郭潤(rùn)澤，孫曉東，于 闖，譚艷軍，林霄喆

（1.寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，浙江寧波 315336；2.浙江吉利動(dòng)力總成有限公司，浙江寧波 315800）

當(dāng)前汽車產(chǎn)業(yè)電氣化程度日益提高，無(wú)刷直流電機(jī)因小型、輕量、大扭矩的特點(diǎn)被電氣化汽車產(chǎn)業(yè)所青睞［1］。隨著雙離合自動(dòng)變速器（DCT）技術(shù)的逐漸成熟和駕駛性的提高，DCT 獲得了市場(chǎng)及研究人員的青睞。今后幾年汽車搭載的自動(dòng)變速器中，DCT 將成為主力軍［2］。

DCT 選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為電控電動(dòng)式執(zhí)行機(jī)構(gòu)和液控執(zhí)行機(jī)構(gòu)，相比液控執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電動(dòng)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有響應(yīng)快、精度高、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是控制系統(tǒng)復(fù)雜［2］。電控電動(dòng)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)選、換擋控制電機(jī)的數(shù)目，可以分為單電機(jī)、雙電機(jī)和多電機(jī)的傳動(dòng)方式。單電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，只一個(gè)電機(jī)通過(guò)機(jī)械機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)選、換擋，該方案的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于布置。單電機(jī)只能順序升降擋，在升擋時(shí)可滿足基本的響應(yīng)需求，但在降擋時(shí)不能快速換入所需擋位。

雙電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，各用一個(gè)電動(dòng)機(jī)控制選、換擋，此種執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，便于布置，其缺點(diǎn)是電機(jī)的控制難度較大，尤其是選擋，換擋電機(jī)之間的協(xié)調(diào)控制難度［2］。電機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與軟件控制需要協(xié)調(diào)配合，從而實(shí)現(xiàn)車輛優(yōu)秀的換擋品質(zhì)與駕駛性。

本文以目前常用的兩種電動(dòng)機(jī)械式執(zhí)行機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)兩種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)傳動(dòng)效率進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)?；谡? 個(gè)駕駛性與換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)工況進(jìn)行換擋系統(tǒng)層級(jí)數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)與對(duì)比分析，展現(xiàn)兩種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的優(yōu)劣勢(shì)。

1 換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)分類

在自動(dòng)變速器中，換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)動(dòng)力源的類型分為電控氣動(dòng)、電控液動(dòng)和電控電動(dòng)3 種［3］。

1.1 電控氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

電控氣動(dòng)選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)換擋速度較慢，且需要?dú)鈩?dòng)裝置，因需要額外的氣壓系統(tǒng)，在大型乘用車或商用車上有較高的應(yīng)用價(jià)值，一般很少應(yīng)用于對(duì)換擋品質(zhì)要求較高的轎車。

1.2 電控液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)目前應(yīng)用較多，它具有傳遞平穩(wěn)、速度位移控制簡(jiǎn)單、可實(shí)現(xiàn)與液力變矩器的良好配合，且具有一定吸收沖擊及便于空間布置等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)也有較嚴(yán)重的缺點(diǎn)。極限高低溫度的變化使執(zhí)行機(jī)構(gòu)中液壓油的黏度發(fā)生顯著變化，回油管路壓力將產(chǎn)生損失。例如，采用電液形式控制的離合器執(zhí)行系統(tǒng)，在低溫時(shí)，油黏度大，離合器的結(jié)合速度變慢，導(dǎo)致在汽車剛起步特別是坡道上響應(yīng)慢，換擋品質(zhì)變差。同時(shí)在溫度降低到一定程度后，液壓油的流動(dòng)性能大大降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生換擋失效現(xiàn)象。其次，電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)中液壓元件對(duì)加工精度有非常高的要求，特別是高速電磁閥，工藝復(fù)雜，成本較高。

