柴旭

(上海汽車變速器有限公司，上海 201804)

0 引言

當(dāng)前，隨著人口日益增加以及石油資源的大量使用，環(huán)境惡化、資源匱乏已經(jīng)成為人們必須面對的問題，因而發(fā)掘利用綠色可再生能源已經(jīng)成了當(dāng)今主要的發(fā)展趨勢。新能源汽車，尤其純電動汽車成為了綠色環(huán)保的代言新星，越來越頻繁地出現(xiàn)在人們的視野中。電驅(qū)系統(tǒng)作為新能源汽車的核心零部件，其技術(shù)的發(fā)展更是越來越受到人們的關(guān)注。目前，單擋減速箱以其結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢而廣泛使用，但同時也會導(dǎo)致驅(qū)動電機無法很好地兼顧汽車的起步加速與最高車速的要求，因此需要考慮純電動汽車兩擋減速箱的設(shè)計與研發(fā)。

對此，國外的P WALKER等[1]在純電動汽車上應(yīng)用了雙離合兩擋變速器，研究表明該變速器對整車驅(qū)動效率和能耗有明顯提升效果；國內(nèi)的陳林用等[3]提出了一種用于純電動汽車的兩擋機械式自動變速器(2-speed Automated Mechanical Transmission，2AMT)結(jié)構(gòu)及其電子控制單元(Transmission Control Unit，TCU)的軟硬件設(shè)計，并通過試驗的方式進行驗證。陳淑江等[5]提出了一種兼顧動力性與經(jīng)濟性的策略，并給出了仿真結(jié)果。

盡管如此，針對換擋機構(gòu)進行軟硬件設(shè)計并通過臺架試驗驗證的文獻依舊較少。本文作者對換擋機構(gòu)的主要零件進行了強度分析，制定了換擋過程的控制策略，并在臺架和整車上對換擋系統(tǒng)的實現(xiàn)進行了驗證。

1 整車電驅(qū)系統(tǒng)的組成

圖1是基于大通EV80商用車提出的兩擋電驅(qū)總成，主要由兩擋減速箱、驅(qū)動電機、電力電子箱和電換擋系統(tǒng)四大組件組成。

圖1 電驅(qū)系統(tǒng)實物圖

如圖2所示，驅(qū)動電機輸出軸直接與兩擋減速箱的輸入軸相連。文中根據(jù)整車端的需求，通過理論計算選擇相應(yīng)型號的電機作為驅(qū)動電機。兩擋減速箱主要由輸入軸、中間軸、輸出軸組成，為了布置方便，將同步器置于輸入軸上。換擋執(zhí)行機構(gòu)采用便于布置和控制的電控電動式系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)為蝸輪蝸桿加凸輪轉(zhuǎn)轂的形式，將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為換擋撥叉的直線運動，從而驅(qū)動撥叉移動完成換擋。

圖2 電驅(qū)系統(tǒng)示意簡圖

2 電換擋系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 電換擋系統(tǒng)設(shè)計

換擋執(zhí)行機構(gòu)的動力由電機提供，選擇合適的換擋電機是保證變速箱換擋機構(gòu)順利實現(xiàn)換擋動作的關(guān)鍵，換擋過程要求迅速、準(zhǔn)確、無沖擊，能在各種復(fù)雜的工況下保證較高的換擋品質(zhì)。因此綜合考慮換擋變速箱對驅(qū)動電機的要求以及電機的工作環(huán)境，電機的選型需要從電機的響應(yīng)速度、最大換擋力、質(zhì)量、成本等多種因素綜合考慮。

變速箱換擋執(zhí)行機構(gòu)的動力由電機提供，其動力傳遞簡圖如圖3所示。

圖3 執(zhí)行機構(gòu)運動/動力傳動簡圖

根據(jù)設(shè)計要求，電機提供的峰值轉(zhuǎn)矩經(jīng)過傳動機構(gòu)能提供不小于700 N(最大換擋力)的換擋力。最大換擋力是以換擋過程中可能出現(xiàn)的極限工況制定的，其值遠大于換擋過程中摩擦阻力造成的影響，因此在計算電機峰值轉(zhuǎn)矩時忽略換擋過程中的阻力。

