李波, 葛文慶, 俞瀟, 邵世磊, 關博漢

(1.山東理工大學 交通與車輛工程學院, 山東 淄博 255049; 2.南京工業(yè)大學 海外教育學院, 江蘇 南京 211816)

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快速節(jié)能的電動汽車換擋機構設計與性能分析

李波1, 葛文慶1, 俞瀟1, 邵世磊1, 關博漢2

(1.山東理工大學 交通與車輛工程學院, 山東 淄博 255049; 2.南京工業(yè)大學 海外教育學院, 江蘇 南京 211816)

為進一步提升電動汽車的動力性能和續(xù)航里程，提出一類應用直驅技術的電控機械式自動變速器換擋機構，設計換擋驅動裝置和換擋機構結構，建立換擋過程數(shù)學模型，分析并評估3種應用直驅技術的換擋機構性能，依據(jù)實車驅動裝置及變速系統(tǒng)參數(shù)，在裝載直驅換擋機構的通用試驗平臺上完成試驗研究。結果表明，電動撥叉式和電動接合套式換擋機構與電動二自由度換擋機構相比，當換擋驅動裝置輸出的驅動力規(guī)律相同時，進擋時間分別縮短3%和7%；當追求的換擋品質相同時，進擋過程中換擋驅動裝置的機械損耗分別降低18%和34%，在擋位數(shù)要求較少的電動汽車上應用電動撥叉式或電動接合套式換擋機構時，將會有效提升換擋動力性和經(jīng)濟性，且對豐富和發(fā)展電動汽車傳動理論有重要的科學意義。

電動汽車；直驅技術；換擋機構；換擋動力性；換擋經(jīng)濟性

電動汽車使用電動機作為傳動系統(tǒng)的動力源，緩解了能源緊缺的壓力，實現(xiàn)了人們長期以來對汽車零尾氣排放的期盼，但也同時引入了傳動系統(tǒng)體積大、動力性能不足和續(xù)航里程短等問題[1]。美國著名的電動客車制造公司Proterra研究發(fā)現(xiàn)，三擋變速系統(tǒng)可將驅動電機工作在驅動模式和能源再生制動模式時的運行效率控制在92%～95%[2]。

電動汽車的純電控制動力輸出為驅動電機與電控機械式自動變速器(automated mechanical transmission,AMT)的一體化控制創(chuàng)造了更為有利的條件。AMT根據(jù)換擋驅動裝置的結構形式不同，可分為電控氣動式、電控液動式、全電式和直驅式4種。電控氣動式和電控液動式的傳動介質具有很好的緩沖性能，有效減小了換擋沖擊[3-4]；全電式和直驅式的機械式傳動機構具有較快的響應速度，有效縮短了換擋動力中斷時間[5]。

與其他形式的AMT相比，直驅AMT取消了運動形式轉換和傳輸介質等中間動力傳輸環(huán)節(jié)，較大程度地提升了自動變速系統(tǒng)的動態(tài)響應速度和傳動效率[6]，而近年來飛速發(fā)展的電控技術為電動汽車動力系統(tǒng)的一體化控制和減小直驅AMT的換擋沖擊提供了技術保障[7]。

為提升電動汽車的換擋動力性和經(jīng)濟性，提出一類應用直驅技術的快速節(jié)能的電動汽車汽車用自動變速系統(tǒng)，自主研發(fā)一類具有高功率密度的動圈式電磁執(zhí)行器，設計并評估不同形式換擋機構的性能差異，依據(jù)實車驅動裝置及變速系統(tǒng)參數(shù)，在通用的直驅式AMT試驗平臺上完成性能驗證工作。

