换挡过程控制关键点分析

对于机械变速器，与挡位相对应的是换挡操纵机构的固定位置，通过安装行程传感器，就可以检测到换挡过程中换挡操纵机构的当前位置，为换挡过程控制提供依据。将换挡机构的运动轨迹用传感器的信号表示出来，就得到图5.1 的换挡过程示意图。

图5.1 中，TXmid为空挡位置；TXmax为在奇数挡方向换挡拨叉所能够达到的极限位置；TXmin为在偶数挡方向换挡拨叉所能够达到的极限位置；TYmin为R、C 挡对应的选位位置；TYmid为1、2 挡对应的选位位置；TYmax 为3、4 挡对应的选位位置。

以2 挡换3 挡的换挡过程为例（实线部分），结合传感器的信号将换挡过程分为：TXmin－TXmid摘2 挡的过程；TYmid－TYmax选位的过程；TXmid－TXmax挂3 挡的过程。

图5.1　换挡过程示意图

其中TXmid－TXmax的换挡过程可以根据同步器的工作状态，分为四个阶段：第一阶段（0—1），结合套给同步环施加推力，消除同步环与齿圈锥面之间的间隙；第二阶段（1—1），同步过程中通过同步环与齿圈锥面之间的推压产生摩擦力矩，改变变速器输入轴部分的转速，使同步器主、从动部分之间的转速趋于相同，速差消除之前，同步环不能够继续往前移动；第三阶段（1—2），同步过程结束以后，结合套越过同步环，其齿尖与目标挡结合齿圈的花键齿尖相抵；第四阶段（2—3），结合套与目标挡的结合齿圈相啮合，结合套移动到限位位置，换挡结束。

换挡过程中，如果换挡力小，换挡机构运动速度慢，虽然可以保证换挡过程的平稳性，但势必延长换挡时间，加剧动力中断，降低车辆的动力性；如果一味地要求换挡机构快速运动，过大地增加换挡力，则会导致同步器等部件的较大冲击，造成损坏，缩短其使用寿命。根据以上的分析，可以总结换挡过程控制的关键点如下。

1.同步器齿套平稳移动控制

在图5.1 中（0—1）所示的换挡过程第一阶段，结合套推动同步环前移，使同步环的内锥面与目标挡齿圈的外锥面相结合，并逐渐压紧，由于两个部件间存在转速差，过快的结合容易引起较大的冲击。另外，如果结合套前移速度过快，则会导致同步器在换挡过程中不起作用而出现非同步打齿。如图5.2所示，由于结合套的运动速度过快而导致结合套齿端的不正常磨损。

在消除间隙阶段，在快速消除间隙的同时，要抑制结合冲击，更要避免由于结合过快而造成的非同步打齿现象的产生。

图5.2　结合套的不正常磨损

2.同步过程控制

AMT 同步过程控制主要是通过换挡操纵力的控制来实现的，一般液压换挡操纵机构输出的换挡力较大，这有利于缩短换挡同步时间。但是，如果换挡力超出允许范围则会导致同步器的损坏。越野车辆追求较高的动力性，一般对换挡过程的要求更注重快捷性。因此，需要合理控制换挡油缸输出的换挡力，使其在能满足同步器使用要求的前提下，尽量缩短换挡时间，提高车辆的动力性。如图5.3所示，由于换挡力过大而导致的同步环及齿圈锥面的过度磨损，严重影响其使用寿命。

图5.3　同步环及齿圈锥面的不正常磨损(www.xing528.com)

（a）同步环内锥面磨损；（b）齿圈外锥面磨损

3.换挡拨块磨损控制

换挡拨块是换挡操纵机构中的一个关键部件，位于换挡拨叉与结合套之间，用于推动结合套运动，换挡期间拨块没有圆周方向的运动速度，因此会与结合套之间摩擦而产生磨损。为保证结合套的使用寿命，通过两者材质的合理匹配选型，拨块一般会成为主要的磨损对象，当拨块磨损过多时，换挡行程会加大直至超出极限而导致换挡失败，这在换挡控制中是要尽量避免的。

在手动机械变速器上，拨块的设计使用寿命会超过变速器的使用寿命，因此换挡期间拨块的正常磨损是被允许的。

由于AMT 换挡操纵机构输出的换挡力较大，因此会导致换挡操纵机构的弹性变形。由于液压缸内O 形圈等元件的静摩擦力，换挡结束后操纵部件的弹性变形无法复位，残余压力存在，换挡结束后换挡拨块与结合套之间存在摩擦而产生磨损，缩短其使用寿命，如图5.4所示。

图5.4　换挡拨块的不正常磨损

换挡结束以后，消除换挡机构之间的残余压力，避免换挡拨块的不必要磨损，这也是AMT 换挡过程中所要解决的问题。

通过以上分析，换挡过程的控制原则可总结如下。

（1）快速消除同步器摩擦锥面间的间隙，控制同步器主、从动部分结合前的移动速度，避免冲击。

（2）同步过程控制，缩短同步时间，但避免换挡力超出极限，保证同步器的使用寿命。

（3）同步后，快速结合齿圈和结合套，但同时避免两者齿尖的冲击。

（4）换挡完成后，消除换挡残余力，避免换挡拨块的过度磨损。

如图5.5所示，换挡过程控制中采用不同的控制策略，换挡过程的控制效果会出现较大的差异：当换挡过程中采用较小的换挡力时，换挡过程的控制曲线将如图中的点画线所示，换挡虽然平稳，但换挡时间被延长，会降低车辆的动力性；当换挡过程中采用较大的换挡力时，换挡过程的控制曲线将如图中的虚线所示，换挡时间短，但换挡过程粗暴，换挡冲击大，会缩短换挡操纵部件的使用寿命。换挡过程的控制要避免换挡力过大或过小，要根据车辆的实际行驶状况和需求对换挡过程实施合理的控制，下文将讨论换挡过程的理想控制目标的制订及实现。

图5.5　换挡过程控制曲线对比