AMT离合器执行机构低温性能问题的研究

刘勇，焦志斌

江铃汽车股份有限公司,江西南昌 330000

0 引言

机械式自动变速箱(AMT)是基于手动变速箱增加离合器执行机构和选换挡执行机构以及变速箱控制单元(TCU)来实现自动换挡功能的一种变速箱，具有手动变速箱效率高、结构简单的特点，特别适用于轻型卡车。

AMT执行换挡时，离合器和选换挡执行机构需要配合完成摘挡、选挡和挂挡3个过程。该过程中离合器执行机构经历分离和结合，由于机械摩擦、弹性变形、装配误差及间隙等影响因素的存在，使响应速度和传动效率受到影响，进而影响整车的换挡品质。所以为了保证整车良好的换挡品质以及AMT的传动效率，TCU的控制策略和执行机构的效率保证尤为重要。

1 离合器执行机构介绍

根据离合器执行机构的构成和动力来源，离合器执行机构可分为电控电动、电控液动、电控气动3种。其中电控气动在重型车应用较广泛，这里详细介绍电控电动和电控液动两种类型。

1.1 电控电动离合器执行机构

TCU发出分离结合指令控制电机，电机通过机械减速机构驱动执行机构，实现离合器的分离与结合。减速机构起到减速增扭及将电机的旋转运动转化为直线运动，又可以分为滚珠丝杠、蜗轮蜗杆等结构形式。

电控电动离合器执行机构的特色是：结构相对简单、质量轻，采用易于控制、精度更高的电机代替液压执行元件，使系统的动作误差少、控制方法简单。其缺点是：减速机构的效率相对较低，蜗轮蜗杆机构带自锁功能，无论分离还是结合离合器都需要电机驱动，滚珠丝杠不带自锁功能，长时间关闭离合器需要电机辅助。低压直流电机调速较慢，平顺性较难保证。

1.2 电控液动离合器执行机构

TCU控制电磁阀和电机，系统有储能结构，不工作时电机给系统加压储能，需要动作时控制电磁阀通过油压使执行机构完成离合器的分离和结合动作。其优点是工作稳定、传动效率高，且机构紧凑、易于实现安全维护、吸振和吸冲击能力强、使起步和换挡品质好。缺点是结构比较复杂、成本较高，而且受温度影响较大。

2 工程问题研究

2.1 问题描述

某轻卡车型匹配AMT变速箱，其离合器执行机构采用电控电动结构，如图1所示。电机驱动蜗杆转动，带动蜗轮转动，蜗轮上带一个小半径齿轮与扇齿啮合，扇齿的转动带动主缸推杆运动，从而推动主缸，再由分缸驱动离合器分离。蜗轮蜗杆及扇齿的润滑采用油润滑。

图1 离合器执行机构

车辆在进行冬季试验时，在-30 ℃以下出现静置一晚后离合器无法分离，导致冷启动困难，启动后偶发出现换挡失败。

2.2 问题分析

AMT带有低温辅助启动功能，该功能在系统上电时若识别到变速箱油温低于-15 ℃时，打开离合器，断开动力链，来帮助发动机在低温时启动。换挡时，若TCU判断离合器未分离到设定位置，则不会执行换挡动作。如果离合器在低温下不能及时打开，就会出现启动困难及换挡失败现象。

离合器位置对应的传感器电压曲线如图2所示。

图2 离合器位置对应的传感器电压曲线

图2记录了该车辆在-30 ℃静置一晚后第一次启动时的离合器打开位置数据。离合器应当在规定时间内打开到“opencheck”(完全打开点，传感器数值5 200 mV)，结果显示离合器打开到4 100 mV左右就停止打开，时间达到0.9 s，不符合目标(目标冷态第一次打开时间不大于0.6 s)。

