某電動汽車換擋機(jī)構(gòu)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩對換擋品質(zhì)的影響

張 軍，劉躍博，劉篤優(yōu)，湯均涵

(北京理工大學(xué)電動車輛國家工程實驗室，北京 100081)

某電動汽車采用由新式雙離合器和兩檔變速箱組成的傳動系統(tǒng)來實現(xiàn)自動變速［1］.汽車離合器以無動力輸出時壓盤是否壓緊摩擦片而分為常閉式和常開式兩種［2］.針對電動汽車區(qū)別于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的特點，新式雙離合器采取了一常閉式、一常開式的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)方案:常閉式離合器與兩檔變速箱的低速擋傳動軸相連接;常開式離合器與兩擋變速箱的高速擋傳動軸相連接.電動汽車的換擋過程就是雙離合器接合和斷開狀態(tài)的切換過程.所以雙離合器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)就是電動汽車換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu).

1 換擋機(jī)構(gòu)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的分析

新式雙離合器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用純電動模式，圖1為其結(jié)構(gòu)原理圖.

電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過電動推桿轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動，推動分離撥叉，分離撥叉又控制分離軸承沿軸向運(yùn)動壓緊膜片彈簧，從而實現(xiàn)對離合器運(yùn)動的控制.

純電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電機(jī)采用永磁直流電機(jī)，永磁直流電機(jī)在工作過程中的轉(zhuǎn)矩方程如下［3］

式中:Te為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩;Bm是電機(jī)的阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù);n為輸出轉(zhuǎn)速;T為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩.

圖1 離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理圖

執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩由驅(qū)動電機(jī)提供，包括加速轉(zhuǎn)矩和阻力轉(zhuǎn)矩兩部分，如式2所示.

式中:Tj為加速轉(zhuǎn)矩，用來克服轉(zhuǎn)動慣量使執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動加速的轉(zhuǎn)矩;TL為阻力轉(zhuǎn)矩，用來克服執(zhí)行機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中所存在的阻力.

執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的阻力包括膜片彈簧形變所產(chǎn)生的阻力和運(yùn)動中存在的摩擦阻力，由于采用較好的設(shè)計和潤滑措施，摩擦阻力與形變阻力相比非常小，因而可以忽略摩擦阻力.

2 阻力轉(zhuǎn)矩與軸承位移關(guān)系特性

當(dāng)分離軸承在膜片彈簧小端處施加載荷F2并使其產(chǎn)生形變的時候，會在其分離軸承上產(chǎn)生同樣大小的阻力，其阻力通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)反饋到電機(jī)輸出端的轉(zhuǎn)矩就等于阻力轉(zhuǎn)矩TL.

式中:L為電動推桿的導(dǎo)程;if為分離撥叉?zhèn)鲃颖?

分離軸承位移S即膜片彈簧小端的形變量，而F2與S的關(guān)系在常開式和常閉式的離合器中不相同，以常開式離合器為例進(jìn)行分析計算.

2.1 F2－ S關(guān)系特性［4］

常開式膜片彈簧的接合過程主要分為兩部分:空行程階段和壓緊階段.分離過程中F2隨S的變化是接合過程的反過程.

2.1.1 空行程階段

這一階段的F2與S的關(guān)系由 (4)－(8)式?jīng)Q定.

式中:E為材料的彈性模量;μ為泊松比;H為膜片彈簧在自由狀態(tài)下的內(nèi)截錐高;h為板厚;R為大端半徑;r為小端半徑;外支承半徑L;內(nèi)支承半徑l;rp為加載點半徑;re為分離指窗孔半徑;β1、β2分別為磨片彈簧接合指舌尖部和舌根部的寬度系數(shù).

2.1.2 壓緊階段［5］

這一階段軸承處繼續(xù)加載至F2'，此時小端的位移可近似為完全由膜片彈簧接合指的彎曲變形引起，即

式中:F2b為空行程階段結(jié)束時分離軸承處的加載載荷.

通過對上述常開式膜片彈簧接合過程中兩個階段的分析，代入相關(guān)參數(shù)可得常開式膜片彈簧的小端位移和加載載荷之間的關(guān)系特性曲線如圖2所示.

