王汐文 宋田堂 林連華 徐海港 張建武(.上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海 0040；.山東時風(fēng)(集團)有限責(zé)任公司，山東 聊城 5800)

電驅(qū)動2AMT換擋機構(gòu)ADAMS仿真及優(yōu)化

王汐文1宋田堂1林連華2徐海港2張建武1
(1.上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海 200240；2.山東時風(fēng)(集團)有限責(zé)任公司，山東 聊城 252800)

針對某款純電動汽車用兩擋機械式自動變速器，設(shè)計了由無刷直流電機驅(qū)動，蝸輪蝸桿及凸輪轉(zhuǎn)轂改變動力傳遞的方向，并通過撥叉帶動同步器運動的換擋執(zhí)行機構(gòu)，建立了同步器及換擋執(zhí)行機構(gòu)ADAMS多體動力學(xué)模型，以模擬同步器同步的各個階段，以及換擋機構(gòu)的升擋及降擋過程。通過仿真，評價換擋電機功率，蝸輪蝸桿傳動比、接合套與待接合齒圈轉(zhuǎn)速差、以及待接合部分轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)對換擋過程的影響，從而對換擋執(zhí)行機構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化。

純電動汽車 兩擋機械式自動變速器 換擋執(zhí)行機構(gòu) 動力學(xué)分析

0 引言

當(dāng)前，純電動汽車通過匹配兩擋機械式自動變速器(2AMT)來提升電動車性能。AMT具有傳動效率高、傳遞扭矩大、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠等優(yōu)點[1]，能夠很好地滿足電驅(qū)動系統(tǒng)的需求。為了更好地滿足換擋平順與快速的要求，需要對AMT的換擋執(zhí)行機構(gòu)進行分析和優(yōu)化。同步器作為換擋過程中的重要部件，利用摩擦原理，確保接合套與待接合齒圈轉(zhuǎn)速達到一致后再接合掛擋，減少了換擋時的沖擊，提高了車輛行駛的安全性與舒適性[2-3]。除此之外，換擋執(zhí)行機構(gòu)中的換擋電機、動力傳遞裝置等的設(shè)計也對整個換擋過程有著至關(guān)重要的影響，如何針對純電動汽車傳動系統(tǒng)給的集成化目標(biāo)，結(jié)合換擋過程的性能要求，設(shè)計出結(jié)構(gòu)緊湊、易于實現(xiàn)的純電動汽車自動變速器的換擋執(zhí)行機構(gòu)，并研究行之有效的控制方法[4]，是AMT研究的關(guān)鍵所在。

本文針對某款純電動汽車用兩檔機械式自動變速器的換擋執(zhí)行機構(gòu)進行ADAMS多體動力學(xué)仿真與分析。首先介紹所用電控?fù)Q擋執(zhí)行機構(gòu)的基本機構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，對同步器及換擋機構(gòu)進行ADAMS建模與分析，以縮短換擋時間、提升換擋平順性為性能指標(biāo)，對換擋機構(gòu)參數(shù)提出了優(yōu)化方案。

1 換擋執(zhí)行機構(gòu)概況

本次設(shè)計的換擋執(zhí)行機構(gòu)選取無刷直流電機作為換擋驅(qū)動電機，蝸輪蝸桿機構(gòu)作為減速增扭裝置，通過凸輪轉(zhuǎn)轂將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為平動，將換擋力由撥叉作用到同步器的接合套上，從而進行換擋動作。換擋機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1。

1-無刷直流電機 2-蝸桿 3-蝸輪 4-凸輪轉(zhuǎn)轂 5-撥叉軸 6-撥叉 7-同步器圖1 換擋機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of shift mechanism

無刷直流電機具有響應(yīng)快速，起動轉(zhuǎn)矩大的特點，符合換擋過程中撥叉迅速起動或制動的要求。蝸輪蝸桿能夠通過設(shè)計蝸桿的螺旋角小于蝸輪蝸桿之間的摩擦角來保證自鎖，確保了換擋機構(gòu)的可靠性；其次，通過選取蝸輪蝸桿的傳動比來平衡換擋力的大小與換擋時間的長短之間的矛盾，從而保證換擋的平順性與快速性。