1 直驅式換擋驅動裝置原理

前期研究中開發(fā)了一類具有直驅特性的應用“電-磁-力”轉換原理的電磁執(zhí)行器，直線運動部分采用動圈式結構，如圖1所示。

動子為繞有漆包線的線圈骨架，線圈骨架中左右兩側的2組線圈采用串聯(lián)方式連接且單側線圈分為2層并聯(lián)連接，使執(zhí)行器直動時產生的電樞反應在一定程度上相互抵消并可在同等驅動電壓下增大了線圈中的驅動電流；定子部分的永磁體采用Halbach陣列方式，減小電磁執(zhí)行器時間常數(shù)的同時彌補了氣隙中磁通密度相對較低的缺點[8]。

圖1 直線運動部分結構示意圖

除直動外，設計了繞執(zhí)行器軸旋轉的運動結構，其電磁轉矩轉換原理如圖2所示。繞在旋轉磁軛上的勵磁線圈通電后產生磁場，磁通方向如圖中箭頭方向所示，由于磁通總是沿著磁導最小的路徑閉合，在轉子上將會產生如圖中所示方向的電磁轉矩，使轉子從圖中初始位置轉至終止位置后自動停止轉動，實現(xiàn)執(zhí)行器轉動部分的限角度轉動功能；轉子轉到最大角度后具有自停止特性，針對不同的應用場合設計相應的最大轉動角度可有效提高旋轉運動的控制精度。

圖2 電磁轉矩轉換原理

依據(jù)電磁執(zhí)行器的直動與轉動原理，針對不同形式的直驅AMT換擋機構可以開發(fā)不同結構的電磁執(zhí)行器，現(xiàn)階段已完成單自由度電磁直線執(zhí)行器和二自由度電磁執(zhí)行器樣機研制工作，為直驅AMT換擋機構方案評估奠定了試驗基礎。

2 直驅AMT換擋機構方案設計

為滿足不同電動汽車用變速系統(tǒng)擋位數(shù)和結構緊湊性需求，設計了電動二自由度式換擋機構(electric 2DOF-type shifting mechanism,ETSM)、電動撥叉式換擋機構(electric fork-type shifting mechanism,EFSM)和電動接合套式換擋機構(electric sleeve-type shifting mechanism,ESSM)。

2.1 電動二自由度式換擋機構

ETSM如圖3所示，二自由度電磁執(zhí)行器集直動和轉動功能與一體，旋轉部分驅動換擋撥桿選擇不同的換擋撥塊以完成選擋動作；直動部分依次通過換擋撥桿、換擋撥塊、換擋撥叉軸和換擋撥叉驅動同步器上的接合套，完成退、進擋的直線運動。

圖3 電動二自由度式換擋機構

ETSM通過1個執(zhí)行器可完成6個擋位的選換擋操作，結構簡單、體積小，對傳統(tǒng)手動變速器的改動小、成本低。二自由度電磁執(zhí)行器的直動與轉動相互獨立，使ETSM具有選、換擋同時進行的功能，進一步縮短了動力中斷時間。其優(yōu)越性已在前期研究工作中得到驗證，本研究中將以ETSM的性能作為EFSM和ESSM性能的衡量標準。

2.2 電動撥叉式換擋機構

EFSM如圖4所示，動圈式電磁直線執(zhí)行器的線圈骨架直接與換擋撥叉軸相連，進一步取消了ETSM中的執(zhí)行器軸、換擋撥桿和換擋撥塊等部件，僅通過換擋撥叉驅動同步器上的接合套完成退、進擋操作。

圖4 電動二自由度式換擋機構

EFSM與ETSM相比具有更高的動態(tài)響應速度和可控性，但1個電磁直線執(zhí)行器僅能驅動2個擋位，執(zhí)行器的個數(shù)由變速系統(tǒng)的擋位數(shù)決定；從EFSM的結構特點可以看出，換擋過程中無選擋過程，且各執(zhí)行器的直線運動互不干涉，可實現(xiàn)退、進擋同時進行的功能，大大縮短了車輛換擋過程中的動力中斷時間。

