黃斌吳森付翔楊國(guó)超

（1.武漢理工大學(xué)；2.東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心）

電驅(qū)動(dòng)機(jī)械式自動(dòng)變速器換擋過(guò)程研究*

黃斌1吳森1付翔1楊國(guó)超2

（1.武漢理工大學(xué)；2.東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心）

以裝備電驅(qū)動(dòng)機(jī)械式自動(dòng)變速器的純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)為研究對(duì)象，將換擋控制過(guò)程分為5個(gè)階段，分析各階段的換擋影響因素，闡述各階段的控制方法。通過(guò)ADAMS軟件對(duì)換擋過(guò)程控制方法進(jìn)行仿真，搭建換擋動(dòng)力學(xué)模型，并通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，文中所述換擋控制方法可行，整個(gè)換擋過(guò)程性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，且達(dá)到了較高的換擋品質(zhì)。

1 前言

電機(jī)低速時(shí)恒轉(zhuǎn)矩、高速時(shí)恒功率的特性能較好地滿足車輛的運(yùn)行需求，但許多型式的純電動(dòng)汽車為了滿足車輛起步和爬坡時(shí)的大轉(zhuǎn)矩需求，以及提高電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作效率的需要，仍匹配多擋變速器[1]。AMT是近年來(lái)廣泛應(yīng)用于大型電動(dòng)車輛上的自動(dòng)化變速機(jī)構(gòu)，其具有傳動(dòng)效率高、傳遞扭矩大、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，但換擋過(guò)程中存在動(dòng)力中斷和換擋沖擊的問(wèn)題[2]。為了優(yōu)化這些問(wèn)題，國(guó)內(nèi)某大學(xué)提出了取消離合器，將傳統(tǒng)變速器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接機(jī)械連接的具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電驅(qū)動(dòng)機(jī)械式自動(dòng)變速器（EMT）核心專利技術(shù)。

對(duì)EMT的研究多集中在整體控制策略設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析上[3、4]，對(duì)換擋過(guò)程并未進(jìn)行分階段細(xì)致的研究。本文以配備有EMT的純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)其換擋控制階段的5個(gè)過(guò)程進(jìn)行深入分析。

2 EMT介紹

EMT是由一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)與傳統(tǒng)機(jī)械式變速器集成一體，并與自動(dòng)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接而成。為了減小該機(jī)構(gòu)的軸向尺寸，去除傳統(tǒng)機(jī)械式變速器的同步器，并采用齒式離合器（嚙合套）進(jìn)行各擋位的接合與分離。圖1為EMT組成結(jié)構(gòu)示意圖[5]。

EMT實(shí)際是在AMT結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上去掉傳統(tǒng)離合器和機(jī)械式同步器，并結(jié)合驅(qū)動(dòng)電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速和變矩性能，構(gòu)成電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)。換擋過(guò)程是利用電機(jī)響應(yīng)迅速精準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，主動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速亦即變速器輸入軸轉(zhuǎn)速，待嚙合齒圈與嚙合套轉(zhuǎn)速滿足換擋要求時(shí)，利用換擋執(zhí)行裝置實(shí)現(xiàn)無(wú)同步器精確換擋。這種利用調(diào)速電機(jī)主動(dòng)同步代替同步器被動(dòng)摩擦同步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋的方式，動(dòng)力中斷時(shí)間短，換擋品質(zhì)好。

3 換擋過(guò)程控制方法分析

EMT動(dòng)力系統(tǒng)自動(dòng)換擋過(guò)程如圖2所示。當(dāng)系統(tǒng)根據(jù)輸入條件判斷出將要執(zhí)行的目標(biāo)擋位后，EMT進(jìn)入換擋模式。

進(jìn)入換擋模式后，根據(jù)車輛轉(zhuǎn)矩需求，在進(jìn)入換擋操作程序前需要先進(jìn)入預(yù)換擋程序。此過(guò)程中，整車控制器通過(guò)編寫好的控制算法迅速調(diào)整變速器輸入軸扭矩即電機(jī)扭矩至驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力的平衡值，使車輛平滑進(jìn)入到換擋操作過(guò)程。

