重型车辆整车一体化自动变速技术*

重型车辆整车一体化自动变速技术^*

【摘要】针对重型车辆装用手动操纵12挡机械变速器，经常出现因换挡误操作、跳挡变速而造成换挡冲击，导致主离合器过度磨损的问题后，设计了整车一体化自动变速系统，并设计了电气自动换挡执行机构。同时通过发动机电控单元的通信，实现了对整车动力传动的协调控制。实车试验证明，所加装的全气动机械自动变速系统解决了离合器过度磨损的问题，整车燃油经济性提升了20%。

关键词：重型机械自动变速系统  换挡控制策略

中图分类号：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

多挡位变速器可以为整车动力传输提供更多的换挡点，充分发挥发动机的动力特性和经济特性，改善整车的燃油经济性，所以在重型车辆上得到了广泛应用。但由于多挡变速器的换挡点较多，在车辆行驶过程中操纵繁琐，容易造成驾驶员的误操作而产生换挡冲击。在重型车辆上装有充足的气源，为整车提供转向、刹车等功能的气助力，因此以压缩空气作为驱动力的整车自动变速系统（AMT）具有统一车载动力源、减轻驾驶员劳动强度、提高整车燃油经济性的优点。

1整车动力传动系统

该重型12挡牵引车辆的整车动力传动系统如图1所示。发动机输出动力经离合器、12挡变速器、车后桥差速器传递至车轮。其中12挡变速器由3部分组成：主箱、高低挡切换副箱、插入式副箱。主箱有4个挡位，高低挡切换副箱和插入式副箱各有2个挡位：H挡和L挡。通过主箱和插入式副箱的组合可实现6个挡位，再配合高低挡切换副箱的H挡和L挡，实现12个挡位的换挡过程。

图1 重型牵引车辆动力传动系统结构原理图

Fig1 the transmission of power train about heavy truck

整车动力经12挡变速器的功率流如图2所示。在每个挡位下，功率流从变速器左侧的输入轴经过相应的挡位流到右侧的输出轴。

图2 12挡变速器功率流示意图

Fig2 the power flow of 12gear box

2自动换挡操纵系统

自动换挡操纵系统由5部分组成：选换挡执行机构、离合器执行机构、动力传动CAN通信模块、驾驶员控制单元（包括换挡手柄、油门踏板、制动踏板）、电子控制单元（ECU），如图3所示。

图3 自动换挡操纵系统原理图

Fig3 the auto-shift control system

驾驶员通过换挡手柄、制动踏板以及加速踏板来反映其驾驶意图。ECU通过转速传感器获取当前车辆的行驶状态信息，并根据设计的换挡规律分析当前情况下车辆是否处于最佳的挡位，并向各个执行结构发出控制指令；再通过各个位移传感器反馈回来的信号，精确控制变速箱、离合器和发动机的动作，从而保证车辆在不同道路条件下的平顺行驶。

2.1自动选换挡操纵机构的设计

为了满足该12挡变速器的换挡动作要求，分别在主箱、插入式箱、高低挡切换副箱上设计了以压缩空气为动力源的选、换挡执行气缸，如图4所示。主箱换挡缸为三位气缸，副箱换挡缸为两位气缸，各气缸均由常闭式二位三通响应电磁阀驱动。在换挡时，s1、s2、s3电磁阀驱动主箱换挡气缸完成换挡动作；s4、s5驱动选位气缸完成选位动作；s6和s7、s8和s9分别驱动高低挡切换副箱和插入式副箱气缸完成高、低挡切换动作。各个气缸通过其活塞杆上的连接头k1、k2、k3、k4拨动变速器中的执行机构完成相应的选位、换挡操作。

图4 选位换挡执行机构控制原理图

Fig4 the control method of gear shifting and selecting

换挡时电控单元ECU向各电磁阀发出控制指令的逻辑关系如表1所示。

表1 选位、换挡气缸动作逻辑表

Tab.1 chart on selection and shift operating logic

2.2离合器自动执行机构的设计

离合器作为整车在换挡过程中动力中断—动力恢复的关键部件，其控制精度对于整车的换挡品质具有至关重要的作用。

在本自动变速系统中，离合器的动作通过3个电磁阀组合控制一个单作用气缸的进排气量来实现，其控制原理如图5所示。

图5 离合器执行机构控制原理图

Fig5 clutch movement control method

1-从动盘；2-压盘；3-膜片弹簧； 4-位置传感器；5-分离缸

图5中的限压阀用来控制通往执行气缸的最大压力，以解决车载气压源在车辆的行驶过程中产生的气压波动问题。整个离合器动作执行机构通过一个单作用气缸推动分离杠杆做分离、结合操作。3个电磁阀中C1常开，C2常闭，C3是1个两位三通阀，以保证在断电时离合器能自动回位。C3通电可使离合器分离，C2和C3同时通电离合器结合，在分离结合过程中若C1通电、C2断电，则离合器行程将保持不变。离合器单作用气缸的动作逻辑关系如表2所示。

