電動汽車的驅(qū)動電動機(jī)具有高速低扭的特性，為了滿足車輛低速爬坡和加速性能、最高車速等要求，驅(qū)動電動機(jī)與車輪之間必須匹配減速裝置，因此變速器成為電動力系統(tǒng)不可缺少的核心部件。目前市場上的電動乘用車以匹配單擋減速器為主，往往面臨最高車速和爬坡性能不能同時滿足駕駛要求，或者高轉(zhuǎn)速帶來的高噪聲等問題。

本文所研究的兩擋AMT自動變速器具有兩個擋位，可以使車輛在保證低速加速和爬坡性能的同時，也具有理想的最高車速。如圖1所示，車輛搭載2擋變速器后，只要一個小轉(zhuǎn)矩的電動機(jī)，就能用1擋輸出更大的輸出轉(zhuǎn)矩，用2擋獲得更高的行駛車速。

圖1 搭載2擋自動變速器與單擋變速器的整車性能對比

本文針對株洲齒輪有限責(zé)任公司自主研發(fā)的某電動汽車用2擋自動變速器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析優(yōu)化，研究如何縮短換擋時間，并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)工作。

結(jié)構(gòu)分析和換擋板受力分析

本文研究的兩擋自動變速器總成結(jié)構(gòu)如圖2所示。換擋電動機(jī)與滾珠絲桿連接，換擋電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為絲桿螺母的直線運(yùn)動，絲桿螺母帶動換擋搖臂繞其回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)。換擋搖臂上面有一個換擋撥頭與換擋撥叉軸總成連接，使換擋搖臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為撥叉軸的直線運(yùn)動，從而帶動同步齒套換擋。

圖2 株齒2T07AMT自動變速器

換擋搖臂的回轉(zhuǎn)中心軸上，安裝一個角度位置傳感器，用于測量換擋搖臂的行程，間接計算同步齒套的位置，并判斷實(shí)際擋位位置。

1.換擋力的計算

圖3表達(dá)了換擋力的產(chǎn)生機(jī)理Tm是換擋電機(jī)的輸出扭矩，F(xiàn)1為絲桿上螺母的推動力，F(xiàn)2為擋搖臂輸出力。換擋搖臂輸出力的大小主要和換擋電動機(jī)轉(zhuǎn)矩、滾珠絲桿傳動比、換擋搖臂傳動比有關(guān)。本文研究對象使用的換擋電動機(jī)數(shù)據(jù)如圖4所示，其堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為0.85N·m，額定轉(zhuǎn)矩為0.26N·m，額定轉(zhuǎn)速為2960r/min，空載最高轉(zhuǎn)速為4240r/min。換擋電動機(jī)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩可以由TCU的軟件進(jìn)行控制，但最大輸出轉(zhuǎn)矩就是堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，而且只能在零轉(zhuǎn)速情況下才能產(chǎn)生。換擋電動機(jī)特性的改變比較困難，本文不對換擋電動機(jī)參數(shù)進(jìn)行改動，而是從傳動比與換擋電動機(jī)的匹配方面著手研究。

圖3 滾珠絲桿和換擋搖臂工作原理

圖4 換擋電動機(jī)的外特性數(shù)據(jù)

圖5所示為滾珠絲桿外形圖，其關(guān)鍵參數(shù)是直徑和導(dǎo)程，這兩個參數(shù)決定了其傳動比。圖6所示為換擋搖臂外形圖，通過組合不同的L1和L2可以得到不同的傳動比（L1為換擋搖臂與變速器換擋桿接觸的點(diǎn)到插銷的距離，L2為換擋搖臂與絲桿接觸的凸起點(diǎn)到插銷的距離）。

圖5 2T07AMT使用的滾珠絲桿

圖6 2T07AMT使用的換擋搖臂

電動機(jī)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩T=0.85N·m，滾珠絲桿直徑d=16mm；滾珠絲桿導(dǎo)程P=5mm。

