东风欧系轻客AMT控制系统设计

史洋 彭毅 刘天虎 王健 潘亚敏

摘  要：东风欧系轻客车型，仍一直采用传统机械式变速箱总成，在技术先进性上已开始落后于国际水平并逐渐落后国内水平，为了提升产品竞争力，经过企划调研确认启动开发符合东风欧系车型的AMT控制系统，实现自动换挡功能。

关键词：欧系轻客车型;方案設计;AMT控制系统;控制策略

中图分类号：T-19     文献标识码：    文章编号：1005-2550（2018）06-0020-11

Design of AMT Control System for Dongfeng European light bus

SHI Yang1， PENG Yi2， LIU Tian-hu2， WANG Jian2， PAN Ya-min3

（ 1. Dongfeng Motor Corporation， Wuhan 430056， China; 2. Dongfeng Automobile Co.LTD， Wuhan 430056， China ; 3.Shanxi Guoli information technologyCO. LTD， Xi'an 710000， China ）

Abstract： Dongfeng European light bus， still has traditional mechanical transmission assembly， technology level has began to fall behind  international level and domestic level， in order to promote the competitiveness of the product， after project research， we start the development  of AMT control system in line with the Dongfeng model， realize automatic shift function.

从国内汽车上牌数量的数据可以看出，手动挡（MT）车型的市场占有率近年来持续下滑，已经从2009年的53%下滑至2015年的44.6%，预计2020年中国自动变速箱车型超过60%，需求量将达到2170万台[1]。东风欧系轻客车型，自2012年上市以来，仍一直采用传统机械式变速箱总成。竞品车型已陆续推出搭载AMT系统的车型，市场用户对搭载AMT系统车型需求旺盛，面对激烈的市场竞争，开发适合东风欧系轻客车型的AMT控制系统迫在眉睫。

1    AMT系统工作原理

保持原有变速箱不变的前提下加载AMT控制系统，采用军工相关技术，采用模块化设计，结合实车绘制了行驶策略数学模型、伺服操控策略智能控制模型、 汽车行驶姿态管理实现以下十大功能：（1）自动离合（2）自动换挡（3）定速巡航（4）电子手动挡（5）人车对话（6）坡道辅助（7）动力模式S档（8）操纵杆集成（9）自修复和自匹配功能（10）熄火自动空挡。AMT控制系统工作原理如图1所示。

2    东风欧系轻客AMT控制系统方案设计

为满足东风欧系轻客空间布置要求，方案设计如下（见图2，图3）：

（1）采用操纵手柄和TCU集成的设计方案，布置在原手柄处;

（2）选换挡操纵机构外挂在车架上，通过软轴操纵变速箱总成;

2.1   性能目标设定

开发过程中，充分考虑东风欧系轻客整车性能要求，同步分析竞品，具体完成以下数据分析：

（1）东风欧系轻客整车数据采集（整车重量/发动机转速信号/刹车信号/离合总泵推力/变速箱选换档力等）;

（2）竞品选换档性能及离合性能数据测试;

（3）AMT系统设计行业共识（大数据累计）;

整车性能指标规定如表4：

2.2   详细方案设计

东风欧系轻客AMT控制系统系统开发主要需完成硬件设计和软件开发，其中硬件设计包括：选换挡手柄+TCU控制器、选换挡操作总成、离合控制总成及相关支架、管路等;软件设计包括：TCU控制策略开发、TCU数据标定及调试等;

2.2.1 硬件设计——选换挡手柄+TCU控制器（见图5）

（1）TCU采用多核微处理器：在AMT的数据输出控制、数据输入采集中，可进行相互复合，CPU间的相互监督，更大程度提高设备的抗干扰能力，降低设备的误触发动作，使AMT工作更可靠。

（2）车辆行驶姿态管理：引入三坐标陀螺（加速度、俯仰角、左右转弯）的军工技术。

（3）伺服操控策略智能控制模型：实现计算机数字智能控制（单步、多步、带坐标、带力矩）。

（4）独创的汽车行驶策略数学模型算法：基于不同工况的智能换档策略。实现了在车辆运行环境复杂多变，坡道、弯道及不同区域时换档规律均应有所不同，多变工况的识别与综合判断，提高了智能换档控制的适应性。

