電動(dòng)直連變速箱換擋控制分析

馬洪濤，劉 鐘，劉 堯

電動(dòng)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(dòng)變速箱控制系統(tǒng)的核心技術(shù)，決定著整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及舒適性指標(biāo)。電動(dòng)直連變速箱舍棄了機(jī)械式同步器，使得接合套與接合齒之間缺乏對(duì)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(dòng)直連變速箱控制中，文章引入驅(qū)動(dòng)電機(jī)精準(zhǔn)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(biāo)。最后，通過臺(tái)架與整車道路試驗(yàn)完成了算法驗(yàn)證，為后續(xù)產(chǎn)品市場(chǎng)投放與技術(shù)升級(jí)奠定基礎(chǔ)。

電動(dòng)直連；換擋控制；換擋規(guī)律；換擋品質(zhì)

在“雙碳”政策的推動(dòng)下，以純電動(dòng)汽車為代表的新能源汽車產(chǎn)業(yè)迎來了發(fā)展機(jī)遇。汽車動(dòng)力系統(tǒng)逐漸變革為中置式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和集成式電動(dòng)橋等多種形式?，F(xiàn)階段，純電動(dòng)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(dòng)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(fù)載、路況等復(fù)雜因素，仍需要變速箱采用多擋位設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力邊界的拓展。

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

本文以兩擋電動(dòng)橋?yàn)檠芯繉?duì)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(biāo)進(jìn)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(tái)架與整車道路驗(yàn)證。另外，鑒于電動(dòng)直連變速箱不存在離合器接合控制，特別指出，電動(dòng)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(qiáng)度。

1 直連式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

本文研究對(duì)象為適用于4×2中、輕型載貨車的集成式兩擋電動(dòng)橋（圖1），此動(dòng)力系統(tǒng)將電機(jī)、兩擋變速箱及車橋進(jìn)行高度集成，具有集成化、輕量化、體積小等優(yōu)點(diǎn)。在滿足整車動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性需求的同時(shí)，取消傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)橋需要整車控制器（Vehicle Control Unit, VCU）、電機(jī)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(jìn)入換擋控制邏輯，并向VCU請(qǐng)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(dòng)作；

最后，TCU在完成換擋動(dòng)作后，將MCU控制權(quán)返還VCU。

圖2 動(dòng)力域控制通訊網(wǎng)絡(luò)

1.2 換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)

電動(dòng)直連變速系統(tǒng)，大多采用電動(dòng)撥叉式換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)（圖3）。工作原理即換擋電機(jī)經(jīng)蝸輪蝸桿或滾珠絲杠等機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)換擋撥叉，進(jìn)而帶動(dòng)滑動(dòng)接合套，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)擋位齒輪的花鍵齒聯(lián)結(jié)動(dòng)作。

圖3 撥叉式換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)

2 最佳擋位決策與換擋過程控制

電動(dòng)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(gè)步驟的控制水平直接決定了換擋沖擊指標(biāo)水平，并對(duì)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(diǎn)。兩參數(shù)法具有穩(wěn)定可靠和實(shí)現(xiàn)簡單的特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)過程中，依據(jù)整車輸出MAP初步確定換擋點(diǎn)，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(jì)準(zhǔn)則，對(duì)換擋點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。應(yīng)指出的是，輸出扭矩的連續(xù)性和換擋時(shí)間是決定換擋頓挫指標(biāo)的關(guān)鍵因素，尤其是對(duì)于電動(dòng)AMT系統(tǒng)。

換擋頓挫的量化指標(biāo)是沖擊度，是評(píng)價(jià)整車平順性的重要指標(biāo)。我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)阻力、風(fēng)阻及坡阻的總和；m為電機(jī)輸出扭矩；i0為各擋位速比和主減速比；t為電機(jī)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(shí)際換擋過程中，換擋時(shí)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(jìn)一步講，換擋頓挫指標(biāo)則僅由電機(jī)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(dòng)力中斷狀態(tài)近似為零。此外，前、后分別對(duì)應(yīng)卸載與加載過程，對(duì)應(yīng)的沖擊度可以標(biāo)定為固定值，即電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩進(jìn)行恒斜率的線性控制。