可求螺桿螺旋角β為

絲桿圓周力Fi為

軸向力Fx為

根據(jù)換擋搖臂力矩平衡，可以求得換擋搖臂撥頭輸出的換擋力F為

此處換擋力之所以用堵轉(zhuǎn)力矩計算，是因?yàn)楫?dāng)換擋遇到大阻力，比如頂齒時，同步器的運(yùn)動速度幾乎為0，電動機(jī)轉(zhuǎn)速也為0，即為堵轉(zhuǎn)。

2.換擋時間的計算

1擋換2擋的總行程S1=20mm。

式中，S2為滾珠絲桿螺母的直線行程，V為滾珠絲桿螺母的線速度。

其實(shí)本文設(shè)計的AMT變速器，在換擋搖臂的回轉(zhuǎn)中心軸上面安裝有角度傳感器，因此實(shí)際換擋速度是可以測量得到的。而基于圖4中換擋電動機(jī)的外特性數(shù)據(jù)可知，換擋電動機(jī)最大輸出功率點(diǎn)在2200r/min左右，最高效率點(diǎn)在3500r/min左右。

縮短換擋時間是本文的研究目的。本項目設(shè)計1擋換2擋靜態(tài)換擋時間要求在200ms以內(nèi)。

如果設(shè)計要求為換擋時間最短，則電動機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)工作在最大輸出功率轉(zhuǎn)速，因?yàn)閾Q擋時間最短意味著移動速度最快，在阻力一定的情況下，必定功率需求最大。

在杠桿比和目標(biāo)換擋時間已知的情況下，可以由式（1）～（8）得到電動機(jī)轉(zhuǎn)速n的計算公式：

具體方案設(shè)計與優(yōu)化

考慮到變速器結(jié)構(gòu)的約束，本文不改變換擋電動機(jī)和滾珠絲桿的參數(shù)，而是調(diào)整換擋搖臂杠桿比L2/L1來實(shí)現(xiàn)不同的總傳動比。

1.原有方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計與參數(shù)計算

原有方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖7所示。換擋撥頭位于撥叉軸的左側(cè)，換擋撥頭離搖臂回轉(zhuǎn)軸很近，L1=25mm，L2=94mm，杠桿比L2/L1為3.76。

圖7 舊方案換擋搖臂與撥叉軸結(jié)構(gòu)

圖7中位置傳感器能將角度信號轉(zhuǎn)換成0～5V的模擬量，TCU采集該模擬量可以計算出換擋搖臂的旋轉(zhuǎn)角度。

由式（9）計算可得，換擋時間為200ms時，電動機(jī)工作轉(zhuǎn)速為4512r/min。由圖4可知，換擋電動機(jī)最高轉(zhuǎn)速為4240r/min，而且此轉(zhuǎn)速時電動機(jī)輸出功率為0，因此該傳動比不可能達(dá)到200ms換擋時間的設(shè)計目標(biāo)。

根據(jù)式（4），該方案最大換擋力輸出為4014N。

2.優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)設(shè)計與參數(shù)計算

優(yōu)化方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖8所示。換擋撥頭位于撥叉軸的右側(cè)，換擋撥頭離搖臂回轉(zhuǎn)軸變遠(yuǎn)了，L1=50mm，L2=94mm，杠桿比為1.88。

圖8 優(yōu)化方案換擋搖臂與撥叉軸結(jié)構(gòu)

由式（9）計算可得，換擋時間為200ms時，電動機(jī)工作轉(zhuǎn)速為2256r/min，接近換擋電動機(jī)最高功率轉(zhuǎn)速，因此只要換擋電動機(jī)輸出功率能克服阻力功率，200ms的換擋時間就能夠達(dá)到。

根據(jù)式（4），該方案最大換擋力輸出為2007N。

樣件試制和試驗(yàn)驗(yàn)證

公司試制了前述兩種方案的零件，并裝箱進(jìn)行了測試。兩種方案的零件如圖9所示，左邊為優(yōu)化方案，右邊為原有方案。

圖9 兩種方案的換擋搖臂樣件對比

為消除變速器、同步器、換擋電動機(jī)及位置傳感器等因素的影響，兩個方案的測試都在同一臺變速器上面進(jìn)行，僅更換換擋搖臂和換擋撥叉軸。變速器裝配效果如圖10所示。公司自主研發(fā)了TCU控制器用于變速器換擋電動機(jī)驅(qū)動和擋位位置的探測，以及運(yùn)行試驗(yàn)程序（見圖11）。

