電驅(qū)動(dòng)兩擋AMT換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

陳懷山 巫少方 柴本本 林連華 徐海港

(1. 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海，200240； 2. 時(shí)風(fēng)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山東，聊城，252800)

電驅(qū)動(dòng)兩擋AMT換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

陳懷山1巫少方1柴本本1林連華2徐海港2

(1. 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海，200240； 2. 時(shí)風(fēng)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山東，聊城，252800)

本文以提升電動(dòng)車用兩擋AMT(Automated Mechanical Transmission)換擋性能為目標(biāo)，通過對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)快速、平順及準(zhǔn)確換擋，確定了換擋時(shí)間、撥叉移動(dòng)加速度、接合套位移誤差作為換擋性能評(píng)價(jià)的量化指標(biāo)。電動(dòng)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)由無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由蝸輪蝸桿、凸輪及撥叉同步器組成。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于根據(jù)換擋要求將分段的凸輪凹槽輪廓設(shè)計(jì)成了高階可導(dǎo)的光滑曲線，可顯著提升換擋過程的平順性。為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能，本文根據(jù)建立的動(dòng)力學(xué)模型在MATLAB/Simulink軟件下進(jìn)行了換擋過程仿真，仿真結(jié)果表明優(yōu)化后的執(zhí)行機(jī)構(gòu)撥叉軸向速度光滑可導(dǎo)，完成換擋(包含摘擋與掛擋)總時(shí)間約1.5 s，理論上換擋完成接合套位移誤差為零，而未優(yōu)化的機(jī)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生換擋沖擊。

純電動(dòng)汽車 兩擋機(jī)械自動(dòng)變速器 換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu) 平順性

0 引言

當(dāng)前純電動(dòng)汽車多采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)+主減速器的單級(jí)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的調(diào)速性能來滿足不同整車使用工況需求本項(xiàng)目由山東省科技重大專項(xiàng)資助，項(xiàng)目編號(hào)：2015ZDXX0601C01。但由于汽車使用工況較為復(fù)雜，一定功率驅(qū)動(dòng)電機(jī)牽引下的單級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)并不能始終滿足要求，表現(xiàn)為加速及爬坡等工況要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)具備大扭矩輸出，但高速工況又需要電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速足夠大。而如果僅通過增大驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率來解決上述問題將帶來整車成本增加以及電機(jī)使用效率降低的問題。為此，通過給電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)配置兩擋機(jī)械自動(dòng)變速器(2AMT)并利用高速擋與低速擋切換來提升電動(dòng)汽車性能已成為重要舉措[1]。換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用是使同步器接合套軸向移動(dòng)以實(shí)施換擋動(dòng)作，目前執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)動(dòng)力源不同可分為液動(dòng)、氣動(dòng)及電動(dòng)三類[2]。通過換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)來滿足變速器快速、準(zhǔn)確和可靠的換擋要求已成為2AMT研究重點(diǎn)[3～4]。

本文設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)緊湊、效率高的電動(dòng)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并依據(jù)建立的動(dòng)力學(xué)模型在MATLAB/Simulink軟件中對(duì)換擋過程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真，最后根據(jù)仿真結(jié)果及換擋性能要求對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)由蝸輪蝸桿、凸輪、撥叉及同步器組成，采用具備可靠性高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)的無刷直流電機(jī)(BLDC)驅(qū)動(dòng)。圖1與圖2分別為換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理與實(shí)物圖。蝸輪蝸桿的作用是對(duì)換擋電機(jī)的輸出進(jìn)行減速增扭；而凸輪圓周表面具備凹槽，凹槽內(nèi)置可滑動(dòng)從動(dòng)件，從動(dòng)件的另一端固定連接在撥叉上，可將蝸輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閾懿娴妮S向移動(dòng)。

圖1 換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理圖

Fig.1 Working theory of shifting actuator

圖2 換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)物結(jié)構(gòu)

