劉成武，劉珂路，姚勝華

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車動(dòng)力傳動(dòng)與電子控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 十堰442002）

電驅(qū)動(dòng)特性和能源的多樣性使得電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)形式具備多種方案。目前市場(chǎng)上的純電動(dòng)汽車一般選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)搭配固定速比減速器方案，該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能提出較高要求，且不能充分利用電機(jī)高效工作區(qū)域，影響續(xù)駛里程。純電動(dòng)汽車采用兩擋自動(dòng)變速器是兼顧車輛動(dòng)力性、車載能源經(jīng)濟(jì)性以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔緊湊三重因素的有效解決方案［1-2］。近年來國(guó)內(nèi)外研究提出了多種用于純電動(dòng)汽車的兩擋變速器方案，并通過模型仿真、臺(tái)架測(cè)試驗(yàn)證換擋規(guī)律與控制策略，驗(yàn)證了方案的優(yōu)越性。兩擋變速器大部分是基于行星齒輪變速器或雙離合器自動(dòng)變速器（DCT）的方案提出［3-5］。采用同步器換擋原理的電控機(jī)械變速器（EMT）具有結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單、制造加工難度低、生產(chǎn)延續(xù)性好等特點(diǎn)，更適用于我國(guó)的電動(dòng)汽車與集成式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)［6］。文中以某純電動(dòng)汽車所采用兩擋機(jī)械式變速器為研究對(duì)象，針對(duì)性地開發(fā)了電動(dòng)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)，完成臺(tái)架測(cè)試與實(shí)車功能試驗(yàn)并取得理想效果，但在后續(xù)可靠性試驗(yàn)階段，隨機(jī)抽取的3套樣件均在換擋3萬次左右后出現(xiàn)高擋換擋撥塊單側(cè)早期異常磨損導(dǎo)致無法正常換擋的現(xiàn)象，而該變速器低擋撥塊磨損量在允許范圍內(nèi)。因此從執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理及工作過程入手，基于粘著磨損理論，對(duì)影響因素進(jìn)行分析，分析撥塊單側(cè)磨損的原因并提出解決方案，再次開展的臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，證明了改進(jìn)方案對(duì)解決撥塊異常磨損問題的有效性。

1 EMT系統(tǒng)介紹

為目標(biāo)車輛開發(fā)的EMT系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，主要包括電子控制單元（TCU）、換擋機(jī)構(gòu)、撥擋開關(guān)、車速傳感器及連接各部件的線束等。為進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本，取消了離合器，利用動(dòng)力電機(jī)調(diào)速配合實(shí)現(xiàn)無離合器換擋。執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)物圖如圖2所示，運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖3所示。采用換擋電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)換擋搖臂，帶動(dòng)撥叉左右移動(dòng)換擋，使用位置傳感器監(jiān)控?fù)懿鎸?shí)際位置，以準(zhǔn)確控制摘擋、掛擋動(dòng)作的完成。

可靠性試驗(yàn)過程中，出現(xiàn)的高擋換擋撥塊單側(cè)異常磨損情況見圖4，此時(shí)低擋方向撥塊磨損量?jī)H為0.08 mm，而高擋方向撥塊磨損量達(dá)到3.5 mm，導(dǎo)致無法正常完成換擋動(dòng)作。

圖1 EMT系統(tǒng)原理圖

圖2 EMT執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)物圖

圖3 EMT執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

圖4 磨損撥塊實(shí)物圖

2 掛擋過程分析

換擋過程中，控制器TCU 根據(jù)當(dāng)前車速、加速踏板開度及當(dāng)前擋位等信號(hào)，通過協(xié)調(diào)動(dòng)力電機(jī)主動(dòng)調(diào)速，完成換擋全過程控制。具體換擋過程如圖5 所示，分為回空擋、主動(dòng)同步和掛擋［7］?；乜論鯐r(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)以合適力矩控制接合套從前一擋位脫出并移動(dòng)到空擋位置停止，以便于開展動(dòng)力電機(jī)調(diào)速實(shí)施主動(dòng)同步。主動(dòng)同步是利用動(dòng)力電機(jī)快速、準(zhǔn)確的調(diào)速能力，使所選擋位的待嚙合齒輪與同步器轉(zhuǎn)速同步（齒輪的圓周速度基本相等），為無沖擊掛擋創(chuàng)造條件。如果在兩者間存在較大轉(zhuǎn)速差時(shí)強(qiáng)行掛擋，將導(dǎo)致沖擊及同步器與撥塊過度磨損。