2.2.2 硬件设计——选换挡操作总成（见图6）

（1）选换挡执行电机选型为无刷直流控制电机：克服有刷电机的碳刷磨损，提高动力和力矩传递可靠性;

（2）以精确坐标和力矩组成数字的闭环控制：克服由于机械磨损、热胀冷缩带来的机械尺寸变化，大大提高换挡的可靠性;

（3）宽调速范围的速度调节系统：提高不同档位同步器的换挡平顺性;

2.2.3 硬件设计——离合控制总成（见图7）

（2）换档品质影响因素

衡量换档品质的平顺性和快捷性的指标主要有冲击度和换档时间。

1）驱动力矩和阻力矩的变化率。换档过程中的驱动力矩的变化是由发动机的输出扭矩与离合器传递扭矩的变化共同决定的。由于换档过程所需的时间很短，在换档的瞬间车速和路面情况基本不变，阻力矩可认为是不变的。显然离合器输出扭矩变动越大，则换档冲击越大。

2）变速器速比的变化。换档过程中，由于车速基本保持不变，变速器速比的变化造成的惯性能量引起传动系的冲击。因此对驱动力矩的控制是保证换档过程车辆平顺性的关键，驱动力矩的控制则需要通过对发动机和离合器的协调控制来实现。

1）变速器、离合器以及发动机三者协调控制的时序。从换档过程的分析可知，变速器、离合器以及发动机三者协调控制的时序对快捷性起主要影响作用。而离合器的分离接合动作与发动机转速控制之间的配合对换档时间及动力性的影响最大。理想的协调控制是在离合器分离的同时，减小油门开度，使发动机扭矩与离合器扭矩同步下降，如果油门开度减小动作滞后，会使发动机转速上升，出现发动机高速空转的轰响现象;反之如果油门动作超前，会造成离合器未完全分离时发动机输出扭矩提前下降，发动机处于反拖工况使得车速下降。在离合器接合阶段恢复油门开度，使发动机输出扭矩按一定速度回升，并保持在冲击度允许的范围内，如果油门动作超前，则会使离合器扭矩小于发动机输出扭矩，造成发动机转速升高，加剧离合器的滑摩;反之油门动作滞后，离合器接合过早会产生扭矩振荡，影响车辆平顺性。为提高换档过程的快捷性，变速器、离合器以及发动机三者协调控制的时序应适当调整，有些控制过程可重叠进行，如在接近新档时，即可进行离合器空行程的控制，以减小整个换档过程的时间。

2）电控单元及执行机构响应速度。电控单元和执行机构的响应速度，直接影响换档过程的快捷性。TCU设计应从软硬件两个方面合理设计，提高响应速度;此外，选择合适执行电机，其输出扭矩和速度应满足系统要求;减速机结构设计合理、速比选择得当，为提高响应速度提供保障。

2.2.7 软件设计——离合器智能控制策略说明

（1）离合器控制策略说明

离合器总体控制节奏为“快—慢—快”。结合以上分析绘制出最佳接合规律，见示意图17。1段为无转矩传递阶段，2段为传递转矩增长阶段但未克服行驶阻力，3、4段为传递转矩增长且已超过行驶阻力阶段的加速度增大與缓增阶段，5段为转矩不再增长阶段。由分析知：1、2、5阶段应尽快完成，其接合速度不大于离合器预先设定的最大接合速度（防止离合器接合过快）;离合器的滑摩功产生于2、3、4段，段3体现了离合器在第二阶段的接合速度，它取决于驾驶员的起步意图;段4为继续接合时间，取决于接合点的位置和离合器主从动部分转速差。

（2）离合器接合的影响因素及控制策略

离合器最佳接合规律在执行过程中体现在离合器的接合量及接合速度两个控制量上，确定离合器的接合规律就是确定离合器的接合量和接合速度。车辆正常行驶工况的改变一般是驾驶员操纵意图的体现。车辆起步时，驾驶员对自动变速车辆的操纵意图体现在加速踏板的操纵，它也是对离合器控制时驾驶员意图的体现，因此起步时加速踏板的踏入量作为系统输入量。由前面分析知传动系的工作状态对离合器的控制有直接的影响，因此还需确定与离合器接合过程密切相关的量：发动机转速、变速器输出轴转速、发动机与输出轴转速差作为控制系统状态变量，形成对离合器控制系统的反馈控制。离合器的接合量及接合速度是系统输出量。

