混合動力汽車變速器純電動模式換擋性能仿真分析與試驗評價

胡檢孫，臧孟炎，祝 林，陳 勇

（1.華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510640；2. 浙江吉利汽車研究院有限公司，杭州 311228；3. 河北工業大學 機械工程學院，天津 300130）

混合動力汽車變速器純電動模式換擋性能仿真分析與試驗評價

胡檢孫1，臧孟炎1，祝 林2，陳 勇3

（1.華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510640；2. 浙江吉利汽車研究院有限公司，杭州 311228；3. 河北工業大學 機械工程學院，天津 300130）

通過混合動力變速器純電模式同步過程動力學理論分析，在確認電機必須參與調速的基礎上，建立了某混合動力變速器的動力學仿真模型。確認換擋過程仿真分析結果與試驗結果的一致性之后，進行了多種轉速差下降擋和升擋過程的仿真分析，從同步器同步時間和換擋沖量最小化的角度出發，得到了該混合動力變速器電機的合理調速范圍。為混合動力變速器在純電動模式下快速、平順的換擋控制策略優化提供了有效的仿真分析手段。

純電動模式；變速器；動力學仿真；調速；換擋性能

混合動力汽車是指汽車動力系統根據運行要求，可以從兩種或兩種以上能源中獲取驅動力的汽車。與傳統汽車相比，混合動力汽車在節能和環保兩方面都具有優勢，已經成為現代汽車的發展方向[1]。在國內，混合動力汽車起步較晚，對它的研究還不夠成熟，大都處于理論研究階段[2]。目前混合動力汽車的研究重點主要集中在內燃機和電動機協同工作時的轉矩分配策略和能量管理策略等方面[3-4]，專門針對純電動模式下換擋控制策略的研究較少。

針對某款混合動力汽車變速器，建立純電動模式工作時的變速器動力學模型。首先仿真分析高擋換低擋，且同步器主、從動部分存在正、負轉速差時的換擋性能，并與試驗結果比較確認仿真分析方法的有效性。然后，仿真研究高擋換低擋、低擋換高擋時，同步器主、從動部分不同轉速差對同步器同步時間等的影響，為純電模式下混合動力變速器的換擋策略制定提供理論依據。

1 純電動模式下的動力傳動系統

本研究中混合動力變速器的動力傳動系統，由某款機械式變速器加上電機和傳動機構組成。圖1為純電動模式下該變速器2擋動力傳動系統簡圖。電機為動力源，由傳動機構直接將動力傳遞到變速器輸入軸，再經變速器輸出軸傳遞到差速器端。由于在變速器輸入端加入了電機和傳動機構，使同步器的主動部分同步轉動慣量較普通機械式變速器大幅增加。為了保證電機轉矩、電機轉速、輸出軸轉速等信號在電機和變速器之間實時傳輸，動力傳動系統采用高速CAN總線進行通信。變速器控制器根據變速器擋位狀態信號，向電機控制器發送換擋過程電機所需要的工作模式，電機根據接收的請求信號，及時調整電機的輸出轉速和轉矩，以滿足變速器摘擋、選擋和掛擋的操作要求。

圖1 純電模式2擋動力傳動系統簡圖

2 換擋過程動力學理論分析

2.1 換擋過程動力學模型

為簡化分析模型，我們做出如下假設[5-6]：（1）忽略電機軸及變速器輸入軸和輸出軸的扭振對系統的影響。（2）忽略軸的橫向振動的影響。（3）將各元件視為完全剛性無阻尼的慣性元件，并以集中質量的形式表示。（4）忽略系統其它運動副的間隙。（5）假設車輪和地面之間無滑轉和滑移。

基于以上基本假設，得到該變速器動力傳遞模型，如圖2所示。根據動量矩定理，得到如下數學公式[7]：

其中：

式中：D為微分算子；ω1為同步器主動部分的角速度, rad/s；ω2同步器被動部分的角速度，rad/s；J1為轉換至同步器主動部分的當量轉動慣量，kg·m2；J2為轉換至同步器被動部分的當量轉動慣量，kg·m2；Mr為轉換至同步器主動部分的當量阻力矩，包括電機輸出軸所受的阻力矩、軸承與軸承座之間的摩擦力矩以及齒輪的攪油力矩，Nm；Mv為地面阻力轉換至同步器被動部分的當量阻力矩（在換擋過程中可視為不隨時間變化的常數），Nm；Mf為同步器摩擦錐面的同步摩擦力矩，Nm；K為符號系數，K = sign(iy-ix)，ix為當前擋位的傳動比，iy為目標擋位的傳動比，升擋時K = sign(i -i )1。

