兩擋AMT換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理

兩擋AMT與普通傳統(tǒng)車AMT相比，因?yàn)橹挥袃蓚€擋位，所以取消了選擋電動機(jī)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接集成在箱體里面，從而減少了整個箱體的質(zhì)量和體積。如圖1所示為兩擋AMT自動變速器總成，換擋機(jī)構(gòu)的驅(qū)動力來自直流電動機(jī)，電動機(jī)采取脈寬調(diào)制的方式來控制轉(zhuǎn)速，與直流電動機(jī)相連的為滾珠絲杠，絲杠上的螺母與絲杠通過滾珠相連。因?yàn)殡妱訖C(jī)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速高而轉(zhuǎn)矩比較小，因此設(shè)計(jì)一個換擋搖臂，通過適當(dāng)設(shè)計(jì)換擋搖臂的長度從而匹配好換擋力的大小。隨著絲杠的轉(zhuǎn)動，絲杠上的螺母帶動換擋撥叉的左右擺動一定的角度，到達(dá)換擋的位置。


圖1 兩擋AMT自動變速器總成

1－換擋電動機(jī) 2－差速器 3－絲杠螺母 4－滾珠絲杠 5－換擋搖臂 6－位置傳感器 7－輸入軸 8－換擋撥叉軸總成

影響2AMT換擋品質(zhì)因素研究

為簡化模型，對傳動系統(tǒng)作如下假設(shè)：忽略電動機(jī)軸的扭振和橫向振動對系統(tǒng)的影響；將各元件視為剛性無阻尼的慣性元件，并以集中質(zhì)量的形式表示；忽略系統(tǒng)其他運(yùn)動副的間隙；假定車輪與地面間無滑轉(zhuǎn)和滑移?；谝陨霞僭O(shè)，建立了株洲齒輪有限責(zé)任公司2T07系列2AMT變速器動力學(xué)模型示意圖，如圖2所示。

圖2中W1表示輸入軸的角速度，Mmr表示電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的過程中受到的阻力矩（不含攪油阻力），Mor表示變速器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中所受的攪油阻力矩。按圖2所示分析影響2AMT換擋品質(zhì)因素，將整個換擋過程分為4個部分研究，分別為摘擋、調(diào)速同步和掛擋。

1.摘擋過程分析

摘擋過程中電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩不會發(fā)生突變（轉(zhuǎn)矩已經(jīng)清除），因此摘擋過程中只需考慮摘擋力的影響。由圖2中可以看出，摘擋前后電動機(jī)的阻力部分中攪油阻力是不一樣的，因此對于高速旋轉(zhuǎn)（電動機(jī)低轉(zhuǎn)速為恒轉(zhuǎn)矩），結(jié)合齒套如果過快拖出，將會使自由模式下電動機(jī)瞬間失去負(fù)載而有可能發(fā)生諧振，進(jìn)而產(chǎn)生噪聲并影響換擋的舒適性。

2.電動機(jī)調(diào)速和同步過程分析

電動汽車的電動機(jī)能夠快速、精確地調(diào)速是電動汽車AMT與傳統(tǒng)汽車AMT一個明顯的區(qū)別。一般傳統(tǒng)的策略是調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速到目標(biāo)擋位對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而迅速將擋位推進(jìn)至目標(biāo)擋位。

筆者對此種策略的掛擋也進(jìn)行過很多次試驗(yàn)，此種策略換擋發(fā)生噪聲、振動以及車輛抖動的概率非常高，原因主要有以下兩個方面：

（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)不準(zhǔn)確 因?yàn)?AMT本身用于低端乘用車，這就決定了電動乘用車受制于成本，變速器不可能用高端的轉(zhuǎn)速傳感器，因此導(dǎo)致傳感器轉(zhuǎn)速的測量本身就具有一定的誤差。再考慮電動機(jī)本身的調(diào)速也有一定誤差，所以在兩個誤差疊加時將會很大程度上放大誤差，根據(jù)轉(zhuǎn)速請求同步造成換擋噪聲，甚至失敗。

