电驱动两挡AMT换挡执行机构设计及优化

电驱动两挡AMT换挡执行机构设计及优化陈怀山;巫少方;柴本本;林连华;徐海港【摘要】本文以提升电动车用两挡AMT（AutomatedMechanicalTransmission）换挡性能为目标，通过对执行机构的优化设计实现快速、平顺及准确换挡，确定了换挡时间、拨叉移动加速度、接合套位移误差作为换挡性能评价的量化指标.电动换挡执行机构由无刷直流电机驱动，由蜗轮蜗杆、凸轮及拨叉同步器组成.机构设计的创新点在于根据换挡要求将分段的凸轮凹槽轮廓设计成了高阶可导的光滑曲线，可显著提升换挡过程的平顺性.为验证设计的执行机构的性能，本文根据建立的动力学模型在MATLAB/Simulink软件下进行了换挡过程仿真，仿真结果表明优化后的执行机构拨叉轴向速度光滑可导，完成换挡（包含摘挡与挂挡）总时间约1.5s,理论上换挡完成接合套位移误差为零，而未优化的机构会产生换挡冲击.【期刊名称】《传动技术》【年（卷），期】2017（031）003【总页数】5页（P14-18）【关键词】纯电动汽车;两挡机械自动变速器;换挡执行机构;平顺性【作者】陈怀山;巫少方;柴本本;林连华;徐海港【作者单位】上海交通大学机械与动力工程学院，上海,200240;上海交通大学机械与动力工程学院，上海,200240;上海交通大学机械与动力工程学院，上海,200240;时风（集团）有限责任公司,山东，聊城,252800;时风（集团）有限责任公司,山东，聊城252800【正文语种】中文【中图分类】U463.212+.33当前纯电动汽车多采用驱动电机+主减速器的单级电驱动系统，利用驱动电机的调速性能来满足不同整车使用工况需求本项目由山东省科技重大专项资助，项目编号:2015ZDXX0601C01。但由于汽车使用工况较为复杂，一定功率驱动电机牵引下的单级传动系统并不能始终满足要求，表现为加速及爬坡等工况要求驱动电机具备大扭矩输出，但高速工况又需要电机的输出转速足够大。而如果仅通过增大驱动电机功率来解决上述问题将带来整车成本增加以及电机使用效率降低的问题。为此，通过给电驱动系统配置两挡机械自动变速器(2AMT)并利用高速挡与低速挡切换来提升电动汽车性能已成为重要举措［1］。换挡执行机构的作用是使同步器接合套轴向移动以实施换挡动作，目前执行机构根据动力源不同可分为液动、气动及电动三类［2］。通过换挡执行机构的优化设计来满足变速器快速、准确和可靠的换挡要求已成为2AMT研究重点［3~4］。本文设计了结构紧凑、效率高的电动换挡执行机构，并依据建立的动力学模型在MATLAB/Simulink软件中对换挡过程进行了动态仿真，最后根据仿真结果及换挡性能要求对执行机构进行了优化设计。本文设计的换挡执行机构由蜗轮蜗杆、凸轮、拨叉及同步器组成，采用具备可靠性高、寿命长等优点的无刷直流电机(BLDC)驱动。图1与图2分别为换挡执行机构的工作原理与实物图。蜗轮蜗杆的作用是对换挡电机的输出进行减速增扭；而凸轮圆周表面具备凹槽，凹槽内置可滑动从动件，从动件的另一端固定连接在拨叉上，可将蜗轮的旋转运动转变为拨叉的轴向移动。换挡机构设计的重点是凸轮表面圆周方向凹槽的设计。凹槽的轮廓曲线直接决定换挡的行程和时间，良好的凹槽曲线可以适应换挡过程的各个阶段，增加换挡平顺性，减小换挡齿轮间的打齿与磨损等。