AMT離合器執行機構低溫性能問題的研究

劉勇，焦志斌

江鈴汽車股份有限公司,江西南昌 330000

0 引言

機械式自動變速箱(AMT)是基于手動變速箱增加離合器執行機構和選換擋執行機構以及變速箱控制單元(TCU)來實現自動換擋功能的一種變速箱，具有手動變速箱效率高、結構簡單的特點，特別適用于輕型卡車。

AMT執行換擋時，離合器和選換擋執行機構需要配合完成摘擋、選擋和掛擋3個過程。該過程中離合器執行機構經歷分離和結合，由于機械摩擦、彈性變形、裝配誤差及間隙等影響因素的存在，使響應速度和傳動效率受到影響，進而影響整車的換擋品質。所以為了保證整車良好的換擋品質以及AMT的傳動效率，TCU的控制策略和執行機構的效率保證尤為重要。

1 離合器執行機構介紹

根據離合器執行機構的構成和動力來源，離合器執行機構可分為電控電動、電控液動、電控氣動3種。其中電控氣動在重型車應用較廣泛，這里詳細介紹電控電動和電控液動兩種類型。

1.1 電控電動離合器執行機構

TCU發出分離結合指令控制電機，電機通過機械減速機構驅動執行機構，實現離合器的分離與結合。減速機構起到減速增扭及將電機的旋轉運動轉化為直線運動，又可以分為滾珠絲杠、蝸輪蝸桿等結構形式。

電控電動離合器執行機構的特色是：結構相對簡單、質量輕，采用易于控制、精度更高的電機代替液壓執行元件，使系統的動作誤差少、控制方法簡單。其缺點是：減速機構的效率相對較低，蝸輪蝸桿機構帶自鎖功能，無論分離還是結合離合器都需要電機驅動，滾珠絲杠不帶自鎖功能，長時間關閉離合器需要電機輔助。低壓直流電機調速較慢，平順性較難保證。

1.2 電控液動離合器執行機構

TCU控制電磁閥和電機，系統有儲能結構，不工作時電機給系統加壓儲能，需要動作時控制電磁閥通過油壓使執行機構完成離合器的分離和結合動作。其優點是工作穩定、傳動效率高，且機構緊湊、易于實現安全維護、吸振和吸沖擊能力強、使起步和換擋品質好。缺點是結構比較復雜、成本較高，而且受溫度影響較大。

2 工程問題研究

2.1 問題描述

某輕卡車型匹配AMT變速箱，其離合器執行機構采用電控電動結構，如圖1所示。電機驅動蝸桿轉動，帶動蝸輪轉動，蝸輪上帶一個小半徑齒輪與扇齒嚙合，扇齒的轉動帶動主缸推桿運動，從而推動主缸，再由分缸驅動離合器分離。蝸輪蝸桿及扇齒的潤滑采用油潤滑。

圖1 離合器執行機構

車輛在進行冬季試驗時，在-30 ℃以下出現靜置一晚后離合器無法分離，導致冷啟動困難，啟動后偶發出現換擋失敗。

2.2 問題分析

AMT帶有低溫輔助啟動功能，該功能在系統上電時若識別到變速箱油溫低于-15 ℃時，打開離合器，斷開動力鏈，來幫助發動機在低溫時啟動。換擋時，若TCU判斷離合器未分離到設定位置，則不會執行換擋動作。如果離合器在低溫下不能及時打開，就會出現啟動困難及換擋失敗現象。

離合器位置對應的傳感器電壓曲線如圖2所示。

圖2 離合器位置對應的傳感器電壓曲線

圖2記錄了該車輛在-30 ℃靜置一晚后第一次啟動時的離合器打開位置數據。離合器應當在規定時間內打開到“opencheck”(完全打開點，傳感器數值5 200 mV)，結果顯示離合器打開到4 100 mV左右就停止打開，時間達到0.9 s，不符合目標(目標冷態第一次打開時間不大于0.6 s)。

