基于AMESim的混合動力汽車DHT換擋執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計與仿真

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(1.杭州蕭山車福工業(yè)設(shè)計咨詢工作室，浙江 杭州 311200； 2.天津天海同步集團有限公司，天津 301600；3.湖南金潤電液控制系統(tǒng)有限公司，湖南 長沙 410205))

引言

DHT變速器(Dedicated Hybrid Transmission)指的是混合動力汽車專用變速器，與傳統(tǒng)以內(nèi)燃機作為單一動力輸入源的變速器不同，DHT變速器通過增加動力耦合單元，使用內(nèi)燃機和一個(或多個)電機共同對車輛進行驅(qū)動，以提高車輛的動力性能[1-2]。由于電機的介入，內(nèi)燃機可以始終工作在高效工作區(qū)間，所產(chǎn)生的多余能量被電機轉(zhuǎn)化并存儲，這大幅提高了車輛的能源使用效率。

通常，為了適應(yīng)混合動力汽車多樣的行駛路況，DHT變速器需要在多種模式下進行智能切換，由于模式切換的臨界條件十分復雜，駕駛員很難在最合適的換擋點進行換擋操作，以發(fā)揮出DHT變速器最佳的動力性能與節(jié)油效率，因此，必須應(yīng)用電控、液壓等技術(shù)，配合相應(yīng)的換擋執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)換擋的智能化，以提升車輛駕駛的簡易度，以及變速器的燃油經(jīng)濟性與動力性。

傳統(tǒng)的變速器大多將換擋執(zhí)行機構(gòu)作為單獨的總成裝配，并使用獨立電機作為換擋執(zhí)行機構(gòu)的動力源。一方面，變速器與換擋執(zhí)行機構(gòu)相互獨立意味著變速器總成的空間尺寸將被放大，另一方面，使用獨立電機作為動力源將提高變速器的成本。大多數(shù)DHT變速器由于齒輪位置偏高，無法采用飛濺潤滑的方式進行潤滑，往往自身會設(shè)置一套液壓系統(tǒng)用于強制潤滑，因此，DHT變速器的換擋執(zhí)行機構(gòu)可以借用潤滑系統(tǒng)的壓力油作為操控動力源，以達到降低成本、縮減結(jié)構(gòu)尺寸的目的。

本研究設(shè)計了一套液壓控制的換擋執(zhí)行機構(gòu)，將換擋執(zhí)行機構(gòu)與變速器進行集成，最后使用AMESim軟件對該液壓換擋執(zhí)行機構(gòu)進行了有效的仿真驗證[3-5]。

1 換擋執(zhí)行機構(gòu)的安裝位置與功能

圖1展示了換擋執(zhí)行機構(gòu)在DHT變速器中的安裝位置，如圖所示，該換擋執(zhí)行機構(gòu)布置于變速器模塊與電機模塊之間，用于控制同步器換擋。當換擋指向左移動時，同步器滑塊與一擋齒輪結(jié)合，變速器模塊掛入一擋；當換擋指向右移動時，同步器滑塊與二擋齒輪結(jié)合，變速器模塊掛入二擋；當換擋指處于中位時，變速器模塊處于空擋，電機模塊與變速器模塊脫離。

1.同步器 2.變速箱模塊 3.電機模塊 4.二擋齒輪 5.換擋執(zhí)行機構(gòu) 6.一擋齒輪圖1 換擋執(zhí)行機構(gòu)安裝位置

結(jié)合DHT變速器的工作模式，該換擋執(zhí)行機構(gòu)具有以下兩個功能：

(1) 當DHT變速器在純電動模式或混動模式下工作時，該換擋執(zhí)行機構(gòu)可切換變速器擋位，使電機輸入的動力通過合適的比例放大后輸出，提高變速器的動力性能；

(2) 當DHT變速器在發(fā)動機直驅(qū)工況下行駛時，僅由發(fā)動機輸入動力，電機停止工作。

為了避免傳動軸拖拽電機造成能量損失，換擋執(zhí)行機構(gòu)進入中位，相應(yīng)的變速器退回空擋，電機與變速器相互脫離。

2 換擋執(zhí)行機構(gòu)液壓系統(tǒng)