隨著稀土釹鐵硼永磁材料及電子電器料的發(fā)展，同時(shí)永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制靈活。永磁無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）迅速發(fā)展［4］。同時(shí)面對(duì)汽車產(chǎn)業(yè)的電氣化變革，國(guó)內(nèi)外許多研究者和制造商將目光投向了電控電動(dòng)形式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，將自動(dòng)變速控制系統(tǒng)中要直接控制的對(duì)象：油門、離合器及選換擋裝置采取電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源的方式。在換擋機(jī)構(gòu)方面，開(kāi)發(fā)了基于永磁無(wú)刷直流電機(jī)的選換擋系統(tǒng)。能夠利用蝸輪蝸桿、齒輪齒條或絲杠螺母等多種傳動(dòng)形式實(shí)現(xiàn)電動(dòng)換擋，使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)在性能上的不斷完善，從而在變速器執(zhí)行系統(tǒng)中采用無(wú)刷電機(jī)為動(dòng)力源成為可能。

相對(duì)于電控液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電控電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在以下幾個(gè)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)：

1）電控電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)減少了液壓元件能量損失與動(dòng)作誤差，控制的精度進(jìn)一步提高，反應(yīng)動(dòng)作更加準(zhǔn)確。

2）取消液壓系統(tǒng)相關(guān)零件，相對(duì)電驅(qū)零件，整體執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，空間更加緊湊。

3）電驅(qū)模塊更加適應(yīng)數(shù)字化與模塊化發(fā)展方向，趨向于小型化、實(shí)用化、組合化、多功能化［7］。

2 電控電動(dòng)式執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理

以電機(jī)為動(dòng)力源，結(jié)合齒輪齒條和蝸輪蝸桿的雙離合變速器換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)，目前市面上主要分為搭載主動(dòng)互鎖式和凸輪轉(zhuǎn)轂式兩種，如圖1 所示。

圖1 電控電動(dòng)換擋機(jī)構(gòu)雙離合變速器

2.1 主動(dòng)互鎖式選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)

圖2 所示為主動(dòng)互鎖式DCT 選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它包括選換擋電機(jī)、選換擋組件和選擋軸。圖3 所示為由換擋撥指掛擋，摘擋元件和撥叉構(gòu)成的換擋指組件，作用于換擋導(dǎo)槽以驅(qū)動(dòng)同步裝置。

圖2 主動(dòng)互鎖式DCT 換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)

圖3 換擋撥指組件

主動(dòng)互鎖式DCT 選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特殊性在于換擋撥叉的開(kāi)口寬度大于換擋指的寬度。即使是在某一個(gè)擋位已經(jīng)接合的情況下，也可以反向旋轉(zhuǎn)換擋軸，并通過(guò)換擋指選擇另一個(gè)換擋導(dǎo)槽，縮短預(yù)選擋的工作時(shí)間，提升工作效率，如圖4 所示。

圖4 主動(dòng)互鎖換擋導(dǎo)槽

當(dāng)雙離合變速器要預(yù)選一個(gè)新?lián)跷?，摘擋撥指?huì)將非結(jié)合的離合器所掛入的擋位摘掉，此時(shí)換擋軸的旋轉(zhuǎn)方向與換擋指移動(dòng)方向無(wú)關(guān)，即無(wú)須選擋為需要摘擋的擋位即可完成摘擋。圖5 所示為主動(dòng)互鎖摘擋。

圖5 主動(dòng)互鎖

圖6 所示為雙電機(jī)選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)，選擋電動(dòng)機(jī)負(fù)責(zé)將換擋指選定在需要換擋的變速器撥叉中，該電動(dòng)機(jī)帶有傳感器，通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)角識(shí)別撥指所在撥叉位置；換擋電動(dòng)機(jī)負(fù)責(zé)掛擋、摘擋和將換擋指退回中間的選擋位置，該電動(dòng)機(jī)也帶有傳感器，通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)角判斷該擋位同步器工作情況［2］。

圖6 雙電機(jī)選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)

2.2 凸輪轉(zhuǎn)轂式選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)