根據(jù)圖4所示的執(zhí)行機構(gòu)運動/動力簡圖，可以計算出執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動電機對應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩。

圖4中：Fsmax為最大換擋力700 N；Fsmax1是其反作用力；l1、l2為換擋反作用力力臂，l1=0.02 m；φ為換擋撥頭旋轉(zhuǎn)的角度；Td1、Td2為蝸輪蝸桿輸出轉(zhuǎn)矩。

工況1：由圖4(a)受力分析和力矩平衡可得：

Td1=Fsmax1l1

(1)

圖4 執(zhí)行機構(gòu)運動/動力簡圖

即在工況1中電機輸出轉(zhuǎn)矩經(jīng)蝸輪蝸桿增扭后輸出的轉(zhuǎn)矩應(yīng)為

Td1=Fsmax1l1=700×0.02=14 N·m

工況2：由圖4(b)受力分析和力矩平衡可得：

Td2=Fsmax1l2=Frmaxl1cosθ

(2)

即在工況2中電機輸出轉(zhuǎn)矩經(jīng)蝸輪蝸桿增扭后輸出的轉(zhuǎn)矩為

Td2=Fsmax1l2=700×0.02×cosθ=14 N·m×cosθ

(3)

因為cosθ≤1，因此電機峰值轉(zhuǎn)矩經(jīng)蝸輪蝸桿減速增扭之后輸出的轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于Tdmax1，即14 N·m。

根據(jù)蝸輪蝸桿減速增扭作用，取蝸輪蝸桿的傳遞效率為0.7，可得：Td1=ηTmi。則：

式中：Tm為電機輸出轉(zhuǎn)矩；i為蝸輪蝸桿傳動比(取30)；η為蝸輪蝸桿的傳遞效率(取0.7)。則Tm=0.67 N·m，即電機的峰值轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于0.67 N·m。

確定了電機的關(guān)鍵性能參數(shù)，對應(yīng)市面上現(xiàn)有的成熟產(chǎn)品，完成電機的選型以及蝸輪蝸桿減速機構(gòu)的設(shè)計。

2.2 同步器強度分析

二擋變速箱增加一個擋位有利于整車的動力性和經(jīng)濟性。在整車起步過程中，一擋大速比有利于大扭矩啟動，加速性能好。整車速度上來后，切換二擋，有利于降低電機轉(zhuǎn)速，使電機始終工作在高效區(qū)間，經(jīng)濟性好。

相比于一擋變速箱，二擋變速箱增加了換擋機構(gòu)，文中采用的是傳統(tǒng)同步器換擋形式，針對同步器強度進行分析。同步器齒轂材料屬性如表1所示，變速箱使用中同步器承載的最大扭矩為320 N·m。

圖5所示為僅加載扭矩同步器齒轂受力仿真圖，圖6所示為僅加載過盈同步器齒轂受力仿真圖，圖7所示為同時加載過盈和扭矩同步器齒轂受力仿真圖。表2所示為SH32E2同步器齒轂受力分析結(jié)果匯總表?？芍?，當(dāng)過盈量為0.025 mm時，齒轂所受最大應(yīng)力在滑塊槽處；當(dāng)齒轂僅承受最大加載扭矩時(320 N·m)，滿足要求；當(dāng)齒轂同時考慮過盈張力及最大傳遞扭矩時，齒轂應(yīng)力小于350 MPa，滿足考核要求。

表1 同步器齒轂材料屬性

圖5 僅加載扭矩同步器齒轂受力仿真圖

圖6 僅加載過盈同步器齒轂受力仿真圖

圖7 同時加載過盈和扭矩同步器齒轂受力仿真圖

表2 SH32E2同步器齒轂受力分析結(jié)果MPa

2.3 換擋撥叉強度分析

撥叉材料屬性如表3所示，對該撥叉強度進行分析，撥叉換擋力按照800 N進行。撥叉結(jié)構(gòu)如圖8所示，其CAE計算結(jié)果如圖9所示。

表3 換擋撥叉材料屬性

圖8 撥叉結(jié)構(gòu)