由于預(yù)換擋過(guò)程動(dòng)力不中斷，當(dāng)在此過(guò)程中突然出現(xiàn)路況變化時(shí)可進(jìn)行相應(yīng)操作。因而首先要重新確認(rèn)當(dāng)前情況下是否進(jìn)入本次換擋過(guò)程所指示的目標(biāo)擋位，若在此過(guò)程中路況或駕駛員意圖產(chǎn)生其它明顯逆向變化，則保持原擋位不變或換入與目標(biāo)擋位大小趨勢(shì)相反的擋位。

預(yù)換擋過(guò)程完成且路況和駕駛意圖均未產(chǎn)生明顯逆向變化后，程序確認(rèn)目標(biāo)擋位不變，系統(tǒng)進(jìn)入換擋操作程序（即整個(gè)換擋過(guò)程的關(guān)鍵）。此時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)換擋操作過(guò)程，若發(fā)現(xiàn)換擋未能正常完成則重新確認(rèn)目標(biāo)擋位，進(jìn)行二次換擋操作，直至換擋操作完成。當(dāng)完成換擋操作過(guò)程后，變速器進(jìn)入目標(biāo)擋位。若此過(guò)程反復(fù)循環(huán)，系統(tǒng)將進(jìn)行相應(yīng)報(bào)錯(cuò)處理，當(dāng)無(wú)法進(jìn)行程序自適應(yīng)修正時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入故障狀態(tài)。

進(jìn)入目標(biāo)擋位后，啟動(dòng)換擋補(bǔ)償程序。在預(yù)換擋程序中，通過(guò)相應(yīng)控制策略改變了進(jìn)入換擋模式前的電機(jī)轉(zhuǎn)矩狀態(tài)，換擋操作過(guò)程完成后，由于駕駛員對(duì)于車輛驅(qū)動(dòng)狀態(tài)有了新的需求，此時(shí)需要重新調(diào)整動(dòng)力輸出，對(duì)當(dāng)前車輛需求進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，即根據(jù)油門開度增加或減小動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩輸出。

當(dāng)換擋補(bǔ)償過(guò)程完成，動(dòng)力系統(tǒng)輸出與駕駛員意圖相匹配后，系統(tǒng)結(jié)束換擋模式進(jìn)而進(jìn)入無(wú)中斷驅(qū)動(dòng)模式。

3.1 預(yù)換擋階段

預(yù)換擋階段是在動(dòng)力系統(tǒng)執(zhí)行換擋動(dòng)作的前一時(shí)段對(duì)整車行駛過(guò)程進(jìn)行干預(yù)的過(guò)程，主要目的是降低變速器傳遞的扭矩以減小后續(xù)換擋過(guò)程的沖擊度和動(dòng)力中斷時(shí)間。

假設(shè)車輛在平坦路面上行駛，則有：

式中，F(xiàn)t為驅(qū)動(dòng)力；Ff為滾動(dòng)阻力；Fw為空氣阻力；Fj為加速阻力。

Fj與加速度相關(guān)：

式中，d1為車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)（與車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及傳動(dòng)系統(tǒng)的速比有關(guān)）；m為車輛質(zhì)量。

換擋沖擊度公式為：

為得到平順的換擋，換擋沖擊度必須滿足：

其中，jmax為駕駛員能接受的最大沖擊度。前蘇聯(lián)研究學(xué)者認(rèn)為當(dāng)振動(dòng)頻率不大于3Hz時(shí)，常人所能接受的最大沖擊度是25.5 m/s3，我國(guó)暫時(shí)還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[6]。

若要求預(yù)換擋過(guò)程不產(chǎn)生動(dòng)力中斷且摘擋階段沖擊度盡可能小，則車輛在預(yù)換擋階段結(jié)束時(shí)應(yīng)盡量保證車輛加速度接近零，即

式中，F(xiàn)t1、Fw1和Ff1分別為預(yù)換擋階段結(jié)束時(shí)車輛的驅(qū)動(dòng)力、滾動(dòng)阻力和空氣阻力。

則此過(guò)程平均沖擊度為：

式中，F(xiàn)t0、Fw0和Ff0分別為預(yù)換擋階段開始時(shí)車輛驅(qū)動(dòng)力、滾動(dòng)阻力和空氣阻力；Δt01是預(yù)換擋階段總時(shí)間。