2.3 電動接合套式換擋機構

ESSM如圖5所示，電磁直線執(zhí)行器外磁軛、永磁體等定子部分通過執(zhí)行器固定板與變速器殼體相連，取消了自動變速系統(tǒng)中的換擋撥桿、換擋撥塊、換擋撥叉軸和換擋撥叉等選換擋執(zhí)行機構，線圈骨架直接驅動接合套完成左右2個擋位的退、進擋操作。

圖5 電動接合套式換擋機構

相比于另外2種直驅AMT換擋機構，ESSM對傳統(tǒng)變速系統(tǒng)的改動最大，但結構緊湊性最好且最大程度提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應速度和可控性，進而可進一步減小自動換擋過程中的動力中斷時間和能量損耗。ESSM應用在對變速器擋位數(shù)要求不多的電動汽車傳動系統(tǒng)中時，將最大程度提升換擋動力性和經(jīng)濟性。

表1中給出了上述3種直驅AMT換擋機構退、進擋過程的直動部件組成及實測總質量。由于ESSM中線圈骨架直接套在接合套上，使其結構尺寸明顯大于傳統(tǒng)接合套，但從表中數(shù)據(jù)可以看出，與ETSM相比，EFSM和ESSM的運動質量分別減小18%和34%。

表1 3種換擋機構對比結果

ETSM、EFSM和ESSM的方案性能評估結果如圖6所示。3種直驅AMT換擋機構均不存在運動轉換裝置，傳動效率基本相同；ETSM的改裝成本和改裝難度較優(yōu)，適用于傳統(tǒng)汽車的傳動系統(tǒng)；ESSM的換擋動力性和經(jīng)濟性能較好，更適用于動力性能和續(xù)航里程不足的電動汽車傳動系統(tǒng)，具有很好的技術前沿性和研究價值；而EFSM各項性能居中，在傳統(tǒng)汽車和電動汽車中均有較好的應用前景。

圖6 3種方案性能評估

3 性能仿真

在分析變速器換擋機理的基礎上，對進擋過程進行分段分析并建立換擋驅動力的數(shù)學模型，完成基于MATLAB/Simulink的3種直驅AMT換擋機構的性能仿真研究。

3.1 進擋過程分析

為獲得更好的換擋過程控制精度，課題研究過程中將進擋過程分為6個階段，如圖7所示。

圖7 進擋過程分段示意圖

圖中:Fu為進擋過程的換擋驅動力；su為進擋位移；tu為進擋時間；Fs為同步力；ts為同步時間；nIs為輸入軸轉速；αr為同步環(huán)的角位移；αg為目標擋齒輪的角位移。前期研究得到的進擋過程換擋驅動力數(shù)學模型如(1)式所示,式中各符號含義如表2所示。

表2 (1)式中符號含義

(1)

進擋過程中除同步階段開始前的換擋沖擊外,第5階段開始前的二次換擋沖擊也是影響換擋品質的主要因素。接合套運動到目標擋齒輪齒圈處時,其內花鍵與目標擋齒輪齒圈之間的相對位置關系可能出現(xiàn)如圖8所示的3種情況。

圖8 內花鍵與齒圈間的相對位置關系

當接合套內花鍵與目標擋齒輪齒圈如圖8a)中所示處于完全相抵狀態(tài)時,為使接合套繼續(xù)移動以完成進擋操作,目標擋齒輪齒圈需轉過花鍵所占圓周角度的一半;當相對位置關系如圖8b)所示時,目標擋齒輪齒圈無需轉動,此時第5階段可與第6階段合并;當接合套內花鍵與目標擋齒輪齒圈處于如圖8c)所示的不完全相抵狀態(tài)時,目標擋齒輪齒圈的轉動角度具有一定的隨機性。仿真分析時以完全相抵狀態(tài)為例,而試驗過程中目標擋齒輪齒圈需轉過的角度是隨機的,為盡量減小換擋二次沖擊,進擋第4階段結束時換擋機構的速度應趨近零。