圖10 2T07AMT試驗(yàn)箱

圖11 兩擋AMT用TCU控制器

下面詳細(xì)對比兩個方案靜態(tài)換擋的數(shù)據(jù)。之所以選擇靜態(tài)換擋的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，是為了排除動態(tài)換擋過程中其他干擾因素。比如，動態(tài)換擋時電動機(jī)調(diào)速會影響整個換擋時間，從而干擾執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動時間的分析。

1.1 擋升2擋試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

兩方案樣機(jī)在靜態(tài)環(huán)境下，1擋升2擋的擋位位置信號的對比如圖12所示，驅(qū)動占空比對比如圖13所示。通過圖12可以看出，優(yōu)化后的方案1擋到2擋的信號范圍變窄了一些，這是因?yàn)橥烬X套的行程為20mm沒變，但是換擋搖臂上的換擋撥頭的旋轉(zhuǎn)半徑變大了，即圖6中的L1變大，因此換擋搖臂的旋轉(zhuǎn)角度變小，位置傳感器的旋轉(zhuǎn)角度行程也隨之減小。另外，可以非常明顯地看出，優(yōu)化后的方案比原方案提前0.1s左右到達(dá)極限位置，即1擋換2擋的時間縮短了0.1s的時間。原方案1擋升2擋總時間需要0.3s左右，其中啟動響應(yīng)時間為50ms，動作時間為250ms（對應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速約為3600r/min，功率55W左右）；優(yōu)化后的方案換擋總時間為190ms以內(nèi)，其中50ms啟動響應(yīng)時間，140ms動作時間（對應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速約3214r/min，功率70W左右）。通過圖13也可以看出，優(yōu)化后的方案會比原方案提前關(guān)閉占空比，而且TCU控制換擋的占空比都為250（100%）。

圖12 優(yōu)化前后2擋降1擋靜態(tài)換擋時間對比

圖13 優(yōu)化前后2擋降1擋換擋電動機(jī)驅(qū)動占空比對比

經(jīng)過數(shù)據(jù)對比，可見優(yōu)化后的方案有效縮短了換擋時間，優(yōu)化后電動機(jī)功率平衡轉(zhuǎn)速為3214r/min，輸出功率約為70W左右，而換擋電動機(jī)最大輸出功率為95W左右，說明換擋時間還有進(jìn)一步縮短的空間。

2.2 擋降1擋試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

與1擋升2擋類似，2擋降1擋的擋位位置信號的對比如圖14所示，驅(qū)動占空比對比如圖15所示。通過圖13和圖14可以看出，優(yōu)化后的方案2擋降1擋的時間也縮短了100ms。

圖14 優(yōu)化前后1擋升2擋靜態(tài)換擋時間對比

圖15 優(yōu)化前后1擋升2擋換擋電動機(jī)驅(qū)動占空比對比

結(jié)語

本文提出了一種基于換擋時間和電動機(jī)工作轉(zhuǎn)速的AMT換擋機(jī)構(gòu)傳動比的計算方法，經(jīng)過理論計算，分析現(xiàn)有方案的不足，并提出了一種優(yōu)化方案。通過樣件試制和測試驗(yàn)證，證明了優(yōu)化方案比原方案更大程度的發(fā)揮了換擋電動機(jī)功率，從55W提升到了70W，使換擋時間縮短了100ms（0.1s），而且換擋電動機(jī)最大功率95W，換擋時間還有進(jìn)一步的優(yōu)化空間。

本文通過調(diào)整傳動比來調(diào)整電動機(jī)輸出功率平衡時的電動機(jī)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速越接近最大輸出功率轉(zhuǎn)速，換擋時間就越短。

本文所述設(shè)計方法，其原理可通用于其他類似的換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)，比如齒輪減速、蝸桿減速、搖臂減速方案等。