在起步控制过程中，加速踏板开度的大小直接反映了驾驶员的起步意图，起步意图通过离合器接合速度得以实现。

根据发动机特性，油门开度较小时，发动机处于低转速、低扭矩状态，输出功率较低，此时车辆若起步则起步速度低，当踏板开度<10%时称为小油门，车辆应为慢起步（爬行）工况，这种情况主要追求的是车辆行驶速度的可控性，此时要求起步过程平稳，允许有较大的滑摩功。中油门10%<～<75%时通常为正常起步，此时既要求起步过程平稳，又要尽量减少滑摩功，正常起步工况离合器接合速度应根据油门开度大小调整速度，开度大则接合快;大油门>75%为快起步工况，主要出现在驾驶员遇到紧急情况或冲击障碍时，此时允许有较大的冲击现象发生。需要说明的是，大、中、小油门的量化要根据不同发动机的特性而定。离合器接合速度示意图见图18：

根据发动机特性，当油门开度一定时，发动机转速与其输出扭矩及燃油消耗率之间存在一定函数关系。控制离合器接合速度即控制发动机负荷的变化，保证不同油门开度下发动机工作在最大扭矩转速或最低燃油消耗率区域，不但可以充分发挥发动机动力性和经济性，同时可有效地减小滑摩功，提高车辆起步性能。

根据发动机扭矩特性确定动力性目标转速，根据油耗特性确定经济性目标转速。发动机实际转速ns与目标转速nm的差作为离合器接合速度的控制参数。控制策略如下：

1）当ns-nm< 0时，说明接合速度过快，发动机负荷过大，此时应停止接合;若ns<nsmin（nsmin为发动机最低稳定速度），应立即分离离合器，防止熄火;

2）当0 <ns-nm<Δs（Δs为转速差允许值，根据具体车辆确定），此时发动机转速接近目标转速，离合器接合速度为零;

3）当ns-nm>Δs离合器接合，若转速差较大，则应加快接合速度以增加发动机负荷，使其接近目标转速工作，以防发动机轰鸣。但离合器的接合速度应不大于其预定的最大接合速度（经验值）。

随着发动机转速增加，滑摩功增大，接合量应相应增加以防止发动机转速过高，离合器传递负载的接合操纵行程与空行程相比比较小，且力矩变化较大，为避免造成发动熄火，离合器接合量不应过大。将发动机转速作为接合量的一重要确定量，给以较高的权重，特别是换挡时对离合器的控制。

中间轴转速高低体现了车辆状态（空载、半载、满载）。中间轴转速高时能够调整发动机使发动机与中间轴之间转速差变小，在冲击度大小允许的范围内，离合器的接合速度可以相应增大，不至使发动机转速过低，造成发动机抖动，影响发动机运转的稳定性。另一方面可以缩短起车过程，减少离合器接合时的滑摩功，从而减少离合器磨损，将其作为离合器接合量补偿作用。对于起步过程，中间轴转速为零，则离合器工作在空行程或未克服阻力阶段，离合器应快速接合。中间轴转速不断增大，离合器接合速度应降低，以减小冲击度。

发动机转速与中间轴的转速差在较大时，离合器接合可能引起的冲击和滑摩损耗都较大，应适当减小接合速度;转速差小时，较快接合离合器也不会产生大的冲击;当转速差为零时，离合器的接合速度对冲击度没有影响。所以将转速差作为离合器接合过程的结束条件，当转速差小到一定程度，快速接合离合器，减少滑摩时间，使离合器迅速接合。

综上所述，油门开度作为外控输入量，控制形成离合器接合量的一个附加分量，依据油门大小形成的接合速度的控制示意图实现起步阶段快速起步和缓慢起步。此外接合量的形成与发动机转速与中间轴转速有关，发动机转速所确定的为主接合量。

参数选用控制策略：油门开度大小确定的离合器接合速度实现起步的快慢，中间轴转速为零实现离合器第一阶段的快速接合，中间轴转速的提高，接合速度下降，形成慢速接合。最后的快速接合由离合器主、从动盘转速差实现，转速差越小，接合速度越快。

