電動直連變速箱換擋控制分析

馬洪濤，劉 鐘，劉 堯

電動直連變速箱換擋控制分析

馬洪濤，劉 鐘，劉 堯

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710299）

換擋控制作為自動變速箱控制系統(tǒng)的核心技術(shù)，決定著整車動力性、經(jīng)濟性及舒適性指標。電動直連變速箱舍棄了機械式同步器，使得接合套與接合齒之間缺乏對齒功能，從而在掛擋瞬間更易發(fā)生換擋沖擊，如齒頂撞擊、同步?jīng)_擊等。因此，在電動直連變速箱控制中，文章引入驅(qū)動電機精準調(diào)速與接合套分段控制問題。通過系統(tǒng)地分析影響換擋頓挫與換擋沖擊關(guān)鍵因素，采用優(yōu)化換擋規(guī)律曲線及掛擋過程控制算法等措施，有效地提升了換擋性能指標。最后，通過臺架與整車道路試驗完成了算法驗證，為后續(xù)產(chǎn)品市場投放與技術(shù)升級奠定基礎(chǔ)。

電動直連；換擋控制；換擋規(guī)律；換擋品質(zhì)

在“雙碳”政策的推動下，以純電動汽車為代表的新能源汽車產(chǎn)業(yè)迎來了發(fā)展機遇。汽車動力系統(tǒng)逐漸變革為中置式電驅(qū)動系統(tǒng)和集成式電動橋等多種形式。現(xiàn)階段，純電動乘用車多采用固定速比電驅(qū)系統(tǒng)[1-2]，從而規(guī)避了換擋控制引起的動力中斷、換擋頓挫等技術(shù)缺陷。但是，以中、重卡為代表的商用車，由于負載、路況等復(fù)雜因素，仍需要變速箱采用多擋位設(shè)計，以實現(xiàn)動力邊界的拓展。

研究指出，電機具有低速高扭、高效區(qū)廣等特點，故去離合器、少擋化是電驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展方向[3]。同時，電機轉(zhuǎn)速具有精準控制特性，因此，同步器的作用也被嚴重弱化。比如：福伊特4擋電控機械式變速器（Automated Mechenical Trans- mission, AMT）、李斯特兩擋電動橋等，均已去除離合器與同步器，演變?yōu)殡妱又边B變速系統(tǒng)。

本文以兩擋電動橋為研究對象，系統(tǒng)地梳理了換擋決策與換擋控制[4-5]，并就換擋性能指標進行了分析。最后，通過優(yōu)化換擋規(guī)律曲線與掛擋過程控制，從而有效降低了換擋頓挫與換擋沖擊，并順利通過臺架與整車道路驗證。另外，鑒于電動直連變速箱不存在離合器接合控制，特別指出，電動直連變速箱的換擋沖擊設(shè)定為掛擋瞬間齒輪箱內(nèi)部撞擊強度。

1 直連式電驅(qū)動系統(tǒng)

本文研究對象為適用于4×2中、輕型載貨車的集成式兩擋電動橋（圖1），此動力系統(tǒng)將電機、兩擋變速箱及車橋進行高度集成，具有集成化、輕量化、體積小等優(yōu)點。在滿足整車動力性與經(jīng)濟性需求的同時，取消傳動軸，簡化底盤裝配工藝，從而有效地釋放底盤空間。

圖1 集成式兩擋電動橋

1.1 控制器與通訊架構(gòu)

在換擋控制過程中，集成式兩擋電動橋需要整車控制器（Vehicle Control Unit, VCU）、電機控制器（Motor Control Unit, MCU）和換擋控制器（Transmission Control Unit, TCU）之間的控制協(xié)同（圖2）。各控制器間的信息交互采用控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network, CAN）通訊，具體過程如下：

首先，TCU根據(jù)換擋決策，進入換擋控制邏輯，并向VCU請求MCU控制權(quán)；

其次，在VCU移交MCU控制權(quán)后，TCU指揮MCU協(xié)同開展選、換擋動作；

最后，TCU在完成換擋動作后，將MCU控制權(quán)返還VCU。

圖2 動力域控制通訊網(wǎng)絡(luò)

1.2 換擋執(zhí)行機構(gòu)

電動直連變速系統(tǒng)，大多采用電動撥叉式換擋執(zhí)行機構(gòu)（圖3）。工作原理即換擋電機經(jīng)蝸輪蝸桿或滾珠絲杠等機構(gòu)進行運動轉(zhuǎn)換，驅(qū)動換擋撥叉，進而帶動滑動接合套，實現(xiàn)目標擋位齒輪的花鍵齒聯(lián)結(jié)動作。

