纯电动汽车两档自动变速器换档品质研究

A版纯电动汽车两档自动变速器换档品质研究唐永琪合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥230009【摘要】纯电动汽车变速器需要符合驱动电机特性并利用同步器使将要啮合的齿轮达到一致的转速而顺利啮合，从而实现电动汽车换档变速的功能。所研究的纯电动汽车变速器无离合器，仅依靠电机的调速性能和同步器共同作用换档。通过对同步器的滑磨功和换档冲击度进行分析，利用电机自身的调速特性，减小主、被动齿轮转速差，减轻同步器磨损，缩短换档时间，从而提高变速器的换档品质。【ABSTRACT】ELECTRICVEHICLETRANSMISSIONNEEDSTOACCORDWITHTHECHARACTERISTICOFDRIVEMOTORANDUSETHESYNCHRONIZERGEARTOMAKETHEMESHINGGEARINSYNCHRONIZERTOACHIEVETHESAMESPEEDANDMESHSMOOTHLY，SOASTOREALIZETHEFUNCTIONOFSHIFTANDCHANGINGSPEEDTHEELECTRICVEHICLETRANSMISSIONSTUDIEDHASNOCLUTCHANDDEPENDSONTHESPEEDCONTROLOFTHEMOTORANDSYNCHRONIZERTOCOMPLETETHESIMULTANEOUSSHIFTTHROUGHTHEANALYSISOFTHEFRICTIONWORKOFSYNCHRONIZERANDTHEIMPACTOFSHIFT，BYUSINGTHECHARACTERISTICOFMOTORSSPEEDCONTROLTOREDUCETHEROTATINGSPEEDDIFFERENCEBETWEENTHEACTIVEANDPASSIVEGEAR，SYNCHRONIZERWEARANDSHIFTTIMEISREDUCED，ANDTHEQUALITYOFTHETRANSMISSIONSHIFTISIMPROVED【关键词】变速器电动汽车换档品质滑磨功DOI103969JISSN10074554201301010引言纯电动汽车以电动机为动力源，电动机匹配的传动系统与传统内燃机汽车发动机匹配的多档变速器传动系统结构不同。在纯电动汽车传动系统中，电机输出轴与变速器输入轴之间通过联轴器直接连接，中间无须离合器，利用驱动电机的调速特性和安装在两组齿轮间的同步器的摩擦作用，将需要啮合的一对齿轮达到同步转速而顺利啮合，实现电动汽车换档变速的功能。换档品质是指在保证车辆动力性的前提下，能够迅速且平稳换档的程度，即换档过程的平稳性。通过对同收稿EL期20121L一09上海汽车20130L步器的滑磨功和换档冲击度进行分析，了解各个换档环节对换档品质的影响，寻找合适的方案来缩短换档时间，提高变速器的换档品质。1换档过程分析由于同步器的滑磨功和冲击度与车辆的动力学密切相关，首先应建立换档过程的动力学模型，然后分析同步器的磨损和换档冲击。11建立换档过程的动力学模型从动力总成电动机发出的动力输出到驱动轮要经过很多的传递环节，各个环节对动力的传递影响也不尽相同，这就使得整个车辆的动力传3动系统比较复杂。因而在分析车辆的换档过程时，需要抓住主要影响因素，对动力传动系统的模型做以下6点基本假设忽略电动机的扭振、轴的扭振和对传动系统的影响；忽略轴横向振动；忽略传动系统其它运动副的问隙；视各元件为完全刚性无阻尼的惯性元件，并以集中质量形式表示；除同步器的摩擦力外，忽略其它运动副的摩擦力；假定车轮与地面间无滑移和滑转。无离合装置的电动汽车动力传动系统中，电机输出轴与变速器输入轴间用花键套连接。依据动力传递路线，并结合以上假设，可以将动力传动系统分解为电机输出端到同步器主动部分和同步器被动部分到车轮这两部分，其简化模型如图1所示。