換擋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是凸輪表面圓周方向凹槽的設(shè)計(jì)。凹槽的輪廓曲線直接決定換擋的行程和時(shí)間，良好的凹槽曲線可以適應(yīng)換擋過程的各個(gè)階段，增加換擋平順性，減小換擋齒輪間的打齒與磨損等。圖3是凸輪轉(zhuǎn)轂凹槽結(jié)構(gòu)及其平面展開圖，以2AMT升擋為例，斜坡2對(duì)應(yīng)同步器從一擋至空擋的脫擋過程；水平段3是驅(qū)動(dòng)電機(jī)的調(diào)速過程段，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過調(diào)速使目標(biāo)齒輪齒圈轉(zhuǎn)速與同步器接合套轉(zhuǎn)速一致以減少掛擋沖擊；斜坡4對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速后同步器從空擋到二擋的掛擋過程；水平段5是變速器掛好二擋后的鎖止段，可保證換擋完成后的變速器不能在外界沖擊載荷作用下而發(fā)生脫檔(同步器軸向移動(dòng))，同時(shí)可以彌補(bǔ)換擋執(zhí)行電機(jī)因自身慣性帶來的換擋誤差。

目前采用類似電動(dòng)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的方案通常將斜槽段設(shè)計(jì)成螺旋曲線[1～4](平面展開圖斜率一定)，但由于分段的凹槽輪廓曲線在運(yùn)動(dòng)變換連接處不光滑(即撥叉軸向運(yùn)動(dòng)位移函數(shù)z=f(θ)一階不可導(dǎo))，換擋的平順性較差。本文創(chuàng)新性地提出了余弦狀凹槽輪廓線設(shè)計(jì)，可保證分段的凹槽中心線及其包絡(luò)外輪廓絕對(duì)光滑，各段凹槽中心線參數(shù)方程表示如式(1)～(5)所示，其中ri(θ)(i=1, 2, 3, 4, 5)為凸輪位于第i段的位置坐標(biāo)，為凸輪轉(zhuǎn)角，凸輪半徑R=20 mm, 同步器掛擋行程h=

圖3 凸輪轉(zhuǎn)轂凹槽結(jié)構(gòu)及其平面展開圖

10 mm。

r1(θ)=(Rcosθ,Rsinθ, 0) (0<θ≤θ1)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

2 換擋性能評(píng)價(jià)指標(biāo)建立

理想的2AMT電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)換擋過程應(yīng)該是快速、平順與準(zhǔn)確的，但由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷、驅(qū)動(dòng)響應(yīng)不理想以及制造誤差等原因，變速器實(shí)際換擋性能并不能始終滿足上述要求，因此有必要建立量化的換擋性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以進(jìn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。本文分別選定了換擋時(shí)間T、撥叉加速度dv/dt以及接合套位移誤差Δs三個(gè)指標(biāo)用于評(píng)價(jià)換擋性能，理論上為達(dá)到快速、平順與準(zhǔn)確換擋目標(biāo)，三類指標(biāo)大小均應(yīng)該盡可能小。

機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)影響換擋性能，本文設(shè)計(jì)的換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括執(zhí)行電機(jī)、蝸輪蝸桿、凸輪轉(zhuǎn)轂、撥叉及同步器，各部件對(duì)換擋性能的影響如下：

(1)換擋時(shí)間T受執(zhí)行電機(jī)響應(yīng)時(shí)間、蝸輪蝸桿減速比i、凸輪完成換擋的轉(zhuǎn)角∑θi影響，表現(xiàn)為電機(jī)響應(yīng)越快、減速比i越小、凸輪轉(zhuǎn)角∑θi越小，換擋時(shí)間越短。

(2)撥叉加速度dv/dt主要受凸輪凹槽輪廓影響，理想的凹槽輪廓曲線可保證接合套在整個(gè)換擋過程中軸向移動(dòng)速度光滑連續(xù)(在脫擋與空擋、空擋與掛擋等過渡階段撥叉軸向移動(dòng)速度不發(fā)生突變)，減少換擋沖擊，提升換擋平順性。

(3)接合套位移誤差Δs指的是接合套完成換擋的位移與理論換擋行程的誤差，而位移誤差大小主要由機(jī)構(gòu)各部件設(shè)計(jì)及制造誤差決定，其中蝸輪蝸桿輪齒間隙以及凸輪轉(zhuǎn)轂加工精度影響較大。