（2）控制策略不正確 針對第一點(diǎn)所述，現(xiàn)有條件下轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)是不準(zhǔn)確的，因此直接掛擋的策略是不正確的。根據(jù)同步過程中的受力過程進(jìn)行分析得到結(jié)論，從而制定更好的控制策略。

本文列舉了兩種情況分析了同步過程中受力分析，如圖3所示是擠壓同步環(huán)前齒套的轉(zhuǎn)速高于接合齒的轉(zhuǎn)速受力分析，圖中Mfr為同步器摩擦阻力矩，Mer為車輛行駛過程中的阻力。圖3中，由于同步齒套的轉(zhuǎn)速高于接合齒的轉(zhuǎn)速，同步環(huán)的摩擦阻力矩與其他阻力矩的方向相同，這些阻力矩共同作用，使同步器兩端的轉(zhuǎn)速達(dá)到一致；而在圖4中，由于同步齒套的轉(zhuǎn)速低于接合齒的轉(zhuǎn)速，同步環(huán)的摩擦阻力矩與其他阻力矩的方向相反，摩擦阻力矩必須克服其他力矩將同步器齒套端的轉(zhuǎn)速提高到與接合齒套的轉(zhuǎn)速一致。

對比以上兩種調(diào)速的控制策略，圖3中的力是順勢進(jìn)行，可以加快同步的時間，圖4中的策略，由于電動汽車換擋過程中是帶著電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，因此僅僅依靠同步器的摩擦力矩達(dá)到同步，顯然需要更長的時間。為了減少動力中斷的時間，往往會努力縮短同步時間，采取圖4策略同步換擋，會出現(xiàn)強(qiáng)制掛擋過程，從而造成沖擊、噪聲以及振動，降低了換擋品質(zhì)。


圖2 兩擋乘用車AMT動力學(xué)模型示意

圖3 擠壓同步環(huán)錢齒套的轉(zhuǎn)速高于接合齒的轉(zhuǎn)速受力分析


圖4 擠壓同步環(huán)錢齒套的轉(zhuǎn)速低于接合齒的轉(zhuǎn)速受力分析

3.掛擋過程分析

掛擋過程在通過接合套的齒尖后受到的阻力很小，此過程不會有掛擋異響，但在接合齒圈與接合套齒輪壁碰撞時，會發(fā)出機(jī)械碰撞產(chǎn)生的異響，因此該過程影響換擋品質(zhì)的因素在于擋位位置準(zhǔn)確程度，以及接合齒圈與接合套齒輪碰撞時電動機(jī)換擋力的大小，電動機(jī)力過大造成碰撞就會有碰撞的異響。

2 AMT換擋控制策略的制定

依據(jù)上述研究可以將換擋過程分為四部分，對于電動機(jī)清除轉(zhuǎn)矩和恢復(fù)轉(zhuǎn)矩的控制策略本文不予分析，下面具體制定這4個部分的控制策略。

1.摘擋過程控制策略

如上分析，摘擋過程對換擋舒適性的影響在于噪聲和振動，與摘擋力關(guān)系密切。對于摘擋終點(diǎn)位置的確定，考慮到電動機(jī)調(diào)速完成后會進(jìn)入自由模式，圖2中的Mmr等阻力矩會造成電動機(jī)轉(zhuǎn)速快速下降，因此必須要迅速進(jìn)入同步器同步過程，所以摘擋的終點(diǎn)必須選擇在目標(biāo)擋位的同步起始點(diǎn)，基于以上分析制定了如圖5所示的控制策略。