2.1 液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

為了確保換擋執(zhí)行機構(gòu)換擋的精確性與快速性，通常使用電機或液壓系統(tǒng)對換擋執(zhí)行機構(gòu)進行操控，由于DHT變速器自身帶有用于潤滑的液壓系統(tǒng)，因此，可在其液壓系統(tǒng)基礎(chǔ)上進行升級改造。

如圖2所示，所設(shè)計的換擋執(zhí)行機構(gòu)液壓系統(tǒng)包括幾個部分。

1.油箱 2、4.過濾器 3.油泵 5.安全閥 6.開關(guān)閥 7.換擋液壓缸組件 8.單向閥 9.壓力比例閥A 10.壓力比例閥B 11.蓄能器 12.壓力傳感器 13.TCU(Transmission Control Unit)圖2 液壓系統(tǒng)原理圖

(1) 動力元件：動力元件是指將機械能轉(zhuǎn)化為液體壓力能的元件[6]。該液壓系統(tǒng)中使用油泵(內(nèi)嚙合擺線轉(zhuǎn)子泵)作為動力元件。該液壓系統(tǒng)設(shè)計以DHT變速器為基礎(chǔ)，本身具有動力輸入，因而將油泵設(shè)計為直接由DHT變速器的傳動軸驅(qū)動，無需采用獨立電機作為油泵動力，既節(jié)省了成本，也使整套液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為簡單可靠；

1.端蓋 2.變速器殼體 3.換擋指 4.換擋活塞 圖3 換擋液壓缸組件

(2) 執(zhí)行元件：該液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件是換擋液壓缸組件。如圖3所示，該換擋液壓缸組件由端蓋、變速器殼體、換擋指、換擋活塞組成，各零件裝于DHT變速器殼體中，與變速器高度集成，有效縮減了DHT變速器的空間尺寸。換擋活塞與換擋指固聯(lián)，換擋指用于撥動同步器上的滑套進行換擋操作。端蓋、變速器殼體與換擋活塞共同構(gòu)造出左右兩個密閉油腔X、Y，通過控制壓力比例閥A與壓力比例閥B的開閉，這2個密閉油腔可與壓力油路或油箱聯(lián)通；

(3) 控制元件：該液壓系統(tǒng)的控制元件有：安全閥、單向閥、開關(guān)閥以及2個壓力比例閥。其中，溢流閥的作用為限制主油路油壓，防止過高的系統(tǒng)壓力對液壓元件造成損傷。開關(guān)閥負責控制液壓系統(tǒng)潤滑模式與充壓模式之間的切換：當開關(guān)閥打開時，液壓系統(tǒng)的主油路與DHT變速器的潤滑油路接通，主油路壓力降低，液壓油主要用于保證變速器的軸承與齒輪的潤滑，在潤滑模式下，換擋液壓缸的控制油壓由蓄能器保證；當開關(guān)閥關(guān)閉時，主油路油壓上升，蓄能器開始充壓，直至充壓結(jié)束后再次打開開關(guān)閥。一般，蓄能器充壓時間比較短，在充壓模式的持續(xù)時間段內(nèi)，DHT變速器的潤滑可以暫由其自身油液飛濺保證。壓力比例閥A與壓力比例閥B用于控制換擋活塞進行換擋操作：當壓力比例閥B打開、壓力比例閥A關(guān)閉時，液壓油進入換擋液壓缸右端油腔，左端油腔中的液壓油被動排入油箱，換擋活塞向左移動，換擋執(zhí)行機構(gòu)進入1擋擋位；當壓力比例閥A打開、壓力比例閥B關(guān)閉時，液壓油進入換擋液壓缸左端油腔，右端油腔中的液壓油被動排入油箱，換擋活塞向右移動，換擋執(zhí)行機構(gòu)進入二擋擋位；當壓力比例閥A與壓力比例閥B同時打開時，在兩側(cè)壓力的共同作用下，換擋活塞向中位移動，換擋執(zhí)行機構(gòu)由掛擋狀態(tài)回到空擋；