图3是凸轮转毂凹槽结构及其平面展开图，以2AMT升挡为例，斜坡2对应同步器从一挡至空挡的脱挡过程；水平段3是驱动电机的调速过程段，驱动电机通过调速使目标齿轮齿圈转速与同步器接合套转速一致以减少挂挡冲击；斜坡4对应驱动电机调速后同步器从空挡到二挡的挂挡过程;水平段5是变速器挂好二挡后的锁止段，可保证换挡完成后的变速器不能在外界冲击载荷作用下而发生脱档(同步器轴向移动)，同时可以弥补换挡执行电机因自身惯性带来的换挡误差。目前采用类似电动换挡执行机构的方案通常将斜槽段设计成螺旋曲线[1~4](平面展开图斜率一定)，但由于分段的凹槽轮廓曲线在运动变换连接处不光滑(即拨叉轴向运动位移函数z=f(0)-阶不可导)，换挡的平顺性较差。本文创新性地提出了余弦状凹槽轮廓线设计，可保证分段的凹槽中心线及其包络外轮廓绝对光滑，各段凹槽中心线参数方程表示如式(1)~(5)所示，其中ri(0)(i=1,2,3,4,5)为凸轮位于第i段的位置坐标，为凸轮转角，凸轮半径R=20mm,同步器挂挡行程h=10mm。r1(0)=(Rcos0,Rsin0,0)(0<0<01)r2(0)=(Rcos0,Rsin0,-cos(n)+)(01<0<0i)r3(0)=(Rcos0,Rsin0,h)(0i<0<0i)r4(0)=(Rcos0,Rsin0,-cos(n)+)(0i<0<0i)r5(0)=(Rcos0,Rsin0,2h)(0i<0<0i)理想的2AMT电驱动系统换挡过程应该是快速、平顺与准确的，但由于执行机构设计缺陷、驱动响应不理想以及制造误差等原因，变速器实际换挡性能并不能始终满足上述要求，因此有必要建立量化的换挡性能评价标准以进行执行机构设计优化。本文分别选定了换挡时间T、拨叉加速度dv/dt以及接合套位移误差As三个指标用于评价换挡性能，理论上为达到快速、平顺与准确换挡目标，三类指标大小均应该尽可能小。机构设计影响换挡性能，本文设计的换挡执行机构包括执行电机、蜗轮蜗杆、凸轮转毂、拨叉及同步器，各部件对换挡性能的影响如下：换挡时间T受执行电机响应时间、蜗轮蜗杆减速比i、凸轮完成换挡的转角任i影响，表现为电机响应越快、减速比i越小、凸轮转角J0i越小，换挡时间越短。拨叉加速度dv/dt主要受凸轮凹槽轮廓影响，理想的凹槽轮廓曲线可保证接合套在整个换挡过程中轴向移动速度光滑连续(在脱挡与空挡、空挡与挂挡等过渡阶段拨叉轴向移动速度不发生突变)，减少换挡冲击，提升换挡平顺性。接合套位移误差As指的是接合套完成换挡的位移与理论换挡行程的误差，而位移误差大小主要由机构各部件设计及制造误差决定，其中蜗轮蜗杆轮齿间隙以及凸轮转毂加工精度影响较大。由于换挡过程时间很短(一般小于2秒)，执行机构在换挡过程中多呈现瞬态特性，为了精确地研究换挡的性能，需要对换挡过程进行动力学建模分析。换挡过程动力学模型分为同步器建模与执行机构建模两部分，其中同步器建模可参见文献[5],本文重点对执行机构进行了动力学建模。由于换挡执行机构属于单自由度机械系统，本文通过建立等效力学模型来分析其动力学特性，将换挡执行电机选作等效构件，其转角作为广义坐标。首先定义换挡执行机构参数如下：机构设计参数同步器挂挡行程h;凸轮转毂半径R;蜗轮蜗杆减速比i;换挡执行电机、蜗杆、蜗轮与凸轮转毂的转动惯量分别为Jm、Jw、Jg与Jc。拨叉及同步器接合套质量之和为Ms。