自动变速技术中的换挡规律及其优化方案

自动变速技术可以提高车辆动力性、燃油经济性、操纵稳定性和舒适性，换挡规律是自动变速技术的核心内容，是保证实现自动变速系统最优性能的基础。自动换挡性能是传动装置评价指标体系中操控性评价指标之一。

合理的换挡规律可以充分利用发动机的功率，提高车辆的平均行驶速度、通过性等性能。换挡规律目前有单参数、双参数、动态三参数、工程车辆四参数和智能换挡控制等。单参数换挡规律结构简单，但不能实现驾驶员干预换挡，且噪声大，难于兼顾动力性、经济性要求，故目前已很少采用。双参数换挡规律克服了单参数换挡规律的缺点，当前采用最多的控制参数是车速与油门开度，并且形成了最佳动力性和最佳经济性换挡规律的制定方法。某装甲车辆的动力性换挡规律，如图3-50所示，图中实线表示升挡，虚线表示降挡。严格意义的动态三参数规律比较复杂，目前实用程度不高。近年来，越来越多的研究将智能控制理论应用于换挡规律，利用驾驶者的经验及其他专家的知识形成换挡知识库，对传统的双参数或三参数进行了修正和改进。但是，这种方法制定的换挡规律通常取决于驾驶员的经验和水平以及设计人员的理解程度。

自动换挡规律一个核心的设计难点是关于换挡延迟的设计。理论上，如果将升、降挡点设计为同一点，可以使车辆的动力损失减小或经济性提高。由于实际车辆受各种因素的干扰，在换挡点附近可能会发生由油门或车速的波动而引起的意外换挡，导致换挡循环，所以引入降挡速差。而降挡速差如果设置不合理，将使车辆的动力性或经济性变差，影响车辆性能的发挥。因此，无论对动力性还是经济性换挡规律都必须有一个合理的降挡速差。

图3-50　动力性换挡规律

从降挡速差角度考虑，双参数换挡规律可分为等延迟型（图3-51（a））、发散型（图3-51（b））、收敛型 （图3-51（c）） 与组合型 （图3-51（d））等形式。等延迟型换挡规律的降挡速差大小不随油门开度的变化而发生变化，但是驾驶员可以实现干预换挡，可以在小油门开度条件下提前换入高挡，有利于降低发动机噪声和提高发动机的燃油经济性；发散型换挡规律的降挡速差随油门变化呈发散型分布。在中小油门开度下换入高挡，能够改善燃油经济性；在大油门开度条件下升挡，使发动机接近最大功率点，动力性较好，并且换挡延迟增大，有利于减少换挡次数。其缺点也是由于大油门降挡所对应的发动机转速很低，功率利用差。鉴于发散型换挡规律的特点，它适用于经常工作在中小油门，又需要频繁换挡的小型城市道路车辆，故它在民用自动变速器中应用较多。收敛型换挡规律的降挡延时随油门开度增大而减小，呈收敛分布。在大油门开度时，对应的降挡延时小，发动机转速降低的较少，有较好的功率利用率。小油门开度时降挡延时大，发动机可以在较低转速下工作，可以获得较好的燃油经济性，适用于经常工作在大油门开度下的重型车辆；组合型换挡规律则是根据车辆的不同需求，针对不同油门开度下的换挡延时做出相应的调整，以获得更好的适应性。针对重型装甲车辆，降挡速差应该符合下述几点建议：

图3-51　换挡延迟分类

（a）等延迟型；（b）发散型；（c）收敛型；（d）组合型

①降挡后发动机不应超速工作，以减小其噪声和振动，从而有利于延长发动机的寿命。

②对于同一挡位，大油门开度所对应的降挡速差应该小一些，这样可以提高车辆的动力性；小油门开度所对应的降挡速差应该大一些，以减少换挡次数，并且提高车辆的经济性。

③相同油门开度时，高挡应该比低挡的降挡速差大。

④中等油门开度时，应综合考虑车辆的动力性和经济性，从而决定降挡速差的大小。

自动换挡特性试验的主要目的是测试传动装置相邻各挡在升挡和降挡两种工况下，在不同升挡点和降挡点、不同的油压重叠、不同油压特性曲线的条件下，得到传动输出加速度变化率、换挡冲击扭矩和操纵件的滑摩功。

