某純電動(dòng)專(zhuān)用車(chē)底盤(pán)變速箱擋位異常分析及解決方案

摘要：以一款在研純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車(chē)專(zhuān)用底盤(pán)為原型，在調(diào)試階段，駕駛員反饋整車(chē)靜止時(shí)正常掛上R擋，松開(kāi)手剎后踩小油門(mén)車(chē)往前挪動(dòng)，回N擋后問(wèn)題消失。雖然該故障發(fā)生的概率低，但有發(fā)生的可能性，必須找到該問(wèn)題的原因。最后通過(guò)采集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、優(yōu)化軟件控制程序、臺(tái)架耐久驗(yàn)證等措施成功解決上述問(wèn)題，此研究對(duì)解決變速箱擋位異常有著極為重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)專(zhuān)用車(chē)；變速箱；整車(chē)控制器；擋位異常；解決方案

中圖分類(lèi)號(hào)：U467.1" " " 收稿日期：2025-01-19" " " DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.04.007

Abnormal Gear Position of the Chassis Gearbox of a Certain Pure Electric Special Vehicle Analysis and Solutions

Zeng Haijun

CRRC Times Electric Vehicle Co.，Ltd.，Zhuzhou 412007，China

Abstract：Based on a prototype of a pure electric sanitation vehicle under development， during the debugging phase， the driver reported that the vehicle was normally in R gear when it was stationary. After releasing the handbrake and stepping on the gas pedal， the vehicle moved forward and the problem disappeared after returning to N gear. Although the probability of this malfunction occurring is low， there is a possibility of it happening， and it is necessary to find the cause of the problem. Finally， the above problems were successfully solved through measures such as data collection， data analysis， optimization of software control programs， and bench durability verification， which has extremely important guiding significance for solving abnormal transmission gear positions.

Key words：Pure electric special-purpose vehicles;Transmission case;Vehicle controller;Abnormal gear position;Solution

1 新能源商用車(chē)變速箱的主要類(lèi)型及工作模式

當(dāng)前，在國(guó)家和地方政府政策的鼓勵(lì)和推動(dòng)下，各地紛紛響應(yīng)并制定了環(huán)衛(wèi)車(chē)輛新能源替代的具體目標(biāo)，明確了環(huán)衛(wèi)車(chē)輛新能源化的時(shí)間表［1-3］。純電動(dòng)專(zhuān)用車(chē)底盤(pán)的變速箱與傳統(tǒng)燃油車(chē)存在顯著差異，其設(shè)計(jì)更注重效率優(yōu)化、動(dòng)力適配和系統(tǒng)集成。

a.單擋減速器：其特點(diǎn)是無(wú)傳統(tǒng)多擋位結(jié)構(gòu)，僅通過(guò)固定速比的齒輪組實(shí)現(xiàn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速與車(chē)輪轉(zhuǎn)速的匹配。工作模式：①直接驅(qū)動(dòng)模式：電機(jī)輸出動(dòng)力經(jīng)減速器直接傳遞至驅(qū)動(dòng)橋，依賴(lài)電機(jī)寬轉(zhuǎn)速范圍的高效區(qū)間運(yùn)行。②能量回收模式：車(chē)輛減速時(shí)，電機(jī)切換為發(fā)電機(jī)模式，通過(guò)減速器反向傳遞制動(dòng)力并回收電能。優(yōu)勢(shì)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低，適用于城市專(zhuān)用車(chē)等中低速場(chǎng)景。

b.多擋變速箱：其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是采用2～4擋變速機(jī)構(gòu)（如行星齒輪組或平行軸結(jié)構(gòu)），擴(kuò)展電機(jī)高效工作區(qū)間。工作模式：①智能換擋模式：根據(jù)車(chē)速、負(fù)載及坡度動(dòng)態(tài)調(diào)整擋位，提升高速巡航效率或爬坡扭矩。②動(dòng)力耦合模式（混動(dòng)車(chē)型）：協(xié)調(diào)電機(jī)與內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力輸出，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)、并聯(lián)或功率分流。優(yōu)勢(shì)：適應(yīng)復(fù)雜工況（如長(zhǎng)途重載運(yùn)輸），提升續(xù)航里程與動(dòng)力性能。

c.集成式電驅(qū)橋：其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是電機(jī)、減速器、差速器高度集成，部分方案包含2擋變速功能。工作模式：①緊湊驅(qū)動(dòng)模式：通過(guò)輕量化設(shè)計(jì)減少傳動(dòng)損耗，適用于輕卡或公交車(chē)型。②動(dòng)態(tài)扭矩分配：結(jié)合電子控制實(shí)現(xiàn)輪間扭矩矢量控制，提升濕滑路面穩(wěn)定性。

