混合動力汽車變速器純電動模式換擋性能仿真分析與試驗(yàn)評價(jià)

胡檢孫，臧孟炎，祝 林，陳 勇

（1.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640；2. 浙江吉利汽車研究院有限公司，杭州 311228；3. 河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300130）

混合動力汽車變速器純電動模式換擋性能仿真分析與試驗(yàn)評價(jià)

胡檢孫1，臧孟炎1，祝 林2，陳 勇3

（1.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640；2. 浙江吉利汽車研究院有限公司，杭州 311228；3. 河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300130）

通過混合動力變速器純電模式同步過程動力學(xué)理論分析，在確認(rèn)電機(jī)必須參與調(diào)速的基礎(chǔ)上，建立了某混合動力變速器的動力學(xué)仿真模型。確認(rèn)換擋過程仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的一致性之后，進(jìn)行了多種轉(zhuǎn)速差下降擋和升擋過程的仿真分析，從同步器同步時(shí)間和換擋沖量最小化的角度出發(fā)，得到了該混合動力變速器電機(jī)的合理調(diào)速范圍。為混合動力變速器在純電動模式下快速、平順的換擋控制策略優(yōu)化提供了有效的仿真分析手段。

純電動模式；變速器；動力學(xué)仿真；調(diào)速；換擋性能

混合動力汽車是指汽車動力系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行要求，可以從兩種或兩種以上能源中獲取驅(qū)動力的汽車。與傳統(tǒng)汽車相比，混合動力汽車在節(jié)能和環(huán)保兩方面都具有優(yōu)勢，已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車的發(fā)展方向[1]。在國內(nèi)，混合動力汽車起步較晚，對它的研究還不夠成熟，大都處于理論研究階段[2]。目前混合動力汽車的研究重點(diǎn)主要集中在內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)協(xié)同工作時(shí)的轉(zhuǎn)矩分配策略和能量管理策略等方面[3-4]，專門針對純電動模式下?lián)Q擋控制策略的研究較少。

針對某款混合動力汽車變速器，建立純電動模式工作時(shí)的變速器動力學(xué)模型。首先仿真分析高擋換低擋，且同步器主、從動部分存在正、負(fù)轉(zhuǎn)速差時(shí)的換擋性能，并與試驗(yàn)結(jié)果比較確認(rèn)仿真分析方法的有效性。然后，仿真研究高擋換低擋、低擋換高擋時(shí)，同步器主、從動部分不同轉(zhuǎn)速差對同步器同步時(shí)間等的影響，為純電模式下混合動力變速器的換擋策略制定提供理論依據(jù)。

1 純電動模式下的動力傳動系統(tǒng)

本研究中混合動力變速器的動力傳動系統(tǒng)，由某款機(jī)械式變速器加上電機(jī)和傳動機(jī)構(gòu)組成。圖1為純電動模式下該變速器2擋動力傳動系統(tǒng)簡圖。電機(jī)為動力源，由傳動機(jī)構(gòu)直接將動力傳遞到變速器輸入軸，再經(jīng)變速器輸出軸傳遞到差速器端。由于在變速器輸入端加入了電機(jī)和傳動機(jī)構(gòu)，使同步器的主動部分同步轉(zhuǎn)動慣量較普通機(jī)械式變速器大幅增加。為了保證電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速、輸出軸轉(zhuǎn)速等信號在電機(jī)和變速器之間實(shí)時(shí)傳輸，動力傳動系統(tǒng)采用高速CAN總線進(jìn)行通信。變速器控制器根據(jù)變速器擋位狀態(tài)信號，向電機(jī)控制器發(fā)送換擋過程電機(jī)所需要的工作模式，電機(jī)根據(jù)接收的請求信號，及時(shí)調(diào)整電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，以滿足變速器摘擋、選擋和掛擋的操作要求。

圖1 純電模式2擋動力傳動系統(tǒng)簡圖

2 換擋過程動力學(xué)理論分析

2.1 換擋過程動力學(xué)模型

為簡化分析模型，我們做出如下假設(shè)[5-6]：（1）忽略電機(jī)軸及變速器輸入軸和輸出軸的扭振對系統(tǒng)的影響。（2）忽略軸的橫向振動的影響。（3）將各元件視為完全剛性無阻尼的慣性元件，并以集中質(zhì)量的形式表示。（4）忽略系統(tǒng)其它運(yùn)動副的間隙。（5）假設(shè)車輪和地面之間無滑轉(zhuǎn)和滑移。