3.2 建模與仿真

為更好銜接各換擋階段執(zhí)行器的運行狀態(tài),應用Stateflow模塊建立換擋過程的邏輯控制狀態(tài)圖,進而建立如圖9所示直驅AMT換擋過程的通用仿真模型,選擋模塊僅用于ETSM。

圖9 直驅AMT換擋過程通用仿真模型

換擋過程仿真與試驗研究中以國產某型號電動汽車驅動電機參數(shù)和某型號手動變速器內部結構參數(shù)為基礎,當同步轉速差為900 r/min、被同步部分轉動慣量為0.05 kg·m2、最大瞬時換擋驅動力為1 000 N時,在滿足換擋沖擊要求的前提條件下,ETSM、EFSM和ESSM的進擋過程仿真結果如圖10所示。

圖10 不同換擋機構的進擋過程仿真結果

仿真過程中假定同步器摩擦錐面間的摩擦系數(shù)不變,當換擋控制方法和最大瞬時驅動力相同時,同步時間基本相同,而ETSM、EFSM和ESSM的進擋時間分別為236 ms、229 ms和221 ms,相比ETSM,EFSM和ESSM的進擋時間分別縮短3%和7%,其主要原因在于換擋機構位移時間(進擋第1、4、6階段的總時間)分別為46 ms、39 ms和31 ms,提升了車輛的換擋動力性。

放大圖10中的進擋第1階段,得到同步階段開始前3種換擋機構的仿真結果如圖11所示,從圖中可以明顯看出ETSM到達同步階段的時間晚于EFSM和ESSM,且直動總質量最小的ESSM的響應速度最快。

圖11 不同換擋機構同步前的仿真結果

4 試驗驗證

搭建裝載直驅換擋機構的通用試驗平臺如圖12所示,模擬同步轉速差變頻電機最大轉速為1 400 r/min,慣量盤可模擬0.01～0.06 kg·m2范圍內的被同步部分轉動慣量,使試驗平臺可模擬不同車型、不同換擋參數(shù)下的選換擋過程。

圖12 直驅換擋機構通用試驗平臺

由于加工精度、安裝誤差和輸入軸達到預定轉速所使用的變頻電機空轉時阻力矩等因素的存在(統(tǒng)稱為試驗平臺阻力矩TR),使換擋過程的試驗結果存在一定的誤差。

為此,開啟變頻電機驅動輸入軸至預定轉速,轉速穩(wěn)定后切斷電動機的電源并開始采集輸入軸轉矩的變化規(guī)律。此時選換擋執(zhí)行機構不輸出驅動力,同步轉矩為零,試驗平臺輸入軸從預定轉速至靜止的過程僅在試驗平臺阻力矩TR的作用下完成,即轉矩轉速傳感器采集到的信號為TR,如圖13所示。

圖13 試驗平臺阻力矩測試結果

通常情況下,AMT選換擋過程中的換擋時間、換擋沖擊和同步器使用壽命之間是相互矛盾的,試驗時需通過合適的換擋控制系統(tǒng)加以協(xié)調。圖14為試驗研究中使用的換擋控制系統(tǒng)框圖,控制系統(tǒng)由ARM微控制器、功率驅動板、信號反饋與處理模塊和上位機組成。

圖14 控制系統(tǒng)框圖

同步階段的控制策略主要是控制單位面積滑摩功不超過最大許用值,并將換擋沖擊度控制在較小的范圍內[9-10]。試驗過程中以同步轉速差和被同步部分轉動慣量為輸入,通過模糊控制確定最大瞬時驅動力的大小,并應用最優(yōu)控制理論確定同步轉矩的最優(yōu)軌跡線后,采用電流閉環(huán)控制的方法,實現(xiàn)換擋驅動裝置的實時控制。

