PHEV 混動變速箱無同步器換擋臺架測試研究

王雷 徐輝輝 馮英連 熊健夫 胡帥

（麥格納（江西）動力總成有限公司,南昌 330033）

主題詞：混合動力 臺架測試 同步器 換擋

PHEV Plug in Hybrid Electric Vehicle

HEV Hybrid Electric Vehicle

MG Traction Motor

PRND Park/Reverse/Neutral/Drive

IMC Integration Measure&Calibration

T2T Tip to Tip

CAN Controller Area Network

OSP Output Speed

TCU Transmission Control Unit

MCU Micro Control Until

CCP CAN Communication Protocol

PT Power Train

ETK Emulator Tastkopf(Emulator Test Probe)

1 前言

隨著國家第六階段車輛油耗的法規發布，出現不同形式的新能源車輛，包括以電能為主要形式的電動汽車，以氫能為主的氫能源汽車。但是由于充電時間長以及制氫和儲氫技術相對不成熟的原因，純電動汽車以及氫能源汽車沒有迅速得到推廣和應用，由于發動機技術相對非常成熟，結合電能優點，市場出現了不同形式的混合動力車輛，插電式混合動力車輛（PHEV）和混動車輛（HEV），不同形式混動車輛解決純電車里程焦慮和充電不方便的困難，同時解決排放問題，但是由于多動力源的引入，系統的集成度和復雜度隨之上升，需要在系統角度來優化系統功能。由于電機在轉速控制和扭矩控制的便利性，使得變速箱換擋設計系統得到優化和簡化，且變速箱控制軟件設計需要獲取系統基本參數。

本文重點研究PHEV換擋過程變速箱無離合器換擋控制測試方法，測試目的和測試結果，為混動變速箱無同步器換擋控制軟件設計提供基本數據和方法。

2 PHEV變速箱系統

2.1 混動系統結構定義

目前市場很多產品構型，P0~P4是由電機在動力總成的位置關系而定義的，具體見圖1。

圖1 混動系統結構[1]

P0：與發動機曲軸同軸、安裝于常規發電機位置的動力電機；

P1：安裝于發動機之后、主離合器之前的動力電機；

P2：安裝于主離合器之后、差速器之前的動力電機；

P3：與差速器固定連接、傳動比不受離合器、換擋系統影響的動力電機；

P4：變速器之后的動力電機。

2.2 動力系統系統構成

本文的研究對象為P2.5單電機濕式雙離合器架構的PHEV傳動系統，這種系統主要由發動機（en?gine）、驅動電機(MG),離合器C1，離合器C2，以及4個前進擋和一個P擋組成，詳細構成見圖2。

發動機能夠在1擋到4擋之間工作，電機只能使用1擋和3擋；1擋和3擋通過輸入軸2與離合器C2相連，1擋和3擋在設計上是沒有同步器的；2擋和4擋通過輸入軸1與離合器1相連，在設計上是有同步器的。

本系統優點是由于發動機有4個擋位，可以工作在經濟油耗區，電機有2個擋位，可以降低電機轉速，減少電機起步電流和體積，有利于節約系統的成本。

圖2 傳動系統結構

2.3 PHEV變速箱系統工作原理

本系統有3種工作模式分別是：純電工作、發動機工作和混動工作模式。

（1）純電工作模式

當離合器C1和C2分離發動機處于不工作情況下，電池的電量在設置范圍內，變速箱可以處于1擋和3擋，通過MG輸出動力傳到車輪。

（2）發動機工作模式

當電量不足或者MG出現故障時，系統工作類似雙離合器換擋的工作方式，可以在1擋到4擋上工作。

（3）混動工作模式

當系統需要加速性能或者最佳油耗時，可以讓發動機和電機同時輸出動力到車輪，比如系統工作在3擋或者電機工作在1擋和發動機工作在2擋。

3 PHEV無同步器臺架

如果換擋時刻不適當、換擋力不合適，無同步器換擋會帶來換擋噪音以及換擋部件損傷。無同步器換擋臺架測試主要從以下4個方面來進行測試和分析：

（1）合適的齒套/接合齒鎖止角、偏心量；

（2）合適的齒套和接合齒轉速差；

（3）通過不同換擋力、換擋時間、慣量換算出換擋速度對換擋沖擊的影響；

（4）齒套與齒尖之間距離縮短量；

3.1 變速箱無同步器換擋仿真

通過ITI SimulationX設計無離合器換擋的換擋仿真模型見圖3。主要考慮換擋機構影響，本變速箱換擋機構采用換擋電機為驅動原件驅動換擋鼓，換擋鼓與換擋撥叉連接進行換擋，所以特別設計了換擋電機模型以及換擋股模型，進行無同步器換擋仿真。無同步器換擋質量與換擋速度（Shift_speed）、主動齒與被動齒速差（Diff_speed）、換擋時間（ShortT）、齒套鎖止角（Angle_sleeve_L）、齒圈鎖止角影響，由于齒套鎖止角在仿真過程中設定后，為了仿真方便，齒圈鎖止角通常使用齒套與齒圈鎖止角的差值（Sleeve2clutch_diff_chamfe angle）來表示，模型設計中考慮各部件的慣量，本模型主要考慮仿真結果主要評價沖擊度大小和撞擊次數，通過調整參數，調整參數設計見表1。仿真結果見從圖4到圖9。從仿真結果可以得出以下結論。