2 變速箱故障的表現(xiàn)及后果

2.1 機(jī)械故障

a.典型表現(xiàn)。

①異響與振動(dòng)：齒輪磨損、軸承損壞時(shí)產(chǎn)生高頻噪聲，車(chē)輛加速或負(fù)載突變時(shí)振動(dòng)加劇。

②動(dòng)力中斷：離合器卡滯或同步器失效導(dǎo)致?lián)Q擋失敗，車(chē)輛突然失去驅(qū)動(dòng)力。

③油液泄漏：密封件老化或殼體破裂導(dǎo)致潤(rùn)滑不足，引發(fā)過(guò)熱甚至齒輪咬合失效。

b.后果。

①運(yùn)營(yíng)中斷：專(zhuān)用車(chē)影響作業(yè)、物流車(chē)輛拋錨導(dǎo)致貨物交付延誤、公交車(chē)輛停運(yùn)影響公共交通。

②維修成本高：電驅(qū)橋集成化設(shè)計(jì)使維修需整體拆解，工時(shí)與備件費(fèi)用顯著增加。

③安全隱患：高速行駛中動(dòng)力中斷可能引發(fā)追尾事故，重載爬坡時(shí)溜車(chē)風(fēng)險(xiǎn)劇增。

2.2 電控故障

a.典型表現(xiàn)。

①換擋邏輯混亂：TCU軟件故障或傳感器信號(hào)失真導(dǎo)致?lián)跷活l繁跳變或鎖死在某一擋位。

②能量回收失效：減速時(shí)無(wú)法切換至發(fā)電模式，導(dǎo)致制動(dòng)距離延長(zhǎng)、溫度升高、電池充電效率下降。

③通信中斷：CAN總線(xiàn)故障導(dǎo)致VCU與TCU失聯(lián)，整車(chē)進(jìn)入跛行模式（限速或限功率）。

b.后果。

①效率下降：擋位匹配失準(zhǔn)導(dǎo)致電耗增加。

②系統(tǒng)連鎖故障：電機(jī)因過(guò)載保護(hù)頻繁觸發(fā)，電池因異常充放電加速老化。

③品牌聲譽(yù)受損：批量車(chē)輛因軟件缺陷召回將影響企業(yè)市場(chǎng)信任度。

2.3 特殊場(chǎng)景下的風(fēng)險(xiǎn)放大

a.低溫環(huán)境：變速箱油液黏度升高導(dǎo)致?lián)Q擋延遲，加劇機(jī)械磨損。

b.持續(xù)重載：長(zhǎng)期滿(mǎn)載運(yùn)行，可能引發(fā)齒輪疲勞斷裂，造成災(zāi)難性失效。

3 故障現(xiàn)象

故障現(xiàn)象：在車(chē)輛下線(xiàn)調(diào)試階段，駕駛員反饋整車(chē)靜止時(shí)正常掛上倒擋（R擋），松開(kāi)手剎后輕度踩油門(mén)發(fā)現(xiàn)車(chē)往前移動(dòng)，踩住剎車(chē)后，將擋位退回到空擋（N擋），然后再掛到倒擋（R擋），但故障未重現(xiàn)，雖然故障概率低，但仍需將故障復(fù)現(xiàn)，找到原因，并解決問(wèn)題。

4 車(chē)輛的動(dòng)力傳動(dòng)路線(xiàn)圖

4.1 總體結(jié)構(gòu)

新能源專(zhuān)用車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)路線(xiàn)需根據(jù)車(chē)輛類(lèi)型、能源類(lèi)型及使用場(chǎng)景進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)。車(chē)型布置與傳統(tǒng)商用車(chē)布置幾乎差不多，將傳統(tǒng)商用車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)、燃油箱等部件用動(dòng)力電池和電機(jī)電控代替，在VCU的控制下使車(chē)輛按駕駛員的意圖運(yùn)動(dòng)[4]。