由于電動(dòng)直連變速箱的固有特點(diǎn)，整車沖擊度必須經(jīng)歷負(fù)-零-正的沖擊度演變進(jìn)程。對(duì)于控制算法的設(shè)計(jì)而言，關(guān)鍵在于壓縮“摘擋-調(diào)速-掛擋”時(shí)間，以及標(biāo)定出兼顧沖擊度與動(dòng)力性的電機(jī)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(diǎn)標(biāo)定與接合控制

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

2.2.1臨界掛擋點(diǎn)標(biāo)定

接合套與擋位齒輪在裝配過程中，存在相對(duì)位置公差。因此，變速箱在下線時(shí)，需要對(duì)臨界掛擋點(diǎn)進(jìn)行位置標(biāo)定。具體操作時(shí)，首先，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行低轉(zhuǎn)速的恒速控制，然后，對(duì)接合套進(jìn)行蠕行位移控制，直至輸出軸出現(xiàn)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)，則將此時(shí)撥叉位置設(shè)定為臨界掛擋點(diǎn)。另外，臨界摘擋點(diǎn)可在臨界掛擋點(diǎn)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(duì)應(yīng)的標(biāo)定過程。

2.2.2臨界掛擋點(diǎn)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(jìn)-慢進(jìn)-快進(jìn)-慢進(jìn)-慢退，共計(jì)五個(gè)階段的閉環(huán)位移控制。其中第一個(gè)“慢進(jìn)”步驟就是在接合套移動(dòng)至臨界掛擋點(diǎn)時(shí)，對(duì)其進(jìn)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(jìn)擋的前提下，盡量降低對(duì)接合套花鍵齒端部的強(qiáng)度要求。

2.3 卸載與加載斜率設(shè)計(jì)

卸載與加載階段的設(shè)計(jì)對(duì)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(cè)試與駕駛感受，標(biāo)定出扭矩的變化斜率。一般而言，扭矩幅值較低時(shí)，卸載與加載時(shí)間較短，換擋頓挫不明顯。但是對(duì)于全油門工況，則由于AMT的動(dòng)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(jì)

3.1 換擋規(guī)律曲線設(shè)計(jì)

換擋點(diǎn)的設(shè)計(jì)在保證換擋前后輸出動(dòng)力連續(xù)性的基本前提下，進(jìn)一步需要考慮整車對(duì)動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)要求。因此，換擋點(diǎn)分為動(dòng)力換擋點(diǎn)與經(jīng)濟(jì)換擋點(diǎn)，動(dòng)力換擋點(diǎn)的設(shè)計(jì)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(jì)換擋點(diǎn)主要是基于電機(jī)效率最高的原則。圖4為采用兩參數(shù)法設(shè)計(jì)出的動(dòng)力換擋點(diǎn)的規(guī)律曲線，右側(cè)標(biāo)識(shí)線為升擋點(diǎn)曲線，左側(cè)標(biāo)識(shí)線為降擋點(diǎn)曲線。

圖4 動(dòng)力換擋點(diǎn)設(shè)計(jì)與扭矩輸出特性

在具體設(shè)計(jì)過程中，主要依據(jù)整車動(dòng)力模型仿真結(jié)果作為評(píng)價(jià)依據(jù)，并進(jìn)行迭代優(yōu)化，從而制定出動(dòng)力換擋點(diǎn)的換擋規(guī)律曲線，并得到電動(dòng)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(dòng)橋輸出扭矩的接續(xù)是平滑的，僅存在輕微的波動(dòng)，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(jì)