由公式（5）和（6）可得：

為了使預(yù)換擋過(guò)程沖擊度滿足方程（4）的關(guān)系，則動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力變化率應(yīng)滿足：

3.2 摘擋階段

當(dāng)車輛滿足換擋條件時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩清零，變速器迅速退至空擋。此過(guò)程的平均沖擊度為：

式中，F(xiàn)t2、Fw2和Ff2分別為摘擋階段結(jié)束時(shí)車輛驅(qū)動(dòng)力、滾動(dòng)阻力和空氣阻力；Δt12是摘擋階段總時(shí)間。

由于摘擋階段Δt12很短，車速變化很小，可以認(rèn)為加速度為零，滾動(dòng)阻力和空氣阻力保持不變。則此階段平均沖擊度可簡(jiǎn)化為：

3.3 電機(jī)主動(dòng)調(diào)速階段

摘擋完成后進(jìn)入電機(jī)主動(dòng)調(diào)速階段，通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)減小當(dāng)前目標(biāo)擋位的主、被動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速差，當(dāng)轉(zhuǎn)速差達(dá)到設(shè)定的較小范圍內(nèi)時(shí)進(jìn)行掛擋。電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩模式調(diào)速時(shí)，主要預(yù)測(cè)撥叉軸空行程過(guò)程中輸入軸及輸出軸的轉(zhuǎn)速變化量，如圖3所示。其中，嚙合套轉(zhuǎn)速為ω1，待嚙合齒圈轉(zhuǎn)速為ω2；A狀態(tài)表示調(diào)速完成后變速器開始進(jìn)擋的起始狀態(tài)，此時(shí)嚙合套與待嚙合齒圈間有一定軸向距離，未接觸；B狀態(tài)表示當(dāng)嚙合套在執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用下向待嚙合齒圈移動(dòng)，并直到與待嚙合齒圈相接觸的狀態(tài)，A到B過(guò)程即為轉(zhuǎn)速預(yù)測(cè)段齒式離合器的位移狀態(tài)；C狀態(tài)表示嚙合套與待嚙合齒圈接觸后，通過(guò)滑動(dòng)摩擦，嚙合套繼續(xù)沿軸向移動(dòng)，直至完全嚙合進(jìn)擋。

由圖3可以看出，最終轉(zhuǎn)速完全同步的理想狀態(tài)是運(yùn)行到B過(guò)程的瞬間，滿足ω1B=ω2B，即在調(diào)速過(guò)程中需要精確預(yù)測(cè)出經(jīng)過(guò)時(shí)間tA-B后，ω1A到ω1B和ω2A到ω2B的變化趨勢(shì)。

根據(jù)理論分析，以均值評(píng)估方法來(lái)對(duì)調(diào)速過(guò)程的目標(biāo)轉(zhuǎn)速值進(jìn)行預(yù)測(cè)。當(dāng)嚙合套和待嚙合齒圈完全同步時(shí)需滿足：

則：

式中，a1表示在調(diào)速結(jié)束的A狀態(tài)瞬間嚙合套的加速度，可通過(guò)輸出軸傳感器測(cè)得的值與時(shí)間關(guān)系得出；a2表示在調(diào)速結(jié)束A狀態(tài)瞬間待嚙合齒圈的加速度。

由于a2為調(diào)速結(jié)束后電機(jī)自由模式下的加速度，但電機(jī)調(diào)速目標(biāo)值要求在電機(jī)調(diào)速模式中計(jì)算得到，因而在最終確定調(diào)速目標(biāo)值時(shí)a2不可得到。根據(jù)試驗(yàn)研究，ω2A+a2·tA-B直接通過(guò)預(yù)測(cè)方式獲得：

式中，kp為比例系數(shù)，其與電機(jī)轉(zhuǎn)速、調(diào)速轉(zhuǎn)矩相關(guān)。

輸出軸加速度a1在實(shí)際應(yīng)用中加入了相應(yīng)參數(shù)補(bǔ)償，為調(diào)速過(guò)程中的加速度平均值與調(diào)速結(jié)束瞬間加速度值a1的加權(quán)結(jié)果，即，其中k為比例系數(shù)，其與調(diào)速過(guò)程開始前的車速有關(guān)。