4.2 動(dòng)力傳動(dòng)路徑

純電動(dòng)專(zhuān)用車(chē)底盤(pán)的動(dòng)力傳動(dòng)路線(xiàn)如圖1所示。

動(dòng)力傳動(dòng)路徑：動(dòng)力電池→多合一控制總成→電機(jī)→變速箱→傳動(dòng)軸→驅(qū)動(dòng)橋→車(chē)輪。

新能源專(zhuān)用車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)路線(xiàn)圖呈現(xiàn)“多元化、集成化、智能化”的發(fā)展趨勢(shì)。隨著碳化硅器件、智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的成熟，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)將向“更低損耗、更高可靠、全生命周期可控”方向演進(jìn)。

5 數(shù)據(jù)分析及解決方案

5.1 測(cè)試設(shè)備

本次測(cè)試借助筆記本電腦、CAN卡、Eclipse for TriCore、Origin8、FlashSpirit、MATLAB、ECTEK Measure Data Analyzer V2等工具和軟件對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、電流、工作指令等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析；借助ES581、CANOE等設(shè)備對(duì)TCU進(jìn)行模擬發(fā)送報(bào)文（仿真整車(chē)數(shù)據(jù)）和實(shí)施讀取報(bào)文曲線(xiàn)，并且可以編寫(xiě)自動(dòng)化測(cè)試腳本進(jìn)行全自動(dòng)化測(cè)試和標(biāo)定，如圖2所示。

5.2 數(shù)據(jù)分析及解決方案

5.2.1 數(shù)據(jù)分析

TCU數(shù)據(jù)如圖3所示。

a.階段1：從采集數(shù)據(jù)分析，VCU請(qǐng)求的R擋位，TCU也正常響應(yīng)在R擋位。

b.階段2：VCU請(qǐng)求小扭矩5 N·m，此時(shí)TCU也將扭矩請(qǐng)求5 N·m轉(zhuǎn)發(fā)給MCU，MCU反饋為5 N·m，電機(jī)轉(zhuǎn)速緩慢上升，并且此時(shí)TCU的換擋請(qǐng)求標(biāo)志位置1。

c.階段3：VCU請(qǐng)求扭矩為0 N·m，MCU反饋扭矩為0，電機(jī)轉(zhuǎn)速緩慢降低至0 r/min。

初步推論：

a.在數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)VCU請(qǐng)求扭矩時(shí)刻與整車(chē)反饋往前移的現(xiàn)象匹配。此時(shí)VCU請(qǐng)求5 N·m，TCU請(qǐng)求5 N·m，MCU反饋5 N·m，實(shí)際請(qǐng)求與整車(chē)表現(xiàn)一致，因此懷疑預(yù)期驅(qū)動(dòng)方向與實(shí)際驅(qū)動(dòng)方向相反，關(guān)聯(lián)變量異常。

b.在實(shí)際R擋過(guò)程中TCU的請(qǐng)求換擋標(biāo)志位置1，MCU受控TCU，在換擋過(guò)程以及PTO請(qǐng)求時(shí)候TCU會(huì)將請(qǐng)求換擋標(biāo)志位置1，但實(shí)際已經(jīng)完成R擋動(dòng)作，因此需要確認(rèn)下取力器的應(yīng)用請(qǐng)求工況進(jìn)行排查。

5.2.2 臺(tái)架端問(wèn)題復(fù)現(xiàn)排查

根據(jù)整車(chē)操作反饋和數(shù)據(jù)分析，按照取力器請(qǐng)求以及掛入R擋位請(qǐng)求對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整并進(jìn)行臺(tái)架耐久驗(yàn)證，分別進(jìn)行500次試驗(yàn)，驗(yàn)證情況如下：

a.根據(jù)前面分析模擬整車(chē)信號(hào)進(jìn)行排查，N-R擋位切換耐久驗(yàn)證。結(jié)果：正常響應(yīng)擋位請(qǐng)求和扭矩請(qǐng)求，換擋請(qǐng)求標(biāo)志位置0。

b.掛N擋位，然后掛D擋位再掛N擋位再切換為R擋位，進(jìn)行扭矩請(qǐng)求耐久驗(yàn)證。結(jié)果：正常響應(yīng)擋位請(qǐng)求和扭矩請(qǐng)求，換擋請(qǐng)求標(biāo)志位置0。