圖2 常開式膜片彈簧工作載荷-變形曲線

2.2 TL-S關(guān)系特性

結(jié)合式3可得到常開式離合器的TL－S關(guān)系特性，如圖3實線所示.通過與常開式離合器TL－S關(guān)系特性同樣的計算過程可以得到常閉式膜片彈簧的TL－S關(guān)系特性，如圖3中虛線部分所示.

圖3 離合器阻力力矩與軸承位移關(guān)系特性

3 加速轉(zhuǎn)矩和軸承位移關(guān)系

加速轉(zhuǎn)矩Tj為

式中:Je為執(zhí)行機(jī)構(gòu)整體換算到電機(jī)輸出軸上的轉(zhuǎn)動慣量;n為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速.

如圖1所示，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動經(jīng)電動推桿的絲桿螺母機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動，又經(jīng)過分離撥叉的減速作用轉(zhuǎn)化為分離軸承的直線運(yùn)動，故n與分離軸承的運(yùn)動速度v之間的換算關(guān)系為

式中:L為電動推桿的導(dǎo)程，if為分離撥叉?zhèn)鲃颖?/p>

結(jié)合式 (8)、(9)可得到加速轉(zhuǎn)矩和分離軸承位移之間的關(guān)系為

加速轉(zhuǎn)矩與分離軸承運(yùn)動的加速度成正比，加速轉(zhuǎn)矩的大小決定了分離軸承運(yùn)動過程中的速度變化.

4 驅(qū)動轉(zhuǎn)矩對換擋品質(zhì)的影響

離合器運(yùn)動的自動控制由上層控制策略和下層執(zhí)行機(jī)構(gòu)共同實現(xiàn):上層控制策略根據(jù)油門開度、離合器主、從動盤轉(zhuǎn)速差及其變化率等信號確定分離軸承的目標(biāo)位移S＇.下層執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的驅(qū)動電機(jī)則根據(jù)S＇輸出驅(qū)動轉(zhuǎn)矩T.驅(qū)動轉(zhuǎn)矩T中的阻力轉(zhuǎn)矩TL用來克服膜片彈簧形變阻力等效到電機(jī)輸出端的轉(zhuǎn)矩;加速轉(zhuǎn)矩Tj決定分離軸承實際的位移S.實際位移S變化情況決定了電動汽車的換擋品質(zhì).

為了進(jìn)一步分析T與S之間的關(guān)系特性對于換擋品質(zhì)的影響，以基于MATLAB/SIMULINK的兩擋純電動汽車雙離合器換擋控制仿真模型為研究平臺［1］，分別在 A、B、C 3種不同的離合器運(yùn)動控制策略的控制下進(jìn)行仿真，觀察T與S之間的關(guān)系及對應(yīng)滑磨功W和沖擊度J的變化，以評價換擋品質(zhì)的優(yōu)劣.

4.1 3種不同的控制策略

離合器的運(yùn)動包括滑磨和非滑磨兩個階段，離合器在兩個階段的運(yùn)動對于換擋品質(zhì)有著不同的影響，A、B、C 3種不同的控制策略的區(qū)別就是在這兩個階段對分離軸承的運(yùn)動采用不同的控制算法.

(1)A控制策略

在離合器的滑磨階段，對分離軸承的運(yùn)動采用模糊控制算法.以油門開度K和離合器主、從動盤轉(zhuǎn)速差Δω作為模糊控制的輸入變量，分離軸承的運(yùn)動速度v作為輸出變量.模糊控制規(guī)則的設(shè)計原則:①離合器接合滑磨初始階段Δω較大，v取較小值;②接合滑磨結(jié)束階段Δω較小，v要變大;③離合器分離滑磨初始階段Δω較小，v取較小值;④分離滑磨結(jié)束階段Δω較大，v取較大值;⑤K表現(xiàn)駕駛員意圖，K越大，分離軸承運(yùn)動速度v越大.

在離合器的非滑磨運(yùn)動階段不采用模糊控制，直接將分離軸承的運(yùn)動速度賦值為20 mm/s.