圖3 撥叉式換擋執(zhí)行機構(gòu)

2 最佳擋位決策與換擋過程控制

電動直連變速箱的換擋過程控制分為六步，依次為換擋決策、卸載、摘擋、調(diào)速、掛擋及加載。其中，“摘擋、調(diào)速與掛擋”三個步驟的控制水平直接決定了換擋沖擊指標水平，并對換擋頓挫有較大影響[6]。

2.1 最佳換擋策略

文章采用經(jīng)典的兩參數(shù)換擋策略，即根據(jù)車速與油門（轉(zhuǎn)矩）決定最佳擋位及換擋點。兩參數(shù)法具有穩(wěn)定可靠和實現(xiàn)簡單的特點。在設(shè)計過程中，依據(jù)整車輸出MAP初步確定換擋點，并以升、降擋過程中變速箱輸出扭矩曲線的連續(xù)性作為設(shè)計準則，對換擋點進行優(yōu)化。應(yīng)指出的是，輸出扭矩的連續(xù)性和換擋時間是決定換擋頓挫指標的關(guān)鍵因素，尤其是對于電動AMT系統(tǒng)。

換擋頓挫的量化指標是沖擊度，是評價整車平順性的重要指標。我國現(xiàn)行標準中最大沖擊度的限值為=17.64 m/s3，其物理定義為車輛加速度的變化率：

式中，r為車輛行駛過程中的滾動阻力、風阻及坡阻的總和；m為電機輸出扭矩；i0為各擋位速比和主減速比；t為電機與變速箱系統(tǒng)總效率；為旋轉(zhuǎn)系數(shù)；為整車質(zhì)量。

在實際換擋過程中，換擋時間較短，一般在0.7～1.0 s左右，因此，將車輛行駛阻力簡化為常數(shù)。進一步講，換擋頓挫指標則僅由電機輸出轉(zhuǎn)矩m的變化率決定。在“摘擋-調(diào)速-掛擋”三階段中，整車處于動力中斷狀態(tài)近似為零。此外，前、后分別對應(yīng)卸載與加載過程，對應(yīng)的沖擊度可以標定為固定值，即電機驅(qū)動扭矩進行恒斜率的線性控制。

由于電動直連變速箱的固有特點，整車沖擊度必須經(jīng)歷負-零-正的沖擊度演變進程。對于控制算法的設(shè)計而言，關(guān)鍵在于壓縮“摘擋-調(diào)速-掛擋”時間，以及標定出兼顧沖擊度與動力性的電機卸載、加載斜率。應(yīng)指出的是，為保證卸載與加載階段沖擊度保持不變，換擋前后的扭矩斜率與擋位速比成反比。

2.2 臨界掛擋點標定與接合控制

前文指出“掛擋”是決定換擋沖擊指標的關(guān)鍵步驟。首先應(yīng)該標定出臨界掛擋點；其次，在掛擋動作中，優(yōu)化臨界點附近的進給控制。在降低換擋沖擊、保證接合齒抗沖擊強度的同時，盡可能地壓低掛擋過程時間。

2.2.1臨界掛擋點標定

接合套與擋位齒輪在裝配過程中，存在相對位置公差。因此，變速箱在下線時，需要對臨界掛擋點進行位置標定。具體操作時，首先，對驅(qū)動電機進行低轉(zhuǎn)速的恒速控制，然后，對接合套進行蠕行位移控制，直至輸出軸出現(xiàn)轉(zhuǎn)速脈沖信號，則將此時撥叉位置設(shè)定為臨界掛擋點。另外，臨界摘擋點可在臨界掛擋點的基礎(chǔ)之上，加入撥叉與接合套之間的間隙值即可，不再重復(fù)對應(yīng)的標定過程。

2.2.2臨界掛擋點接合控制

在關(guān)鍵的“掛擋”過程控制中，以“空掛1擋”為例，撥叉的位移控制可分為快進-慢進-快進-慢進-慢退，共計五個階段的閉環(huán)位移控制。其中第一個“慢進”步驟就是在接合套移動至臨界掛擋點時，對其進行限速控制，一是降低換擋沖擊異響，二是規(guī)避頂齒與打齒問題。從而，在保證平順進擋的前提下，盡量降低對接合套花鍵齒端部的強度要求。

2.3 卸載與加載斜率設(shè)計

卸載與加載階段的設(shè)計對換擋頓挫即沖擊度的影響同樣至關(guān)重要。目前主要采用恒斜率控制，具體做法是基于整車道路測試與駕駛感受，標定出扭矩的變化斜率。一般而言，扭矩幅值較低時，卸載與加載時間較短，換擋頓挫不明顯。但是對于全油門工況，則由于AMT的動力中斷屬性，整車出現(xiàn)較為顯著的換擋頓挫。