基于以上基本假設(shè)，得到該變速器動力傳遞模型，如圖2所示。根據(jù)動量矩定理，得到如下數(shù)學(xué)公式[7]：

其中：

式中：D為微分算子；ω1為同步器主動部分的角速度, rad/s；ω2同步器被動部分的角速度，rad/s；J1為轉(zhuǎn)換至同步器主動部分的當(dāng)量轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；J2為轉(zhuǎn)換至同步器被動部分的當(dāng)量轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；Mr為轉(zhuǎn)換至同步器主動部分的當(dāng)量阻力矩，包括電機(jī)輸出軸所受的阻力矩、軸承與軸承座之間的摩擦力矩以及齒輪的攪油力矩，Nm；Mv為地面阻力轉(zhuǎn)換至同步器被動部分的當(dāng)量阻力矩（在換擋過程中可視為不隨時(shí)間變化的常數(shù)），Nm；Mf為同步器摩擦錐面的同步摩擦力矩，Nm；K為符號系數(shù)，K = sign(iy-ix)，ix為當(dāng)前擋位的傳動比，iy為目標(biāo)擋位的傳動比，升擋時(shí)K = sign(i -i )1。

2.2 目標(biāo)轉(zhuǎn)速對換擋性能的影響分析

其中：

由于J2遠(yuǎn)大于J1，可近似地認(rèn)為J1/J2為0，則式（3）變?yōu)槭剑?）。

由式（4）可知，同步器主動部分的同步力矩M1一定時(shí)，同步器同步時(shí)間與同步前的轉(zhuǎn)速差成正比。所以，目標(biāo)轉(zhuǎn)速如果是電機(jī)原轉(zhuǎn)速，即電機(jī)不參與調(diào)速時(shí)，同步時(shí)間將長達(dá)數(shù)秒而導(dǎo)致動力中斷。這就是混合動力變速器純電模式工作時(shí)，電機(jī)必須參與調(diào)速的原因。

當(dāng)轉(zhuǎn)速差一定時(shí)，同步時(shí)間的長短取決于同步力矩的大小，而同步力矩是同步器同步摩擦力矩與轉(zhuǎn)換至同步器主動部分的當(dāng)量阻力矩之和。由于當(dāng)量阻力矩由電機(jī)輸出軸至同步器主動部分的零件摩擦阻力距和電機(jī)輸出阻力矩組成，不能簡單控制其大小。所以，同步時(shí)間的改變只能通過調(diào)節(jié)同步前同步器主動部分的轉(zhuǎn)速以改變摩擦力矩的方向?qū)崿F(xiàn)：當(dāng)同步器主動部分的轉(zhuǎn)速高于被動部分的轉(zhuǎn)速時(shí)，主動部分受到的當(dāng)量阻力矩與同步摩擦力矩的方向一致（圖2a），當(dāng)量阻力矩起到同步助力的作用，有利于縮短同步時(shí)間。而當(dāng)主動部分的轉(zhuǎn)速低于被動部分的轉(zhuǎn)速時(shí)，主動部分的當(dāng)量阻力矩與同步摩擦力矩的方向相反（圖2b），當(dāng)量阻力矩削弱同步力矩的同步作用，延長同步時(shí)間。由此可知，電機(jī)參與調(diào)速時(shí)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速應(yīng)該使同步器主動部分的轉(zhuǎn)速高于被動部分的轉(zhuǎn)速，才能縮短同步時(shí)間。特別在低擋（如2擋）情況下，由于傳動比大，轉(zhuǎn)換至同步器主動部分的當(dāng)量阻力矩比較大，同步器主、被動部分轉(zhuǎn)速差的大小對同步時(shí)間有更顯著的影響。

圖2 變速器動力傳遞簡化模型

3 動力學(xué)仿真模型的建立

根據(jù)圖1試驗(yàn)樣機(jī)的設(shè)計(jì)尺寸，省略電機(jī)、選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部件，在Pro/E中建立變速器2擋傳動系統(tǒng)的三維模型并裝配。通過Pro/E和虛擬樣機(jī)軟件（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System，ADAMS）的接口軟件Mech/Pro2005將各運(yùn)動構(gòu)件設(shè)置為剛體后整體導(dǎo)入到ADAMS中。在ADAMS中建立的2擋傳動系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型，如圖3所示。根據(jù)實(shí)際運(yùn)動關(guān)系給構(gòu)件添加運(yùn)動副約束和驅(qū)動，定義構(gòu)件間的接觸，設(shè)置仿真腳本和求解器。試驗(yàn)中，通過在輸入軸上布置力矩傳感器，測得不同轉(zhuǎn)速下同步器主動部分阻力矩，其隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖3 二擋傳動系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型