雙離合器凸輪轉(zhuǎn)轂式選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的原理為奇數(shù)軸擋位與偶數(shù)軸擋位分別利用單電機(jī)完成選擋換擋。通過(guò)齒輪減速，驅(qū)動(dòng)選換擋凸輪繞其軸線旋轉(zhuǎn)，由凸輪推動(dòng)伸入凸輪圓周表面凹槽內(nèi)的菱形塊，使撥叉沿著撥叉軸軸向移動(dòng)到目標(biāo)擋位。通過(guò)設(shè)定好的型線，完成摘擋，同步和掛擋的雙離合所需預(yù)選擋動(dòng)作。在選換擋凸輪的外圓周表面至少具有一條凹槽，凹槽上根據(jù)擋位相應(yīng)設(shè)置有波峰和波谷，當(dāng)所有菱形塊位于波峰和波谷之間的中間位置時(shí)，變速器處于空擋；當(dāng)某一菱形塊位于任意波峰或波谷時(shí)，變速器處于與該波峰或波谷對(duì)應(yīng)的擋位。轉(zhuǎn)轂與變速器殼體有限位面，如圖7 所示。不僅為自學(xué)習(xí)零點(diǎn)位置確認(rèn)，同時(shí)，當(dāng)凸輪在升降擋過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)至最低擋或最高擋后不能繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，從而使變速器不會(huì)產(chǎn)生最低擋位直接升至最高擋，也不能從最高擋直接降至最低擋，機(jī)械上保證了安全性。

圖7 凸輪轉(zhuǎn)轂結(jié)構(gòu)

以7DCT 凸輪轉(zhuǎn)轂結(jié)構(gòu)為例，將凸輪型線展開(kāi)，如圖8 所示，分別為奇數(shù)擋和偶數(shù)擋凸輪轉(zhuǎn)轂。奇數(shù)擋為雙型線，偶數(shù)擋為單型線。型線單雙主要與撥叉擋位排布有關(guān)。奇數(shù)擋撥叉為1/7 擋和3/5 擋，分別通過(guò)各自的菱形塊嵌入兩條凹槽內(nèi)。偶數(shù)擋撥叉為2/6 擋和4/R 擋，分別通過(guò)各自的菱形塊嵌入同一條凹槽內(nèi)。奇偶每?jī)蓚€(gè)撥叉的菱形塊轉(zhuǎn)角相距90°。

圖8 7DCT 凸輪轉(zhuǎn)轂型線

以7DCT 奇數(shù)凸輪轉(zhuǎn)轂型線為例。A 型線布置1/7 擋撥叉，B 型線布置3/5/擋撥叉。兩個(gè)撥叉相距90°轉(zhuǎn)角。以1 擋升7 擋，奇數(shù)軸擋位變化為例，A 型線波峰為1擋，B型線為空擋。凸輪相對(duì)A型線波峰轉(zhuǎn)動(dòng)90°時(shí)，A 型線為空擋，B 型線為波峰3 擋。凸輪相對(duì)A 型線波峰轉(zhuǎn)動(dòng)180°時(shí)，A型線為空擋，B型線為波谷5擋。凸輪相對(duì)A 型線波峰轉(zhuǎn)動(dòng)270°時(shí)，A 型線為波谷7 擋，B 型線為空擋。此時(shí)，凸輪轉(zhuǎn)轂與變速器有限位面，防止出現(xiàn)最高擋位直接降至最低擋位。

凸輪轉(zhuǎn)轂型線可根據(jù)變速器的擋位配置靈活設(shè)計(jì)。當(dāng)變速器為6DCT 時(shí)，奇數(shù)擋位凸輪轉(zhuǎn)轂型線可設(shè)計(jì)為單型線，撥叉為1/5 擋與3 擋搭配。二者相距90°時(shí)，即可完成升降擋需求。

由凸輪轉(zhuǎn)轂型線設(shè)計(jì)可知，凸輪轉(zhuǎn)轂型線的波峰與波谷位于不同直線。在換擋過(guò)程中，不會(huì)出現(xiàn)同一根輸入軸掛入兩個(gè)擋位的情況，實(shí)現(xiàn)了變速器同軸互鎖。

3 對(duì)比分析

基于空間布置、裝配加工及可維修性、系統(tǒng)質(zhì)量、電機(jī)性能、傳動(dòng)比、傳動(dòng)效率對(duì)兩種電控電動(dòng)機(jī)械式換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行理論對(duì)比分析。同時(shí)對(duì)二者傳動(dòng)效率進(jìn)行數(shù)值仿真優(yōu)化，基于最高執(zhí)行機(jī)構(gòu)效率在整車上進(jìn)行CAN 線換擋系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行6 個(gè)行駛工況的換擋品質(zhì)對(duì)比。

