AMT控制技术中换档时间评估方法和性能分析

正如前面所述，换档过程包括了调节驱动动力源转矩、分离离合器、摘档、控制拨叉、同步、挂档、接合离合器、恢复动力源转矩。但对于换档时间的定义，各家有所不同。

有的研究者将绝对动力中断时间作为换档时间。绝对动力中断时间就是从摘档开始到挂上档为止，在该段时间里驱动动力源不向车轮传递任何转矩。这种计算方法的优点是突出了换档机械结构的动作速度，缺点是在摘档之前离合器可能已经在分离中，挂档后离合器可能还在接合中，这期间没有正常的动力传递，但这个时间没有被包括进去，所以误差很大。有的研究者将换档时间定义为从分离离合器到分离滑摩点开始到接合离合器到接触滑摩点结束，在这个区间里，发动机不向车轮提供任何转矩。这种定义的优点是突出了汽车在换档过程中完全失去动力的真正时间长度，而忽略了离合器从开始分离到分离滑摩点和从接触滑摩点继续接合到全接合的过程中，离合器的输出转矩通常小于驾驶人需求的转矩的影响。后者虽比前者准确些，但还是不够准确。所以有的研究者将降低转矩和恢复转矩的非正常转矩驱动过程折算成等效动力中断时间，将换档过程中减少了的转矩积分起来就知道相当于多少时间完全没有转矩输出，将这个时间加到绝对动力中断时间中一起考评。这种定义的优点是准确地描述了换档对加速性的所有影响，缺点是计算麻烦。有的研究者将从离合器开始分离到离合器完全接合的整个区间作为换档时间，而不考虑转矩的变化所带来的影响。有的研究者将从降矩开始到完全恢复转矩的整个区间作为换档时间。后两者计算得出的换档时间当然会比前面的计算方法得出的结果长。这两个方法降低了绝对动力中断时间在换档影响方面的比重。所以，单论换档时间的长短来评估AMT系统会得出不正确的结论，而应分析计算方法和换档性能的好坏。

以下是一些厂家标注的AMT换档时间，但对其换档时间的准确定义不清楚，所以只作参考：

宝马SMG II（M3 E46）：80ms

法拉利F1（Maserati 4200GT）：80ms

法拉利F1（Enzo）：150ms

法拉利F1（575M）：220ms

宝马SMG（M3 E36）：220ms

阿斯顿·马丁Vanquish：250ms

阿尔法Selespeed（156 Selespeed）旧款：700ms

为了清楚地描述整个换档过程，可按换档的几个步骤分别计算时间并进行比较，这样比较合理和有意义。图4-3所示为一组在某AMT车上实测的统计数据。它将测试中所有换档过程按前述的6个步骤单独进行归类统计，即：

①分离离合器时间统计。

②摘档时间统计。

③选档时间统计。

④同步时间统计。

⑤挂档时间统计。

⑥接合离合器时间统计。

图4-3 换档时间分类和统计（数据采样周期为5ms）(www.xing528.com)

①从这个试验数据里可以看到，离合器分离时间较多的是250～500ms。只有3个特殊值，超过1秒，有些分离时间很短，是因为在换档前，离合器没有完全接合。

②摘档时间比较一致，均为100ms左右，但个别为5ms，这意味着无需摘档，如从空档挂到倒档或挂到1档。

③选档时间比较一致地为70ms上下，但个别为5ms，这意味着无需选档，即用同一个拨叉换档。

④同步时间变化较大，比较多的为70～230ms，但个别为5ms，这说明即时同步。

⑤挂档时间一致性较好，大多数在70ms上下，但个别为5ms，这意味着无挂档时间，是挂到空档。

⑥接合离合器时间变化较大，大多为1s上下，但个别为1.5s。但只有一个为5ms，这不是正常换档点。

如将各次换档中以上6个动作的时间都累加起来，即从开始分离离合器到离合器完全接合结束作为换档时间，那么图4-3中数据的换档时间统计如图4-4所示。

图4-4 换档时间统计

从图4-4可以看出，在这个换档测试中，大部分换档时间在1.5～2s，有3次换档超过2.5s。在所分析的几个步骤当中，分离离合器和接合离合器所花的时间最长。而分离离合器和接合离合器的时间长短主要取决于汽车对转矩变化的承受能力。一些车架悬架较好、发动机转矩输入/输出特性标定较好的汽车对驱动链转矩的变化承受能力较强，可以缩短离合器的分离和接合时间而不影响驾驶的舒适性。对于节气门较快打开/闭合都容易引起车辆抖动的车辆，必须放慢改变转矩的速度。