3 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)設(shè)計

3.1 換擋規(guī)律曲線設(shè)計

換擋點的設(shè)計在保證換擋前后輸出動力連續(xù)性的基本前提下，進一步需要考慮整車對動力性與經(jīng)濟性的指標要求。因此，換擋點分為動力換擋點與經(jīng)濟換擋點，動力換擋點的設(shè)計依據(jù)是整車加速度最大化，因此表現(xiàn)為緩升擋。相反，經(jīng)濟換擋點主要是基于電機效率最高的原則。圖4為采用兩參數(shù)法設(shè)計出的動力換擋點的規(guī)律曲線，右側(cè)標識線為升擋點曲線，左側(cè)標識線為降擋點曲線。

圖4 動力換擋點設(shè)計與扭矩輸出特性

在具體設(shè)計過程中，主要依據(jù)整車動力模型仿真結(jié)果作為評價依據(jù)，并進行迭代優(yōu)化，從而制定出動力換擋點的換擋規(guī)律曲線，并得到電動橋的輸出特性。從圖中可以看出，仿真數(shù)據(jù)顯示，換擋前后，電動橋輸出扭矩的接續(xù)是平滑的，僅存在輕微的波動，從而有效地降低換擋過程中的整車頓挫感，保證行駛平順性與舒適性。

3.2 換擋阻力設(shè)計

換擋阻力分為掛擋力與摘擋力，是決定換擋時間與換擋成功率的關(guān)鍵因素。換擋阻力的設(shè)計，尤其是對于掛擋力，其關(guān)鍵在于平衡換擋電機功率與接合齒倒角面強度。例如，將倒角面錐度加大可以有效降低掛擋力與換擋電機功率，并提升換擋成功率。但是，錐角過大則容易引起端部齒面抗沖擊強度不足，下面對其展開詳細設(shè)計分析。

3.2.1掛擋力分析

掛擋過程中，接合套與目標擋位接合齒圈存在掛擋阻力（圖5），尤其是倒角面碰撞時，其阻力出現(xiàn)峰值，求解過程見公式（2）

q=Nsin+Scos（2）

式中，N為接觸面正壓力；為齒端倒角；S為接觸齒面摩擦力。

圖5 掛擋過程受力簡圖

接觸正壓力N的產(chǎn)生機理：在具體控制過程中，為了實現(xiàn)掛擋動作，接合套與目標擋位齒圈之間設(shè)定轉(zhuǎn)速差，如±10 r/min。設(shè)計依據(jù)是主、從動端之間絕對的同步控制難以實現(xiàn)，同時轉(zhuǎn)速差可以避免接合齒頂齒干涉。在接合瞬間，電機一側(cè)作為被同步端，需要被瞬時同步，因此，對主動端造成同步阻力矩C，進而衍生出齒間作用力N，見式（3）：

式中，為接合齒圈節(jié)圓半徑。

最后，根據(jù)式（2）、式（3），求得掛擋阻力的最終表達式為

另外，在掛擋瞬間，不僅要確保接合套與接合齒圈之間的轉(zhuǎn)速差控制在設(shè)定范圍。同時，要將上一階段即調(diào)速狀態(tài)下的電機扭矩指令迅速清零，避免電機驅(qū)動扭矩與同步阻力矩疊加，加劇掛擋阻力。

3.2.2摘擋力分析

摘擋力即為摘擋過程中的阻力，主要由接合套與接合齒圈之間的齒間摩擦力所致（圖6），求解過程如式（5）所示。

圖6 摘擋過程受力簡圖

f=?N=?e/（5）

式中，為齒面摩擦因數(shù)；N為接觸面正壓力；e接合套傳遞扭矩；接合齒分度圓半徑。

在行車過程中，接合套傳遞的扭矩取決于電機扭矩和行駛阻力，具體表現(xiàn)為

式中，m為電機輸入扭矩；v為負載阻力矩；m為接合齒圈與電機端之間的轉(zhuǎn)動慣量；v為接合齒與負載端之間的轉(zhuǎn)動慣量；m為輸入軸旋轉(zhuǎn)阻尼系數(shù)；v為輸出端旋轉(zhuǎn)阻尼系數(shù)；m為輸入軸角速度；v為輸出軸角速度；g為輸入軸與中間軸間的傳動比（接合套在中間軸上）；0為中間軸與輸出軸之間的減速比。

在擋狀態(tài)下，輸入轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)速之間滿足減速比關(guān)系，同時忽略旋轉(zhuǎn)阻尼對力矩傳導(dǎo)的影響，由式（5）、式（6）可得