通過(guò)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣壓輸入，保證其壓力基本不變，即可認(rèn)為在穩(wěn)態(tài)條件下tA-B基本不變。為保證調(diào)速的精確性，通過(guò)平均值表示tA-B的值，算法中采用對(duì)多次記錄值篩選后求的方法進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

則調(diào)速目標(biāo)轉(zhuǎn)速預(yù)測(cè)模型為：

3.4 進(jìn)擋階段

調(diào)速結(jié)束后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，變速器進(jìn)擋。在實(shí)際使用過(guò)程中，嚙合套和待嚙合齒圈在接觸瞬間可能出現(xiàn)如圖4所示的4種不同的位置關(guān)系。以升擋過(guò)程為例分析這4種接觸狀態(tài)時(shí)的具體嚙合過(guò)程。變速器退空擋后嚙合套回到中間位置，在升擋過(guò)程中嚙合套轉(zhuǎn)速小于待嚙合齒圈轉(zhuǎn)速。通過(guò)電機(jī)主動(dòng)調(diào)速帶著待嚙合齒圈轉(zhuǎn)速隨之變化，待達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速后終止調(diào)速過(guò)程，電機(jī)停止轉(zhuǎn)矩輸出，嚙合套轉(zhuǎn)速ω1是由車輛慣性力矩和工況決定的，而待嚙合齒圈轉(zhuǎn)速ω2卻是由電機(jī)的慣性力矩控制的。換擋時(shí)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)推動(dòng)嚙合套向待嚙合齒圈移動(dòng)，而在撥叉軸空行程區(qū)間的不可控性導(dǎo)致了兩者接觸時(shí)出現(xiàn)多種情況，通過(guò)預(yù)測(cè)算法和控制策略可以限制兩者接觸時(shí)的轉(zhuǎn)速差不超過(guò)

圖4中所示的狀態(tài)2和狀態(tài)4均為特殊情況，而狀態(tài)1和狀態(tài)3出現(xiàn)的概率大于其它兩種情況，此處以出現(xiàn)概率大的兩種狀態(tài)為理論計(jì)算的對(duì)象。狀態(tài)1和狀態(tài)3的受力原理基本相同，故接觸瞬間嚙合齒的受力分析以狀態(tài)1為對(duì)象進(jìn)行研究。

進(jìn)擋階段嚙合套和待嚙合齒圈兩者發(fā)生接觸，受力情況如圖5所示。圖5中兩個(gè)齒面碰撞時(shí)存在撞擊及摩擦，而其大小難以判斷，因此假設(shè)軸向換擋力Fa=Fa′+Fa″，F(xiàn)a″產(chǎn)生摩擦力FR，F(xiàn)a′產(chǎn)生碰撞壓力FN；β為齒形錐度角，F(xiàn)t1、Ft2為切向分力；受力分析如式（17）～式（25）：

式中，MS為撥環(huán)力矩；Ft為待嚙合齒圈所受切向力；ds為待嚙合齒圈計(jì)算直徑；us為接觸處齒面摩擦系數(shù)。

在換擋過(guò)程中，由于嚙合套與待嚙合齒圈接觸滑磨開始到兩齒非錐面分別接觸另一齒的非錐面的時(shí)間很短（記為Δt），與車輛相連的嚙合套部分轉(zhuǎn)速變化很小，可認(rèn)為其轉(zhuǎn)速變化為零，而待嚙合齒圈的轉(zhuǎn)速則由ω2變?yōu)棣亍?/p>

2，整個(gè)過(guò)程中變化為Δω，則Δω=ω2-ω′2，角加速度為Δω/Δt。根據(jù)慣性原理，慣性力矩Mk為：

式中，J為待嚙合齒圈端的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

由慣性力矩產(chǎn)生的軸向力為：

當(dāng)Fk＜Fa且Mk＜MS時(shí)齒式離合器在接觸滑磨過(guò)程中就不會(huì)發(fā)生二次進(jìn)擋沖擊，嚙合過(guò)程中嚙合套與待嚙合齒圈的轉(zhuǎn)速差在允許的速差范圍內(nèi)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)嚙合不成功情況。