換擋機構存在位移的階段采用換擋系統(tǒng)首先以直接驅動裝置最大加速性能加速,到達最優(yōu)或較優(yōu)的最大速度vopt后再減速緩沖的PD閉環(huán)控制策略,既能快速消除間隙,又能有效控制運動速度,在試驗過程中取得了較好的控制效果。圖15為換擋機構的理想速度特性示意圖。

圖15 換擋機構理想速度特性示意圖

結合試驗平臺阻力矩對試驗結果影響的分析結果,完成了ETSM和EFSM在同步轉速差為900 r/min、被同步部分轉動慣量為0.05 kg·m2、最大瞬時換擋驅動力為1 000 N時的試驗研究,如圖16所示,驗證了仿真分析結果的準確性。

圖16 ETSM和EFSM的進擋過程試驗結果

圖17為ETSM和EFSM運動速度的試驗結果,從中可以看出,各階段臨近結束時,將驅動裝置的運動速度控制在較小的范圍內,且變化較平緩,所用控制策略有效減小了換擋沖擊并降低了打齒現(xiàn)象發(fā)生的概率。

圖17 ETSM和EFSM的運動速度試驗結果

電磁執(zhí)行器作為換擋驅動裝置時,其能量損耗主要包括機械損耗、內部的銅損和鐵損,機械損耗存在于同步階段以外的執(zhí)行器有位移發(fā)生的換擋階段[11]。假定執(zhí)行器在運動過程中能保持如圖15中的最大加速度運動,并在單換擋階段開始和結束時的速度均為0,則此階段的機械損耗QF可表述為

(2)

由(2)式可知,執(zhí)行器的機械損耗與換擋機構的直動總質量成正比,參照表1中的數(shù)據(jù),當追求的換擋品質相同時,與ETSM相比,EFSM和ESSM在進擋過程中的換擋驅動裝置機械損耗分別降低18%和34%。提升了車輛的換擋經(jīng)濟性。

電動汽車在緩解能源壓力的同時,實現(xiàn)了汽車運行過程中的零尾氣排放,然而動力性能和續(xù)航里程等問題制約了電動汽車的發(fā)展。驅動電機具有較寬的恒功率區(qū),運行過程中對變速系統(tǒng)的擋位數(shù)要求較少,有利于EFSM和ESSM在動力系統(tǒng)中的應用,且能較大程度提升電動汽車的換擋動力性和經(jīng)濟性。

5 結 論

1) 針對電動汽車動力性能及續(xù)航里程不足等問題,設計了一類基于動圈式電磁執(zhí)行器的快速節(jié)能換擋機構,采用理論分析、數(shù)值模擬和試驗相結合的方法,驗證了此類換擋機構的優(yōu)越性。

2) 當換擋控制方法和最大瞬時驅動力相同時,相比于ETSM,EFSM和ESSM的進擋時間分別縮短3%和7%,提升了電動汽車的換擋動力性。

3) 當追求的換擋品質相同時,與ETSM相比,EFSM和ESSM在進擋過程中的換擋驅動裝置機械損耗分別降低18%和34%。提升了電動汽車的換擋經(jīng)濟性。

[1] 中國科學院能源領域戰(zhàn)略研究組. 中國至2050年能源科技發(fā)展路線圖[M]. 北京:科學出版社,2009

Energy Strategy Research Group of Chinese Academy of Sciences. Energy Technology Roadmap of China until 2050[M]. Beijing, Science Press, 2009 (in Chinese)

[2] Wang H B, Song X B, Saltsman B, et al. Comparative Studies of Drivetrain Systems for Electric Vehicles[C]∥SAE 2013 World Congress, Warrendale PA, SAE, 2013

[3] 劉振軍,秦大同,胡建軍. 重型車輛電控機械式自動變速系統(tǒng)設計與應用[J]. 農業(yè)機械學報,2011,42(8):7-14

Liu Zhenjun,Qin Datong,Hu Jianjun. Design and Application of Heavy Truck AMT System[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2011,42(8):7-14 (in Chinese)