因此，當電機扭矩m越小，摘擋階段的阻力越小，更容易摘擋，故換擋的首要任務(wù)是將電機扭矩降為0。

4 臺架與路試驗證

4.1 臺架驗證

在臺架試驗中，開展換擋疲勞測試，同時對換擋成功率、換擋沖擊進行了指標提取。首先，在試驗數(shù)據(jù)中隨機抽取100次連續(xù)換擋過程的報文數(shù)據(jù)，經(jīng)確認換擋成功率為100%，其中因為接合齒頂齒問題產(chǎn)生二次掛擋的占比為6.9%。

其次，通過采集變速箱殼體的振動信號，反映掛擋瞬間變速箱的同步?jīng)_擊程度，見圖7。殼體瞬時加速度在80 m/s2以內(nèi)，處于可接受范圍。最后，在換擋過程中驅(qū)動電機和換擋電機均可以按指令動作，且控制效果滿足預(yù)期目標。

圖7 換擋沖擊時域圖

4.2 整車路試驗證

在整車路試過程中，選取城市與郊區(qū)的復(fù)合路況，對換擋性能進行了20 000 km的換擋控制性能驗證（圖8），期間換擋控制器與執(zhí)行機構(gòu)運行正常，順利完成路試任務(wù)。

圖8 路試樣車示例

圖9 整車路試結(jié)果

如圖9所示，通過TCU過程報文與擋位報文，以及MCU的扭矩、轉(zhuǎn)速報文，對換擋性能指標，如換擋時間、換擋成功率進行了全程統(tǒng)計，數(shù)據(jù)顯示換擋時間普遍在0.7～1.0 s之間，且一次換擋成功率在94.6%，略高于臺架測試結(jié)果。

5 總結(jié)

首先，對于電驅(qū)系統(tǒng)而言，兩參數(shù)換擋策略可以較好地滿足整車對換擋頓挫的技術(shù)要求，同時少擋化設(shè)計，簡化了換擋規(guī)律曲線的設(shè)計；對于掛擋動作的分階段控制，可以有效降低換擋沖擊，從而在保證接合齒機械強度的前提下，有效提升換擋成功率。

其次，臺架與整車路試結(jié)果表明，文章提出的換擋策略與過程控制算法完全適用于兩擋集成式電動橋；研究成果將有力地支撐產(chǎn)品的市場驗證與推廣工作，同時為后續(xù)的技術(shù)升級工作提供參考。

[1] 汪斌.純電動汽車無離合器式AMT換擋控制研究[J].汽車實用技術(shù),2018,43(24):21-24.

[2] YILDIRIM M,KURT S.Effect of Different Types of Electric Drive Units on the Energy Consumption of Heavy Commercial Electric Vehicles[J].World Electric Vehicles Journal,2022,13(5):92-98.

[3] 徐秀華,陳勇,羅大國,等.全電式AMT選換擋位置自識別方法和換擋策略研究[J].汽車技術(shù),2013(10): 22-25,46.

[4] 唐永琪.純電動汽車自動變速器換擋規(guī)律研究[J].合肥學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,22(4):60-65.

[5] LUO L P,XI J Q,LIU X L,et al.Modeling and Analysis of Three-Parameter Power Shift Schedule for Pure Electric Bus of AMT[J].Applied Mechanics and Materials,2012(16):155-156,648-652.

[6] 朱丹丹.基于城市道路工況純電動汽車自動變速器換擋規(guī)律的研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2019.

Analyse on Shift Control of Electric Direct Transmission

MA Hongtao, LIU Zhong, LIU Yao

( Shaanxi Hande Axle Company Limited, Xi'an 710299, China )

As the core technology of automatic transmission control system, shift control determines the vehicle's power, economy and comfort indicators. The mechanical synchronizer is abandoned in the electric direct coupled transmission, which makes the gear matching function between the engagement sleeve and the engagement gear lacking, so that shift impact, such as tooth top impact and synchronous impact, is more likely to occur at the moment of gear shifting. Therefore, in the control of electric direct transmission, the problem of precise speed regulation of drive motor and sectional control of joint sleeve is introduced. This paper systematically analyzes the key factors that affect the shift jerk and shift impact, and improves the shift performance index by optimizing the shift schedule curve and the shift process control algorithm. Finally, the algorithm is verified by bench and vehicle road tests.It lays a foundation for subsequent product market launch and technology upgrading.

Electric direct connection; Shift control; Shift schedule; Shift quality

U463.212

A

1671-7988(2023)12-22-05

馬洪濤（1985－），男，碩士，工程師，研究方向為電動車橋設(shè)計，E-mail:hongxiaotaohunan@126.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.012.005