為了對(duì)進(jìn)擋特性進(jìn)行研究，在計(jì)算撥環(huán)力矩時(shí)對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，設(shè)接觸處齒面為絕對(duì)光滑的，即接觸處齒面摩擦系數(shù)uS為0。

根據(jù)式（27）可得：

為滿足Mk＜MS則有：

則：

因此，忽略嚙合瞬間待嚙合齒圈的轉(zhuǎn)速和齒輪嚙合面的接觸摩擦力，同一個(gè)換擋機(jī)構(gòu)或具有相同系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的換擋機(jī)構(gòu)減小調(diào)速同步后的轉(zhuǎn)速差能減小換擋力大??；由于換擋指標(biāo)也與齒式離合器的壽命直接相關(guān)，因而希望換擋力Fa越小越好。這樣，減小同步后轉(zhuǎn)速差能保證以更小換擋力換擋的成功率。

3.5 換擋補(bǔ)償階段

與預(yù)換擋過(guò)程原理相同，當(dāng)系統(tǒng)完成換擋操作過(guò)程，若直接跟隨駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)矩輸出，可能會(huì)使系統(tǒng)瞬間輸出一個(gè)較大的驅(qū)動(dòng)力，此時(shí)將造成過(guò)大的沖擊度，降低乘坐者的舒適性。

若設(shè)定車輛在完成進(jìn)擋動(dòng)作的時(shí)刻為t4，此時(shí)驅(qū)動(dòng)力為Ft4，滾動(dòng)阻力為Ff4，空氣阻力為Fw4，旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)為d4；車輛驅(qū)動(dòng)力在t5時(shí)刻變?yōu)镕t5時(shí)，滾動(dòng)阻力為Ff5，空氣阻力為Fw5，旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)為d5，該時(shí)間段的平均沖擊度jr3為：

該過(guò)程中，t5-t4時(shí)間很短，故可認(rèn)為Ff4+Fw4=Ff5+Fw5，且Ft4=0，又因?yàn)榇藭r(shí)換擋動(dòng)作已完成，因而d4=d5。代入式（31）則有

即可得出在t5-t4時(shí)間段內(nèi)，舒適性要求越高（即沖擊度越?。?，預(yù)換擋時(shí)間要求越長(zhǎng)。所以，同預(yù)換擋控制方法，系統(tǒng)采取加速度勻速變化策略來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩變化率，則動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力輸出變化率為：

4 換擋過(guò)程建模與仿真分析

EMT動(dòng)力系統(tǒng)換擋過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的多剛體控制過(guò)程，其物理特性較多，且均不適合通過(guò)理論計(jì)算的方式得到，因而借助于虛擬樣機(jī)仿真技術(shù)對(duì)換擋操作過(guò)程進(jìn)行深入仿真分析。采用ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)換擋過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型[8]。由于模型搭建工作量大，故采用試驗(yàn)室已有的速比為2.5和1的兩擋EMT模型進(jìn)行虛擬樣機(jī)仿真，設(shè)置仿真步長(zhǎng)為1 ms，由于計(jì)算量大，軟件本身內(nèi)存限制，仿真運(yùn)行時(shí)間僅為7 s。由于EMT系統(tǒng)升擋與降擋過(guò)程的齒式離合器接觸碰撞狀態(tài)基本一致，因此只進(jìn)行升擋過(guò)程仿真，其過(guò)程為：靜止?fàn)顟B(tài)固定換擋力進(jìn)1擋—撥叉位移信號(hào)響應(yīng)—電機(jī)等力矩加速—到達(dá)換擋點(diǎn)—固定換擋力作用退空擋—撥叉位移信號(hào)響應(yīng)—電機(jī)等力矩調(diào)速到目標(biāo)值—固定換擋力作用進(jìn)2擋—撥叉位移信號(hào)響應(yīng)—電機(jī)等力矩加速—固定換擋力退空擋。EMT虛擬樣機(jī)換擋仿真模型如圖6所示。