3.1 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

為更清晰地對(duì)比兩種電控機(jī)械式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與換擋品質(zhì)表現(xiàn)。將設(shè)計(jì)指標(biāo)與換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)總分設(shè)定為10 分。1～10 分對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)指標(biāo)與換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3.2 空間布置

圖9 為主動(dòng)互鎖式和凸輪轉(zhuǎn)轂式執(zhí)行機(jī)構(gòu)與撥叉相配合的示意圖。通過(guò)計(jì)算，兩種執(zhí)行機(jī)構(gòu)布置空間包絡(luò)體積見(jiàn)表2。

圖9 主動(dòng)互鎖式和凸輪轉(zhuǎn)轂式執(zhí)行機(jī)構(gòu)與撥叉配合

由表2 可知，主動(dòng)互鎖式執(zhí)行機(jī)構(gòu)所占空間更小，約為凸輪轉(zhuǎn)轂式的一半。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比，主動(dòng)互鎖式執(zhí)行機(jī)構(gòu)可得9 分，凸輪轉(zhuǎn)轂式可得7 分。

表2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)布置空間包絡(luò)體積

3.3 裝配加工及可維修性

因主動(dòng)互鎖式布置緊湊，裝配加工相關(guān)相對(duì)凸輪轉(zhuǎn)轂式難度增加，可得6 分，凸輪轉(zhuǎn)轂式為8 分。但因作為獨(dú)立模塊單獨(dú)布置在變速器上，可維修性比凸輪轉(zhuǎn)轂式高，可得9 分，凸輪轉(zhuǎn)轂式為5 分。

3.4 系統(tǒng)質(zhì)量

在執(zhí)行機(jī)構(gòu)總質(zhì)量方面，將兩種執(zhí)行機(jī)構(gòu)綜合撥叉與駐車機(jī)構(gòu)總成進(jìn)行考慮。因?yàn)椴煌膱?zhí)行機(jī)構(gòu)方式?jīng)Q定了相關(guān)接口的設(shè)計(jì)，綜合考慮兩者皆為7 分。二者系統(tǒng)的質(zhì)量見(jiàn)表3。

表3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)質(zhì)量

3.5 電機(jī)性能

直流電機(jī)具有優(yōu)越的調(diào)速性能，在控制性能好、調(diào)速范圍寬、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、低速性能好、運(yùn)行平穩(wěn)、效率高等方便有優(yōu)異表現(xiàn)［5-6］。同時(shí)，有刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)矩大。但由于采用機(jī)械碳刷切換電樞間的電流，有壽命短、（金屬片）易產(chǎn)生灰塵的缺點(diǎn)。在無(wú)刷直流電機(jī)上，有刷直流電機(jī)的碳刷（換向器）被替換成了晶體管及FET 等電子開(kāi)關(guān)集成于控制器端，有利于長(zhǎng)壽命化、無(wú)塵化［1］。

為了檢測(cè)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)及當(dāng)前擋位狀態(tài)，無(wú)刷直流電機(jī)采用霍爾元件檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角位置［7］?；魻栐?huì)根據(jù)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱產(chǎn)生霍爾電壓。當(dāng)電流流過(guò)磁場(chǎng)中的半導(dǎo)體時(shí)，會(huì)在與電流呈直角的方向上產(chǎn)生電壓（霍爾電壓）。這個(gè)現(xiàn)象叫作霍爾效應(yīng)。圖10 展示了用于無(wú)刷直流電機(jī)的霍爾元件的特性曲線。

圖10 無(wú)刷直流電機(jī)的霍爾元件的特性曲線

兩種執(zhí)行機(jī)構(gòu)所采用的電機(jī)（圖11）都為霍爾傳感器檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，但凸輪轉(zhuǎn)轂式采用的電機(jī)為霍爾集成芯片，機(jī)械角度識(shí)別可達(dá)到一度一分辨，相比霍爾元件由極對(duì)數(shù)決定機(jī)械角度識(shí)別更為精確。執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)性能見(jiàn)表4。

圖11 兩種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電機(jī)

表4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)性能

同時(shí)，凸輪轉(zhuǎn)轂式采用的電機(jī)擁有9 個(gè)針腳，相比主動(dòng)互鎖式多一個(gè)自帶占空比反饋的功能，電機(jī)控制更為精確［8］。

