陳趙偉,王 程,戴建國,朱建輝,許善珍

(淮陰工學(xué)院 交通工程學(xué)院，江蘇 淮安 223003)

汽車作為目前人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡慕煌üぞ?，也是能源需求和排放增長的主要貢獻(xiàn)者，在其市場保有量不斷攀升、全球能源不斷枯竭及環(huán)保意識不斷加強(qiáng)的大背景下，對其操縱性能、環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性的要求越來越高。

變速器作為汽車關(guān)鍵核心部件，其在汽車的操縱性、舒適性以及燃油經(jīng)濟(jì)性等方面起到了重要作用。隨著電控技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和高精度加工技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，近年來，自動變速器綜合性能取得了長足的發(fā)展和進(jìn)步，其市場滲透率不斷提升并呈快速增長態(tài)勢，2017-2020年變速器年復(fù)合增長率在13%～15%波動，如圖1所示，預(yù)計(jì)2022年我國汽車變速箱市場規(guī)模將達(dá)到3790億元。

圖1 2017-2022年汽車變速器市場規(guī)模統(tǒng)計(jì)及預(yù)測

目前主流的自動變速器有AT、AMT、CVT和DCT[1]。其中AMT具有生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)繼承性好、傳動效率高、燃油經(jīng)濟(jì)性高等優(yōu)點(diǎn)[2]，在商用車領(lǐng)域獲得了較好的發(fā)展。在新能源汽車領(lǐng)域，傳動系統(tǒng)多擋化有利于提升車輛動力性和續(xù)航里程，AMT具有控制響應(yīng)快、無離合器控制的天然優(yōu)勢，符合我國新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)略需求，發(fā)展前景廣闊。但是，由于AMT的非動力換擋，換擋過程存在動力中斷、換擋沖擊大，控制參數(shù)多，控制技術(shù)復(fù)雜等問題，許多困擾其發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)還在深入研究。

1 AMT國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

AMT的研究最早開始于20世紀(jì)60年代的歐洲，經(jīng)過長時(shí)間的摸索，20世紀(jì)80年代奔馳和斯堪尼亞開發(fā)出第一代AMT產(chǎn)品，1989年AMT首次應(yīng)用在IVECO輕型卡車上，20世紀(jì)90年代AMT逐漸占據(jù)歐美、日本商用車市場，并于2002年開始大規(guī)模裝配，成為歐洲商用車型標(biāo)配。目前歐美發(fā)達(dá)國家AMT商用車型普及率都已超過70%，主要采用奔馳Power-Shift變速箱、沃爾沃I-shift變速箱、采埃孚Traxon變速箱和馬克m DRIVE變速箱[3]。在乘用車領(lǐng)域AMT主要被用于帕加尼、蘭博基尼、軒尼詩和西爾貝的超跑車型中。

國內(nèi)關(guān)于AMT的研究于改革開放后逐漸展開，由于研究基礎(chǔ)薄弱，直到2008年重汽推出豪沃A7，AMT車型才開始出現(xiàn)在商用車市場上。2015年后，隨著自動變速器逐漸成為市場的主流，我國商用車市場自動擋車型的需求的不斷擴(kuò)大。AMT在油耗、輸出扭矩、傳動效率等方面的優(yōu)勢使其越來越受到市場的青睞，裝機(jī)率穩(wěn)步提升。一汽解放J7、重汽汕德卡C7H、重汽HOWO T7H、上汽躍進(jìn)H500、上汽C500等車型，均配備了重汽自主研發(fā)的AMT變速器。有分析認(rèn)為2025年我國商用車AMT普及率有望達(dá)到50%[4]。在乘用車領(lǐng)域中，受AMT換擋品質(zhì)及微型、小型車輛市場不斷萎縮的影響，AMT變速器在乘用車市場上的表現(xiàn)不盡人意，至2020年，只有寶駿旗下有AMT車型在售[5]。但是，隨著新能源車輛多擋化進(jìn)程的推進(jìn)，可以預(yù)見，AMT將在新能源乘用車領(lǐng)域有不錯(cuò)的表現(xiàn)。