(2)B控制策略

在離合器的滑磨階段，對分離軸承的運(yùn)動采用模糊控制算法.將離合器主、從動盤轉(zhuǎn)速差Δω及其變化率Δ作為模糊控制的輸入變量，分離軸承的運(yùn)動速度v作為輸出變量.模糊控制規(guī)則的設(shè)計原則［6］:①離合器接合滑磨初始階段，Δω 、Δ都較大，v取較小值;②接合滑磨結(jié)束階段Δω和Δ都變小，v要變大;③離合器分離滑磨初始階段，Δω較小，Δ較大，v取較小值;④分離滑磨結(jié)束階段，Δω 較大，Δ較小，v取較大值.

在離合器的非滑磨運(yùn)動階段不采用模糊控制，直接將分離軸承的運(yùn)動速度進(jìn)行賦值為20 mm/s.

(3)C控制策略

在整個離合器的運(yùn)動過程的兩個階段都對軸承的運(yùn)動控制采用模糊控制算法.控制算法的輸入變量為主、從動盤轉(zhuǎn)速差Δω和其變化率Δ，分離軸承的運(yùn)動速度v作為輸出變量.模糊控制規(guī)則設(shè)計原則［7］:①離合器接合滑磨初始階段，Δω 、Δ都較大時，v取較小值;②接合滑磨結(jié)束階段Δω和Δ都變小時，v要變大;③離合器分離滑磨初始階段，Δω較小，Δ較大，v取較小值;④分離滑磨結(jié)束階段，Δ較小，Δω較大，v取較大值;⑤非滑磨階段，Δ=0，v取較大值.

4.2 仿真結(jié)果及分析

純電動汽車參數(shù)如下:電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩95 Nm;電機(jī)最高轉(zhuǎn)速8000轉(zhuǎn);車輛整備質(zhì)量2300 kg;迎風(fēng)面積2.33 m2;車輪半徑0.281 m;主減速比5.125;低速擋傳動比2.3;高速擋傳動比1.65;空氣阻力系數(shù)0.6.

基于前述MATLAB/SIMULINK的仿真模型分別采用A、B、C 3種控制策略對電動汽車的換擋過程進(jìn)行仿真.

仿真得到換擋過程產(chǎn)生的滑磨功分別為:WA=9251 J;WB=8074 J;WC=8262 J.

仿真得到驅(qū)動轉(zhuǎn)矩和沖擊度變化的結(jié)果如圖4、5、6.

圖4 常開式離合器驅(qū)動轉(zhuǎn)矩特性

圖4顯示的是常開式離合器在3種控制策略控制下?lián)Q擋過程中的T－S關(guān)系特性，離合器滑磨階段的T均值大小關(guān)系:TB＞TC＞TA;在非滑摩合階段:TA≈TB＞ TC.

圖5 常閉式離合器驅(qū)動轉(zhuǎn)矩特性

圖5顯示的是常閉式離合器在3種控制策略控制下?lián)Q擋過程中的T－S關(guān)系特性，離合器滑磨階段的T的均值大小關(guān)系為:TB＞TC＞TA;離合器的非滑磨階段:TA≈TB＞TC.

圖6顯示的是電動汽車在3種不同的控制策略控制下?lián)Q擋過程中所產(chǎn)生的沖擊度大小.3種控制策略峰值沖擊度大小關(guān)系:JA＞JB＞JC.

根據(jù)換擋過程中的滑磨功和沖擊度的數(shù)據(jù)，在換擋品質(zhì)方面策略C優(yōu)于策略B，策略B優(yōu)于策略A.

5 結(jié)論

電動汽車換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩中的阻力轉(zhuǎn)矩TL與分離軸承位移S有著確定的關(guān)系;而加速轉(zhuǎn)矩Tj與分離軸承軸向運(yùn)動的加速度成正比，決定了分離軸承運(yùn)動過程中位移S的變化.

以兩擋純電動汽車雙離合器換擋控制仿真模型為平臺進(jìn)行了電動汽車換擋過程的仿真，根據(jù)仿真結(jié)果和分析，得到以下結(jié)論:

1) 離合器滑磨運(yùn)動階段，執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩過大或者過小都會影響換擋品質(zhì);需要合理設(shè)計控制策略得到合適的分離軸承運(yùn)動速度，以得到良好的換擋品質(zhì);

2) 離合器非滑磨運(yùn)動階段，執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩越大，所產(chǎn)生的換擋品質(zhì)也越好，同時分離軸承的運(yùn)動速度也需要通過控制策略的控制限定在一個合理的范圍內(nèi).

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