待主動(dòng)同步實(shí)際轉(zhuǎn)速接近目標(biāo)轉(zhuǎn)速后，滑動(dòng)撥塊在撥叉軸和撥叉的作用下向左推動(dòng)接合套，如圖5b所示，接合套通過定位銷帶動(dòng)同步環(huán)左移動(dòng)，消除間隙后同步環(huán)與齒圈緊密接觸（圖5c）；接合套持續(xù)壓緊同步環(huán)與齒圈，利用同步環(huán)與齒圈之間產(chǎn)生的摩擦力矩使兩者轉(zhuǎn)速完全相等。在兩者同步之前，接合套及同步環(huán)花鍵齒的齒尖錐面相頂，產(chǎn)生鎖止作用，即使接合套作用在同步環(huán)上的作用力非常大，同步環(huán)也會(huì)阻止接合套繼續(xù)往左移動(dòng)，不能與齒圈接合。而同步環(huán)與齒圈同步后，同步環(huán)的鎖止作用消失，此時(shí)接合套齒尖與齒圈齒尖抵觸產(chǎn)生的撥環(huán)力矩使齒圈相對(duì)于接合套轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)齒圈與接合套的接合（圖5d），直至接合套的端面與齒輪的端面相接觸而限位，完成掛擋的全過程。

圖5 同步器工作過程

3 磨損原因分析

換擋時(shí)換擋力由撥叉通過撥塊作用在接合套上產(chǎn)生同步力矩，此時(shí)撥塊不做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而接合套隨變速器軸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)撥塊與接合套接觸時(shí)，兩者之間相對(duì)高速運(yùn)動(dòng)且產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致?lián)Q擋過程中撥塊發(fā)生粘著磨損，該磨損與轉(zhuǎn)速差和撥擋力大小直接相關(guān)。此外，當(dāng)撥塊推動(dòng)接合套到達(dá)目標(biāo)位置后，換擋過程結(jié)束。由于掛擋過程中，換擋電機(jī)施加的換擋力通過減速機(jī)構(gòu)、撥頭、換擋軸、撥叉、撥塊作用在接合套上，導(dǎo)致上述部件會(huì)發(fā)生微量彈性變形，換擋結(jié)束后換擋電機(jī)雖然停止施加力矩，但減速機(jī)構(gòu)若存在一定的自鎖力矩，上述彈性變形產(chǎn)生的壓緊力不能完全撤銷，撥塊與接合套之間仍然存在壓力，導(dǎo)致?lián)Q擋結(jié)束后撥塊產(chǎn)生粘著磨損。因此將撥塊磨損的原因歸納為換擋過程磨損和換擋后行駛過程磨損。其中換擋過程磨損不可避免存在，但可控制在合理范圍；換擋后行駛過程磨損屬于不正常存在的磨損，應(yīng)盡量避免。

另一方面，對(duì)磨損量造成影響的因素還有潤(rùn)滑條件、零部件表面加工質(zhì)量、材料、裝配質(zhì)量及工作過程中的相對(duì)速度及表面載荷［8］。由于樣車裝備的變速器有成熟的原型機(jī)械變速器并廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)車，未出現(xiàn)類似的異常磨損，且低擋側(cè)撥塊也未發(fā)生早期異常磨損，可排除潤(rùn)滑條件、零部件表面加工質(zhì)量、材料、裝配質(zhì)量等因素。故對(duì)實(shí)際案例中導(dǎo)致?lián)軌K異常磨損的其他原因展開分析。

3.1 換擋過程磨損原因分析

3.1.1 換擋機(jī)構(gòu)（含電機(jī)）特性測(cè)試

前期試驗(yàn)結(jié)果表明，過量磨損僅僅出現(xiàn)在高擋的滑動(dòng)撥塊處，低擋撥塊及同步器未出現(xiàn)異常。在檢查了高、低擋位標(biāo)定位置的準(zhǔn)確性后，對(duì)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)2個(gè)方向工作特性差異性進(jìn)行測(cè)試，比較所控制的換擋力是否存在明顯不同。

換擋機(jī)構(gòu)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖6所示：采用安捷倫直流穩(wěn)壓電源模擬提供24 V電壓并監(jiān)控實(shí)際輸出電流變化，利用監(jiān)控程序輸入不同PWM 指令控制電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)輸出力矩，測(cè)量撥頭作用在力傳感器上的實(shí)際換擋力矩大小。測(cè)試結(jié)果如圖7所示：隨著PWM 變化電機(jī)輸出力矩基本符合線性增加，工作區(qū)內(nèi)正反向性能基本吻合（換擋力控制遵循手動(dòng)換擋過程中的最大換擋力限值，工作區(qū)為20%～60%），當(dāng)前換擋力控制策略可實(shí)現(xiàn)正反2 個(gè)方向的均衡，基本排除換擋力不等導(dǎo)致磨損量差異大。

圖6 換擋機(jī)構(gòu)測(cè)力試驗(yàn)臺(tái)

圖7 換擋機(jī)構(gòu)雙向力矩對(duì)比

3.1.2 同步轉(zhuǎn)速差對(duì)比分析

在換擋過程中，由于實(shí)施動(dòng)力電機(jī)主動(dòng)同步無離合器換擋，其同步意味著需要將動(dòng)力電機(jī)及變速器輸入軸轉(zhuǎn)速，盡可能在短時(shí)間內(nèi)調(diào)整到與變速器輸出軸相匹配的轉(zhuǎn)速。在輸入軸端慣量較大的情況下，若電機(jī)由于超調(diào)或目標(biāo)轉(zhuǎn)速偏差大，調(diào)速完成后仍存在較大轉(zhuǎn)速差，勢(shì)必造成同步器工作負(fù)荷增加，同時(shí)也加劇撥塊的磨損。