c.掛N擋位，過(guò)3 s后取力器請(qǐng)求，再經(jīng)過(guò)3 s后掛R擋位耐久驗(yàn)證。結(jié)果：正常響應(yīng)擋位請(qǐng)求和扭矩請(qǐng)求，換擋請(qǐng)求標(biāo)志位置0。

d.掛N擋位，過(guò)1 s后取力器請(qǐng)求，再經(jīng)過(guò)3 s后掛R擋位耐久驗(yàn)證。結(jié)果：正常響應(yīng)擋位請(qǐng)求和扭矩請(qǐng)求，換擋請(qǐng)求標(biāo)志位置0。

e.掛N擋位，過(guò)3 s后取力器請(qǐng)求，再經(jīng)過(guò)3 s后掛R擋位耐久驗(yàn)證。結(jié)果：正常響應(yīng)擋位請(qǐng)求和扭矩請(qǐng)求，換擋請(qǐng)求標(biāo)志位置0。

f.掛N擋位，過(guò)3 s后取力器請(qǐng)求，再經(jīng)過(guò)1 s后掛R擋位耐久驗(yàn)證。結(jié)果：正常響應(yīng)擋位請(qǐng)求掛入R擋，掛入R擋位后TCU的換擋請(qǐng)求標(biāo)志位還是置1狀態(tài)，請(qǐng)求N擋后恢復(fù)正常，換擋請(qǐng)求標(biāo)志位置0。

在最后一個(gè)測(cè)試結(jié)果中，在N擋請(qǐng)求取力后快速切換R擋，換擋標(biāo)志位一直為1，問(wèn)題復(fù)現(xiàn)，與整車(chē)實(shí)際數(shù)據(jù)表現(xiàn)是相符的。

5.2.3 根本原因

根據(jù)臺(tái)架驗(yàn)證測(cè)試情況，臺(tái)架表現(xiàn)與整車(chē)表現(xiàn)一致，并且能夠正常觸發(fā)此故障。

a.TCU換擋請(qǐng)求標(biāo)志位在R擋時(shí)候置1。換擋請(qǐng)求標(biāo)志位為1時(shí)TCU接管MCU，標(biāo)志位為0時(shí)VCU接管MCU。TCU在取力器請(qǐng)求的時(shí)候，會(huì)有2 s時(shí)間請(qǐng)求MCU小扭矩轉(zhuǎn)動(dòng)讓取力器能夠成功結(jié)合，2 s后會(huì)退出請(qǐng)求模式。整車(chē)上N擋位請(qǐng)求取力工況后，立馬掛入R擋位，基于整車(chē)R擋位無(wú)取力工況，因此并未在R擋位上進(jìn)行取力器工況處理，整車(chē)掛入R擋位后依然保持著取力模式，此時(shí)換擋請(qǐng)求標(biāo)志位一直為1。

b.R擋位請(qǐng)求扭矩前移。R擋時(shí)換擋請(qǐng)求值為1，此時(shí)TCU接管MCU進(jìn)行控制。在TCU接管MCU控制時(shí)候，TCU請(qǐng)求MCU扭矩信號(hào)是直接帶方向的；在已經(jīng)掛入R擋位，此時(shí)TCU直接將VCU的請(qǐng)求扭矩5 N·m轉(zhuǎn)發(fā)給MCU，MCU響應(yīng)5 N·m后出現(xiàn)前挪的現(xiàn)象。根據(jù)CAN矩陣定義，VCU請(qǐng)求扭矩范圍是-32 000～32 000 N·m，也就是帶方向的，基于其他項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)整車(chē)請(qǐng)求方向都是以此扭矩單獨(dú)信號(hào)的正負(fù)作為方向信號(hào)。實(shí)際上VCU在R擋時(shí)請(qǐng)求的扭矩值都為正值，沒(méi)有負(fù)號(hào)，是通過(guò)其他兩個(gè)信號(hào)來(lái)進(jìn)行邏輯判斷方向的，因此TCU只將此VCU的請(qǐng)求扭矩值轉(zhuǎn)發(fā)給MCU后就出現(xiàn)了前移的現(xiàn)象，當(dāng)擋位切換為N/D擋時(shí)則會(huì)自動(dòng)恢復(fù)。