（3）离合器模糊控制器设计

针对离合器接合过程的特点，根据所确定的控制参数，应用模糊控制策略来完成对离合器精确控制的任务离合器控制执行机构采用直流电机驱动，通过控制电机端电压极性和高低来控制离合器接合、分离及相应的速度。决策层模糊控制器结构图，见图19：

根据加速踏板位置和档位传动比，识别驾驶员起步意图。加速踏板位置的大小分为七档（非常小，小，较小，中等，较大，大，较大），用（VS，S，LS，M，LB，B，VB）表示，其推理规则见表20：

根据加速踏板位置和档位传动比，确定相应的允许最大冲击度，同时使离合器以最快速度完成滑摩阶段，以减小滑摩功。在此约束条件下，确定初始发动机转速ns、目标值nm和转速差Δs。发动机转速推理规则见表21：

对于离合器接合进行控制时应协调冲击度和滑磨功关系，由于驾驶员的意图在车辆起步过程中非常重要，离合器控制系統应能按照驾驶员的要求来决定离合器的接合方式，因此利用综合冲击度和滑磨功的关系，依据驾驶员的意图控制离合器接合，完成车辆起步，以此作为离合器起步控制策略。将离合器接合过程分为三个阶段控制，在不同阶段采用不同的控制参数。

1）快速接合阶段（t<tab）：由于此阶段主要是消除离合器空行程和克服起步阻力，因此应快速接合离合器。控制目标是反映驾驶员的起步意图及根据起步意图确定可接受的最大冲击度（即确定Δs目标值），控制参数为ns。通过控制算法，将换算后的ns值直接作为电机的驱动电压值，即ns值大则离合器接合速度快。这样，离合器的接合速度可随驾驶员的起步意图而变化。

2）起步加速阶段（tab～tb）：这是离合器接合控制的重点，此阶段初期的控制目标是使离合器从动盘转速平缓上升至某一设定值，以减小起步初期的冲击，控制参数为离合器主从转速差。根据第一阶段确定的Δs目标值，通过控制算法计算出离合器的接合速度，使Δs值始终不超过目标值。为减小滑摩时间，使离合器主从转速差以最快速度接近目标值。

3）同步接合阶段（t>tb）：因离合器主从动盘已经同步，因此快速接合离合器也不会引起冲击，该阶段应尽快完成接合，以减小动力中断时间，完成离合器的整个接合过程。

4）接合速度调整模块：离合器在接合过程中，为减小冲击度和滑磨功，应根据加速踏板位置和离合器主从转速差，对离合器接合速度进行调整，以改善离合器接合性能。

5）状态识别模块：状态识别模块起到协调发动机和离合器控制的作用。状态识别模块随时监测发动机和离合器的状态，一旦发现离合器接合时间过长，或发动机驱动力不足可能引起熄火时，状态识别模块通知协调器改变离合器接合速度和油门开度。

3    东风欧系轻客AMT智能手动挡系统整车标定及结论

3.1   AMT系统车型标定

实车标定通过山区、寒区、高原、城市等不同路况对AMT控制系统各项性能进行测试。测试性能包括选换挡升降档时间，低温启动，平地起步前行后退，刹车及停车，手动模式与自动模式切换，离合，大坡道起步，长距离大坡道下坡等评价项目（见图22）。总结了《轻客变速箱选换挡操纵性能特征值测量及推荐值》 、《汽车AMT控制系统标定试验规程》。

AMT控制系统标定结论：

主观评价：换挡柔和，有顿挫感但可以接受;

动力性/经济性评价：动力性与机械车型相当，经济性提升2%;

