李志杰， 喬運乾， 陳國濤， 趙國強(qiáng)， 張明波

（濰柴動力股份有限公司， 山東 濰坊 261061）

能源危機(jī)與環(huán)境污染兩大問題促進(jìn)了全球新能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，國家頒布的一系列政策更是對國內(nèi)新能源的發(fā)展影響深遠(yuǎn)。純電動汽車是新能源汽車的主要發(fā)展方向之一［1，2］。目前新能源汽車采用“電池-電機(jī)-傳動機(jī)構(gòu)”的結(jié)構(gòu)，似乎變速器不再是必須部件，但從新能源汽車發(fā)展方向看，無論從驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)動力性、經(jīng)濟(jì)性，還是系統(tǒng)向高速化發(fā)展，都需要先進(jìn)的變速器技術(shù)作為支撐［3—6］，商用車中的手動變速器系統(tǒng)正逐步切換為自動或手自一體變速器，先進(jìn)變速器的技術(shù)在未來很長一段時間內(nèi)都會是商用車應(yīng)用研究的主流方向［7，8］。兩擋箱系統(tǒng)主要應(yīng)用領(lǐng)域為城際物流，可滿足爬坡與高速行駛需求［9］。

兩擋箱系統(tǒng)在運行過程中，容易出現(xiàn)換擋件磨損導(dǎo)致的脫擋現(xiàn)象［10-12］，嚴(yán)重影響動力系統(tǒng)的換擋可靠性及駕乘舒適性，本文基于純電兩擋箱開發(fā)過程中出現(xiàn)的問題，提出相應(yīng)控制策略的優(yōu)化方案并進(jìn)行了試驗驗證，驗證結(jié)果表明控制策略及標(biāo)定方案切實有效。

1 純電動AMT換擋控制方法介紹

AMT （Automated Mechanical Transmisstion）就是在傳統(tǒng)MT基礎(chǔ)上，裝上電腦控制系統(tǒng)，模擬駕駛員換擋的行為完成自動選擋和換擋。AMT保留了MT結(jié)構(gòu)簡單、傳動效率高、性價比高等優(yōu)點，其發(fā)展前景廣闊［13］。目前常見的純電動AMT換擋控制方法如圖1所示：主要過程由電機(jī)降扭、變速器摘擋、換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擋調(diào)速、變速器掛擋等階段組成［14］，流程見圖1。

圖1 純電動AMT傳統(tǒng)換擋方法流程圖

對于電控電動擋箱而言，當(dāng)下比較典型的控制過程如圖2所示：選定目標(biāo)位置，根據(jù)目標(biāo)位置與實際位置的差值，進(jìn)行分段PID控制，控制PWM占空比的輸出，最終完成整個換擋過程［15］。當(dāng)前擋位的確定通過傳感器的位置、傳動比校準(zhǔn)來實現(xiàn)。

圖2 典型的換擋控制方法

2 換擋驗證問題及對應(yīng)分析

兩擋箱動力系統(tǒng)在臺架運行幾萬次可靠性試驗后出現(xiàn)脫擋現(xiàn)象，將變速器進(jìn)行拆檢分析，發(fā)現(xiàn)如下問題：撥叉金屬塊磨損嚴(yán)重、結(jié)合套換擋齒輪尖角出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，棱角變凸，不再具備止脫作用，零部件磨損情況如圖3所示，換擋過程涉及到的滑套與目標(biāo)齒的三維圖如圖4所示。

圖3 零部件磨損情況

圖4 相關(guān)件三維圖

對換擋結(jié)合齒的三維數(shù)模進(jìn)行分析得到換擋過程的示意簡圖，如圖5所示，通過分析發(fā)現(xiàn)。

圖5 結(jié)構(gòu)簡圖

1）撥叉金屬塊的磨損原因為進(jìn)擋后撥叉金屬塊與滑套壁面接觸且一直處于受力狀態(tài)。

2）目標(biāo)齒輪壁面與限位面1的距離為1.8mm，而結(jié)合套上的齒輪尖角與撥叉限位面2的距離為1.5mm，因此不會出現(xiàn)尖角碰撞目標(biāo)齒壁面的情況，齒尖的磨損主要是在掛擋過程中出現(xiàn)脫擋時齒輪之間的碰撞導(dǎo)致。

3 換擋控制方法優(yōu)化

試驗過程中使用的換擋控制方法如圖6所示，針對以上問題進(jìn)行優(yōu)化，具體過程如下。

圖6 換擋方法優(yōu)化

1）在進(jìn)擋過程中，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)推動至合適的位置后即可增加扭矩，有效提高換擋時間；同時控制策略中增加回退需求，減少金屬塊的磨損以及撥叉受力，提高AMT產(chǎn)品的性能。

2）由于傳動系統(tǒng)、制造精度以及裝配等誤差使得回退的距離無法直接準(zhǔn)確反映在撥叉端，因此通過在撥叉金屬塊處增加監(jiān)控設(shè)備 （監(jiān)控設(shè)備的布置如圖5所示）來判定實際回退位置是否處于合適的位置。最終形成控制策略如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后的換擋方法流程圖

4 臺架驗證

將經(jīng)過論證的控制策略通過Simulink_RTW過程生成代碼，刷寫到變速器控制器中，再次進(jìn)行換擋可靠性驗證，臺架運行幾十萬次可靠性試驗后未出現(xiàn)脫擋現(xiàn)象，臺架結(jié)構(gòu)如圖8所示，對臺架試驗過程數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，策略優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比如圖9所示。

圖8 動力總成臺架

圖9 驗結(jié)果對比

對位置信號進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)控制策略可正常實現(xiàn)，同時記錄監(jiān)控設(shè)備各測點的數(shù)據(jù)，從圖10中可以看出換擋過程中位置無回退時監(jiān)控設(shè)備數(shù)值明顯上升異常；而回退之后監(jiān)控設(shè)備數(shù)值不出現(xiàn)突變，且各測點數(shù)值變化均勻。圖11顯示分別在1擋、2擋長時間運行時，監(jiān)控設(shè)備數(shù)值無明顯上升現(xiàn)象發(fā)生，說明撥叉金屬塊不存在與兩邊接觸磨損的情況，可有效對AMT換擋進(jìn)行控制，提高產(chǎn)品使用壽命。

圖10 升2擋時監(jiān)控設(shè)備數(shù)值變化

圖11 有回退穩(wěn)定運行在1擋、 2擋時數(shù)值變化

5 結(jié)論

本文通過優(yōu)化控制策略并利用在撥叉金屬塊中增加監(jiān)控設(shè)備，PID控制實現(xiàn)回退至合適的位置，利用監(jiān)控設(shè)備監(jiān)測與滑套壁面的接觸情況，有效避免撥叉長時間處于受力狀態(tài)，提高了產(chǎn)品性能，有效地增加了產(chǎn)品可靠性。