2 AMT研究現(xiàn)狀

針對AMT控制技術(shù)復(fù)雜、換擋品質(zhì)不佳的問題，目前，AMT的研究工作主要圍繞無動力中斷換擋技術(shù)、多系統(tǒng)綜合控制、智能擋位決策策略研究等方面展開[6]。

2.1 無動力中斷換擋技術(shù)

通過換擋結(jié)構(gòu)優(yōu)化、控制參數(shù)優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)AMT無動力中斷換擋的主要技術(shù)手段。

2.1.1 AMT無動力中斷換擋結(jié)構(gòu)優(yōu)化

AMT動力傳動系統(tǒng)的優(yōu)劣影響著車輛行駛的平順性與動力性[7]。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化上，李丹等[8-9]討論了使用多?？煽?fù)Q擋器(MCS)替代換擋同步器的新型UST動力傳動系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了AMT無動力中斷換擋但仍然無法完全避免換擋沖擊的問題。Kuroiwa等[10]針對換擋中的動力中斷問題，在AMT換擋系統(tǒng)中增加輔助離合器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，在換擋時(shí)主離合器控制擋位的變換，此時(shí)輔助離合器電機(jī)推動輔助離合器和5擋結(jié)合，將發(fā)動機(jī)動力傳遞給車輛，作為換擋期間的動力補(bǔ)償，直至換擋結(jié)束。王明等[11]調(diào)整后置式二擋AMT變速器的同步器將其布置與變速器第二軸，通過切換同步器與離合器減小換擋過程中的最大沖擊度與滑摩損失，實(shí)現(xiàn)無動力中斷換擋。

圖2 轉(zhuǎn)矩輔助AMT結(jié)構(gòu)

隨著越來越多的學(xué)者對AMT結(jié)構(gòu)改進(jìn)的不懈努力，在很大程度上提高了換擋質(zhì)量，并以此出現(xiàn)了諸如動力補(bǔ)償、結(jié)構(gòu)布局改動等方案。與此同時(shí)，不少學(xué)者也將目光投射到以控制優(yōu)化改善換擋動力中斷上去。

2.1.2無動力中斷換擋控制優(yōu)化

針對離合器的非線性特點(diǎn)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)在跟蹤、控制等方面遇到的困難，目前主要通過控制參數(shù)優(yōu)化以縮短換擋時(shí)間、減小換擋時(shí)的沖擊度和摩擦損失，使離合器輸出平順無動力中斷。

Saini等[12]使用遺傳算法對離合器的工作效率和加速性能進(jìn)行優(yōu)化縮短了換擋時(shí)間提高了換擋動力輸出的連續(xù)性。趙玉才[13]換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用PID控制器進(jìn)行控制，提升了AMT離合器的換擋性能。李聰波等[14]提出新型換擋機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化匹配方法，構(gòu)建以沖擊度和滑摩功為優(yōu)化目標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化模型輔以灰狼算法進(jìn)行優(yōu)化求解，結(jié)果表明此方法能有效降低換擋過程中的沖擊度和滑摩功，實(shí)現(xiàn)無動力中斷換擋。Huang等[15]在驅(qū)動系統(tǒng)中集成多速變速器，提出了一種新型的雙速行星自動手動變速器(PAMT)，基于所提出的控制策略將換擋過程有序地分為五個(gè)階段并通過控制個(gè)階段電磁轉(zhuǎn)矩降低縱向車輛制動和換檔持續(xù)時(shí)間實(shí)現(xiàn)最佳換擋質(zhì)量。Hu等[16]針對同步器齒套與齒圈嚙合時(shí)動力中斷時(shí)間長、沖擊力大的問題，引入泊松恢復(fù)系數(shù)碰撞模型對換擋力、相對速度差、相對轉(zhuǎn)角進(jìn)行分析，得出換擋沖擊隨著相對角度絕對值的增加而逐漸增加，在換擋時(shí)套筒的角度變化不能滯后于齒圈的角度變化，并以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)無動力中斷。