實(shí)車測(cè)試換擋過程轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)見圖8，高擋換低擋電機(jī)主動(dòng)同步升速，同步轉(zhuǎn)速差為749 r·min-1左右，調(diào)速時(shí)間為0.6 s，當(dāng)速差不超過30 r·min-1時(shí)實(shí)施換擋；低擋換高擋，電機(jī)主動(dòng)同步降速，同步轉(zhuǎn)速差為2300 r·min-1，調(diào)速時(shí)間為0.7 s，當(dāng)速差不超過50 r·min-1時(shí)實(shí)施換擋。

圖8 高低擋位換擋調(diào)速轉(zhuǎn)速差

高低擋換擋時(shí)的轉(zhuǎn)速基本接近，高擋調(diào)速時(shí)間略長(zhǎng)，借助PVT值對(duì)換擋能量進(jìn)行評(píng)估［8］。PVT值主要用于衡量單位面積施加的能量，即壓強(qiáng)P、速度V和時(shí)間T的乘積。如前所述，高低撥叉接觸面積近似相等，2個(gè)方向的撥擋力矩形成的壓力基本相當(dāng)，即

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，高擋、低擋差異主要取決于撥叉平均的換擋轉(zhuǎn)速。若同步初期撥塊與接合套有較大壓力接觸，此時(shí)高擋單位面積施加能量是低擋的2.59倍；若準(zhǔn)確停留在空擋位置，待同步后撥叉再施加力矩推動(dòng)換擋，能量比將下降到1.119。故準(zhǔn)確的空擋位置，在未同步前，減少撥塊對(duì)同步器的接觸時(shí)間及壓力，有利于減少滑塊磨損。

3.2 換擋后車輛行駛過程磨損原因分析

換擋后，若不能有效消除撥塊與接合套間的接觸，將導(dǎo)致?lián)軌K持續(xù)磨損并產(chǎn)生高溫。通過采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)變速器換高擋結(jié)束后，偶爾會(huì)出現(xiàn)撥叉回退量不足的情況，如圖9所示。此時(shí)撥塊與接合套間的接觸仍存在，導(dǎo)致磨損較大。

圖9 換擋位置關(guān)系對(duì)比

4 掛擋控制策略改進(jìn)及試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)出現(xiàn)的磨損原因調(diào)整換擋策略：1）縮小空擋位置范圍區(qū)域，保證在主動(dòng)調(diào)速時(shí)同步器處于準(zhǔn)確空擋位置不參與該階段調(diào)速，避免撥塊接觸同步器造成不必要的磨損；2）適當(dāng)犧牲高擋換擋調(diào)速時(shí)間，將轉(zhuǎn)速差縮小到30 r·min-1之內(nèi)；3）對(duì)換擋電機(jī)采用變PWM 控制方式，通過換擋位置傳感器反饋值，并接合掛擋過程中電流的變化調(diào)節(jié)電機(jī)在同步階段工作時(shí)的占空比，實(shí)現(xiàn)掛擋力的精確控制，接近目標(biāo)擋位時(shí)降低換擋力矩、減小換擋沖擊，換擋結(jié)束后以極小的力矩反向微量移動(dòng)，達(dá)到完全撤銷壓力的目的；4）調(diào)整高擋側(cè)換擋后撥叉的回退量，確保消除撥塊與接合套間的接觸，減少磨損。

基于相同試驗(yàn)臺(tái)架及測(cè)試方案，重新抽選3套試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行5 萬次模擬運(yùn)行工況升降擋可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用掛擋新控制策略后，高擋側(cè)撥塊磨損明顯改善，達(dá)到產(chǎn)品要求。同時(shí)，在試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)人員能夠明顯感覺到換擋過程中系統(tǒng)的振動(dòng)和沖擊變小，臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)換擋噪聲和振動(dòng)也明顯減小。改進(jìn)策略中由于換擋力得到控制，掛擋沖擊減小，必然減小同步器工作的負(fù)荷，也有利于延長(zhǎng)同步器的使用壽命。

表1 改進(jìn)后換擋撥塊磨損量 mm

5 結(jié)論

針對(duì)應(yīng)用于電動(dòng)汽車的EMT系統(tǒng)出現(xiàn)的換擋撥塊異常磨損現(xiàn)象，通過對(duì)變速器換擋過程、磨損原因分析與判斷，得知執(zhí)行機(jī)構(gòu)雙向運(yùn)動(dòng)的換擋力差異、動(dòng)力電機(jī)各擋調(diào)速準(zhǔn)確性、撥叉空擋位置的準(zhǔn)確性、換擋后撥叉未能合理回退均會(huì)造成EMT系統(tǒng)換擋撥塊單側(cè)磨損。針對(duì)上述原因提出控制換擋力、減小同步轉(zhuǎn)速差、縮小空擋范圍和實(shí)施撥叉回退等綜合改進(jìn)控制方案，對(duì)消除換擋撥塊單側(cè)異常磨損取得了顯著效果，對(duì)完善無離合器EMT換擋控制策略有一定參考意義。