5.2.4 解決方案

TCU增加R擋取力工況判斷并進(jìn)行軟件優(yōu)化。

a.對(duì)各個(gè)擋位D/N/R在收到VCU的PTO斷開(kāi)請(qǐng)求或者PTO繼電器斷開(kāi)請(qǐng)求則立馬退出，將TCU換擋請(qǐng)求標(biāo)志位置0。

b.在R擋位傳遞VCU扭矩時(shí)候，對(duì)VCU請(qǐng)求的ECUCmdR和ECUCmdD信號(hào)進(jìn)行判斷處理，當(dāng)ECUCmdR=1且ECUCmdD=0時(shí)，將VCU請(qǐng)求的扭矩值加上負(fù)方向信號(hào)。

5.2.5 臺(tái)架測(cè)試驗(yàn)證

數(shù)據(jù)分析如圖4所示。

a.從數(shù)據(jù)中可以看到，在N擋時(shí)候請(qǐng)求PTO然后立馬請(qǐng)求掛R擋位，TCU正常掛入R擋位。b.掛入R擋位后TCU的換擋請(qǐng)求標(biāo)志位置0。c.掛入R擋后，模擬VCU請(qǐng)求發(fā)送14 N·m指令，并且把ECUCmdR置1和ECUCmdD置0，觀察到TCU實(shí)際請(qǐng)求的扭矩為-14 N·m，數(shù)值均正常。從當(dāng)前臺(tái)架測(cè)試情況分析，新軟件在R擋時(shí)候能夠正常退出PTO請(qǐng)求并且根據(jù)VCU請(qǐng)求能夠正常響應(yīng)負(fù)扭矩請(qǐng)求。

測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)分析如圖5所示。

a.從數(shù)據(jù)中可以看到，在N擋時(shí)候請(qǐng)求PTO然后立馬請(qǐng)求掛R擋位，TCU正常掛入R擋位。b.掛入R擋位后TCU的換擋請(qǐng)求標(biāo)志位置0，此時(shí)MCU為VCU進(jìn)行接管。c.掛入R擋后，VCU也還在請(qǐng)求取力器工作，整車(chē)無(wú)前進(jìn)現(xiàn)象。

從整車(chē)測(cè)試情況來(lái)看，新軟件在N擋立馬請(qǐng)求取力器并切換R擋，換擋請(qǐng)求標(biāo)志位能夠正常回零將MCU控制權(quán)交還給VCU。

6 結(jié)語(yǔ)

本文基于某款純電動(dòng)專(zhuān)用車(chē)底盤(pán)在調(diào)試過(guò)程中車(chē)輛掛倒擋（R擋）時(shí)往前移動(dòng)的問(wèn)題，通過(guò)采集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、制定解決方案、臺(tái)架試驗(yàn)、實(shí)車(chē)驗(yàn)證等手段將問(wèn)題復(fù)現(xiàn)并一一解決。現(xiàn)階段該專(zhuān)用車(chē)底盤(pán)已批量應(yīng)用于環(huán)衛(wèi)車(chē)領(lǐng)域，在產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)至今沒(méi)有復(fù)現(xiàn)上述故障。本文論述的內(nèi)容是一種較為實(shí)用的變速箱故障解決方法，對(duì)純電動(dòng)專(zhuān)用車(chē)底盤(pán)變速箱故障分析和問(wèn)題解決有著重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)lt;推動(dòng)大規(guī)模設(shè)備更新和消費(fèi)品以舊換新行動(dòng)方案gt;的通知（國(guó)發(fā)[2024]7號(hào)）[Z].

[2]國(guó)家發(fā)展改革委 財(cái)政部印發(fā)lt;關(guān)于加力支持大規(guī)模設(shè)備更新和消費(fèi)品以舊換新的若干措施gt;的通知（發(fā)改環(huán)資[2024]1104號(hào)）[Z].

[3]湖南省推動(dòng)大規(guī)模設(shè)備更新和消費(fèi)品以舊換新實(shí)施方案（湘政發(fā)[2024]5號(hào)）[Z].

[4]曾海軍，陶湘廳.基于AVL CRUISE的純電動(dòng)商用車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)及性能仿真分析[J].專(zhuān)用汽車(chē)，2024（4）：11-16.

作者簡(jiǎn)介：

曾海軍，男，1981年生，工程師，研究方向?yàn)榧冸妱?dòng)商用車(chē)底盤(pán)研發(fā)與項(xiàng)目管理。