沿著凸輪轉(zhuǎn)轂軸向加工一條凹槽，撥叉端部伸入凹槽內(nèi)部，當(dāng)轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)動就會帶著撥叉左右移動，完成摘擋、掛擋動作。凸輪凹槽的輪廓曲線直接決定換擋的行程和時間，良好的凸輪曲線可以在保證換擋平順的同時使換擋時間達到最優(yōu)。圖2為凸輪轉(zhuǎn)轂凹槽結(jié)構(gòu)及平面展開圖。整段曲線分為五個階段，三個水平段1、3、5分別對應(yīng)一擋、空擋、二擋，斜坡2、4對應(yīng)摘擋或掛擋階段。以升檔為例，當(dāng)要開始換擋時，撥叉從水平段1經(jīng)由斜坡2移動到水平段3，即空擋位置，在這個階段驅(qū)動電機主動調(diào)速，使待接合齒圈轉(zhuǎn)速與接合套當(dāng)前轉(zhuǎn)速差減小到一定范圍，以減少掛擋沖擊；待到驅(qū)動電機調(diào)速完成，換擋電機繼續(xù)運動，經(jīng)由斜坡4達到水平段5，即掛到二擋后的鎖止段，這一段可保證換擋完成后的變速器不在外界沖擊載荷作用下發(fā)生脫擋，同時可以彌補換擋執(zhí)行電機因自身慣性帶來的換擋誤差。

圖2 凸輪轉(zhuǎn)轂凹槽結(jié)構(gòu)及平面展開圖Fig.2 Unfold plance geometry of cam profile

2 同步器ADAMS建模及分析

電動汽車采用驅(qū)動電機作為動力源，在換擋時可以通過驅(qū)動電機調(diào)速來減小當(dāng)前擋位和待接合擋位的速差，但是為了保證換擋的平順性，同步器還是必不可少的。本次設(shè)計中采用了雙錐面鎖環(huán)式同步器，相比單錐面鎖環(huán)式同步器，雙錐同步器采用了兩對摩擦面，增加了同步環(huán)與待接合齒輪的摩擦面積，縮短了同步時間。雙錐面鎖環(huán)式同步器零件及重要參數(shù)如表1。

表1 同步器零件及重要參數(shù)

機械式兩擋自動變速器是由換擋電機對撥叉施加換擋力，不像手動變速器那樣依靠駕駛員操縱換擋桿的感覺來調(diào)整換擋力的大小，換擋電機輸出的扭矩與在同步階段受到的負(fù)載有關(guān)。因此，分析換擋過程中同步的不同階段進行動力學(xué)分析，從而對換擋電機進行有效的控制，就十分重要。

運用ADAMS多體動力學(xué)軟件對同步器同步過程進行仿真，通過UG對同步器進行三維建模。模型基本遵循雙錐面鎖環(huán)式同步器的結(jié)構(gòu)，包括接合套，花鍵轂，滑塊，同步內(nèi)齒環(huán)，同步外齒環(huán)以及連接接合齒圈的鋼環(huán)。其中，為了簡化結(jié)構(gòu)，將定位銷與滑塊制為一體，定位彈簧則以約束的形式建立。各個零件均參照某車用同步器實際結(jié)構(gòu)和尺寸建立，上述同步器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)均與實際情況相同。在ADAMS中設(shè)置好約束的同步器模型如圖3。

圖3 同步器模型裝配圖Fig.3 Assembly model of synchronizer

根據(jù)同步器材料和尺寸選取設(shè)置接觸力時相應(yīng)的參數(shù)值，選擇ADAMS中數(shù)值計算效率最高的積分求解器GSTIFF，同時選擇計算精度較高的積分格式SI2，積分誤差設(shè)為0.001，步數(shù)為500步[5]。利用ADAMS對換擋同步過程進行仿真的結(jié)果如圖4。

圖4 同步器同步過程Fig.4 Synchronization process

按照接合套位移、同步環(huán)與接合齒圈轉(zhuǎn)速變化，將同步過程分為四個階段：

第一個階段：摘擋，接合套向二擋方向移動。由于給定恒定的換擋力，接合套位移又很短，很快就完成摘擋過程。其中，由于同步環(huán)轉(zhuǎn)動慣量很小，在仿真初始會有轉(zhuǎn)速的突變，但很快與花鍵轂相碰并與其同速旋轉(zhuǎn)。