圖9 換擋撥叉CAE計算結(jié)果

設(shè)置撥叉換擋力為800 N，對撥叉進行CAE分析。由圖9(b)可知：撥叉左腳位移量為0.394 mm，撥叉右腳位移量為0.411 mm，定義撥叉的平衡度為撥叉左右腳位移之比。通常，若平衡度大于80%，則符合考核標(biāo)準(zhǔn)。

分析結(jié)論：

(1)左右腳位移之比=0.394/0.411=95.9%，即撥叉平衡度為95.9%，大于80%的考核指標(biāo)，符合剛度設(shè)計要求；

(2)由圖9(a)可知：撥叉的最大拉應(yīng)力為48 MPa，小于抗拉強度要求的193 MPa；撥叉的最大壓應(yīng)力為104 MPa，小于屈服強度要求的188 MPa，故撥叉的強度符合考核要求。

3 電換擋系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 實際擋位判斷模塊

TCU的升降擋決策都是建立在準(zhǔn)確識別當(dāng)前擋位的基礎(chǔ)上，TCU軟件通過撥叉位置傳感器檢測撥叉位移，判斷當(dāng)前所處擋位。當(dāng)檢測到撥叉位置一擋在位時，此時實際擋位為一擋；當(dāng)檢測到撥叉位置二擋在位時，此時實際擋位為一擋；當(dāng)檢測到撥叉位置N擋在位時，此時N擋在位，實際擋位判斷模塊流程圖如圖10所示。

圖10 實際擋位判斷模塊流程圖

3.2 目標(biāo)擋位判斷模塊

在車輛行駛過程中，確定正確的目標(biāo)擋位，TCU才能正確控制換擋電機以及驅(qū)動電機動作，實現(xiàn)擋位間的切換。目標(biāo)擋位的判斷是通過采集車速信號、加速踏板信號、制動踏板信號綜合決策得出的。目標(biāo)擋位判斷模塊流程圖如圖11所示。

圖11 目標(biāo)擋位判斷模塊流程圖

3.3 換擋電機控制模塊

在換擋過程中，換擋電機主要的功能為控制撥叉的動作，主要包括退撥叉、掛撥叉、消除空行程，如圖12所示為變速箱換擋電機控制模塊流程圖。

圖12 換擋電機控制模塊流程圖

3.4 驅(qū)動電機控制模塊

在變速箱換擋過程中，需要按照控制策略對驅(qū)動電機進行調(diào)扭和調(diào)速，才能保證擋位的順利切換。當(dāng)目標(biāo)擋位和當(dāng)前擋位不一致時，驅(qū)動電機要清扭調(diào)速，退出當(dāng)前擋位，接著調(diào)速調(diào)扭，保證同步器兩端同步結(jié)合以及動力傳遞。如圖13所示為變速箱驅(qū)動電機控制模塊流程圖。

圖13 驅(qū)動電機控制模塊流程圖

3.5 換擋參數(shù)計算模塊

TCU將傳感器采集的數(shù)據(jù)根據(jù)其物理意義進行計算，并根據(jù)需要可將數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上。計算的數(shù)據(jù)主要包含換擋電機的轉(zhuǎn)速及其輸出轉(zhuǎn)矩和換擋撥叉當(dāng)前位置，以及換擋力的計算。

3.6 換擋過程控制模塊

在換擋過程中需要對換擋機構(gòu)與驅(qū)動電機分別控制才能實現(xiàn)擋位的快速平穩(wěn)切換。對驅(qū)動電機調(diào)速和調(diào)扭，保證輸入軸與輸出軸轉(zhuǎn)速能迅速同步，對換擋電機調(diào)節(jié)，從而控制撥叉運動，實現(xiàn)換擋機構(gòu)快速退擋掛擋。

針對兩擋變速箱沒有離合器的機械結(jié)構(gòu)，將整個換擋過程劃分為9個階段：(1)實際擋位檢測；(2)驅(qū)動電機扭矩清零；(3)退撥叉與摘擋；(4)驅(qū)動電機調(diào)速；(5)驅(qū)動電機扭矩清零；(6)消除同步器空行程；(7)檢查輸入輸出軸轉(zhuǎn)速，滿足同步條件后深掛一次撥叉；(8)擋位切換；(9)驅(qū)動電機回扭。針對不同的階段設(shè)計不同的算法或目標(biāo)參數(shù)并在算法中設(shè)計切換條件。