圖4 二擋阻力矩隨輸入軸轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系曲線

4 換擋過程動力學(xué)仿真分析與評價(jià)

根據(jù)2.2節(jié)中目標(biāo)轉(zhuǎn)速對換擋性能的影響分析，對圖3所示的2擋動力傳動系統(tǒng)進(jìn)行了變速器高擋換低擋（4擋換2擋）的換擋性能仿真分析。分析條件為電機(jī)調(diào)速后同步器主動部分和被動部分轉(zhuǎn)速差分別為200 r/min和-200 r/min，正轉(zhuǎn)速差下阻力矩為1.95 Nm，同步力矩為15.5 Nm左右，負(fù)轉(zhuǎn)速差下則為1.78 Nm，同步力矩為14.4 Nm左右。仿真結(jié)果如圖5和圖6所示，由圖可知，轉(zhuǎn)速差為200 r/min時(shí)，同步時(shí)間為0.29 s，同步后的撥環(huán)時(shí)間為0.03 s，整個(gè)掛擋時(shí)間為0.42 s；轉(zhuǎn)速差為-200 r/min時(shí)，同步時(shí)間為0.84 s，同步后的撥環(huán)時(shí)間為0.07 s，整個(gè)掛擋時(shí)間為1.08 s。

由此可知，絕對值相同的轉(zhuǎn)速差，負(fù)轉(zhuǎn)速差對應(yīng)的同步時(shí)間、撥環(huán)時(shí)間和整個(gè)掛擋時(shí)間都是正轉(zhuǎn)速差的2～3倍。所以，電機(jī)參與調(diào)速的目標(biāo)轉(zhuǎn)速應(yīng)該使同步器主、被動部分出現(xiàn)正轉(zhuǎn)速差。

圖5 轉(zhuǎn)速差為200 r/min時(shí)的同步過程

圖6 轉(zhuǎn)速差為-200 r/min時(shí)的同步過程

為驗(yàn)證仿真分析方法的有效性，搭建如圖7所示的試驗(yàn)臺架，實(shí)施了與仿真分析條件對應(yīng)的2擋換擋試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，通過監(jiān)測換擋過程中調(diào)速電機(jī)、負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，以及同步器兩端的轉(zhuǎn)速，采用CAN總線實(shí)現(xiàn)控制指令和數(shù)據(jù)信號的實(shí)時(shí)傳遞，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速以及摘擋、掛擋過程。通過調(diào)速電機(jī)來控制換擋前同步器主動部分轉(zhuǎn)速，負(fù)載電機(jī)則控制同步器被動部分轉(zhuǎn)速，每個(gè)轉(zhuǎn)速差下的換擋試驗(yàn)實(shí)施3次以上，確保試驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性。

圖7 換擋性能測試裝置

圖8 轉(zhuǎn)速差200 r/min的仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

圖9 轉(zhuǎn)速差-200 r/min的仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

在同步器主、被動部分轉(zhuǎn)速差為±200 r/min的情況下，仿真與試驗(yàn)過程中同步器的主、被動部分轉(zhuǎn)速變化的時(shí)間歷程如圖8和圖9所示。由圖可知，仿真與試驗(yàn)有很好的一致性，充分說明了仿真分析方法的有效性。

5 電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速分析

在確認(rèn)動力學(xué)仿真分析有效性的基礎(chǔ)上，對開發(fā)中的某混合動力變速器（純電動模式有2和4兩個(gè)擋位）在純電動模式下，就不同轉(zhuǎn)速差進(jìn)行換擋過程仿真分析，為換擋策略的制定提供理論依據(jù)。

據(jù)上文所述，在降擋工況下（4擋換2擋），正轉(zhuǎn)速差可以有效縮短同步時(shí)間，在此僅計(jì)算轉(zhuǎn)速差100 r/min和200 r/min的換擋過程，得到同步器主動部分轉(zhuǎn)速變化和結(jié)合齒套位移，如圖10所示。由圖可知，同步時(shí)間分別為0.23 s和0.29 s，說明降擋工況下轉(zhuǎn)速差越小換擋性能越好。

圖10 降擋工況換擋過程分析結(jié)果

在升擋工況下（2擋換4擋），分別計(jì)算轉(zhuǎn)速差—100 r/min、100 r/min和200 r/min的換擋過程，同步器主動部分轉(zhuǎn)速變化和結(jié)合齒套位移，如圖11所示。

