純電動兩擋減速箱換擋機構設計與驗證

2019-05-10 02:08:50柴旭

汽車零部件 2019年4期

柴旭

(上海汽車變速器有限公司，上海 201804)

0 引言

當前，隨著人口日益增加以及石油資源的大量使用，環境惡化、資源匱乏已經成為人們必須面對的問題，因而發掘利用綠色可再生能源已經成了當今主要的發展趨勢。新能源汽車，尤其純電動汽車成為了綠色環保的代言新星，越來越頻繁地出現在人們的視野中。電驅系統作為新能源汽車的核心零部件，其技術的發展更是越來越受到人們的關注。目前，單擋減速箱以其結構簡單的優勢而廣泛使用，但同時也會導致驅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計與研發。

對此，國外的P WALKER等[1]在純電動汽車上應用了雙離合兩擋變速器，研究表明該變速器對整車驅動效率和能耗有明顯提升效果；國內的陳林用等[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)結構及其電子控制單元(Transmission Control Unit，TCU)的軟硬件設計，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濟性的策略，并給出了仿真結果。

盡管如此，針對換擋機構進行軟硬件設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的實現進行了驗證。

1 整車電驅系統的組成

圖1是基于大通EV80商用車提出的兩擋電驅總成，主要由兩擋減速箱、驅動電機、電力電子箱和電換擋系統四大組件組成。

圖1 電驅系統實物圖

如圖2所示，驅動電機輸出軸直接與兩擋減速箱的輸入軸相連。文中根據整車端的需求，通過理論計算選擇相應型號的電機作為驅動電機。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。換擋執行機構采用便于布置和控制的電控電動式系統，結構為蝸輪蝸桿加凸輪轉轂的形式，將電機的旋轉運動轉化為換擋撥叉的直線運動，從而驅動撥叉移動完成換擋。

圖2 電驅系統示意簡圖

2 電換擋系統硬件設計

2.1 電換擋系統設計

換擋執行機構的動力由電機提供，選擇合適的換擋電機是保證變速箱換擋機構順利實現換擋動作的關鍵，換擋過程要求迅速、準確、無沖擊，能在各種復雜的工況下保證較高的換擋品質。因此綜合考慮換擋變速箱對驅動電機的要求以及電機的工作環境，電機的選型需要從電機的響應速度、最大換擋力、質量、成本等多種因素綜合考慮。

變速箱換擋執行機構的動力由電機提供，其動力傳遞簡圖如圖3所示。

圖3 執行機構運動/動力傳動簡圖

根據設計要求，電機提供的峰值轉矩經過傳動機構能提供不小于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矩時忽略換擋過程中的阻力。

根據圖4所示的執行機構運動/動力簡圖，可以計算出執行機構驅動電機對應的輸出轉矩。

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為換擋撥頭旋轉的角度；Td1、Td2為蝸輪蝸桿輸出轉矩。

工況1：由圖4(a)受力分析和力矩平衡可得：

Td1=Fsmax1l1

(1)

圖4 執行機構運動/動力簡圖

即在工況1中電機輸出轉矩經蝸輪蝸桿增扭后輸出的轉矩應為

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中電機輸出轉矩經蝸輪蝸桿增扭后輸出的轉矩為

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

(3)

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

根據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，即電機的峰值轉矩應大于0.67 N·m。

確定了電機的關鍵性能參數，對應市面上現有的成熟產品，完成電機的選型以及蝸輪蝸桿減速機構的設計。

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，有利于降低電機轉速，使電機始終工作在高效區間，經濟性好。

相比于一擋變速箱，二擋變速箱增加了換擋機構，文中采用的是傳統同步器換擋形式，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果匯總表?？芍?，當過盈量為0.025 mm時，齒轂所受最大應力在滑塊槽處；當齒轂僅承受最大加載扭矩時(320 N·m)，滿足要求；當齒轂同時考慮過盈張力及最大傳遞扭矩時，齒轂應力小于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。撥叉結構如圖8所示，其CAE計算結果如圖9所示。

表3 換擋撥叉材料屬性

圖8 撥叉結構

圖9 換擋撥叉CAE計算結果

設置撥叉換擋力為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%，則符合考核標準。

分析結論：

(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，符合剛度設計要求；

(2)由圖9(a)可知：撥叉的最大拉應力為48 MPa，小于抗拉強度要求的193 MPa；撥叉的最大壓應力為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 電換擋系統軟件設計

3.1 實際擋位判斷模塊

TCU的升降擋決策都是建立在準確識別當前擋位的基礎上，TCU軟件通過撥叉位置傳感器檢測撥叉位移，判斷當前所處擋位。當檢測到撥叉位置一擋在位時，此時實際擋位為一擋；當檢測到撥叉位置二擋在位時，此時實際擋位為一擋；當檢測到撥叉位置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 目標擋位判斷模塊

在車輛行駛過程中，確定正確的目標擋位，TCU才能正確控制換擋電機以及驅動電機動作，實現擋位間的切換。目標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。目標擋位判斷模塊流程圖如圖11所示。

圖11 目標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動電機進行調扭和調速，才能保證擋位的順利切換。當目標擋位和當前擋位不一致時，驅動電機要清扭調速，退出當前擋位，接著調速調扭，保證同步器兩端同步結合以及動力傳遞。如圖13所示為變速箱驅動電機控制模塊流程圖。

圖13 驅動電機控制模塊流程圖

3.5 換擋參數計算模塊

TCU將傳感器采集的數據根據其物理意義進行計算，并根據需要可將數據發送到CAN總線上。計算的數據主要包含換擋電機的轉速及其輸出轉矩和換擋撥叉當前位置，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與驅動電機分別控制才能實現擋位的快速平穩切換。對驅動電機調速和調扭，保證輸入軸與輸出軸轉速能迅速同步，對換擋電機調節，從而控制撥叉運動，實現換擋機構快速退擋掛擋。

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

同時在TCU軟件中，針對換擋邏輯設立容錯機制：(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，撥叉回目標擋位撥叉位置，對驅動電機調速，重新開始對驅動電機清扭；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 臺架動態換擋測試

臺架動態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動電機，故減少了驅動電機轉矩調零階段和驅動電機轉矩恢復階段。

控制邏輯：(1)先由臺架模擬整車VCU信號給PCU發出D Mode指令使驅動電機使能；(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發出虛擬車速，達到兩擋變速箱換擋點；(4)檢測驅動電機調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習閾值，換擋成功。圖15所示為一擋換二擋數據，圖16所示為二擋換一擋數據。