2.2 目標轉速對換擋性能的影響分析

其中：

由于J2遠大于J1，可近似地認為J1/J2為0，則式（3）變為式（4）。

由式（4）可知，同步器主動部分的同步力矩M1一定時，同步器同步時間與同步前的轉速差成正比。所以，目標轉速如果是電機原轉速，即電機不參與調速時，同步時間將長達數秒而導致動力中斷。這就是混合動力變速器純電模式工作時，電機必須參與調速的原因。

當轉速差一定時，同步時間的長短取決于同步力矩的大小，而同步力矩是同步器同步摩擦力矩與轉換至同步器主動部分的當量阻力矩之和。由于當量阻力矩由電機輸出軸至同步器主動部分的零件摩擦阻力距和電機輸出阻力矩組成，不能簡單控制其大小。所以，同步時間的改變只能通過調節同步前同步器主動部分的轉速以改變摩擦力矩的方向實現：當同步器主動部分的轉速高于被動部分的轉速時，主動部分受到的當量阻力矩與同步摩擦力矩的方向一致（圖2a），當量阻力矩起到同步助力的作用，有利于縮短同步時間。而當主動部分的轉速低于被動部分的轉速時，主動部分的當量阻力矩與同步摩擦力矩的方向相反（圖2b），當量阻力矩削弱同步力矩的同步作用，延長同步時間。由此可知，電機參與調速時的目標轉速應該使同步器主動部分的轉速高于被動部分的轉速，才能縮短同步時間。特別在低擋（如2擋）情況下，由于傳動比大，轉換至同步器主動部分的當量阻力矩比較大，同步器主、被動部分轉速差的大小對同步時間有更顯著的影響。

圖2 變速器動力傳遞簡化模型

3 動力學仿真模型的建立

根據圖1試驗樣機的設計尺寸，省略電機、選換擋執行機構等部件，在Pro/E中建立變速器2擋傳動系統的三維模型并裝配。通過Pro/E和虛擬樣機軟件（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System，ADAMS）的接口軟件Mech/Pro2005將各運動構件設置為剛體后整體導入到ADAMS中。在ADAMS中建立的2擋傳動系統動力學仿真模型，如圖3所示。根據實際運動關系給構件添加運動副約束和驅動，定義構件間的接觸，設置仿真腳本和求解器。試驗中，通過在輸入軸上布置力矩傳感器，測得不同轉速下同步器主動部分阻力矩，其隨轉速變化的關系曲線，如圖4所示。

圖3 二擋傳動系統動力學仿真模型

圖4 二擋阻力矩隨輸入軸轉速變化的關系曲線

4 換擋過程動力學仿真分析與評價

根據2.2節中目標轉速對換擋性能的影響分析，對圖3所示的2擋動力傳動系統進行了變速器高擋換低擋（4擋換2擋）的換擋性能仿真分析。分析條件為電機調速后同步器主動部分和被動部分轉速差分別為200 r/min和-200 r/min，正轉速差下阻力矩為1.95 Nm，同步力矩為15.5 Nm左右，負轉速差下則為1.78 Nm，同步力矩為14.4 Nm左右。仿真結果如圖5和圖6所示，由圖可知，轉速差為200 r/min時，同步時間為0.29 s，同步后的撥環時間為0.03 s，整個掛擋時間為0.42 s；轉速差為-200 r/min時，同步時間為0.84 s，同步后的撥環時間為0.07 s，整個掛擋時間為1.08 s。

由此可知，絕對值相同的轉速差，負轉速差對應的同步時間、撥環時間和整個掛擋時間都是正轉速差的2～3倍。所以，電機參與調速的目標轉速應該使同步器主、被動部分出現正轉速差。

圖5 轉速差為200 r/min時的同步過程

圖6 轉速差為-200 r/min時的同步過程

為驗證仿真分析方法的有效性，搭建如圖7所示的試驗臺架，實施了與仿真分析條件對應的2擋換擋試驗。試驗時，通過監測換擋過程中調速電機、負載電機的轉矩和轉速，以及同步器兩端的轉速，采用CAN總線實現控制指令和數據信號的實時傳遞，從而實現調速以及摘擋、掛擋過程。通過調速電機來控制換擋前同步器主動部分轉速，負載電機則控制同步器被動部分轉速，每個轉速差下的換擋試驗實施3次以上，確保試驗結果的可重復性。

圖7 換擋性能測試裝置

圖8 轉速差200 r/min的仿真與試驗結果對比

圖9 轉速差-200 r/min的仿真與試驗結果對比

在同步器主、被動部分轉速差為±200 r/min的情況下，仿真與試驗過程中同步器的主、被動部分轉速變化的時間歷程如圖8和圖9所示。由圖可知，仿真與試驗有很好的一致性，充分說明了仿真分析方法的有效性。