綜上所述，凸輪轉(zhuǎn)轂式執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)性能比主動(dòng)互鎖式電機(jī)性能更優(yōu)，分別可達(dá)9 分與8 分。

3.6 執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比

主動(dòng)互鎖式執(zhí)行機(jī)構(gòu)從電機(jī)輸出端，依靠齒輪齒條，螺桿等進(jìn)行增扭減速?；谝欢ǖ男谐碳皳Q擋速度，可通過(guò)電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速與執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出轉(zhuǎn)速比得出執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比，即

式中：n4為換擋齒輪轉(zhuǎn)速，r/min；v為齒條移動(dòng)速度，mm/min；d為分度圓直徑，mm。

式中：n3為螺桿轉(zhuǎn)速，r/min；s為螺桿導(dǎo)程，mm。

換擋電機(jī)齒輪與執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)齒輪通過(guò)齒數(shù)比分別得出n2與n1，從而根據(jù)轉(zhuǎn)速比得出傳動(dòng)比。

凸輪轉(zhuǎn)轂式執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)依靠齒輪傳動(dòng)。根據(jù)齒數(shù)可得兩種電控電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比見(jiàn)表5。

表5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比

3.7 執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率

3.7.1 主動(dòng)互鎖執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率

主動(dòng)互鎖式執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率計(jì)算主要考慮摩擦產(chǎn)生的效率損失。摩擦損失包含選擋導(dǎo)套，自潤(rùn)滑套和螺桿與支撐面。以電機(jī)為動(dòng)力源最終由撥指作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力輸出，作用在撥叉上，如圖12所示。

圖12 主動(dòng)互鎖式執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)撥叉

通過(guò)力的分解可得

齒條的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩

式中：T1為選擋套的摩擦力矩，N·m；T2為換擋力矩，mm/min；T3為變速器換擋軸接口處摩擦力矩，mm。

式中：F為換擋力，N；l為換擋力臂，mm；θ為換擋轉(zhuǎn)角。

式中：d1為選擋套支撐截面直徑，mm；μ1為選擋套摩擦系數(shù)。

式中：d2為自潤(rùn)滑套截面直徑，mm；μ2為自潤(rùn)滑套摩擦系數(shù)。

螺桿的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩

式中：T4為扇齒輪力矩，N·m；T5為螺桿前端力矩，N·m；T6為螺桿后端力矩，N·m。

式中：d3為螺紋中徑，mm；d4為半圓齒輪直徑，mm；ρ為當(dāng)量摩擦角度；γ為螺旋導(dǎo)程角。

式中：α為螺紋牙型角，mm；μ3為螺桿摩擦系數(shù)。

因螺桿支撐面為滑動(dòng)摩擦，則

式中：μ4為螺桿與襯套摩擦系數(shù)；d5為襯套支撐界面直徑，mm。

式中：μ5為螺桿與殼體摩擦系數(shù)；d6為殼體支撐截面直徑，mm。

換擋電機(jī)扭矩

式中：z2為換擋電機(jī)齒輪；z1為內(nèi)齒輪齒數(shù)。

通過(guò)以上公式可得，當(dāng)換擋力一定時(shí)，考慮摩擦損失后，通過(guò)換擋電機(jī)扭矩比可得該執(zhí)行機(jī)構(gòu)效率為71%，當(dāng)齒輪傳遞效率取98%時(shí)，主動(dòng)互鎖執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳遞效率為70%.

根據(jù)以上計(jì)算可得，該執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳遞效率受影響的因素為各傳動(dòng)摩擦系數(shù)、螺距、螺紋牙型角。根據(jù)MATLAB 控制變量進(jìn)行數(shù)值仿真。

當(dāng)螺距p1與螺紋牙型角α為變量時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)效率如圖13 所示。

圖13 螺距與螺紋牙型角為變量時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)效率

當(dāng)螺距p1與選擋套摩擦系數(shù)μ1為變量時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)效率如圖14 所示。

圖14 螺距與選擋套摩擦系數(shù)為變量時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)效率

當(dāng)螺距p1與自潤(rùn)滑套摩擦系數(shù)μ2為變量時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)效率如圖15 所示。

圖15 螺距與自潤(rùn)滑套摩擦系數(shù)為變量時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)效率

當(dāng)螺距p1與螺桿摩擦系數(shù)μ3為變量時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)效率如圖16 所示。