同時在TCU軟件中，針對換擋邏輯設(shè)立容錯機制：(1)在進入換擋邏輯前，檢測TCU是否存在故障，按照故障等級，進行相應(yīng)的后處理。故障等級為1級時，按照原有擋位行駛；故障等級為2級時，撥叉回中位，驅(qū)動電機扭矩清零，原地停車等待；(2)在進入換擋邏輯時，若同步時間過長，則撥叉回中位，且錯誤一次時，撥叉回目標(biāo)擋位撥叉位置，對驅(qū)動電機調(diào)速，重新開始對驅(qū)動電機清扭；若同步時間過長，撥叉回中位，且錯誤達到兩次時，對驅(qū)動電機扭矩清零，撥叉回中位，車輛停止行駛。換擋過程控制邏輯圖如圖14所示。

圖14 換擋過程控制邏輯圖

4 試驗

4.1 臺架動態(tài)換擋測試

臺架動態(tài)換擋試驗旨在利用臺架電機模擬虛擬車速進行模擬換擋，其換擋過程與整車一致。由于利用輸出軸反拖驅(qū)動電機，故減少了驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩調(diào)零階段和驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩恢復(fù)階段。

控制邏輯：(1)先由臺架模擬整車VCU信號給PCU發(fā)出D Mode指令使驅(qū)動電機使能；(2)臺架電機帶動輸出軸模擬到換擋車速點；(3)臺架模擬VCU給TCU發(fā)出虛擬車速，達到兩擋變速箱換擋點；(4)檢測驅(qū)動電機調(diào)速完成后開始消除空行程并掛入撥叉；(5)檢測撥叉位置達到自學(xué)習(xí)閾值，換擋成功。圖15所示為一擋換二擋數(shù)據(jù)，圖16所示為二擋換一擋數(shù)據(jù)。

圖15 一擋換二擋數(shù)據(jù)(臺架試驗)

圖16 二擋換一擋數(shù)據(jù)(臺架試驗)

4.2 實車動態(tài)換擋測試

實車動態(tài)換擋試驗旨在利用臺架軟件進行實車測試。其換擋過程較臺架換擋更為完整，有驅(qū)動電機主動介入，增加了降扭以及回扭的換擋過程，主觀感受換擋性能，調(diào)整換擋時間以及換擋力。

控制邏輯：(1)驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩調(diào)零；(2)變速箱摘擋；(3)驅(qū)動電機調(diào)速；(4)驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩調(diào)零；(5)消除同步器空行程；(6)同步器兩端轉(zhuǎn)速同步控制；(7)變速箱進擋；(8)驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩恢復(fù)，回到駕駛員需求扭矩，換擋成功。圖17所示為二擋換一擋數(shù)據(jù)，圖18所示為一擋換二擋數(shù)據(jù)。

圖17 二擋換一擋數(shù)據(jù)(實車試驗)

圖18 一擋換二擋數(shù)據(jù)(實車試驗)

4.3 整車道路換擋時間

當(dāng)VCU檢測到達換擋車速時，開始換擋過程，駕駛員有動力丟失感，主要從驅(qū)動電機開始降扭開始計算直至驅(qū)動電機開始回扭。整個換擋過程中，動力丟失的時間約為1 s，如圖19所示，換擋動力中斷時間表如表4所示。

圖19 整車換擋時間

表4 換擋動力中斷時間表s

5 結(jié)束語

文中針對純電動汽車兩擋減速箱換擋系統(tǒng)進行了軟硬件的設(shè)計，為功能試驗的實現(xiàn)與驗證做了良好基礎(chǔ)。

針對硬件設(shè)計和強度分析后，最終需要通過軟件控制策略來滿足試驗中的需求。

在進行試驗之前，需要根據(jù)實際的使用情況進行試驗設(shè)計，包括試驗環(huán)境設(shè)定、試驗設(shè)備選取及最重要的試驗工況和試驗時間確定。