机械自动变速器换挡冲击对策研究_刘成武

摘要： 针对电控机械自动变速器系统在试验过程中产生换挡冲击、同步器异常磨损等问题展开研究，通过分析具体
换挡工作过程及机理，提出了消除换挡冲击的控制方法并实车进行验证。 实验结果表明，该方法能有效避免换挡冲
击并延长同步器使用寿命。
关键词： 电控机械自动变速器；同步力矩；换挡冲击；换挡力控制
中 图 分 类 号 ：U463.212
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设 计·研 究
汽车科技第 3 期 2012 年 5 月
综上所述，换挡力过大，是导致换挡冲击的最终 原因。故如何选择并实现换挡力的合理控制，是有效 避免换挡冲击，兼顾换挡时动力性的关键因素。
2 挂挡过程中最佳换挡力的确定
根据前述挂挡过程分析， 换挡时保持一个固定 不变的过大换挡力不可避免会产生冲击， 理想情况 下，应在不同阶段随结合套位移调整换挡力大小。
空挡阶段主要消除结合齿圈与同步环的间隙， 可施加大力矩快速完成，有利于缩短挂挡时间。
同步阶段时换挡力矩应变化， 当结合套与同步 环接触时，应适当减小换挡力矩，确保锁环被目标挡 齿圈带动使其正常锁止，这是避免不同步啮合，充分 发挥同步器的关键。锁止后再适当增加力矩，以使其 迅速同步。
鉴 于 现 有 AMT 是 基 于 原 机 械 变 速 器 直 接 改 装的， 其最大换挡力不应超过原变速器手动换挡 力的最大值，以避免同步器早期损坏。具体值的确 定应根据试验， 综合考虑换挡时间与冲击度来确 定。
T=0.5μ·F·d·cscα 而拨环力矩 M 与结合套及同步环的花键齿的 齿尖锥面上的切向分力和齿面摩擦系数 μ′相关。 通过合理选择同步器花键齿的锁止角和摩擦锥
面的锥角，可以确保同步环与结合齿圈锥面压紧后， 产生的同步摩擦力矩 T 总是大于拨环力矩 M。 但在 同步环和结合齿圈锥面没有完全压紧前（图 1a），若 换挡力过大，将导致结合套移动速度过快，同步环没 有产生足够的同步摩擦力矩 T， 就在拨环力矩作用 下稍作转动， 结合套从而直接越过同步环与目标挡 齿圈结合（图 1c），造成未同步即与结合齿圈啮合而 造成打齿现象，即出现了前述的“不同步换挡冲击”。
所谓“不同步换挡”，是指在换挡过程，当前挡位 与目标挡位的待啮合齿轮未达到转速一致时即挂入 目标挡，从而造成“换挡冲击”的现象。相关实验表明 该现象也会造成同步器的早期损坏。 本文通过详细 的换挡过程分析，找到了同步器在换挡过程中“不同 步换挡”的原因，提出了换挡力的控制方法，以解决
参考文献： ［1］ 孙建成. 车辆行驶平顺性的预测及研究 ［J］. 汽车研究与
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1. 结 合 齿 圈 ；2. 同 步 环 ；3. 结 合 套 ；4. 滑 块 ；5. 定 位 销 ；6. 花 键 毂
（a）
（b）
（c）
（d）
图 1 同步器工作过程 变速器换挡过程中，可将离合器、变速器输入轴 至目标挡齿轮等看作动力输入端， 将同步器和输出 轴至驱动轮部分看作动力输出端。 在输入端转动惯 量大的车辆上（比如混合动力汽车，其输入端往往连 接动力电机，使转动惯量增大），换挡时需要更大的 换挡杆推力，才能产生足够的同步力矩，缩短换挡同 步时间。换挡力的增大，使得“不同步换挡”现象更容 易出现。 换挡力的增加， 对同步环与齿圈的性能也提出 更高要求， 其在短时间内同步摩擦将产生大量的热 量，达到一定温度时，会导致同步环的烧蚀，同时大 的换挡力也会增加摩擦件的磨损， 甚至拨叉的弯曲 变形；同步器过度磨损，也是造成出现“不同步啮合” 的原因之一。 当过度磨损， 造成同步环锥面形成台 阶，使得接触面积减小而降低同步力矩，当其小于拨 环力矩时，导致“不同步啮合”。
ECU 判断发出换挡请求信号
控制离合器分离
摘空挡并完成选挡
大力矩挂挡 N
同步位置接近了吗？ Y