表2 离合器动作逻辑表

Tab.2 chart on clutch cylinder operating logic

2.3基于CAN总线的动力传动协调控制

在换挡的过程中，变速器所要换入目标挡位的输入轴转速与发动机输出轴的转速差应尽可能小，以缩短换挡时间，减少离合器的滑磨。通过CAN通信模块可以方便地对发动机进行调速，实现上述功能，控制关系如图6所示。

图6 动力传动CAN通信系统结构图

Fig6 the method of CAN BUS communication

 for power transmission

车辆换挡时，通过对换挡点的计算，可以知道变速器换入目标挡位时的输入轴转速和与之对应的发动机输出轴转速。在换挡时首先离合器分离中断整车动力，自动变速系统通过ECU发出换挡指令，同时CAN通信模块向发动机发出调速请求和需要发动机提供的输出轴目标转速、转矩值。发动机电控单元在接收到该指令后，对发动机转速、转矩进行协调控制，此时变速器完成换挡动作，离合器结合，恢复整车动力。

3 换挡规律

车辆的换挡规律可以分为动力性换挡规律和经济性换挡规律。动力性换挡规律以保证车辆获得所期望的动力性能为目标，但没有考虑到车辆的经济性能。经济性换挡规律力求换挡过程中使发动机处

图7 满载情况下平道换挡规律曲线

Fig7 integrated auto-shift rule of fully loaded vehicle

于或接近最经济区域，但不能满足车辆在加速、爬坡时对动力性能的要求。针对这些特点，设计了在中小油门开度下采用经济性换挡策略、大油门开度下采用动力性换挡策略的综合换挡规律。车辆在满载情况下的平道换挡规律曲线如图7所示。

4试验结果分析

4.1 自动变速执行机构的性能分析

图8 4H 挡换入5L挡时的自动变速过程试验曲线

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

以4H挡换入5L挡为例，图8通过试验数据说明了整个换挡过程。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，sl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，lc为离合器位置传感器数值，均无量纲。Lpd为油门踏板的位置传感器值（%）。

   从图8中可以看出，当电控单元ECU检测到换挡点后，在换挡开始前的A区，离合器慢速分离至半结合点，此时ne和n1转速一致。在B区，首先离合器快速分离，整车动力中断，发动机电控单元ECU根据CAN通信模块的请求，快速调整发动机输出轴转速到目标转速，同时选换挡执行机构完成整个换挡动作（如图8中的a-b-e-f为换挡过程，c-d-e为选位过程），此时变速器输出轴转速有下降的趋势。在完成整个换挡动作后的C区，离合器从半结合点慢慢结合，ne和n1的转速慢慢同步一致，整车恢复动力传输，油门踏板值不断增大，变速器输出轴转速上升。

图9 离合器磨损量关系示意图

Fig 9 the abrasion of clutch in different condition

   在完成整车的道路里程实验后，对离合器的磨损量进行了测量。离合器的磨损量可通过离合器在无磨损状态下的行程值与有磨损状态下的行程值的差值表示出来。图9中（h-g）和（k-g）可分别表示自动挡车型与手动挡车型的离合器磨损程度。可以看出，自动挡车型的离合器磨损量小于手动挡车型的离合器磨损量，且两者均在允许的磨损量范围内。

4.2 手动模式与自动模式下换挡特性对比分析

针对上述设计的整车一体化机械自动变速系统，进行了3000km的不同路况下的跑车试验。实车试验的燃油经济性对比测试结果为：高速公路路况下，因路况较单一，大部分情况下样车均在高挡位行驶，自动挡样车比手动挡样车节油9%；山区公路路况下（包含有爬坡、下坡、慢速过弯、高速行驶等道路情况），因行驶工况复杂，换挡相对频繁，自动挡样车比手动挡样车节油20%。

为检测自动换挡系统的性能，对手动换挡满载原地起步急加速的换挡、加速时间特性与采用自动换挡系统的换挡、加速时间特性进行了对比试验。试验在平滑环道试车场进行。3位经验丰富的试车员分别驾驶手动挡样车和自动挡样车进行了满载原地起步急加速换挡试验，通过对采集数据的分析得到的试验结果如表3和表 4所示。

从试验数据的对比中可以看出，手动换挡每个挡位的换挡时间均大于或等于自动换挡时间。自动换挡模式下的1H挡到6H挡的加速时间与手动模式下的时间相比，缩短了16.6s，即在不改变整车动力匹配的条件下，使整车的加速性能得到了明显的改善。

表3手动换挡满载原地起步急加速试验结果

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

表4自动换挡满载原地起步急加速试验结果

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

5结论

  （1）运用电子、气动技术实现了对装有多挡位变速器重型牵引车辆的自动变速控制，开发了整车一体化自动变速系统，并完成了在高速公路、山区道路等行驶条件下的实车试验。

 （2）与原手动换挡过程相比，自动变速系统适应性好、换挡动作快捷、驾驶员控制简便。在3000km道路行驶后对变速箱的离合器及各选换挡执行机构进行了检测，其磨损量均在设计许可范围内。

（3）自行设计的自动换挡规律，充分利用了该多挡变速器的各换挡点，最大程度发挥了整车的动力特性。高速公路路况下自动挡样车比手动挡样车节油9%；山区路况下自动挡样车比手动挡样车节油20%。整车的燃油消耗率有较好的改善。