第二階段：同步待接合齒輪轉(zhuǎn)速，接合套位移保持不變。當(dāng)接合套花鍵齒與同步外齒環(huán)花鍵齒相抵時，就由軸向力作用在同步環(huán)花鍵齒上，進而使得同步環(huán)與接合齒圈的錐面之間產(chǎn)生摩擦力，使接合齒圈減速，即進行同步。

第三階段：對同步環(huán)花鍵齒撥環(huán)，接合套在撥環(huán)的同時繼續(xù)移動。當(dāng)接合齒圈與同步環(huán)轉(zhuǎn)速達到一致，即接合齒圈相對于同步環(huán)的轉(zhuǎn)速和角減速度均為零，于是其慣性力矩消失，接合套與同步環(huán)花鍵齒之間的切向作用力產(chǎn)生撥環(huán)力矩，將同步環(huán)向后撥轉(zhuǎn)一個角度，接合套左移，與同步環(huán)花鍵齒進入接合。

第四階段：接合套與接合齒圈接觸，對接合齒圈進行撥環(huán)。與上一個階段類似，作用在接合齒圈上的切向力使其轉(zhuǎn)過一個角度，使接合套與接合齒圈進入嚙合，完成掛擋的全過程。

圖5、圖6分別為同步環(huán)花鍵齒和接合齒圈花鍵齒受力圖。當(dāng)接合套與同步環(huán)、接合齒圈分別接觸時，由于軸向速度突變會產(chǎn)生沖擊，但沖擊會迅速衰減，保持在一定數(shù)值，當(dāng)撥環(huán)結(jié)束后彼此間軸向力減為零。圖5和圖6清晰地反映出同步器在同步過程中受到的兩次沖擊，這些沖擊對同步器的性能和壽命造成了一定的影響。圖7和圖8分別為同步外齒環(huán)、同步內(nèi)齒環(huán)與鋼環(huán)間錐面的滑摩功，由于內(nèi)齒環(huán)與鋼環(huán)間錐面的平均半徑小于外齒環(huán)與鋼環(huán)間的平均半徑，兩者滑摩功略有差別。此外，雖然相同情況下，雙錐面同步器相對單錐面同步器同步時間大約能縮減一半，但是由于鋼環(huán)內(nèi)外表面都受摩擦，受損更為嚴(yán)重，因此需要驅(qū)動電機主動同步減少速差，從而縮短同步過程，減輕同步器的磨損。

圖5 同步環(huán)花鍵齒受力Fig.5 Force of synchro ring spline

圖6 接合齒圈花鍵齒受力Fig.6 Force of gear spline

圖7 同步外齒環(huán)與鋼環(huán)間錐面的滑摩功

圖8 同步內(nèi)齒環(huán)與鋼環(huán)間錐面的滑摩功

雙錐面同步器同步時間的計算公式[6]為

(1)

式中，Jc為同步器輸入端總的轉(zhuǎn)動慣量；Δω為同步前后轉(zhuǎn)速差；φ為錐面半角；Fa為同步器接合套上由換擋機構(gòu)傳遞過來的軸向力；μ為雙錐同步器錐面之間的摩擦系數(shù)；RC1為同步外齒環(huán)與鋼環(huán)錐面的平均半徑；RC2為同步內(nèi)齒環(huán)與鋼環(huán)錐面的平均半徑。

模型仿真與理論計算取相同的參數(shù)，分別對一擋換二擋與二擋換一擋的換擋過程進行仿真，比較同步時間的理論值與仿真值的差別，如表2所示。

表2 同步時間理論與仿真對比

由表2可見，同步時間的仿真值與理論值相差3%左右，說明仿真模型能有效地模擬同步器的同步過程。其中，由于變速器結(jié)構(gòu)的原因，使得掛一擋時轉(zhuǎn)換到一擋從動齒輪的轉(zhuǎn)動慣量約為掛二擋時的轉(zhuǎn)動慣量的4倍，因此掛一擋的同步時間較掛二擋的同步時間要長很多。另外，在電驅(qū)動2AMT中，可以通過驅(qū)動電機主動調(diào)速來縮減速差，因此同步時間也會大大減少。