圖3 換擋仿真模型

（1）一對嚙合齒速差越小，換擋沖擊度越小，同時換擋沖擊次數越少，換擋速度對換擋沖擊度影響不大，但對換擋沖擊次數有影響。當換擋速度足夠大，換擋沖擊次數減少，當換擋速度小時，換擋沖擊次數增加。

（2）齒套與齒尖之間距離縮短量在大于2.7 mm以上，對換擋有利。從圖4~6中也可以看出，換擋速差大于30 r/min，對換擋沖擊較小，同時當換擋速差很小時，齒套與齒尖之間距離縮短量，對換擋沖擊時沒有影響。

（3）從圖7可以可看出，當齒套角度在57°附近對換擋的沖擊較小。

（4）從圖8和圖9可以看出，當齒套與齒尖之間距離縮短量在2.7~3.0 mm，同時齒套與齒圈鎖止角的差值在3.5~5.0°之間對換擋沖擊較小。

表1 仿真參數表

3.2 變速箱無同步器臺架構成

為了驗證仿真數據和測試一些基本數據，為軟件設計奠定基礎。無同步器試驗臺架主要有測試設備、變速箱、控制設備、驅動電機和飛輪組成。由于無同步器擋位在1擋和3擋，變速箱直接與發動機通過飛輪相連，變速箱主減與半軸相連，而后通過半軸連接到反拖電機上。無同步器試驗臺見圖10，圖10中變速箱主要有驅動電機（P2.5電機）變速箱控制器TCU和驅動電機（P2.5電機）控制器MCU，控制設備主要有請求變速箱所在工作擋位PRND、安裝INCA的Laptop電腦，控制設備可以控制換擋速度、換擋時間；測試設備主要有ES451，ES451把傳感器（噪音和振動）電信號轉化為數字信號，ES593主要測量TCU內部信號和CAN1、CAN3信號，同時把ES415與上述信號放在同一個時間軸上,并傳給電腦，進行數據保存和分析，IMC主要采集CAN信號，同時測量輸出軸轉速（OSP）；通過此臺架進行實時數據修改和分析，最終選擇無同步器最優參數。

圖4 沖擊度仿真結果

圖5 撞擊次數仿真結果

圖6 T2T縮短與速差關系

圖7 齒套角度與速差關系

圖8 T2T縮短與齒套角度

圖9 齒套角度與齒套與齒圈鎖止角差值

圖10 測試臺架構成

3.3 變速箱無同步器臺架測試

由于硬件設計需要耗費大量的財力、人力和時間，根據仿真結果選取一組硬件設計參數（表2）進行測試。只要換擋速度能夠滿足換擋時，換擋沖擊和和撞擊次數僅僅與需要嚙合的一對齒輪的換擋速差有很大關聯。鑒于此，在臺架測試時，通過調節換擋速差來尋找優質換擋，無同步器換擋最終影響換擋質量的是換擋噪音。為了更好測試和分析結果，在測試過程中通過主觀評價，把噪音分為5個級別，分別為打齒撞擊聲、輕微打齒聲、換擋鼓撞擊聲、輕微入擋聲和進擋無聲音。其中，輕微入擋聲和進擋無聲音是可以接受的。分別測試了2擋到1擋和2擋到3擋的換擋品質，測試換擋速差為30~100 r/min，間隔轉速為10 r/min，測試結果見圖11。統計分析結果如下：

（1）2擋到1擋在速差為30 r/min以下時，換擋品質良好；

（2）2擋到1擋在速差為100 r/min時，無明顯打齒聲；

（3）2擋到3擋在速差50 r/min和60 r/min時，換擋品質可接受；

（4）2擋到3擋在其它速差下，均會出現打齒聲。

表2 硬件設計參數表

圖11 數據統計分析

4 總結

在仿真過程中通過設置換擋速度、換擋一對齒輪速差、齒套鎖止角、齒套與齒尖之間距離縮短量等因子不同參數，來確認合理參數對無同步器換擋噪音和換擋平順性影響。通過仿真為硬件設計提供設計優化參數奠定基礎，減少設計過程中重復工作。通過仿真設計和臺架測試，對于PHEV混動變速箱無同步器換擋的軟件開發提供大量基礎數據，同時為后續車輛測試奠定基礎。臺架的實測數據和仿真數據表明影響無同步器換擋質量最重要因素是一對嚙合齒輪的速差，基于不同的換擋情況控制匹配的速差才能提高換擋質量，減少換擋過程中噪音。