2.2 多系統(tǒng)綜合控制

2.2.1驅(qū)動-傳動系統(tǒng)綜合控制

AMT變速器在換擋時(shí)遭受的困境在很大程度上是來自驅(qū)動系統(tǒng)在離合器接合時(shí)調(diào)速問題難以做到實(shí)時(shí)適應(yīng)。在換擋期間發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩不但要保持相對穩(wěn)定還要對變速器轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩做出適應(yīng)性變化，以求減小換擋沖擊、提升換擋效率。

針對此種問題各大企業(yè)和專家學(xué)者都做出了重要研究，并在實(shí)際運(yùn)用中取得了階段性成果。何忠波等[17]通過控制發(fā)動機(jī)油路的通斷實(shí)現(xiàn)在換擋過程中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)控制，但此方法忽視了慣性在控制過程中的不可控性，轉(zhuǎn)速無法在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到指定范圍。隨著CAN協(xié)議逐漸開源，黃英等[18]將TCU和ECU采集的信號通過CAN總線實(shí)時(shí)共享，構(gòu)建對轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的聯(lián)合控制，其動力傳動控制如圖3所示，避免了轉(zhuǎn)矩突變、減小了換擋時(shí)的動力損失、提高了舒適性，隨著以混動車型為代表的多動力源車型的出現(xiàn)，通過電子節(jié)氣門影響進(jìn)氣量進(jìn)而控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的方法已然處于邊緣地位，動力傳動系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制開啟了新階段。張炳力等[19]在設(shè)計(jì)了一種以轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制為底層邏輯的自動換擋協(xié)調(diào)控制策略。梁亮等[20]發(fā)現(xiàn)了加速踏板開度超過一定值的時(shí)間比例與駕駛員的起步意圖的聯(lián)系，通過精確識別和量化駕駛員在不同駕駛道路條件下的起動意圖協(xié)調(diào)發(fā)動機(jī)輸出扭矩和離合器的接合速度，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)起步。

圖3 基于CAN總線的動力傳動控制系統(tǒng)

2.2.2驅(qū)動-制動系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制

車輛在換擋過程中驅(qū)動與制動系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制是提升駕駛感受，確保行車安全性的重要方面。Zhang等[21]對Prius和volt中離合器個(gè)數(shù)和系統(tǒng)工作模式進(jìn)行分析引入動態(tài)規(guī)劃對離合器參數(shù)很換擋策略進(jìn)行了匹配優(yōu)化。現(xiàn)代集團(tuán)對混動汽車動力模式切換過程中對離合器承受的壓力進(jìn)行閉環(huán)控制，確保了車輛在行駛過程中的穩(wěn)定性[22]。張俊智等[23]在研究混動車輛動力混合度對換擋時(shí)機(jī)的影響規(guī)律和換擋后檔位變化對混動車輛驅(qū)動系統(tǒng)工作狀態(tài)影響的規(guī)律，提出混動車輛變速器換擋控制策略，解決了變速器換擋規(guī)律和驅(qū)動系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的問題。

2.3 智能擋位決策策略研究

AMT換擋規(guī)律受到“人-車-路”(駕駛員意圖、車輛狀態(tài)、行駛環(huán)境)的影響，如圖4所示。傳統(tǒng)的擋位決策策略聚焦的經(jīng)濟(jì)最佳擋位和動力最佳擋位已愈加無法適應(yīng)日益復(fù)雜的駕駛環(huán)境。

圖4 人-車-路關(guān)系圖

目前智能化換擋的研究熱點(diǎn)是在擋位決策系統(tǒng)中加入神經(jīng)模糊技術(shù)控制算法，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和模糊控制技術(shù)相結(jié)合，制定不同工況下的換擋策略。由于訓(xùn)練樣本的數(shù)量限制以及無法進(jìn)行動態(tài)訓(xùn)練來及時(shí)適應(yīng)車況、路況和駕駛員特性的變化導(dǎo)致決策模型的精度較低，容易出現(xiàn)最佳擋位判斷失誤。因此對AMT擋位決策系統(tǒng)的優(yōu)化研究就成為提高換擋準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。

