等形式[1]。目前市場常見的中重型AMT基本上使用的都是氣動執行機構，輕型AMT有電動和液動等不同形式。

掛擋執行機構的質量對于AMT掛擋性能和品質至關重要。執行機構是一個精密的電控元器件，包括了電磁閥、傳感器、氣缸和內部氣道等關鍵部件。部分集成式執行機構還包括PCB板、加速度傳感器及集成線路等核心部件。讓這些部件緊密配合，實現快速穩定的掛擋和摘擋功能，需要執行機構本身硬件和應用層軟件的緊密配合才能完成[2]。

掛擋執行機構

本文只討論主流的氣動掛擋執行機構。國內AMT產品經過十幾年的發展，已經形成了輕、中、重全扭矩段的覆蓋，也實現了從第一代模塊化向第二代集成化的轉變。

根據其掛擋形式，又可以分為XY結構和YY結構[3]，如圖1所示。可以看出，XY結構具有選擋氣缸和掛擋氣缸，與手動擋操縱機構類似，掛擋過程需要先動選擋軸再掛擋，掛擋過程清晰準確。在很多變速器上得到了應用，比如國內第一代重型貨車AMT，很多廠家就是采用模塊化的XY執行機構，第二代重型貨車AMT雖然采用了先進的集成化布局，但執行機構依然是XY結構。

YY執行機構，即平行軸式執行機構[4]，是近年流行起來的布置形式，因為AMT不需要完全像手動擋一樣先選擋再掛擋，而是采用幾排獨立的掛擋軸，靠位移傳感器由應用層軟件來判斷其他軸是否處于空擋位置，省略選擋過程，直接進行掛擋。這樣做可以縮短換擋時間，盡可能地減少動力中斷時間。目前一些中輕型AMT上使用的就是YY結構的模塊化執行機構。當然，YY結構執行機構也可以做成集成式，外型與XY集成式類似，只是氣缸布置形式和內部氣路會有所區別。

掛擋執行機構過沖問題研究

掛擋執行機構在回空擋或者換另外一個擋時，一般需要先回到空擋位置，再進行掛擋。在這個過程中，理想情況是每次回空擋時都回到正中間，不要回過了也不要回不到位。實際情況是，經過機械優化和彈簧硬度選配，一般情況下回空擋不到位的情況容易解決和避免，但回過了的情況時有發生，即通常所說的摘擋過沖問題。

過沖現象在XY結構和YY結構上都有可能發生。XY結構因為中間有多個零件，零件間存在間隙，導致撥叉軸的運動慣性小。YY結構運動慣性大，更容易發生過沖現象。正常情況，空擋位置附近有一定范圍自有行程，在合理范圍（一般是±2mm）內的過沖不用考慮，應用層軟件也會把這統一看作是空擋。從實際使用情況來看，XY結構很少發生因為過沖嚴重引起的換擋品質問題，而YY結構因為過沖發生了幾個典型問題。

以中輕型AMT所使用的平行軸式執行機構為例說明過沖帶來的換擋品質問題。此執行機構的行程為-12～+12mm，負值說明撥叉軸縮回來，表示一個擋位；正值說明撥叉軸伸出去，表示另外一個擋位；0mm表示空擋位置。定義回空擋時，位移偏差大于3mm即為過沖問題，大于5mm為嚴重過沖問題。

問題1：回空擋憋熄火問題。駕駛人停車制動時，換擋手柄回空擋，車輛有向前沖的趨勢，把發動機憋熄火。造成此問題的原因是換擋手柄發出回空擋命令后，執行機構開始工作，撥叉軸回到了0mm，此時應用層軟件判斷變速器已經在空擋，會發出結合離合器的指令，離合器開始結合。但在此時發生了過沖現象，撥叉軸繼續向對面運動，造成了變速器實際不在空擋，而是齒輪嚙合了一部分的情況。駐車制動時，車輛會憋熄火，不駐車制動時車輛會向前沖，有很大的危險性。