[4] Naunheimer H, Bertsche B, Ryborz J, at el. Automotive Transmissions[M]. Heidelberg, Springer Verlag, 2010

[5] Turner A, Ramsay K, Clark R, et al. Direct-Drive Rotary-Linear Electromechanical Actuation System for Control of Gearshifts in Automated Transmissions[C]∥IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, Arlington, TX, United states, 2007: 267-272

[6] 葉云岳. 高效節(jié)能的直驅技術及其應用[C]∥中國電工技術學會學術年會,2011:650-652

Ye Yunyue. Technology and Application of Direct-Drive High Energy Efficient[C]∥China Electrotechnical Society Annual Conference, 2011: 650-652 (in Chinese)

[7] Jin P, Fang S, Lin H, et al. A Novel Linear and Rotary Halbach Permanent Magnet Actuator with Two Degrees-of-Freedom[J]. Journal of Applied Physics, 2012, 111(7): 07E725

[8] Liu Liang, Chang Siqin. Improvement of Valve Seating Performance of Engine′s Electromagnetic Valvetrain[J]. Mechatronics, 2011, 21(7): 1234-1238

[9] 王洪亮. 裝用AMT的重型越野車起步和換檔自動控制研究[D]. 北京:北京理工大學,2010

Wang Hongliang. Start-up and Shift Automatic Control Research of Heavy-Duty Vehicle Equipped with Automated Mechanical Transmission[D]. Beijing, Beijing Institute of Technology, 2010 (in Chinese)

[10] 劉有德. 汽車同步器粉末冶金同步環(huán)用濕式銅基摩擦材料[D]. 杭州:浙江大學,2005

Liu Youde. Powder Metallurgy Synchronization Ring with the Wet Friction Material of Synchronizer[D]. Hangzhou, Zhejiang

University,2005 (in Chinese)

[11] 李波,常思勤,林樹森. 一種新型增力式同步器設計[J]. 中國機械工程,2013, 24(17): 2301-2305

Li Bo, Chang Siqin, Lin Shusen. Design of a Novel Servo Synchronizer[J]. China Mechanical Engineering, 2013, 24(17): 2301-2305 (in Chinese)

Design and Performance Analysis of Fast and Energy Saving Shift Mechanism for Electric Vehicle

Li Bo1, Ge Wenqing1, Yu Xiao1, Shao Shilei1, Guan Bohan2

1.School of Transportation and Vehicle Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China 2.School of Overseas Education, Nanjing Technology University, Nanjing 211816, China

In order to further improve dynamic performance and endurance mileage of Electric Vehicle, a class of shift mechanism for automated manual transmission based on direct-drive technology is given. The structures of shift drive device and shift mechanism are designed, the mathematical model of shift process is established, and then, performances of three direct-drive shift mechanisms are analyzed and evaluated. According to the parameters of vehicle drive device and transmission system, relative test research is completed on general test platform equipped with direct-drive shift mechanism. The results show that, compare with electric 2DOF-type shifting mechanism, upshift time of electric fork-type shifting mechanism and electric sleeve-type shifting mechanism are shortened by 3% and 7% respectively when the force rule output by shift drive device is same, and mechanical loss of shift drive device during upshift process are reduced by 18% and 34% respectively in the same shifting quality. When electric fork-type shifting mechanism or electric sleeve-type shifting mechanism uses in a smaller number of gear requirement power train of electric vehicle, it will improve shift dynamic and economy effectively and has an important signification for rich and developing electric vehicle technology.

electric vehicle; direct-drive technology; shift mechanism; shift dynamic; shift economy

2016-04-19 基金項目：國家自然科學基金(51505263)、山東省自然科學基金(ZR2014EEQ031)、山東省重點研發(fā)計劃(2015GGB01045)資助

李波(1986—)，山東理工大學講師，主要從事變速器理論與控制技術的研究。

U463.212

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1000-2758(2016)05-0921-08