自动换挡特性试验的条件是有动力源，可以是发动机或者电机，如果是电机，需要模拟发动机的动态扭矩。动力源和综合传动之间需要布置转速转矩传感器，传动和加载单元之间也需要布置转速转矩传感器。为获得换挡冲击的瞬时物理量，动态扭矩传感器的采样频率在10 kHz以上。

（一）影响因素分析

传动装置换挡过程分为单元件切换换挡控制和双元件切换换挡控制两种方式，前者即为一般自动变速器的离合器滑摩换挡控制，换挡过程可分为准备相、扭矩相和惯性相3个阶段；对于双元件换挡过程而言，由于换挡控制涉及两个离合器放油、另外两个离合器充油，则控制要复杂很多。双元件换挡过程分3个阶段，与之相应，工作离合器充油过程也应进行分阶段控制，如图3-52所示。准备相阶段是指离合器油缸快速充油、消除活塞空行程的过程，整个过程是从TCU发出换挡指令开始，到充油滑摩离合器油缸克服回位弹簧的预紧力并消除离合器摩擦片的间隙，使其达到贴合、但尚未传递摩擦扭矩为止；同时，放油离合器应快速卸除储备压力，为下阶段控制做准备，如图3-52中黑线所示。此阶段双元件切换换挡过程开关控制快速充放油，如图3-52中细实线所示。扭矩相阶段放、充油离合器传递扭矩按照一定规律消长，最终完成扭矩交替，因此，离合器油压也应相应变化以适应扭矩传递需要，从而控制变速器输出轴扭矩波动。当传递扭矩路线完成改变，放油离合器传递扭矩减少为0时，此时应迅速彻底放油分离，防止动力损失。惯性相阶段，放油离合器已完成放油分离，充油离合器尚未锁止，因此变速器自由度增加，速比不定。为使挡位更替平顺进行，此阶段需动态闭环调节充油离合器的油压，直至其摩擦片锁止，换挡过程完成。

图3-52　换挡过程原理图

换挡品质是在保证动力传动系统寿命的前提下，能迅速平稳地变速换挡。换挡时从发动机来的输出转矩与从车轮来的负载转矩不协调，需换入挡的主被动齿轮有大转速差；换挡时，接合离合器时主从动片转速相差大以及驾驶员的熟练程度、路况、机械状况等对换挡品质都有很大的影响。忽略外部因素，则影响换挡品质的主要有以下几个方面：

（1）换挡过程中结合、分离元件的搭接定时。

动力换挡过程中，一个换挡离合器摩擦元件的结合与另一个换挡离合器摩擦元件的分离在时间配合上必须恰当。如果这一元件的分离时间和另一元件的结合时间间隔过小，两个元件工作区域重叠就会过大，会形成“挂双挡”的现象。在此过程中，两个元件互相制动，引起动力传动系统巨大的动载荷，不仅增加了发动机油耗，还会对系统造成较大的冲击。反之，若两个元件的作用时间相差过大，发动机动力无法有效地通过变速箱传递出去，动力流失，形成传动系统动力中断的情况。这种情况相当于换挡过程中每次都由当前挡位换到空挡，再由空挡换到目标挡位，不仅影响车辆的动力性能，也会使车辆产生前俯后仰的颠簸。

（2）换挡过程相关结合、分离元件的油压控制。

换挡离合器采用摩擦力传递动力，在结构参数一定的条件下摩擦转矩取决于离合器片的摩擦系数和离合器片间的压紧油压。由于摩擦系数随相对滑转速度变化而变化，且对于不同的摩擦材料差异较大。履带车辆因传递的转矩较大，传动装置中的湿式换挡离合器摩擦盘的材料也比较特殊，摩擦副通常是由铜基粉末压制的内齿摩擦片和外齿对偶钢片组成，大量的试验结果表明其动摩擦系数与静摩擦系数相差近一倍，这也就造成了离合器滑摩到结合或结合到滑摩过程中转矩的巨大变化。

换挡过程中压紧油压可以对换挡过程有效地进行控制，控制各个换挡离合器状态的转换。油压增长越快转矩变化就越快，冲击就越大；但油压增长过慢又会造成动力损失较多，离合器在滑摩时还会产生摩擦热，造成摩擦片温升过高，产生翘曲变形，过量的摩擦将影响结合元件的摩擦材料的使用寿命。因此，需要制定换挡过程中相关结合元件的油压变化规律，既保证良好的动力性能又要使换挡冲击小。(www.xing528.com)