机构运动参数换挡执行电机、蜗杆、蜗轮与凸轮转毂的转角分别为em、ew、eg与ec,拨叉及同步器接合套位移为。xs=f(0c)建立的等效力学模型的等效转动惯量：等效力矩：其中：Tm为换挡执行电机输出扭矩，Fs为换挡过程中接合套轴向移动阻力。单自由度的机械系统动力学方程：不同凸轮凹槽曲线的形状会显著影响机构的动力学特性，主要表现为影响执行机构换挡平顺性，也会影响机构的等效转动惯量、等效力矩，本文采用的余弦凸轮凹槽曲线如式(1)~(5)所示，其中01-05为每段凹槽对应的中心角，属于常数。以挂挡过程为例，式(11)~(13)分别为换挡执行机构的等效转动惯量、等效力矩与等效转动惯量偏导。Ms[sin(n)]2Me=Tm-sin(n)=cos(n)将式(11)~(13)代入(10)可得换挡执行机构的动力学模型如下：m+cos(n)m=Tm-Fssin(n)对2AMT电驱动系统换挡过程仿真的目的在于分析其换挡性能，并根据仿真结果对执行机构进行优化设计。为此，本文根据换挡执行机构及同步器的的动力学模型在MATLAB/Simulink软件仿真环境下搭建了如图4所示的换挡过程模型，模型将换挡过程分成了脱挡、空挡、挂挡同步前、同步时与同步后五个阶段。模型上半部分为换挡执行电机控制模块以及输出模块，下半部分为换挡过程模块。换挡执行机构设计的仿真参数包括：蜗轮蜗杆减速比为62；换挡执行电机额定功率为85W,额定输出扭矩为0.27N-m。通过仿真可以计算出换挡时间「拨叉加速度dv/dt以及接合套位移误差As三个指标用于评价换挡性能。由图5可知若采用优化前螺旋状凸轮凹槽换挡执行机构，则拨叉会因在分段的凹槽轮廓曲线连接点处不光滑（拨叉位移关于凸轮角位移一阶导不连续）产生速度突变（拨叉加速度dv/dt趋近于无穷大）。为了提升换挡执行机构的平顺性，本文将凸轮轮廓在脱挡及挂挡段优化为半个周期的余弦曲线，由图5可知优化后的机构可使得拨叉移动速度一阶可导，且挂挡与脱挡的拨叉加速度可式（15）计算：本文设置了挂挡与脱挡驱动电机转速为4000rpm,02=90°,则优化后的拨叉移动最大速度与加速度分别为32mm/s与0.43m/s2。由优化后的换挡状态响应（如图6所示）可知：换挡总时间T约为1.5s，其中脱挡与挂挡时间分别为0.37s与0.45s；理论上换挡完成接合套位移误差As=0。当前常见的电动换挡执行机构多将凸轮凹槽轮廓设计为螺旋状，但因分段的凹槽轮廓在轨迹变换连接处不光滑，换挡过程拨叉移动易产生速度突变从而导致换挡冲击。本文为提升两挡AMT的换挡性能，引入了余弦曲线将凸轮凹槽轮廓优化成光滑可导轨迹。由换挡过程的动力学仿真可知：优化后的执行机构可使得拨叉在换挡过程中移动速度光滑可导，有助于提升换挡的平顺性或可靠性，降低AMT换挡故障率;优化后的执行机构完成换挡的时间约1.5s，理论上完成换挡的接合套位移误差△s=0。【相关文献】［1］吉毅，纯电动汽车用AMT参数设计及换挡控制策略优化［硕士论文］,重庆大学，2014.［2］程潇骁，电机变速器耦合系统换挡过程动力学建模与控制策略研究［硕士论文］,清华大学，2014.［3］胡建军，李康力，胡明辉等，纯电动轿车AMT换挡过程协调匹配控制方法，中国公路学报，2012（1）:152-158.［4］赵玉才，纯电动汽车AMT换挡执行机构设计及控制方法研究［