2.電動機(jī)調(diào)速控制策略


圖5 摘擋空置策略

上文分析了調(diào)速不準(zhǔn)的原因以及對換擋品質(zhì)造成的影響，因此轉(zhuǎn)速的請求必須按照理論分析的方法制定策略，而對于請求時機(jī)也要做系統(tǒng)分析。由于AMT的換擋必須要切斷動力換擋，因此換擋要求時間越短舒適性越好，基于以上分析制定如下控制策略。

（1）電動機(jī)轉(zhuǎn)速請求時機(jī) 因?yàn)橐髶Q擋時間短，減少換擋動力中斷的時間，理論上分析只要脫離擋位就可以開始請求驅(qū)動電動機(jī)調(diào)節(jié)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，這個脫離當(dāng)前擋位的點(diǎn)就是當(dāng)前擋位同步起始點(diǎn)。一旦檢測到擋位的位置經(jīng)過這個點(diǎn)，就可以開始請求電動機(jī)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

（2）電動機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速確定 本文第二部分分析了同步調(diào)速不準(zhǔn)產(chǎn)生噪聲和打齒的原因，因此請求轉(zhuǎn)速的值應(yīng)該為：



式中，Nreq 為請求的電動機(jī)轉(zhuǎn)速，Ncal為計(jì)算的目標(biāo)擋位需求轉(zhuǎn)速，Offset為偏移量。實(shí)際運(yùn)用中可以根據(jù)電動機(jī)的控制效果實(shí)時的調(diào)節(jié)Offset值的大小。
因此，在電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制調(diào)節(jié)中采取的控制示意如圖6所示。

3.擋位同步過程控制策略

擋位的同步就是利用同步器使結(jié)合齒和接合齒套的轉(zhuǎn)速一致，從而使擋位能夠順利地嚙合進(jìn)擋位。在換擋撥叉推換擋齒套軸向運(yùn)動中，并不是力越大越好，這取決于同步器的時間周期的容量，比如10ms最大同步20r/min，在結(jié)合齒和接合齒套的轉(zhuǎn)速相差100r/min時，強(qiáng)制用較大的軸向力推動撥叉就會造成異響。因此應(yīng)該設(shè)置初始換擋力的大小，并在此基礎(chǔ)上逐漸增加換擋力的大小，直到同步結(jié)束。如圖7所示為控制策略示意圖。


圖6 1擋升2擋調(diào)速過程控制策略

4.擋位掛擋過程控制策略

前文分析了掛擋過程中影響換擋品質(zhì)的因素，掛擋過程影響舒適的點(diǎn)在于接合齒和接合齒套壁的碰撞，因此制定的策略是電動機(jī)PWM在遠(yuǎn)離擋位時大，隨著慢慢靠近目標(biāo)擋位，PWM逐漸減少，到達(dá)目標(biāo)擋位時PWM減小到0，這樣就避免了接合齒輪壁和接合齒套壁的碰撞。如圖8所示為1擋升2擋中掛擋的控制策略示意圖。

換擋控制策略驗(yàn)證

為驗(yàn)證控制策略正確性和可靠性，選擇了一款微型純電動汽車作為換擋控制策略的驗(yàn)證對象，裝載此款A(yù)MT變速器進(jìn)行試驗(yàn)。整車參數(shù)見表1。將上述制策略，編寫好程序刷入變速器控制器中，驗(yàn)證各個策略的正確性。

1.摘擋的控制策略驗(yàn)證


圖7 1擋升2擋同步過程控制策略


圖8 1擋升2擋掛擋過程控制策略

表1 裝載AMT整車參數(shù)