圖16 螺距與螺桿摩擦系數(shù)為變量時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)效率

當(dāng)螺距p1與螺桿摩擦系數(shù)μ4為變量時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)效率如圖17 所示。

圖17 螺距與螺桿與襯套摩擦系數(shù)為變量時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)效率

當(dāng)螺距p1與螺桿摩擦系數(shù)μ5為變量時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)效率如圖18 所示。

圖18 螺距與螺桿與殼體摩擦系數(shù)為變量時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)效率

3.7.2 凸輪轉(zhuǎn)轂執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率

凸輪轉(zhuǎn)轂執(zhí)行機(jī)構(gòu)效率主要受圓柱凸輪壓力角的選擇決定。如圖19 所示，轉(zhuǎn)轂型線與撥叉菱形塊進(jìn)行受力分析。

圖19 型線與菱形塊受力分析

圓柱凸輪機(jī)構(gòu)是將加載在凸輪軸端的驅(qū)動(dòng)力矩轉(zhuǎn)化為凸輪型線凹槽對(duì)菱形塊沿凸輪軸向的推力［9］。在凸輪軸端加載驅(qū)動(dòng)力矩T(T=Mf)時(shí)，凸輪的輸入功率為

式中，v為菱形塊沿凸輪型線方向的運(yùn)動(dòng)速度。

凸輪的輸出功率為

式中，F(xiàn)′x與Fx互為作用力與反作用力。

因此，凸輪的效率為

式中，μf為撥叉菱形塊與凸輪型線摩擦系數(shù)。

當(dāng)凸輪壓力角與摩擦系數(shù)為變量時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)效率如圖20 所示。隨著壓力角度增大，凸輪傳動(dòng)效率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且在40°左右可取得最大值［9］。當(dāng)μf=0.1 時(shí)，凸輪機(jī)構(gòu)的最大傳遞效率約為80%。因轉(zhuǎn)轂凸輪執(zhí)行機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)轂后端仍有三級(jí)直齒輪傳動(dòng)，當(dāng)齒輪傳遞效率取98%可得，該凸輪轉(zhuǎn)轂式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大傳遞效率為75%。

圖20 壓力角與摩擦系數(shù)為變量時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)效率

3.7.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)最大傳動(dòng)效率

結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)［10］，許用壓力角見(jiàn)表6。根據(jù)常用材料決定的摩擦系數(shù)，兩種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大傳動(dòng)效率見(jiàn)表7。

表6 凸輪許用壓力角

表7 執(zhí)行機(jī)構(gòu)最大傳動(dòng)效率

根據(jù)二者的傳動(dòng)效率，主動(dòng)互鎖評(píng)價(jià)為7 分，凸輪轉(zhuǎn)轂式評(píng)價(jià)為8 分。

3.8 換擋品質(zhì)測(cè)試

根據(jù)以上數(shù)值仿真優(yōu)化后的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行整車數(shù)據(jù)采集。采用同款車型，同一條封閉測(cè)試道路，基于581 設(shè)備，進(jìn)行CAN 線通信的數(shù)據(jù)采集。測(cè)試車輛與道路如圖21 所示。

圖21 測(cè)試車輛與道路

測(cè)試工況基于整車駕駛性與換擋品質(zhì)駕評(píng)的常用工況進(jìn)行，分為靜態(tài)換擋、R-D-R 蠕行、tip in tip out、動(dòng)力升擋、動(dòng)力降擋、制動(dòng)降擋。

因同步器齒套位置為雙離合變速器同步器控制策略中最重要的參考位置［11］，換擋行程以此作為參考。

3.8.1 靜態(tài)換擋

主動(dòng)互鎖式執(zhí)行機(jī)構(gòu)在PRND 的控制策略，除了P 擋的摘出與掛入，偶數(shù)軸可具備手動(dòng)2 擋與R 擋切換，駕駛更加多樣性。如圖22 所示，凸輪轉(zhuǎn)轂式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，僅為P 擋的摘出與掛入的動(dòng)作。駕駛性上，兩者整個(gè)換擋產(chǎn)生的振動(dòng)加速度不超過(guò)0.3 m/s2，無(wú)明顯感受，表現(xiàn)優(yōu)異。主動(dòng)互鎖式執(zhí)行機(jī)構(gòu)更好地將前進(jìn)擋位完成預(yù)掛，以更快響應(yīng)擋為需求，可得9 分，凸輪轉(zhuǎn)轂式為8 分。