陳清洪等[24]在三參數(shù)換擋模型中加入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用經(jīng)驗(yàn)豐富的駕駛員的駕車經(jīng)驗(yàn)和專家知識對換擋模型進(jìn)行訓(xùn)練，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)學(xué)習(xí)的特性提升了其適應(yīng)能力提高了換擋準(zhǔn)確率。焦海寧等[25]通過建立擋位決策-離合器接合控制模型，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到離合器接合控制上，實(shí)現(xiàn)了擋位判別和離合器分離的快速響應(yīng)。任永強(qiáng)等[26]利用三參數(shù)換擋規(guī)律進(jìn)行參數(shù)和算法優(yōu)化，使用交叉熵代價(jià)函數(shù)取代傳統(tǒng)的二次代價(jià)函數(shù)優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提升了樣本學(xué)習(xí)速度并且優(yōu)化后也提高了決策模型的準(zhǔn)確度。趙丁選等[27]提出在四參數(shù)換擋策略下，通過變步長法和動量梯度法向傳播算法對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)，改善了其收斂速度慢、存在“局部最小值”的問題并且提高了傳動效率，縮短了樣本學(xué)習(xí)時(shí)間。

3 研究趨勢

經(jīng)過多年的研究與探索，AMT技術(shù)已取得了長足的進(jìn)步，但其換擋性能、駕駛體驗(yàn)還未能達(dá)到DCT、CVT變速器的水準(zhǔn)，應(yīng)用上還只局限于部分商用車和微型車。在汽車工業(yè)智能化、網(wǎng)聯(lián)化、電動化的發(fā)展潮流推動下，AMT技術(shù)正朝著換擋預(yù)測網(wǎng)聯(lián)化、智能換擋動態(tài)學(xué)習(xí)與決策控制、直驅(qū)換擋控制、電機(jī)-變速器協(xié)調(diào)控制等方向發(fā)展，不斷提高控制精細(xì)度和魯棒性。

(1)換擋預(yù)測網(wǎng)聯(lián)化。車輛在換擋前實(shí)現(xiàn)對路況、車況信息的精準(zhǔn)把控，為車輛中央處理器提供數(shù)據(jù)支撐來實(shí)現(xiàn)車輛換擋智能動態(tài)決策始終是各大車企和院校的追求目標(biāo)。因此研究車內(nèi)通信、車際通信、云端通信三網(wǎng)融合技術(shù)將車輛作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提前感知路況、車況。研究數(shù)據(jù)在車內(nèi)傳輸時(shí)的信息傳輸時(shí)延、失效以及云端通信時(shí)網(wǎng)絡(luò)基站切換對車輛信息傳輸穩(wěn)定性影響，利用反饋控制等手段提高抗干擾能力[28]。

(2)AMT換擋動態(tài)學(xué)習(xí)與智能決策控制。未來的車機(jī)協(xié)同方向必然是無人駕駛，通過車輛的整體網(wǎng)聯(lián)化將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)載入控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車輛自主行駛。自動換擋系統(tǒng)作為整車控制系統(tǒng)中極其重要的子系統(tǒng)，將通過與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享輔以實(shí)時(shí)優(yōu)化算法，解決自動換擋控制的不確定性問題，包括模型預(yù)測控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、基于Pontryagin最小原理的控制算法以及解耦算法。根據(jù)車況、路況的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋通過優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)換擋的動態(tài)學(xué)習(xí)和實(shí)時(shí)決策控制。如圖5所示，路況信息和車況信息通過車載互聯(lián)系統(tǒng)傳入車輛的中央處理器中，同時(shí)中央處理器與云端保持互聯(lián)通過大數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化匹配既為車輛做出最佳的換擋策略同時(shí)也利用其進(jìn)行動態(tài)學(xué)習(xí)，通過控制器控制換擋執(zhí)行器進(jìn)行換擋。并且在此趨勢下實(shí)時(shí)預(yù)測和車輛速度跟蹤誤差補(bǔ)償[29]、減小換擋時(shí)執(zhí)行器響應(yīng)延遲、提高車輛下層協(xié)同控制的魯棒性成為新一輪研究熱點(diǎn)。