3 換擋執(zhí)行機構(gòu)建模

3.1 換擋過程描述

當(dāng)車輛正常行駛時，驅(qū)動電機處于轉(zhuǎn)矩模式，對外輸出轉(zhuǎn)矩，當(dāng)車輛行駛到一定速度，達到換擋點，要進行換擋動作時，驅(qū)動電機由轉(zhuǎn)矩模式進入到自由模式，停止對外輸出轉(zhuǎn)矩，保證順利換擋。同時，換擋執(zhí)行電機啟動，帶動撥叉移動，開始摘擋；當(dāng)接合套到達空擋位置的時候，換擋執(zhí)行電機停止運動，驅(qū)動電機進入到轉(zhuǎn)速模式，減少速差；待到速差滿足要求，驅(qū)動電機調(diào)速完成，便控制驅(qū)動電機由轉(zhuǎn)速模式進入自由模式，利于完成掛擋，同時換擋執(zhí)行電機開始動作，帶動撥叉進行掛擋；當(dāng)接合套與帶接合齒圈同速后，完成掛擋動作，換擋執(zhí)行電機停止轉(zhuǎn)動，驅(qū)動電機由自由模式切換到力矩模式，車輛恢復(fù)正常行駛。

3.2 換擋機構(gòu)ADAMS仿真

為了更好地分析機械式兩擋自動變速器的換擋過程，對換擋執(zhí)行機構(gòu)進行多體動力學(xué)建模與分析。

將換擋機構(gòu)的UG模型導(dǎo)入到ADAMS軟件中，并添加各部件的約束。其中，蝸輪蝸桿之間通過coupler進行連接，并對蝸輪蝸桿的傳動比進行設(shè)置；蝸輪與凸輪轉(zhuǎn)轂固連在一起，以相同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動；凸輪轉(zhuǎn)轂與撥叉之間設(shè)置接觸力，接觸力參數(shù)參照鋼和鋼碰撞的情況。在ADAMS中設(shè)置好約束的換擋機構(gòu)模型如圖9。

在ADAMS中模擬換擋過程，首先要模擬換擋電機特性來給蝸桿施加驅(qū)動力。本文采用85 W與138 W兩種功率的換擋執(zhí)行電機進行對比，由電機臺架試驗測出其外特性曲線，測試結(jié)果如圖10。

圖9 換擋機構(gòu)裝配圖Fig.9 Assembly model of shift mechanism

a.額定功率85 W

b.額定功率138 W

采用一次線性擬合的方法確定擬合函數(shù)，得出85 W和138 W執(zhí)行電機的機械特性函數(shù)分別如下：

T=k1n+b1

(2)

T=k2n+b2

(3)

其中，k1=-2.0418×10-4，b1=0.8886；k2=-2.4543×10-4，b2=1.1522。由此，便得到換擋電機轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，將滿足電機特性的轉(zhuǎn)矩施加到蝸桿位置處，來仿真換擋電機輸出扭矩。

為了模擬電驅(qū)動2AMT換擋過程，利用ADAMS中的IF函數(shù)對換擋電機輸出轉(zhuǎn)矩進行編輯，并通過對待接合齒圈施加阻力矩來模擬驅(qū)動電機主動調(diào)速，切換邏輯如圖11、圖12。

圖11 換擋電機輸出轉(zhuǎn)矩邏輯圖Fig.11 Logic diagram of shift motor output torque

圖12 驅(qū)動電機調(diào)速力矩邏輯圖Fig.12 Logic diagram of drive motor torque

其中，h為掛擋行程；Δω為待接合齒圈與接合套之間的轉(zhuǎn)速差，其大小將影響換擋時間的長短；Te、Tmax分別為換擋電機的額定轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩，與電機特性有關(guān)；Tmd為驅(qū)動電機調(diào)速時的轉(zhuǎn)矩，仿真中取20 Nm。

4 仿真結(jié)果分析

下面分別對兩種電機進行仿真，并針對不同的蝸輪蝸桿傳動比、接合套與待接合齒圈轉(zhuǎn)速差、以及待接合部分轉(zhuǎn)動慣量，討論這些參數(shù)對同步過程的影響。