問題2：換擋沖擊大問題。摘擋過程中，過沖現象嚴重時會發生齒輪撞擊的聲音，主觀感受明顯，用戶體驗差。此問題雖然不會導致駕駛安全性問題，但是時常發生會造成不好的駕駛體驗，駕駛舒適性明顯降低。

掛擋執行機構過沖問題解決方案

為了解決和減少過沖帶來的換擋品質問題。機械設計和應用層軟件上都需要做優化。機械方面的優化主要包括：

1）掛擋執行機構活塞結構優化，減少摘擋時間，降低過沖概率。

2）增加自鎖彈簧剛度，減少過沖概率。

3）空擋自鎖槽結構優化，減少過沖概率。

本文著重說明軟件方面的優化。軟件現有回空擋策略是兩個電磁閥同時作用，為了減少過沖現象，將回空擋策略進行優化，先打開對側電磁閥吹氣，起到緩沖作用，再同時打開兩個電磁閥，具體控制策略如圖2所示。

可以看出，當TCU收到目標擋位變化的信號后，開始進行擋位的判斷。策略1即為現有控制策略，只要判斷出擋位在+12mm或-12mm左右，需要進行摘擋，則發出同時打開閥1和閥2的指令并執行回空擋操作。策略2為優化后的控制策略，先進行擋位判斷，如果擋位在+12mm左右，撥叉軸處于伸出去狀態，回空擋時則先打開對側閥1，閥1先打開一段時間后再同時打開閥1和閥2，先打開閥1的時間不宜過長，可以根據實際情況進行標定，否則會導致摘擋時間過長的問題。如果擋位在-12mm左右，判斷邏輯類似，只是先打開閥2，等待一段時間再同時打開兩個閥。

實車驗證

以某車型為例，說明優化摘擋控制策略后的實車應用情況。圖3和圖4所示為實車測試數據，Bsw_PosnGearActrActRaw12為1/2擋的位移，+12mm左右表示1擋，此時撥叉軸是伸出去的，-12mm左右表示2擋，此時撥叉軸是縮回來的，0mm左右表示空擋，此時撥叉軸在中間位置。PRAC_DucycGearActrVlv1Ctl為閥1的指令，0表示關閉，1表示打開。PRAC_DucycGearActrVlv2Ctl為閥2的指令，0表示關閉，1表示打開。

圖3所示為電磁閥控制策略1時的5擋升6擋過程。對應到8擋AMT上，即為1/2軸進行動作。5擋時，位移約為12mm，摘擋指令發出后，閥1和閥2同時打開，撥叉軸開始向空擋位置運動，正常應該回到0mm左右，但出現了過沖現象，位移最多回到了-4.35mm，造成了明顯的換擋沖擊。

圖4所示為電磁閥控制策略2時的5擋升6擋過程。5擋時，位移約為12mm，摘擋指令發出后，閥1先打開兩個周期的時間（10ms），然后同時打開閥1和閥2，撥叉軸開始向空擋位置運動，回到0mm左右，沒有出現過沖現象。摘擋過程迅速準確，沒有出現摘擋時間過長和摘擋過沖的問題。

結語

平行軸式直接掛擋執行機構因為其本身特點，很難從根本上完全杜絕摘擋過沖的問題，有必要開發一種新的摘擋控制策略，在摘空擋時先開對側電磁閥，然后再打開兩個電磁閥，給摘擋制造一點緩沖，抵消和減弱摘擋過沖現象。經過實車驗證，此策略可以大大降低摘擋過沖發生的概率，提高換擋舒適性，保證行車安全，而且不會造成摘擋困難。摘擋控制策略在某車型的應用，說明此方法有效可行，可以推廣應用到其他中輕型AMT車型。

參考文獻：

[1] 董荷強.重型車AMT選換擋執行機構系統特性研究[D].吉林大學，2011.

[2] 李小龍.AMT換擋執行機構控制策略及標定研究[D].南京理工大學，2014.

[3] 范珊珊，馬淵，孫文軍，等.商用車AMT選換擋執行機構設計[J].機械工程與自動化，2021（4）：103-105，107.

[4]陳勝.混合動力大客車直接掛擋式AMT控制系統開發[D].上海交通大學，2008.