依據(jù)換擋過(guò)程控制方法對(duì)虛擬樣機(jī)1擋換2擋過(guò)程進(jìn)行仿真，按照實(shí)際過(guò)程工作時(shí)，模型達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，仿真運(yùn)行無(wú)故障出現(xiàn)。設(shè)置換擋調(diào)速轉(zhuǎn)矩為40%電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩時(shí)得到如圖7所示的仿真結(jié)果。

依次改變同步過(guò)程的電機(jī)調(diào)速轉(zhuǎn)矩，可得到不同的換擋時(shí)間和換擋沖擊度仿真結(jié)果如表1所列。

表1 相同換擋力、不同調(diào)速轉(zhuǎn)矩下?lián)Q擋時(shí)間和沖擊度

5 臺(tái)架試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證該EMT動(dòng)力系統(tǒng)換擋控制方法而進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)架上EMT動(dòng)力系統(tǒng)總成通過(guò)一個(gè)等速萬(wàn)向節(jié)與測(cè)功機(jī)進(jìn)行機(jī)械聯(lián)接，測(cè)功機(jī)實(shí)時(shí)模擬整車行駛時(shí)動(dòng)力系統(tǒng)輸出軸端阻力矩。由于檢測(cè)系統(tǒng)（測(cè)功機(jī)加連接軸）慣量遠(yuǎn)小于實(shí)際車輛慣量，測(cè)試時(shí)被測(cè)EMT系統(tǒng)輸出軸轉(zhuǎn)速大于實(shí)車轉(zhuǎn)速變化率，因而臺(tái)架試驗(yàn)中換擋時(shí)間比實(shí)際車載試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)。為解決上述問(wèn)題，在換擋試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)EMT退空擋時(shí)控制檢測(cè)系統(tǒng)輸出軸轉(zhuǎn)速，使其模擬車輛慣量自由減速過(guò)程。該試驗(yàn)控制方法由于受慣量、阻力等參數(shù)的影響，不能準(zhǔn)確進(jìn)行換擋控制過(guò)程中的所有試驗(yàn)，因而該臺(tái)架試驗(yàn)主要驗(yàn)證換擋控制方法的可行性及相應(yīng)換擋性能。

在試驗(yàn)臺(tái)架上對(duì)4個(gè)擋位速比分別為5.81、3.23、1.73和1.00的4擋EMT系統(tǒng)連續(xù)進(jìn)行升、降擋試驗(yàn)后，獲得循環(huán)換擋時(shí)的輸入軸與輸出軸轉(zhuǎn)速曲線如圖8所示。對(duì)圖8中輸入軸轉(zhuǎn)速曲線上各拐點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，其中B′C′、DE、FG段分別為1擋升2擋、2擋升3擋、3擋升4擋的升擋過(guò)程；IJ、KL、MN段分別為4擋降3擋、3擋降2擋、2擋降1擋的降擋過(guò)程。

整車沖擊度曲線是根據(jù)變速器輸出軸轉(zhuǎn)速變化數(shù)據(jù)，利用公式（34）得到：

式中，rd為車輪半徑；i0為驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)比；w為變速器輸出軸角速度。

針對(duì)表征換擋品質(zhì)的兩個(gè)重要因素，分析圖8中換擋試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)：

a.換擋動(dòng)力中斷時(shí)間：換擋時(shí)間由擋位傳感器反饋得到，根據(jù)不同擋位判斷可得出相對(duì)準(zhǔn)確的各階段換擋時(shí)間。分別記錄摘擋時(shí)間、電機(jī)主動(dòng)調(diào)速時(shí)間和進(jìn)擋時(shí)間，得到換擋動(dòng)力中斷時(shí)間。

b.換擋沖擊度最大值jmax：根據(jù)公式（34）計(jì)算獲得的換擋沖擊度數(shù)據(jù)繪制沖擊度曲線，得到擋位切換過(guò)程中換擋沖擊度的最大值。