圖22 靜態(tài)換擋

3.8.2 R-D-R 蠕行

孺行工況主要考核的是離合器扭矩控制。如圖23 所示，與靜態(tài)換擋相似，主動(dòng)互鎖式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的蠕行工況，1 擋為執(zhí)行擋位，偶數(shù)軸立刻從R 擋切換為2 擋。而凸輪轉(zhuǎn)轂式預(yù)掛1 擋和R 擋后，僅僅切換離合器完成蠕行。主動(dòng)互鎖式執(zhí)行機(jī)構(gòu)更好地將前進(jìn)擋位完成預(yù)掛，可更快響應(yīng)擋位需求，可得9 分，凸輪轉(zhuǎn)轂式為8 分。

圖23 R-D-R 蠕行

3.8.3 Tip in tip out

Tip in tip out 是變速器很苛刻的工況，因油門踏板與車速的連續(xù)變化，變速器連續(xù)產(chǎn)生正反拖。如圖24 所示，僅正反拖工況，二者變速器表現(xiàn)優(yōu)異。當(dāng)變速器正反托工況與整車換擋點(diǎn)重合時(shí)，變速器及車輛會(huì)產(chǎn)生輕微jerk 與shock，但仍然可控制在2ms2以下。因此，在此工況下，二者評(píng)分皆為7 分。

圖24 Tip in tip out

3.8.4 動(dòng)力升擋

升擋工況下，全油門升擋對(duì)整個(gè)換擋系統(tǒng)最為苛刻，同步器需要優(yōu)秀的同步能力，同時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要滿足一定的換擋力。同時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制對(duì)同步器性能有直接影響。以全油門1 擋升3 擋為例，主動(dòng)互鎖式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的換擋策略為2 擋為執(zhí)行擋時(shí)，1 擋為預(yù)掛擋，輸入1 軸轉(zhuǎn)速跟隨上升到6 523 r/min，輸入1 軸退空，轉(zhuǎn)速開(kāi)始下降，輸入二軸轉(zhuǎn)速隨車速繼續(xù)上升。此時(shí)輸入1 軸空擋等待1.08 s，輸入1 軸轉(zhuǎn)速下降到4 487 r/min 時(shí)空擋進(jìn)行3 擋預(yù)掛。預(yù)掛3 擋時(shí)，輸入2 軸轉(zhuǎn)速4 600 r/min，車速62kmh 。預(yù)掛3 擋后輸入1 軸轉(zhuǎn)速3 289 r/min，輸入1 軸轉(zhuǎn)速差4 487-3 289=1 198 r/min。

同樣工況下，凸輪轉(zhuǎn)轂式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的換擋策略相似。2 擋為執(zhí)行擋時(shí)，1 擋為預(yù)掛擋，輸入1 軸轉(zhuǎn)速跟隨上升到6 100 r/min，輸入1 軸退空，轉(zhuǎn)速開(kāi)始下降，輸入二軸轉(zhuǎn)速隨車速繼續(xù)上升。此時(shí)輸入1 軸空擋等待1.26 s，輸入1 軸轉(zhuǎn)速下降到4 000 r/min時(shí)空擋進(jìn)行3 擋預(yù)掛。預(yù)掛3 擋時(shí)，輸入2 軸轉(zhuǎn)速4 284 r/min，車速62kmh。預(yù)掛3 擋后輸入1 軸轉(zhuǎn)速2 825 r/min，輸入1 軸轉(zhuǎn)速差4 000-2 825=1 175 r/min。

如圖25 所示，通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，二者的換擋策略都對(duì)同步器進(jìn)行了一定的保護(hù)，不在過(guò)大的轉(zhuǎn)速下直接對(duì)同步器進(jìn)行換擋，可在滿足整車動(dòng)力性能的同時(shí)，節(jié)省布置空間與成本。二者評(píng)分可得8 分。