图1电动汽车传动系统动力学简化模型图中各符号含义如下，换算至变速器输人轴上的转动惯量；12换算至变速器输出轴上的转动惯量包括整车惯性折算后的转动惯量；变速器输入轴转速，该系统无离合器，故。TT，T电机转速；T变速器输出轴转速；MT变速器输入轴扭矩，TM。T，MT电机的输出扭矩；M2T变速器输出扭矩；T地面的阻力矩；I变速器速比；I主减速器速比。由图1动力传动系统动力学简化模型知，动力学模型可用矩阵形式表示如下，XDWTMT1其中，羔，C；，式中，D为微分算子D2；I为转动惯量；为转速矩阵；T为扭矩矩阵。12换档过程动力学分析1换档前原档位保持阶段。在此阶段，电机动力输出端至驱动轮间的运动学和动力学关系是确定的。运动学关系式为TLT2TI2动力学关系式为J，一LM2式中，为变速器原档位传动比。2空挡阶段。在此阶段，电机控制器接受到换档控制器的指令，断电进入惯性转动模式。此时电机的输出转矩减小，同步器主动部分力矩减小，将变速器摘至空档，并准备进行选档操作。动力学关系式为JLD2TMDT【丁一3挂档阶段。选档结束后，进行换档操作，同时需要油门进行配合，对电机进行调速。该阶段要对电机转速进行较为准确的控制。升档时电机要降速，降档时电机要进行升速调速，保证同步器主被动部分相对转速差在10以内，如果满足目标档位传动比的要求就可以进行挂档。这个过程中分为两个阶段同步器同步阶段和将档位换入目标档位阶段。同步器同步阶段。随着换档拨叉的不断推进，同步器主动部分开始滑磨，摩擦力矩T不断增大，使得主被动部分转速差减小，同步器趋于同步。此时有以下关系式FAJGN5【一MS一式中，I为变速器目标档位传动比；A为符号函数的值，ASINGNIV,一I，升档时A一1，降档时A；1。上海汽车2013O1一一一一一一一、上档阶段。当同步器主被动部分完全同步以后，同步器摩擦力矩T0,J，挂入目标档。变速器输人、输出轴之间的动力学和运动学关系为TTI6且有，一一L一一2换档品质的评价指标和影响因素通常用冲击度、滑磨功和换档时间这3个指标对换档品质进行评价。其中，冲击度是换档品质评价最重要的指标。21冲击度冲击度是指车辆行驶过程中纵向加速度的变化率，其表达式为8D一DT、U式中，AT为车辆纵向加速度；UT为车速。冲击度作为换档品质的评价指标，不仅和人体的感觉同步，而且可以把因道路条件引起的颠簸加速度的影响以及非换档因素的影响排除在外，从而真实反映换档品质。车辆冲击度公式为。IDU_RDO9290面J由公式1、8、9可得RDM2TMDTD，1IJ、因车辆在换档过程中可认为地面阻力矩变化很小，故式1L0可表示为DLD由上式换档冲击产生的根本原因在于变速器输出轴的扭矩存在着波动，通过以上换档过程的分析，换档过程中变速器输出轴扭矩M2T可用数学表达式表示为上海汽车201301T12IGOO12一AMST由式12可知，车辆换档过程中，变速器输出轴扭矩T的变化并不是连续的。在处于原档位阶段，车辆的冲击度取决于电机输出扭矩的变化率；摘空档阶段，无冲击；同步阶段，取决于同步器摩擦力矩MZT；挂上目标档位后，车辆冲击度依然取决于电机输出扭矩的变化率。因此，若要控制车辆的冲击度在一定范围内，在制定控制策略时就要考虑，在切断电机“供油”摘档前和恢复电机“供油”挂上目标档后时要平稳，同步时，控制同步器摩擦力矩变化平稳。理论上，要减小换档冲击，就要将同步器主被动齿轮速差控制在一定的范围内。如果能达到速差为“零”，是最为理想的情况，不需要同步器也可以实现无冲击换档。但要实现“零”速差，对电机要求很高，而且也会延长换档时间，造成动力中断时间过长。因此，一般情况下，设计控制策略时，要求同步器主被动齿轮的转速差控制在一定的范围内，只要保证减少换档冲击的要求即可，这样可以缩短换档时间，减小车辆动力中断的时间。22滑磨功滑磨功主要是指在换档过程中，离合器和同步器摩擦力所作的功。本课题动力传动系统中无离合器，因此只需要考虑同步器滑磨功，其表达式为一13J0式中，T为同步器主被动部分从开始滑磨到滑磨结束所需时间。滑磨功仅指同步器的滑磨功。