2.3 系統低溫性能研究

離合分離系統受溫度影響較大的零部件有蝸輪蝸桿機構、主分泵液壓系統、電機等。潤滑油品在低溫下運動黏度會急劇升高，可能影響蝸輪蝸桿系統整體的阻尼，而液壓油同樣存在此種問題。小功率電機由于低溫使潤滑脂稠度增大或凝固凍結，引起靜態阻力矩增加，從而影響電機的起動及負荷。

表1為該變速箱采用的75W-85和DOT4油品的運動黏度對比。從表中可以得知，執行機構潤滑油低溫黏度相較于高溫黏度變化非常大，并且相比于液壓油，其受低溫影響更顯著。DOT4是制動系統常用的性能較好的制動油，其低溫性能也非常優秀。

表1 75W-85和DOT4油品的運動黏度對比 單位:mm2/s

該電機采用的是-60 ℃高低溫全合成脂，根據其低溫性能試驗結果，該電機在-40 ℃低溫下性能衰減比較小。

綜合以上分析，可以得出結論，離合執行系統低溫下受蝸輪蝸桿和扇齒潤滑油黏度增大十分明顯，導致其內部阻尼增大，其運動受到的影響較大，進而導致離合器分離速度變慢。

2.4 離合器分離控制策略研究

當前離合器控制策略為：下電離合器關閉;上電根據變速箱油溫判斷，油溫高于-15 ℃，離合器不打開，油溫低于-15 ℃，離合器打開，輔助低溫啟動。離合器打開為閉環控制，設定離合器打開的目標位置，控制對象為電機占空比，控制周期開始時，以一定占空比開始，并且根據離合器打開的位置占空比可以自調節。在-30 ℃離合器第一次打開時，離合器位置對應的傳感器電壓及離合電機占空比曲線如圖3所示。由圖可知，在開始控制時，電機占空比100%(縱坐標10代表1%)只持續了一個0.1 s后迅速下落，此時離合器位置變化較慢，未分離到“opencheck”點就不再分離，不滿足要求。

圖3 離合器位置對應的傳感器電壓及離合電機占空比曲線

以上控制策略存在的問題是：①沒有分離到指定位置就停止分離，未實現針對離合器位置的閉環控制；②最大占空比持續時間短，電機性能未完全發揮。

3 改進方案研究和驗證

3.1 硬件改進方案

通過之前的分析，離合器執行機構低溫下受蝸輪蝸桿和扇齒潤滑油黏度增大影響，系統阻尼增大。改進方案需要選擇一種低溫黏度較小的潤滑油，根據常用潤滑油的運動黏度，選擇了一款BOT350M潤滑油，該油也是一款常用的齒輪潤滑油，其黏度參數與原75W-85對比見表2。兩款油高溫黏度相當，但BOT350M低溫黏度提升明顯，約75W-85的1/3。

表2 75W-85和BOT350M油品的運動黏度對比 單位:mm2/s

3.2 軟件改進方案

針對離合器控制策略不能最大限度發揮電機性能的問題，做出如下改進：①增加閉環控制和電機控制的時間，以達到目標位置，如果某個時間分離位置小于設定值，判斷執行機構硬件有可能損壞，則退出控制并報故障；②在冷態下增加100%占空比控制的時間，充分發揮電機性能。

3.3 改進方案驗證

更換了離合器執行機構的潤滑油為低黏度BOT350M，并且更新了離合器低溫下的控制策略，在相同的-30 ℃工況下離合器第一次打開時，離合器位置對應的傳感器電壓及離合電機占空比曲線如圖4所示。由圖可以看出，開始控制時，離合器電機即以最大占空比工作并持續了0.4 s后開始下行，離合器在0.6 s內打開到指定位置，達到項目目標。

圖4 改進后離合器位置對應的傳感器電壓及離合電機占空比曲線

多次試驗離合器打開時間對比見表3，通過增大樣本量可以得出結論，離合器執行機構低溫下性能得到明顯提升。

表3 多次試驗離合器打開時間對比 單位:s

4 結束語

通過硬件方面和軟件方面兩個方向分析了低溫環境下AMT離合器執行機構打開慢的問題，并且針對兩個方面分別進行了優化，結果顯示優化效果良好，達到了目標，為此類AMT執行機構設計提供了借鑒和參考。