圖9 滿占空比摘擋異響

如圖9所示為將摘擋時電動機(jī)的占空比限制值設(shè)置為最大，其中ShiftPosAD為擋位位置傳感器反饋的位置信息，PWMDC為電動機(jī)占空比大小，MotSpeed為驅(qū)動電動機(jī)轉(zhuǎn)速，其中2 502.5～2 502.95ms為摘擋區(qū)間。PID調(diào)節(jié)器根據(jù)參數(shù)的設(shè)定將初始占空比設(shè)置為滿占空比（最大占空比），在實(shí)際換擋過程中，駕駛?cè)撕苊黠@地會聽到摘擋時“砰”的一聲，通過數(shù)據(jù)可以看出電動機(jī)的轉(zhuǎn)速在摘擋的初始時有一定程度振動。而將摘擋初始占空比做一定限制時，駕駛?cè)藛T就會感覺換擋很平順，無任何噪聲，通過如圖10所示的數(shù)據(jù)曲線也不難看出，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速是沒有突變的。


圖10 限制占空比摘擋無異響

2.電動機(jī)調(diào)速控制策略驗(yàn)證

如圖11所示為1擋升2擋實(shí)時采集到的數(shù)據(jù)，圖中ReqSpeed為請求電動機(jī)轉(zhuǎn)速，OutputSpeed為輸出軸轉(zhuǎn)速，ClearTrqFlag為清除扭矩標(biāo)志。圖中在2 502.75ms處即1擋同步點(diǎn)，清除扭矩標(biāo)志改變進(jìn)入轉(zhuǎn)速請求模式，換擋時輸出軸轉(zhuǎn)速410r/min，對應(yīng)的2擋轉(zhuǎn)速2 747r/min，實(shí)際請求中，請求轉(zhuǎn)速的偏移量為100r/min，即請求2 847r/min，可以看出在同步過程中，電動機(jī)轉(zhuǎn)速會迅速下降80r/min，此過程中電動機(jī)的轉(zhuǎn)速變化平穩(wěn)，行駛過程中沒有明顯的異響或者振動。


圖11 電動機(jī)調(diào)速過程

3.擋位同步和掛擋控制策略驗(yàn)證

如圖12所示，在2 503.11ms開始進(jìn)入同步過程，PWMDC從40%逐漸增大到60%，可以看出電動機(jī)的轉(zhuǎn)速變化是平穩(wěn)的。同步完成后電動機(jī)占空比按照設(shè)定的曲線隨著擋位位置靠近2擋逐漸減少至0，通過駕乘感受和數(shù)據(jù)分析，此控制策略是正確的。

4.換擋耐久試驗(yàn)驗(yàn)證

將制定的控制策略編寫程序并生成機(jī)器碼刷入換擋耐久測試控制器，測試臺架由電動機(jī)驅(qū)動電源、驅(qū)動電動機(jī)、2AMT變速器及負(fù)載慣性輪組成。臺架實(shí)物照和上位機(jī)測試界面如圖13所示，上位機(jī)用于記錄測試換擋次數(shù)，顯示系統(tǒng)故障碼等。圖中的上位機(jī)中界面中顯示換擋次數(shù)已經(jīng)達(dá)到了11萬次，此時可以拆解變速器本體驗(yàn)證變速同步環(huán)的磨損情況（見圖14）。

通過檢查11萬次換擋耐久后的變速器同步環(huán)，可以發(fā)現(xiàn)1擋和2擋的同步器基本無磨損，可判定此控制策略可靠，能夠提高變速器使用壽命。


圖12 同步掛擋過程


圖13 臺架實(shí)物


圖14 拆解后的變速器1擋和2擋的同步環(huán)

結(jié)語

通過驗(yàn)證不難看出，制定的策略是可行的，達(dá)到了很好的換擋品質(zhì)。雖然AMT為手動變速器改裝而來，其換擋過程也必須按照手動變速器那樣先踩離合再換擋，但AMT畢竟是一個自動換擋部件，因此換擋過程中動力中斷時間和噪聲大小成了評判AMT好壞的關(guān)鍵因素。本文制定了電動汽車AMT換擋控制策略，制定的策略從這兩個因素考慮，能夠很好地解決了這兩個問題，而且此種控制策略也可以用于電動客車以及物流車AMT，因此，此策略成功設(shè)計(jì)應(yīng)用具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值和實(shí)際意義。