由滑磨功公式13可知，其大小取决于同步时间、同步力矩T和同步器主被动齿轮的轮速差，T一T。因此，若要减轻同步器的磨损，需要从以上3个方面来考虑，减小同步器的滑磨功。如果从同步时间和同步力矩考虑缩短同步时间，则5要增大同步力矩。减小同步力矩，则会增大同步时间，这样有可能会进一步增大滑磨功，因而这两种方法一般不予采用。本课题的直接动力为电动机，电机具有很好的调速性能，其调速模式可以在很短时间内将电机转速调整到电机转速范围内的任一转速，因此，减小同步器主被动齿轮转速差是可行的。综合比较后得知，要减小滑磨功以减轻同步器磨损，在制定控制策略时，采用减小同步器主被动齿轮转速差T一。T的方法是最为合适的。换档时间T指从发出换档指令开始到换人目标档位后离合器完全结合的整个操纵所用的时间。变速器换档时间的计算可表示为TT1T23T4T5T614式中T为电机自由模式响应时间；T为电机调速模式响应时间；T为电机调速时间，即从发出调速指令到电机转速满足同步要求的时间；T为电机转矩模式响应时间；T为摘空档操纵时间；T为挂档操纵时间。其中；电机各种模式的响应时间很短，换档时间T主要决定于摘档操纵时间T，挂档操纵时间T和电机调速时间T。3换档品质影响因素的模拟分析换档品质影响模拟分析主要是分析换档时，同步器的冲击度，冲击噪声以及换档时，同步器所受的应力以及变形大小。31同步器的冲击度分析利用MATLAB搭建模型仿真，验证升降档同步器的冲击度。1升档仿真，当电机转速分别在1000RRAIN、2000RRAIN、3000RRAIN、4000RRAIN时，结合同步器得到冲击度。从仿真结果可以得出升档时，当电动机转速达到4000RMIN时，同步器冲击度最小，没有冲击噪声。转速越低时结合，冲击度越大，冲击噪声越大见图25。2降档时，当电机转速分别在1000RMIN、2000RMIN、3000RMIN、4000RMIN时，结合同6LI，3O2O1001020304050403020100102O3040图21000RRAIN升档图图32000RMIN升档图L、LIL图43000RMIN升档图图54000RMIN升档图步器得到冲击度。仿真结果如图69所示。从仿真结果可以得出降档时，当电动机转速达到1000RMIN时，同步器冲击度最小，没有冲击噪声。转速越高时结合，冲击度越大，冲击噪声越大。32同步器应力与变形分析换档时，主要是同步器锥盘传递转矩，使输出上海汽车2013O1O5LOI、505【0I5N应力，所以对锥盘的影响很小。分析形变图可知，锥盘的最大变形量为0000155MM，变形量非常小，不会影响锥盘的扭矩传递。所以，分析以上可知，换档时，同步器锥盘所受的应力和变形量都在同步器最大破坏应力和最大允许变形量的范围内。图6L00。RMIN降档图4换档试验数据分析图72000RRAIN降档图图83000RMIN降档图图94000RMIN降档图轴转速与输入轴转速达到相近，然后，同步器在进行换档啮合。在此过程中同步器锥盘传递的最大扭矩为30NM。利用CATIA软件进行应力与变形有限元分析可知，在MISES应力分布图中最大的MISES应力为69110E6NM，小于锥盘材料的最大破坏上海汽车2013O1换档中断时间及平顺性测试结果见表1。表1电动机额定功率状态下变速器换档测试数据设定电机实测电机变速器输出输出参数输出参数转3RMIN换档中断换档状态电机输出电机输出时IWS平顺性转速转矩转速转矩左半轴右半轴RMINNMRMINNM10O04OL0184048586O20003O2OO9305L65L71023升挡300020298421O24825LO274OOOLO们2398341334O3210O4】1015410157162O25无冲击20003O20143083L63I8O29降档30OO2O30252124804720354OOO1O40231O5638627O425结语通过对纯电动汽车变速器同步器换档过程的分析，结合换档评价指标，确定