圖25 動(dòng)力升擋

3.8.5 動(dòng)力降擋

降擋工況下，動(dòng)力降擋因需要克服變速器拖曳力矩并完成大轉(zhuǎn)速差同步，對(duì)整個(gè)換擋系統(tǒng)的性能要求非常苛刻。以動(dòng)力降擋4 降2 為例，主動(dòng)互鎖式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的換擋策略為以4 擋為執(zhí)行擋位，車速43kmh，輸入2 軸轉(zhuǎn)速1 572 r/min，100% 油門加速，4 擋預(yù)掛2 擋時(shí)，換擋后輸入二軸轉(zhuǎn)速3 505 r/min，輸入2 軸轉(zhuǎn)速差3 505-1 572=1 933 r/min。

同樣工況下，凸輪轉(zhuǎn)轂式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的換擋策略相似。以4 擋為執(zhí)行擋位，車速42 km/h，輸入2 軸轉(zhuǎn)速1 595 r/min，100%油門加速，4 擋預(yù)掛2 擋時(shí)，換擋后輸入2 軸轉(zhuǎn)速2 958 r/min，輸入2 軸轉(zhuǎn)速差2 958-1 595=1 363 r/min。

如圖26 所示，通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，二者基于同步器換擋策略相同，600 r/min 的轉(zhuǎn)速差對(duì)同步器換擋2 無(wú)明顯差異。同時(shí)振動(dòng)加速度無(wú)異常，二者評(píng)分可得8 分。

圖26 動(dòng)力降擋

3.8.6 制動(dòng)降擋

制動(dòng)降擋時(shí)，因非傳動(dòng)齒輪在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是常嚙合的，且存在間隙，當(dāng)輸入軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大時(shí)，常嚙合齒輪位置可能產(chǎn)生敲擊噪音。

以制動(dòng)降擋3 降1 為例，主動(dòng)互鎖式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的換擋策略為以3 擋為執(zhí)行擋位，車速9 km/h，輸入1軸退N 擋后對(duì)1擋進(jìn)行預(yù)掛，輸入軸轉(zhuǎn)速差為548 r/min。

同樣工況下，凸輪轉(zhuǎn)轂式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的換擋策略相似。以3 擋為執(zhí)行擋位，車速10.9kmh，輸入1 軸退N 擋后對(duì)1 擋進(jìn)行預(yù)掛，輸入軸轉(zhuǎn)速差為636 r/min。

如圖27 所示，通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，二者基于同步器換擋策略相同。同時(shí)車輛振動(dòng)加速度無(wú)異常，維持在2ms2上下。二者評(píng)分可得8 分。

圖27 制動(dòng)降擋

3.9 對(duì)比結(jié)果

通過(guò)雷達(dá)圖的方式，分別對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及整車換擋品質(zhì)進(jìn)行分?jǐn)?shù)對(duì)比，如圖28、圖29 所示。

圖28 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)比

圖29 換擋品質(zhì)對(duì)比

4 結(jié)論

1）兩種電控電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)相比，主動(dòng)互鎖式集成程度高，所需布置空間約為凸輪轉(zhuǎn)轂的一半。

2）凸輪轉(zhuǎn)轂式執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要大的布置空間。因此無(wú)法全部布置在變速器外圍，可維修性不高。

3）主動(dòng)互鎖式執(zhí)行機(jī)構(gòu)因采用螺桿齒條實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的高度集成化，但傳動(dòng)效率相比凸輪轉(zhuǎn)轂式低5%。

4）根據(jù)變速器同步器及整車的使用環(huán)境，無(wú)刷直流電機(jī)與齒輪傳動(dòng)匹配的執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比至少需要為50，電機(jī)的堵轉(zhuǎn)扭矩至少為1.3 N·m.

5）換擋品質(zhì)主要由變速器及整車軟件控制策略決定，換擋點(diǎn)、換擋力與電機(jī)的占空比產(chǎn)生直接關(guān)系，從而將直接影響整車的駕駛性。整車可根據(jù)車輛駕駛模式與產(chǎn)品定位靈活控制與標(biāo)定執(zhí)行機(jī)構(gòu)的換擋能力。當(dāng)整車振動(dòng)加速度小于2ms2時(shí)，車輛可表現(xiàn)出較優(yōu)秀的換擋品質(zhì)。

本文對(duì)變速器電控電動(dòng)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及換擋品質(zhì)提升具有參考價(jià)值。