城市路况/山区/高原/高寒标定：均满足试验评价要求见表23：

标定后状态与竞品车型进行主观评价对比评价：操纵性能相当;加速顿挫感较柔和;A状态（经济模式）下换挡时间较长;S状态（动力模式）下换挡时间相当。

3.2   AMT控制系统车型性能目标确认（见表24）

4    东风欧系轻客AMT控制系统下一代优化方向

整车ECU和AMT系统TCU实现通讯互联， 缩短换挡时间，提升系统性能。

4.1   东风欧系轻客AMT控制系统换挡时间分析

图25描述了AMT控制系统在一档换二档的换挡过程中离合、节气门、换挡拨叉、发动机转速、车速的控制、变化过程。整个过程从T0时刻开始到T4时刻结束，大致划分为t1-t4四个时间段，动力缺失时间为t2+t3+t4。

t1时间段：换挡准备阶段。为保证换挡平顺性，在此阶段通过调节节气门开度，将发动机转速调整到某一恒定值（车速为匀速）。此时离合尚未分离，换挡拨叉也未动作，因此动力依然保持，但驾驶员可感觉到油门的减小。此处大约耗时0.8秒（D模式）或0.2秒（S模式）。

t2时间段：离合分离和换挡阶段。此时，离合开始分离，待完全分离后，换挡拨叉开始动作，直到到达目标位置，完成换挡动作。此阶段为主要的动力缺失时间。

t3时间段：离合贴合准备阶段。为保证换挡后的车速平稳，发动机转速需在此阶段调整到与当前车速匹配的位置，这样贴合离合时才不会产生大的闯动（顿挫）。如果存在差速，则需要靠离合的慢速贴合滑磨来使其同步。

t4时间段：离合完全贴合与节气门恢复阶段。此阶段根据前一阶段调整后转速与车速的匹配情况，调整节气门开度模拟发动机增加扭矩，进行离合的深度完全缓贴合，做到车辆平顺换挡。此后恢复节气门为油门踏板值，整车动力恢复，换挡过程完成。

4.2   ECU关于扭矩和转速控制协议开放后，对换挡性能的影响分析

（1）如果TCU申请ECU具备发动机转速控制功能，则t1时间段可大幅度缩短，并且调速更为精准，从而使得车辆换挡实时及平顺性和驾乘感受得到大幅度提高。

（2）如果TCU申请ECU具备扭矩控制功能，在离合分离的同时将扭矩减小，则可以考虑同时开始抽出换挡拨叉的动作，从而使得t2时间段的长度也得以缩短，减小动力缺失时间。

（3）如果TCU申请ECU利用轉速控制和扭矩控制功能，在t3时间段，将发动机迅速降到匹配转速，同时配合以扭矩的减小，可以快速完成离合贴合准备，使t3时间缩短。

（4）如果TCU申请ECU准确增加发动机扭矩，进入离合深度贴合时， t4时间离合深度贴合可快速完成。此后AMT恢复节气门为油门踏板值，恢复整车动力，换挡过程完成。

综上所述，如果TCU申请ECU具备转速控制和扭矩控制功能，则在换挡过程的4个时间段中均可缩短时间，提高调整精准度，使得换挡时间和动力缺失时间缩短，从而使整体换挡性能及驾乘舒适性得到较大幅度的提升。

5    东风欧系轻客AMT控制系统创新点总结

5.1   基于三向陀螺仪的坡道识别策略

优化滤波坡道算法实现用三向陀螺仪取代坡道传感器的功能，滤波坡道算法能对车速信号进行滤波，差分，去除多余杂波信号，获得实时精准的汽车纵向加速度信号。根据通过信号比对，计算出汽车当前行驶坡道信号。

5.2   实现精准的离合功能功能

离合执行机构采用高精度无刷直流电机，实现步进量0.1mm。较传统步进量2～5mm的电机，执行控制精准度提升。整车离合控制点更精确，离合时间更短;离合控制系统采用数字化控制，避免了模拟控制中产生的偏差。

5.3   基于手机APP的AMT实时监控系统

将AMT数据监控及采集系统从电脑平台移植至手机APP，通过手机蓝牙实时监测及采集数据，监测系统可以实时监测选换挡时间及行程，油门开度、离合时间及行程、当前档位等信息，需专人采集，在紧急故障时可即时采集数据，实现远程分析工作，节省时间。

5.4   多模式的自动换档功能

AMT控制系统具有自动换档功能和手动换档功能（见图26）

同时自动换档功能有具备经济换挡模式和动力换挡模式。充分满足不同工况下的操纵要求。

参考文献：

[1]新思界产业研究院.2017-2021年自动变速器行业市场现状及投资前景预测报告[J].北京新思界国际信息咨询有限公司，2017.