換擋阻力分為掛擋力與摘擋力，是決定換擋時(shí)間與換擋成功率的關(guān)鍵因素。換擋阻力的設(shè)計(jì)，尤其是對(duì)于掛擋力，其關(guān)鍵在于平衡換擋電機(jī)功率與接合齒倒角面強(qiáng)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(jī)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(qiáng)度不足，下面對(duì)其展開詳細(xì)設(shè)計(jì)分析。

3.2.1掛擋力分析

掛擋過程中，接合套與目標(biāo)擋位接合齒圈存在掛擋阻力（圖5），尤其是倒角面碰撞時(shí)，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(jī)理：在具體控制過程中，為了實(shí)現(xiàn)掛擋動(dòng)作，接合套與目標(biāo)擋位齒圈之間設(shè)定轉(zhuǎn)速差，如±10 r/min。設(shè)計(jì)依據(jù)是主、從動(dòng)端之間絕對(duì)的同步控制難以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)轉(zhuǎn)速差可以避免接合齒頂齒干涉。在接合瞬間，電機(jī)一側(cè)作為被同步端，需要被瞬時(shí)同步，因此，對(duì)主動(dòng)端造成同步阻力矩C，進(jìn)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(dá)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(shí)，要將上一階段即調(diào)速狀態(tài)下的電機(jī)扭矩指令迅速清零，避免電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)扭矩和行駛阻力，具體表現(xiàn)為

式中，m為電機(jī)輸入扭矩；v為負(fù)載阻力矩；m為接合齒圈與電機(jī)端之間的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；v為接合齒與負(fù)載端之間的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(shí)忽略旋轉(zhuǎn)阻尼對(duì)力矩傳導(dǎo)的影響，由式（5）、式（6）可得

因此，當(dāng)電機(jī)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(jī)扭矩降為0。

4 臺(tái)架與路試驗(yàn)證

4.1 臺(tái)架驗(yàn)證

在臺(tái)架試驗(yàn)中，開展換擋疲勞測(cè)試，同時(shí)對(duì)換擋成功率、換擋沖擊進(jìn)行了指標(biāo)提取。首先，在試驗(yàn)數(shù)據(jù)中隨機(jī)抽取100次連續(xù)換擋過程的報(bào)文數(shù)據(jù)，經(jīng)確認(rèn)換擋成功率為100%，其中因?yàn)榻雍淆X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(dòng)信號(hào)，反映掛擋瞬間變速箱的同步?jīng)_擊程度，見圖7。殼體瞬時(shí)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(dòng)電機(jī)和換擋電機(jī)均可以按指令動(dòng)作，且控制效果滿足預(yù)期目標(biāo)。

圖7 換擋沖擊時(shí)域圖

4.2 整車路試驗(yàn)證

在整車路試過程中，選取城市與郊區(qū)的復(fù)合路況，對(duì)換擋性能進(jìn)行了20 000 km的換擋控制性能驗(yàn)證（圖8），期間換擋控制器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)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(bào)文與擋位報(bào)文，以及MCU的扭矩、轉(zhuǎn)速報(bào)文，對(duì)換擋性能指標(biāo)，如換擋時(shí)間、換擋成功率進(jìn)行了全程統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)顯示換擋時(shí)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(tái)架測(cè)試結(jié)果。

5 總結(jié)

首先，對(duì)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(duì)換擋頓挫的技術(shù)要求，同時(shí)少擋化設(shè)計(jì)，簡化了換擋規(guī)律曲線的設(shè)計(jì)；對(duì)于掛擋動(dòng)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(jī)械強(qiáng)度的前提下，有效提升換擋成功率。

其次，臺(tái)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(dòng)橋；研究成果將有力地支撐產(chǎn)品的市場(chǎng)驗(yàn)證與推廣工作，同時(shí)為后續(xù)的技術(shù)升級(jí)工作提供參考。

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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?yàn)殡妱?dòng)車橋設(shè)計(jì)，E-mail:hongxiaotaohunan@126.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.012.005