(1) 不同電機功率與蝸輪蝸桿傳動比

由圖13可知，在電機功率相同的情況下，蝸輪蝸桿傳動比越小，與蝸輪同速旋轉(zhuǎn)的凸輪轉(zhuǎn)轂的轉(zhuǎn)速越快，換擋時間越短，但是施加到撥叉上的換擋力越小，甚至?xí)霈F(xiàn)卡在掛擋過程中，無法繼續(xù)移動的情況，導(dǎo)致?lián)Q擋失敗。增加換擋電機功率，即增加了換擋電機的輸出扭矩之后，可以順利掛擋，同時縮短了同步時間。因此，選用大功率的電機，即使在選用較小的蝸輪蝸桿傳動比的情況下，也可以在保證順利掛擋，同時更縮短了換擋時間；如若選擇較小功率的換擋電機，則需匹配較大傳動比的蝸輪蝸桿裝置，以保證順利換擋。

圖13 不同電機功率與蝸輪蝸桿傳動比對比Fig.13 Comparison of different motor power and worm ratio

(2) 不同的接合套與待接合齒圈轉(zhuǎn)速差

由圖14可知，接合套與待接合齒圈之間的轉(zhuǎn)速差越大，在相同的驅(qū)動電機調(diào)速轉(zhuǎn)矩的前提下，所需時間越短，但是在撥環(huán)時產(chǎn)生的沖擊比較大，不利于換擋的平順性；而轉(zhuǎn)速差越小，驅(qū)動電機調(diào)速時間越長，但換擋沖擊相對較小。

(a) 接合套位移

(b) 接合套花鍵齒受力

(3) 不同的待接合部分轉(zhuǎn)動慣量

由圖15可知，待接合部分轉(zhuǎn)動慣量越大，驅(qū)動電機調(diào)速時間越長，撥環(huán)時所需力矩越大，換擋沖擊越大，換擋時間也越長。因此，可以通過在齒輪上加工環(huán)槽或孔等方式來減少轉(zhuǎn)動慣量，從而得到更優(yōu)秀的換擋品質(zhì)。

(a) 接合套位移

(b) 接合套花鍵齒受力

5 結(jié)論

本文通過對某款純電動汽車用兩檔機械式自動變速器的換擋執(zhí)行機構(gòu)進行ADAMS多體動力學(xué)仿真與分析。分別分析了同步器同步的各個階段和換擋執(zhí)行機構(gòu)不同的參數(shù)對換擋過程的影響。

仿真結(jié)果表明，通過選取較大功率的換擋電機，同時匹配較小的蝸輪蝸桿傳動比，并適當(dāng)減少待接合部分的轉(zhuǎn)動慣量，可以減少同步時間，也能取得較好的換擋平順性；通過驅(qū)動電機主動調(diào)速，應(yīng)使接合套與待接合齒圈之間的轉(zhuǎn)速差達到一個相對較小的值，從而獲得較短的換擋時間以及較優(yōu)的換擋平順性，因機構(gòu)參數(shù)而異，本文所用換擋機構(gòu)應(yīng)調(diào)至50 r/min左右。

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Simulation and Optimization of e-2AMT Shift Mechanism Based on ADAMS

WangXiwen1SongTiantang1LinLianhua2XuHaigang2ZhangJianwu1
(1.SchoolofMechanicalEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240；2.ShandongShifeng(Group)CompanyLimited,Liaocheng,Shandong252800)

The shift actuator which is designed for the two-speed AMT of electric vehicles is proposed in this paper. The shift actuator is driven by brushless DC motor (BLDC) and is made up of worm reducer, cam hub, fork and synchronizer. The ADAMS multi-body dynamics model of the synchronizer and shift actuator is established to simulate the synchronization of the synchronizer and the upshift and downshift of the gearshift mechanism. Through the simulation, the effects of the parameters such as the shifting power of motor, worm ratio, the speed difference between sleeve and gear ring, rotary inertia of the part to be engaged are analyzed. And optimizations of parameters are proposed.

Electric Vehicles Two-speed AMT shift actuator Dynamic Analysis

1006-8244(2017)01-043-06

U463.212

B

本項目由山東省科技重大專項資助，項目編號2015ZDXX0601C01