5 電機目標轉速分析

在確認動力學仿真分析有效性的基礎上，對開發中的某混合動力變速器（純電動模式有2和4兩個擋位）在純電動模式下，就不同轉速差進行換擋過程仿真分析，為換擋策略的制定提供理論依據。

據上文所述，在降擋工況下（4擋換2擋），正轉速差可以有效縮短同步時間，在此僅計算轉速差100 r/min和200 r/min的換擋過程，得到同步器主動部分轉速變化和結合齒套位移，如圖10所示。由圖可知，同步時間分別為0.23 s和0.29 s，說明降擋工況下轉速差越小換擋性能越好。

圖10 降擋工況換擋過程分析結果

在升擋工況下（2擋換4擋），分別計算轉速差—100 r/min、100 r/min和200 r/min的換擋過程，同步器主動部分轉速變化和結合齒套位移，如圖11所示。

圖11 升擋工況換擋過程分析結果

由圖11可知，速差為-100 r/min時，電機調速時間以及同步時間分別比轉速差為100 r/min時多0.01 s和0.035 s，但由于轉速差為100 r/min的二次撥環時間過長，使整個換擋時間與速差-100 r/min幾乎一致，但28.5 N·s的換擋沖量小于轉速差-100 r/min（32 N·s）。比較轉速差為200 r/min與100 r/min時的換擋結果，轉速差為100 r/min時的電機調速時間比轉速差為200 r/min時的多0.01 s，整個換擋時間比轉速差為200 r/min時多0.025 s，換擋沖量基本相等。由此說明，升擋工況下轉速差的正負值及轉速差的大小，對換擋性能的影響較降擋工況下小。

綜合考慮以上分析結果，混合動力汽車在純電動模式下進行換擋時，應保證同步器主動部分的轉速高于被動部分。高擋換低擋的轉速差越小越好，但考慮電機的成本，電機調速后應滿足轉速差+50 r/min～+100 r/min的范圍。對于低擋換高擋，由于不同目標轉速下的調速時間以及同步時間相差較小，所以電機調速后轉速差可以放寬至+50 r/min～+200 r/min區間。

6 結論

研究結果表明，混合動力汽車變速器在純電動模式下掛低擋前，電機必須主動參與調速，并且電機的目標轉速只有滿足調速后的同步器主動部分轉速高于被動部分，才能縮短換擋時間，減少動力中斷時間，使換擋過程平順，提高同步器壽命。仿真方法的有效性已經過試驗確認。

本研究方法將為混合動力變速器在純電動模式下快速、平順的換擋控制策略優化提供有效的仿真分析手段。

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）：

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作者介紹

Simulation and Experimental Evaluation on Shifting Performance of Transmission for Hybrid Electric Vehicle in Pure Electric Driving Mode

HU Jiansun1，ZANG Mengyan1，ZHU Lin2，CHEN Yong3
（1. School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China；2. Zhejiang Geely Automobile Institute Co., Ltd，Hangzhou 311228，China；3. School of Mechanical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China）

Based on dynamics analysis of the synchronization process and the confirmation that the motor must participate in regulating the speed, a dynamic simulation model was built. After obtaining the agreement between the simulation results and experimental results of transmission shift performance, simulations of downshifting and upshifting processes were conducted with a variety of speed differences. By minimizing the synchronization time and shift impulse, a reasonable speed regulation range of motor of the hybrid transmission was determined. This paper provides an effective simulation method to optimize the fast and smooth gear shifting control strategy for a hybrid transmission in pure electric mode.

pure electric mode; transmission; dynamics simulation; regulating speed; shift performance

責任作者：胡檢孫（1991-），男，江西吉安人。碩士研究生，主要從事變速器換擋性能仿真研究。Tel：18814113201E-mail：Jasonhu_vv@163.com

U463.212

A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.01.11

臧孟炎（1961-），男，湖南華容人。博士，教授，主要從事汽車CAE仿真方法與應用研究。 Tel：13922252702 E-mail：myzang@scut.edu.cn

2016-05-11 改稿日期：2016-09-05

用格式：

胡檢孫，臧孟炎，祝林，等.混合動力汽車變速器純電動模式換擋性能仿真分析與試驗評價[J]. 汽車工程學報，2017，7(1)：072-077.

WANG Shaohua，YAO Yong，ZHU Lin，et al．Simulation and Experimental Evaluation on Shifting Performance of Transmission for Hybrid Electric Vehicle in Pure Electric Driving Mode [J]. Chinese Journal of Automotive Engineering，2017，7(1)：072-077. (in Chinese)