由圖8中數(shù)據(jù)得出各擋位換擋品質(zhì)結(jié)果見表2。

表2 各擋位換擋品質(zhì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表2可知，整個(gè)換擋循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中動(dòng)力中斷時(shí)間最長(zhǎng)的為3擋升4擋的時(shí)間0.86 s，最短的為4擋降3擋時(shí)間0.65 s，平均動(dòng)力中斷時(shí)間為0.748 s；換擋最大沖擊度為3擋升4擋進(jìn)擋時(shí)的13.1 m/s3，最小沖擊度為3擋降2擋進(jìn)擋時(shí)的3.2 m/s3，平均沖擊度為6.717 m/s3。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析EMT系統(tǒng)換擋過(guò)程的5個(gè)階段，以沖擊度為主要邊界條件、動(dòng)力中斷時(shí)間為次要邊界條件，構(gòu)建了EMT系統(tǒng)換擋動(dòng)力學(xué)模型，分析了換擋階段的換擋力控制方法，以及基于轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)膿Q擋控制優(yōu)化方法。仿真結(jié)果反映了不同換擋力矩對(duì)動(dòng)力中斷時(shí)間與換擋沖擊度的影響。臺(tái)架試驗(yàn)表明，換擋動(dòng)力中斷時(shí)間最大值小于1 s，平均值小于0.8 s；換擋過(guò)程最大沖擊度小于16 m/s3，平均沖擊度小于8 m/s3；根據(jù)文獻(xiàn)[9]中換擋等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，該系統(tǒng)換擋質(zhì)量屬于良好。因此，所提出的換擋控制方法可行，整個(gè)換擋過(guò)程性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，且達(dá)到了較高的換擋品質(zhì)。

1 王陽(yáng).氣動(dòng)AMT避免換擋沖擊的控制策略研究.2007全國(guó)博士生學(xué)術(shù)論壇論文集.上海:同濟(jì)大學(xué),2007:172～177.

2 王麗芳.自動(dòng)變速器換擋規(guī)律確定方法的研究.汽車技術(shù), 1998（6）:7～9.

3 曹正策.基于電驅(qū)動(dòng)自動(dòng)變速器EMT的Plug-in并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)研究：[學(xué)位論文].武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

4 王凡.電驅(qū)動(dòng)機(jī)械式自動(dòng)變速系統(tǒng)（EMT）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：[學(xué)位論文].武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

5 徐達(dá)偉，李東東，田韶鵬.電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)研究.汽車技術(shù).2014（3）:31～35.

6 Davis Geoff,Donin Rolland,Findlay Mark,et al.Optimisa?tion of gear shift quality by mean of simulation.ATZ,2004, 106:668.

7 Glielmo L,Iannelli L,Vacca V,etal.Gearshift control for au?tomated manual transmissions.IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,2006,11（1）:17～26.

8 陳震,鐘再敏,章童.基于ADAMS的同步器同步過(guò)程仿真研究.汽車工程,2011（4）:340～344.

9 王雷,席軍強(qiáng).無(wú)離合器純電動(dòng)客車機(jī)械式自動(dòng)變速器換擋評(píng)價(jià)的研究.汽車工程學(xué)報(bào),2012（1）：35～39.

（責(zé)任編輯晨 曦）

修改稿收到日期為2015年2月1日。

Research on Shifting Process of Electric-drive Mechanical Transmission

Huang Bin1,Wu Sen1,Fu Xiang1,Yang Guochao2
（1.Wuhan University of Technology;2.Dongfeng Motor Corporation R&D Center）

In this paper,pure electric vehicle equipped with electric-drive mechanical transmission(EMT)serves as a research objective,the shifting process is divided into five stages,the factors affecting shifting at each stage are analyzed and the control methods at each stage is expounded.The control method of the shifting process is simulated with ADAMS,and a shifting dynamics model is constructed,which is verified with bench test.The results show that the shifting control method described in this paper is feasibility,performance index of the entire shifting process can satisfy the design requirement,and a premium shifting quality is achieved.

Pure electric vehicle,EMT,Shifting strategy

純電動(dòng)汽車 電驅(qū)動(dòng)機(jī)械式自動(dòng)變速器 換擋控制方法

U463.212

A

1000-3703（2015）07-0018-06

國(guó)家科技部“863”基金資助項(xiàng)目（2011AA11A260），武漢市科學(xué)技術(shù)局基金資助項(xiàng)目（2013011801010595）。