（3）惯性能量所引起的冲击。

对于有级式变速箱传动比不可连续变化，各个挡位之间存在阶比，换挡过程中总不可避免地会产生动力传动系统内不同惯性能量的急剧释放或吸收。挡位数越少，传动比连续性越差，阶比就越大，引起的惯性能量冲击也就越大。

自动换挡技术目前常用双参数换挡规律，即根据车速和油门开度判断当前挡位状态是升挡、降挡还是保持。自动换挡从本质上讲是关于离合器的切换。离合器在滑摩和结合的过程中，其状态之间的切换是关键因素之一。图3-53表示了离合器状态之间的切换。图3-54所示为离合器状态切换临界条件。

图3-53，图3-54中，ω表示相对角速度，α表示相对角加速度，ωTol表示离合器闭锁的临界速差，表示离合器动摩擦力矩， 表示离合器双向静摩擦力矩，表示离合器实际传递转矩。

图3-53　离合器闭锁和解锁状态切换

图3-54　离合器状态切换临界条件

当离合器未接合时，摩擦转矩为0。当离合器接合完成后，离合器传递的转矩从滑摩转矩急剧下降到系统的惯性转矩。其中离合器从滑摩到锁止的判断条件是仿真计算的一个重要条件。可采用下式进行判断。

离合器的闭锁条件是：

车辆动力性与加速时间和加速度等指标有关，可以从这些指标的角度考虑换挡过程的车辆动力性。换挡时间代表着换挡过程持续时间的长短，该值较小时，换挡的瞬态过程较短，则动力性较好。加速度最大值与最小值之差，可以表征换挡过程中的加速度特性，该值较大时，则加速性较好。因此，选择这两个指标作为动力性评价指标。舒适性与人体的主观感受直接相关，传统的换挡品质研究大多集中在这一方面。加速度和冲击度是车辆在行驶方向上的变量，且冲击度是衡量车辆换挡过程平顺性的主要评价指标，这两个指标对舒适性有着很大影响，尤其是其波动值可以表征主观感觉上瞬态的冲击，因此，选择传统的加速度和冲击度作为研究对象。换挡过程中离合器通过交替运动实现分离和接合，这一过程带来的换挡冲击较大，对传动系统产生的动载荷较大，将严重影响传动系统的寿命。判断离合器寿命的指标主要有滑摩功和滑摩功率。但是自动换挡规律设计好坏还取决于在特定路面是否会出现频繁解闭锁现象。图3-55显示了换挡循环示意，实线代表升挡，虚线代表降挡，以4挡升5挡和5挡降4挡进行说明，这两条换挡线将图示区域分为3个，即左区域、中区域和右区域。a→b→c→d→a组成的区域表示了换挡循环过程，随着油门开度和车速的变化，在一定程度上造成了4挡和5挡的交替循环切换，产生了换挡循环问题。所以判断自动换挡规律的好坏必须对车辆在一定路面的换挡次数进行统计，作为评价自动换挡规律好坏的参数之一。

图3-55　换挡循环示意图

（二）试验设计

对于自动换挡特性试验，传动输出配置整车惯量，分为升挡和降挡两种情况，升挡点和降挡点分别从换挡特性曲线上按照50%、60%、70%、80%、90%、100%油门开度进行选取，传动两侧输出按照水泥路面阻力进行加载，从而得到对应的升挡或者降挡车速，操纵件的油压特性分为特性1、特性2等，换挡重叠时间分为时间1、时间2等，通过组合这些输入条件，得到不同的换挡品质，包含滑摩功、冲击度、换挡冲击等值。

（三）试验数据分析

传动装置整机自动换挡性能台架试验需要记录的原始数据主要包括输入转速 （n1）、左输出转速 （nL）、右输出转速 （nR）、涡轮转速 （nT）、变速一排框架转速 （nB）、车速 （nV）、油门开度、输入扭矩 （M1）、左侧输出扭矩（ML）、右侧输出扭矩（MR）等。

由于自动换挡过程中，各种参量都在动态变化，需要记录各参量随时间变化的曲线。通过对车速信号进行两次求导数，可得到系统的冲击度。通过变速一排框架转速、输入转速和输出转速可以换算得到摩擦元件主被动段转速变化情况，通过记录油压特性随时间的变化曲线，可以换算得到系统的滑摩功。通过记录传动输出的扭矩变化峰值，可以得到换挡冲击峰值。

滑摩功的表达式为：

式中　μd——动摩擦系数；

F——离合器法向压紧力；

re——作用半径；

Z——摩擦副数。