3 換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模

由于換擋過程時(shí)間很短(一般小于2秒)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)在換擋過程中多呈現(xiàn)瞬態(tài)特性，為了精確地研究換擋的性能，需要對(duì)換擋過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模分析。換擋過程動(dòng)力學(xué)模型分為同步器建模與執(zhí)行機(jī)構(gòu)建模兩部分，其中同步器建?？蓞⒁娢墨I(xiàn)[5]，本文重點(diǎn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模。由于換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)屬于單自由度機(jī)械系統(tǒng)，本文通過建立等效力學(xué)模型來分析其動(dòng)力學(xué)特性，將換擋執(zhí)行電機(jī)選作等效構(gòu)件，其轉(zhuǎn)角作為廣義坐標(biāo)。

首先定義換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)參數(shù)如下：

(1)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

同步器掛擋行程h；凸輪轉(zhuǎn)轂半徑R；蝸輪蝸桿減速比i；換擋執(zhí)行電機(jī)、蝸桿、蝸輪與凸輪轉(zhuǎn)轂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為Jm、Jw、Jg與Jc。撥叉及同步器接合套質(zhì)量之和為Ms。

(2)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)

換擋執(zhí)行電機(jī)、蝸桿、蝸輪與凸輪轉(zhuǎn)轂的轉(zhuǎn)角分別為θm、θw、θg與θc，撥叉及同步器接合套位移為。

θg=θc=θm/i=θw/i

(6)

xs=f(θc)

(7)

建立的等效力學(xué)模型的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

(8)

等效力矩：

(9)

其中：Tm為換擋執(zhí)行電機(jī)輸出扭矩，F(xiàn)s為換擋過程中接合套軸向移動(dòng)阻力。

單自由度的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程：

(10)

不同凸輪凹槽曲線的形狀會(huì)顯著影響機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性，主要表現(xiàn)為影響執(zhí)行機(jī)構(gòu)換擋平順性，也會(huì)影響機(jī)構(gòu)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、等效力矩，本文采用的余弦凸輪凹槽曲線如式(1)～(5)所示，其中θ1～θ5為每段凹槽對(duì)應(yīng)的中心角，屬于常數(shù)。以掛擋過程為例，式(11)～(13)分別為換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、等效力矩與等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量偏導(dǎo)。

(11)

(12)

(13)

將式(11)～(13)代入(10)可得換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型如下：

(14)

4 機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的仿真驗(yàn)證

對(duì)2AMT電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)換擋過程仿真的目的在于分析其換擋性能，并根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。為此，本文根據(jù)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)及同步器的的動(dòng)力學(xué)模型在MATLAB/Simulink軟件仿真環(huán)境下搭建了如圖4所示的換擋過程模型，模型將換擋過程分成了脫擋、空擋、掛擋同步前、同步時(shí)與同步后五個(gè)階段。模型上半部分為換擋執(zhí)行電機(jī)控制模塊以及輸出模塊，下半部分為換擋過程模塊。

圖4 換擋過程分階段Simulink建模

換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的仿真參數(shù)包括：蝸輪蝸桿減速比為62；換擋執(zhí)行電機(jī)額定功率為85 W，額定輸出扭矩為0.27 N·m。通過仿真可以計(jì)算出換擋時(shí)間T、撥叉加速度dv/dt以及接合套位移誤差Δs三個(gè)指標(biāo)用于評(píng)價(jià)換擋性能。

由圖5可知若采用優(yōu)化前螺旋狀凸輪凹槽換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)，則撥叉會(huì)因在分段的凹槽輪廓曲線連接點(diǎn)處不光滑(撥叉位移關(guān)于凸輪角位移一階導(dǎo)不連續(xù))產(chǎn)生速度突變(撥叉加速度dv/dt趨近于無窮大)。為了提升換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的平順性，本文將凸輪輪廓在脫擋及掛擋段優(yōu)化為半個(gè)周期的余弦曲線，由圖5可知優(yōu)化后的機(jī)構(gòu)可使得撥叉移動(dòng)速度一階可導(dǎo)，且掛擋與脫擋的撥叉加速度可式(15)計(jì)算：