除了分离离合器和接合离合器的时间以外，花时间较长的就是同步时间。同步时间取决于输入轴和输出轴的转速、转速差、输入轴的等效质量和同步器的品质。转速越高，速差越大，输入轴所需要消耗或获得的动能也就越大。输入轴需消耗或获得的能量为

E=1/2m（v₁²-v₀²）

式中，v₀和v₁分别为输入轴同步前和同步后的速度；m为输入轴的等效质量。在升档时，v₁<v₀，输入轴要减速，这时需要将输入轴的动能消耗一些。相反，在降档时，v₁>v₀，输入轴要增速，这时需要将输入轴的动能提高一些。这些能量的消耗和增加都是通过同步器和输出轴摩擦耦合交换的。其中部分能量从输入轴转移到输出轴或从输出轴转移到输入轴，还有一部分能量消耗在同步器上。在速度、速度差和质量相同的情况下，同步的时间越短，同步器单位时间内必须传递的能量也越高。如果同步器传递能量的效率很高，那么消耗在同步器上的能量就很小，相反同步器上消耗的能量就很大，结果是发热和磨损。当一个同步器单位面积能承受的热量低于实际必须承受的热量时，其寿命就会大大缩短。有人认为，缩短同步时间，同步器一定会发热磨损，其实不然。我们说一个极端情况：假设同步器能够传递无穷大的转矩，那么在零时间里，同步器可以将输入轴的转速调节到和输出轴转速除以档位速比的理想转速，而同步器不消耗任何能量，也就不磨损。当然这个假设是不存在的。请参考第5章中离合器消耗能量分析方法求出同步器的能量消耗。另外，从上式中可以看出，减少输入轴的等效质量能有效降低同步器的负担。关于同步器的基本知识会在4.6节中进行介绍。

图4-3记录的摘档时间、选档时间和挂档时间都在100ms上下。这个时间的长短完全取决于选换档机械机构的力量大小和对耐久性的考虑。执行这些动作的时间越短，动力中断时间也就越短，加速性能就会越好。当然，这些动作的时间越短，对选/换档机械机构和变速器内部换档机构的机械强度和驱动力的要求就越高。过快的机械运动可能会导致机械碰撞，从而引发噪声及机械疲劳和损伤。这不但可能损坏AMT的选/换档机械机构，还可能会破坏变速器本身。另外，AMT执行机构的驱动电动机及传动机构的转动惯量也是影响快速性的一大因素。设计中应尽量减少电动机及传动机构的转动惯量，以提高快速性和减少机械磨损。

图4-5所示为1档升2档时的有关信号曲线图。从图4-5可看出，换档过程中上述绝对动力中断约为300ms，这已经比较快了。而从开始分离离合器到离合器分离完成花了约400ms，这和图4-3中看到的300ms相比就显得过长。另外，从开始接合离合器到离合器结束滑摩共用了约700ms。在这700ms中，主要是等待发动机减速和进入滑摩区后对离合器的慢速控制所致。如果发动机转矩能快速降下来，动力链能承受更大的转矩变化，就可以大大缩短这个时间。有些系统外加机械制动装置来帮助发动机快速减速。

图4-5 换档时间分析

正如前面谈到的，离合器的快速分离和接合受到换档冲击感的制约。通常离合器的分离和接合速度越快，冲击感会越大。形成冲击有多方面的原因，深入了解这些引起冲击的原因对克服这些冲击会很有帮助。下面来分析造成冲击的原因，即找到冲击源，然后讨论如何消除或控制这些冲击源。