(3)直驅(qū)換擋控制。近年來，AMT換擋直驅(qū)技術(shù)愈加受到重視，出現(xiàn)了電液直驅(qū)、電磁直驅(qū)等多種換擋驅(qū)動方案，其中電磁直驅(qū)裝置因其可實(shí)現(xiàn)較高集成度、擁有較高功率密度使得驅(qū)動力變化范圍大，響應(yīng)速度快成為換擋執(zhí)行器的首選方案。圖6為一種電磁直線執(zhí)行器為換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的AMT技術(shù)方案。目前電磁直驅(qū)AMT控制中所面臨的換相推力波動、摩擦力估計(jì)與補(bǔ)償、高精度定位以及高精度軌跡跟蹤、多目標(biāo)優(yōu)化等問題成為新一輪攻關(guān)目標(biāo)，而實(shí)時(shí)預(yù)測精度補(bǔ)償、無傳感位置預(yù)測方法[30]、點(diǎn)位最優(yōu)運(yùn)動控制、自抗擾軌跡追蹤、顯式抗擾控制[31]、基于偽譜法的多目標(biāo)換擋控制優(yōu)化[32]等技術(shù)已成為解決上述問題的研究熱點(diǎn)。

圖5 整體控制架構(gòu)

1、2、3：電磁直線執(zhí)行器；4、5、6：換擋桿；7、8、9：撥塊；10：撥叉軸座；11、12、13：撥叉；14、15、16：撥叉軸。圖6 換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)示意圖

(4)電機(jī)-變速器協(xié)調(diào)控制。清潔能源正在成為車輛動力的更優(yōu)選，并且針對當(dāng)前電池技術(shù)的局限性，車輛傳動系統(tǒng)多擋化已成為提升車輛動力性和續(xù)航里程的有效手段。在新能源車輛多擋化控制中AMT技術(shù)具有動力性強(qiáng)、集成度高、全路況適應(yīng)力強(qiáng)等特點(diǎn)、發(fā)展前景廣闊。但也面臨著起步離合器滑摩、換擋過程轉(zhuǎn)矩突變、理想驅(qū)動特性、能量管理、電機(jī)調(diào)速同步時(shí)間過長等問題。而電機(jī)-變速器協(xié)調(diào)控制[33]是解決上述問題的關(guān)鍵。因此驅(qū)動電機(jī)-變速器聯(lián)合同步控制[34]、驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)控制、轉(zhuǎn)矩變化率控制、驅(qū)動電機(jī)加載曲線優(yōu)化、電機(jī)-變速器扭矩協(xié)調(diào)控制仍需在未來不斷深入。

4 結(jié)語

隨著當(dāng)前對汽車經(jīng)濟(jì)環(huán)保、性能、駕乘感受等綜合要求的提高，各廠商對離合器的研發(fā)投入也在不斷加大。當(dāng)前AMT變速器在商用車市場具有較大的增量空間，符合我國掌握AMT核心技術(shù)打破國外變速器技術(shù)壟斷的戰(zhàn)略需求。

目前，AMT在無動力中斷換擋、驅(qū)動傳動制動多系統(tǒng)綜合控制和智能換擋預(yù)測技術(shù)中取得了跨越式發(fā)展。在汽車工業(yè)智能化、網(wǎng)聯(lián)化、電動化的背景下，通過直驅(qū)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)手段不斷進(jìn)行控制方法的革新，AMT在未來時(shí)間內(nèi)將進(jìn)一步提升其綜合性能。