圖11 升擋工況換擋過程分析結(jié)果

由圖11可知，速差為-100 r/min時(shí)，電機(jī)調(diào)速時(shí)間以及同步時(shí)間分別比轉(zhuǎn)速差為100 r/min時(shí)多0.01 s和0.035 s，但由于轉(zhuǎn)速差為100 r/min的二次撥環(huán)時(shí)間過長，使整個(gè)換擋時(shí)間與速差-100 r/min幾乎一致，但28.5 N·s的換擋沖量小于轉(zhuǎn)速差-100 r/min（32 N·s）。比較轉(zhuǎn)速差為200 r/min與100 r/min時(shí)的換擋結(jié)果，轉(zhuǎn)速差為100 r/min時(shí)的電機(jī)調(diào)速時(shí)間比轉(zhuǎn)速差為200 r/min時(shí)的多0.01 s，整個(gè)換擋時(shí)間比轉(zhuǎn)速差為200 r/min時(shí)多0.025 s，換擋沖量基本相等。由此說明，升擋工況下轉(zhuǎn)速差的正負(fù)值及轉(zhuǎn)速差的大小，對換擋性能的影響較降擋工況下小。

綜合考慮以上分析結(jié)果，混合動力汽車在純電動模式下進(jìn)行換擋時(shí)，應(yīng)保證同步器主動部分的轉(zhuǎn)速高于被動部分。高擋換低擋的轉(zhuǎn)速差越小越好，但考慮電機(jī)的成本，電機(jī)調(diào)速后應(yīng)滿足轉(zhuǎn)速差+50 r/min～+100 r/min的范圍。對于低擋換高擋，由于不同目標(biāo)轉(zhuǎn)速下的調(diào)速時(shí)間以及同步時(shí)間相差較小，所以電機(jī)調(diào)速后轉(zhuǎn)速差可以放寬至+50 r/min～+200 r/min區(qū)間。

6 結(jié)論

研究結(jié)果表明，混合動力汽車變速器在純電動模式下掛低擋前，電機(jī)必須主動參與調(diào)速，并且電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速只有滿足調(diào)速后的同步器主動部分轉(zhuǎn)速高于被動部分，才能縮短換擋時(shí)間，減少動力中斷時(shí)間，使換擋過程平順，提高同步器壽命。仿真方法的有效性已經(jīng)過試驗(yàn)確認(rèn)。

本研究方法將為混合動力變速器在純電動模式下快速、平順的換擋控制策略優(yōu)化提供有效的仿真分析手段。

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作者介紹

Simulation and Experimental Evaluation on Shifting Performance of Transmission for Hybrid Electric Vehicle in Pure Electric Driving Mode

HU Jiansun1，ZANG Mengyan1，ZHU Lin2，CHEN Yong3
（1. School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China；2. Zhejiang Geely Automobile Institute Co., Ltd，Hangzhou 311228，China；3. School of Mechanical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China）

Based on dynamics analysis of the synchronization process and the confirmation that the motor must participate in regulating the speed, a dynamic simulation model was built. After obtaining the agreement between the simulation results and experimental results of transmission shift performance, simulations of downshifting and upshifting processes were conducted with a variety of speed differences. By minimizing the synchronization time and shift impulse, a reasonable speed regulation range of motor of the hybrid transmission was determined. This paper provides an effective simulation method to optimize the fast and smooth gear shifting control strategy for a hybrid transmission in pure electric mode.

pure electric mode; transmission; dynamics simulation; regulating speed; shift performance

責(zé)任作者：胡檢孫（1991-），男，江西吉安人。碩士研究生，主要從事變速器換擋性能仿真研究。Tel：18814113201E-mail：Jasonhu_vv@163.com

U463.212

A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.01.11

臧孟炎（1961-），男，湖南華容人。博士，教授，主要從事汽車CAE仿真方法與應(yīng)用研究。 Tel：13922252702 E-mail：myzang@scut.edu.cn

2016-05-11 改稿日期：2016-09-05

用格式：

胡檢孫，臧孟炎，祝林，等.混合動力汽車變速器純電動模式換擋性能仿真分析與試驗(yàn)評價(jià)[J]. 汽車工程學(xué)報(bào)，2017，7(1)：072-077.

WANG Shaohua，YAO Yong，ZHU Lin，et al．Simulation and Experimental Evaluation on Shifting Performance of Transmission for Hybrid Electric Vehicle in Pure Electric Driving Mode [J]. Chinese Journal of Automotive Engineering，2017，7(1)：072-077. (in Chinese)