2.3 系统低温性能研究

离合分离系统受温度影响较大的零部件有蜗轮蜗杆机构、主分泵液压系统、电机等。润滑油品在低温下运动黏度会急剧升高，可能影响蜗轮蜗杆系统整体的阻尼，而液压油同样存在此种问题。小功率电机由于低温使润滑脂稠度增大或凝固冻结，引起静态阻力矩增加，从而影响电机的起动及负荷。

表1为该变速箱采用的75W-85和DOT4油品的运动黏度对比。从表中可以得知，执行机构润滑油低温黏度相较于高温黏度变化非常大，并且相比于液压油，其受低温影响更显著。DOT4是制动系统常用的性能较好的制动油，其低温性能也非常优秀。

表1 75W-85和DOT4油品的运动黏度对比 单位:mm2/s

该电机采用的是-60 ℃高低温全合成脂，根据其低温性能试验结果，该电机在-40 ℃低温下性能衰减比较小。

综合以上分析，可以得出结论，离合执行系统低温下受蜗轮蜗杆和扇齿润滑油黏度增大十分明显，导致其内部阻尼增大，其运动受到的影响较大，进而导致离合器分离速度变慢。

2.4 离合器分离控制策略研究

当前离合器控制策略为：下电离合器关闭;上电根据变速箱油温判断，油温高于-15 ℃，离合器不打开，油温低于-15 ℃，离合器打开，辅助低温启动。离合器打开为闭环控制，设定离合器打开的目标位置，控制对象为电机占空比，控制周期开始时，以一定占空比开始，并且根据离合器打开的位置占空比可以自调节。在-30 ℃离合器第一次打开时，离合器位置对应的传感器电压及离合电机占空比曲线如图3所示。由图可知，在开始控制时，电机占空比100%(纵坐标10代表1%)只持续了一个0.1 s后迅速下落，此时离合器位置变化较慢，未分离到“opencheck”点就不再分离，不满足要求。

图3 离合器位置对应的传感器电压及离合电机占空比曲线

以上控制策略存在的问题是：①没有分离到指定位置就停止分离，未实现针对离合器位置的闭环控制；②最大占空比持续时间短，电机性能未完全发挥。

3 改进方案研究和验证

3.1 硬件改进方案

通过之前的分析，离合器执行机构低温下受蜗轮蜗杆和扇齿润滑油黏度增大影响，系统阻尼增大。改进方案需要选择一种低温黏度较小的润滑油，根据常用润滑油的运动黏度，选择了一款BOT350M润滑油，该油也是一款常用的齿轮润滑油，其黏度参数与原75W-85对比见表2。两款油高温黏度相当，但BOT350M低温黏度提升明显，约75W-85的1/3。

表2 75W-85和BOT350M油品的运动黏度对比 单位:mm2/s

3.2 软件改进方案

针对离合器控制策略不能最大限度发挥电机性能的问题，做出如下改进：①增加闭环控制和电机控制的时间，以达到目标位置，如果某个时间分离位置小于设定值，判断执行机构硬件有可能损坏，则退出控制并报故障；②在冷态下增加100%占空比控制的时间，充分发挥电机性能。

3.3 改进方案验证

更换了离合器执行机构的润滑油为低黏度BOT350M，并且更新了离合器低温下的控制策略，在相同的-30 ℃工况下离合器第一次打开时，离合器位置对应的传感器电压及离合电机占空比曲线如图4所示。由图可以看出，开始控制时，离合器电机即以最大占空比工作并持续了0.4 s后开始下行，离合器在0.6 s内打开到指定位置，达到项目目标。

图4 改进后离合器位置对应的传感器电压及离合电机占空比曲线

多次试验离合器打开时间对比见表3，通过增大样本量可以得出结论，离合器执行机构低温下性能得到明显提升。

表3 多次试验离合器打开时间对比 单位:s

4 结束语

通过硬件方面和软件方面两个方向分析了低温环境下AMT离合器执行机构打开慢的问题，并且针对两个方面分别进行了优化，结果显示优化效果良好，达到了目标，为此类AMT执行机构设计提供了借鉴和参考。