调整 PWM，减小换挡力
N 处于同步阶段？ 电机电流上升？
Y 调整 PWM，增加换挡力
N 到挡信号出现，目标挡已挂入
Y 撤销换挡力来自百度文库控制电机反向，微量移动。
换挡结束
图 3 换挡过程控制流程图
通 过 实 验 检 测 换 挡 电 机 PWM 与 其 输 出 力 矩 关系如图 4 所示， 挂挡力值随着占空比的变化线 性度较好。 根据这一特点，结合同步器的设计工作 压力，可以选择合适的占空比来控制电机，保证换 挡力的调节。 在换挡结束后，也可实现反向的微量 移动， 彻底消除换挡力矩且不造成啮合状态的改
机械自动变速器换挡冲击对策研究 / 刘成武，刘珂路，佘建强
设 计·研 究
所造成的冲击问题。
1 不同步换挡冲击产生机理
变速器在挂挡过程中， 必须使所选挡位的待啮 合齿轮与输出轴转速同步，即齿轮的圆周速度相等， 才能使之无冲击地进入啮合而挂上挡。 如果在两者 间存在转速差强行挂挡，势必发生冲击和噪声，甚至 导致齿轮损伤。同步器在减小冲击、改善换挡平顺性 方面，起到了突出的作用，它是在结合套换挡机构的 基础上发展起来的，有常压式、惯性式、自行增力式 等种类，目前广泛应用的是惯性式同步器。其工作过 程如图 1 所示[2]，可以将挂挡过程分为 3 个阶段：
进挡 阶 段 ：如 图 1（d）所 示 ，同 步 环 与 齿 圈 同 步，同步环的锁止作用消失，此时结合套的齿尖与 齿圈的齿尖抵触产生的拨环力矩， 使齿圈相对于 结合套转动，实现齿圈与接合套的接合，直至结合 套的端面与齿轮的端面相接触而限位， 完成挂挡 的全过程。
在上述换挡同步阶段， 同步环与结合齿圈锥面 产生的同步摩擦力矩 T 的大小与锥面摩擦系数 μ、 作用在摩擦锥面上的轴向分力 F、 摩擦锥面的平均 直径 d 和锥面角 α 相关，其大小为[3]：
收 稿 日 期 ：2012-04-25
器作为发展重点[1]。 AMT 系统同样利用同步器进行换挡，换挡时需
要通过离合器切断与发动机的动力传递，因此，换挡 过程越长， 将严重影响汽车动力性， 但换挡时间过 短，又将导致“不同步换挡”而产生冲击，影响平顺 性。如何解决好这一矛盾，是 AMT 的关键技术之一。
设 计·研 究
汽车科技第 3 期 2012 年 5 月
doi:10.3969/j.issn.1005-2550.2012.03.016
机械自动变速器换挡冲击对策研究
刘成武 1，刘珂路 1，佘建强 2
（1.湖北汽车工业学院 汽车工程系，十堰 442002；2.东风汽车公司 技术中心，武汉 430056）
无法将力矩完全消除，增加滑块的磨损，故应采取措 施予以避免。
3 挂挡力控制策略
针对电控电动 AMT 操纵机构，其换挡力矩可根 据结合套位移调节换 挡 电 机 PWM 的 方 式 实 现 ，通 过换挡位置传感器检测挂挡过程中结合套的实际位 移， 并结合挂挡过程中电流的变化判断同步器的 3 个阶段。调节电机在同步阶段工作时的占空比，来实 现挂挡力的精确控制，换挡结束后，以极小的力矩反 向微量移动，达到完全撤销压力的目的。图 3 为换挡 过程的控制流程图。
空挡阶 段 ：如 图 1（a）、（b）所 示 ，滑 块 在 拨 叉 轴 和拨叉的施加的换挡作用力下向左推动结合套，结 合套通过定位销带动同步环左移动， 消除间隙后同 步环与待啮合齿轮的齿圈接触。
同步阶段： 同步环与待啮合齿轮的齿圈接触促 使同步环沿旋转方向偏转一定角度， 使结合套及同 步环的花键齿的齿尖锥面相顶。此时，滑块继续向左 推结合套，一旦压紧同步环与齿圈，则可利用同步环 与齿圈锥面之间产生的摩擦力矩 T 来减少两者之 间的转速差，直至两者转速相等时为止。在两者同步 之前，结合套及同步环的花键齿的齿尖锥面相顶，换 挡作用力在锥面上的切向分力形成了拨环力矩 M， 试图将同步环相对于结合套向后退转以便啮合，但 在没有同步之前，M 总是小于 T，即使接合套作用在 同步环上的作用力非常大， 同步环也会阻止结合套 继续往左移动，不能与齿圈接合。