(15)

本文設(shè)置了掛擋與脫擋驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為4 000 rpm，θ2=90°，則優(yōu)化后的撥叉移動(dòng)最大速度與加速度分別為32 mm/s與0.43 m/s2。由優(yōu)化后的換擋狀態(tài)響應(yīng)(如圖6所示)可知：換擋總時(shí)間T約為1.5 s，其中脫擋與掛擋時(shí)間分別為0.37 s與0.45 s；理論上換擋完成接合套位移誤差Δs=0。

優(yōu)化前凸輪凹槽輪廓線

優(yōu)化前拔叉速度響應(yīng)

優(yōu)化后凸輪凹槽輪廓線

優(yōu)化后拔叉速度響應(yīng)

圖5 優(yōu)化前后的凸輪凹槽輪廓及撥叉移動(dòng)速度響應(yīng)仿真

圖6 優(yōu)化后升擋過程狀態(tài)量響應(yīng)

5 結(jié)論

當(dāng)前常見的電動(dòng)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)多將凸輪凹槽輪廓設(shè)計(jì)為螺旋狀，但因分段的凹槽輪廓在軌跡變換連接處不光滑，換擋過程撥叉移動(dòng)易產(chǎn)生速度突變從而導(dǎo)致?lián)Q擋沖擊。本文為提升兩擋AMT的換擋性能，引入了余弦曲線將凸輪凹槽輪廓優(yōu)化成光滑可導(dǎo)軌跡。由換擋過程的動(dòng)力學(xué)仿真可知：優(yōu)化后的執(zhí)行機(jī)構(gòu)可使得撥叉在換擋過程中移動(dòng)速度光滑可導(dǎo)，有助于提升換擋的平順性或可靠性，降低AMT換擋故障率；優(yōu)化后的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成換擋的時(shí)間約1.5s，理論上完成換擋的接合套位移誤差Δs=0。

[1] 吉毅，純電動(dòng)汽車用AMT參數(shù)設(shè)計(jì)及換擋控制策略優(yōu)化[碩士論文]，重慶大學(xué)，2014.

[2] 程瀟驍，電機(jī)變速器耦合系統(tǒng)換擋過程動(dòng)力學(xué)建模與控制策略研究[碩士論文]，清華大學(xué)，2014.

[3] 胡建軍，李康力，胡明輝等，純電動(dòng)轎車AMT換擋過程協(xié)調(diào)匹配控制方法，中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2012(1):152-158.

[4] 趙玉才，純電動(dòng)汽車AMT換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制方法研究[碩士論文]，合肥工業(yè)大學(xué)，2015.

[5] Li H, Lu T, Zhang J, et al. Modelling and analysis of the synchronization process for a wet dual-clutch transmission [J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part D Journal of Automobile Engineering, 2015, 20(2):64-66.

ShiftingActuatorDesignandOptimizationofTwo-speedAMTforElectricVehicle

ChenHuaishan1WuShaofang1Chaibenben1LinLianhua2XuHaigang2

(1.SchoolofMechanicalEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240; 2.ShifengGroupCompanyLimited,Liaocheng,Shandong252800)

The shifting actuator design and optimization of two-speed AMT(Automated Mechanical Transmission) for electric vehicles are proposed in the paper, with purpose to improve shifting performance. It is rapidity, comfort, and accuracy, which separately corresponds to time cost, fork acceleration and displacement error during shifting, that evaluate the performance. The shifting actuator is driven by brushless DC motor (BLDC) and is made up of worm reducer, cam, fork and synchronizer. The profile of cam is designed smoothly, which could definitely improve shifting comfort. Based on dynamic equation, the dynamic response is simulated in MATLAB/Simulink to analyze the shifting performance of 2AMT, and the result shows the optimized cosine cam groove could reduce shifting impact compared to the spiral one, and it costs 1.5 seconds to finish shifting process.

Electric vehicle Two-speed AMT Shifting actuator Shifting comfort

U463.212+.33

B

1006-8244(2017)03-014-05