进挡阶段中接合套与齿圈已经同步， 只需要继 续将接合套往前推动， 就可以实现接合套与齿圈的 接合。但力矩应在结合套到位前及时减小，避免接合 套的端面与齿轮的端面相接触而限位导致振动。 具 体换挡力变化过程如图 2 所示。
换 挡 力 矩 /N·m
400 350◆ 300 250 200 150 100
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电控机械式自动变速器 （Automatic Mechanical Transmission，） 是在原有齿轮式机械变速器的基础 上加装自动操纵系统， 代替由驾驶员完成的离合器 控制、变速器选挡、挂挡以及发动机转速同步调整等 操作，最终实现起步及换挡过程的自动化。由于保持 了原有的齿轮传动结构，所以传动效率高、油耗低、 机构紧凑、工作可靠等优点被很好的继承下来，与液 力自动变速器相比，又具有成本低、生产继承性好、 安装方便等优势，因此，在满足重型车的动力传递要 求方面，更具发展优势。各国都将电控机械自动变速
文 献 标 志 码 ：A
文 章 编 号 ：1005-2550(2012)03-0062-04
Study on the Countermeasures for Shift-impact in Automatic Mechanical Transmission
LIU Cheng wu1，LIU Ke-lu1，SHE Jian-qiang2 (1.Department of Automotive Engineering，Hubei Automotive Industries Institute, Shiyan 442002，China；
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20 空挡阶段
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同步阶段 进挡阶段 结合套相对位移量
图 2 换挡力与同步器位移关系图 换挡动作结束后， 拨叉及拨叉轴在自锁装置的 作用下保持相应正确位置，拨叉静止不动，同步器则 随同齿轮高速旋转。 此时应注意将换挡力矩完全撤 除。对于电控电动换挡机构一般采用减速电机，其减 速机构具有自锁作用的特殊性， 如换挡结束后即使 准确控制电机停止，虽然电机不再施加力矩，但其减 速器自锁作用仍将导致滑块与结合套接触面压紧而
2. Dongfeng Motor Corporation Technical Center，Wuhan 430056, China) Abstract：For the problem of shift impact and synchronizer abnormal abrasion in electronic automatic mechanical transmission (AMT)，by analyzing the mechanism of shift impact and the countermeasures, experiment is verified on the AMT．The results show that the scheme proposed can effectively prevent the shift impact from occurrence in the gear shifting process and synchronizer abnormal abrasion and extend service life． Keywords：Electronic automatic mechanical transmission （AMT）；synchronous torque；shift impact；shift force contro1
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