(4) 輔助元件：該液壓系統(tǒng)的輔助元件包括：過濾器、蓄能器、油箱等。粗濾用于防止油箱中的雜質(zhì)進入油泵，保證油泵正常工作。由于電磁閥對清潔度的要求極為苛刻，因此在油泵之后設(shè)置有精濾，用于保護3個電磁閥。蓄能器是用于存儲和釋放油液壓力能的裝置，在該液壓系統(tǒng)中，選用彈簧式蓄能器。蓄能器在此液壓系統(tǒng)中的作用為：① 作為輔助動力源，用于控制換擋液壓缸的動作； ② 吸收液壓沖擊，保證液壓系統(tǒng)工作環(huán)境的穩(wěn)定，保護液壓元件[3]。

(5) 傳遞介質(zhì)：該液壓系統(tǒng)使用液壓油作為傳遞介質(zhì)。

2.2 液壓系統(tǒng)工作原理

圖4為該液壓系統(tǒng)的控制流程圖[7]。該液壓系統(tǒng)的油泵與DHT變速器傳動軸連接，油泵從傳動軸取力，將油箱中的液壓油泵入液壓系統(tǒng)壓力油路。如圖2所示，溢流閥并聯(lián)于油泵出口，用于限制主壓力油路的最高油壓，防止油壓過高對液壓元件造成損害。液壓系統(tǒng)初次運行時，油泵輸出的液壓油經(jīng)過單向閥后進入蓄能器，蓄能器作為油液壓力能的存儲裝置，用于鎖定油路油壓，控制換擋液壓缸的換擋動作。同時，蓄能器還能吸收油路中的液壓沖擊，使換擋操作流暢可靠。當蓄能器充壓完成后，開關(guān)閥打開，液壓系統(tǒng)主壓力油路與潤滑油路接通，此時，液壓油主要用于保證DHT變速器的軸承與齒輪的潤滑，換擋執(zhí)行機構(gòu)的換擋油壓靠蓄能器保證。

圖4 液壓系統(tǒng)控制流程圖

壓力傳感器隨時監(jiān)控蓄能器出口的壓力，并反饋至TCU。當壓力低于設(shè)定的最低壓力數(shù)值時，認為換擋控制油路油壓將無法提供足夠換擋力進行換擋操作，此時，TCU發(fā)出信號，關(guān)閉開關(guān)閥，主油路油壓逐漸升高，蓄能器得以充壓，當壓力傳感器所檢測到的數(shù)值高于設(shè)定的最高數(shù)值時，認為換擋控制油路油壓足以維持換擋機構(gòu)的正常操控，此時，開關(guān)閥再次打開，主油路油壓降低，由蓄能器保證換擋所需油壓，避免不必要的能量浪費，以及過高的系統(tǒng)壓力對油泵等液壓元件造成損傷。

2.3 液壓元件設(shè)計

DHT變速器在換擋時，首先會對電機進行調(diào)速，當電機軸與變速器傳動軸轉(zhuǎn)速接近時，才會執(zhí)行換擋操作，因此，與AT(Automatic Transmission)相比，DHT變速器換擋執(zhí)行機構(gòu)對換擋力的要求相對較低。通過對DHT變速器的換擋過程進行測試與分析，得出換擋力達到500 N就可以進行正常換擋。初步選擇液壓系統(tǒng)壓力p為1.9 MPa，機械效率η1為0.9，考慮活塞移動時需要克服排油背壓壓力，取安全系數(shù)S為1.2[8]，對活塞進行受力分析：

式中，A——活塞截面積

d——活塞桿直徑

代入數(shù)據(jù)可得，d為21.14 mm，取整得換擋活塞直徑d為21 mm。

3 AMESim建模與仿真

使用AMESim建立該液壓系統(tǒng)的仿真模型，可以在實際樣件制造之前，對其工作狀況進行模擬，以驗證其可靠性，降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期[9-10]。

如圖5所示，在軟件中建立該液壓系統(tǒng)的仿真模型[11-12]，該模型中，由于與油泵的驅(qū)動軸始終與DHT變速器傳動軸相連，且傳動軸的有效平均工作轉(zhuǎn)速約為1000 r/min，所以用電機模擬變速器的傳動軸，設(shè)定電機轉(zhuǎn)速為1000 r/min。

圖5 AMESim仿真模型

主要仿真參數(shù)如表1所示。

進入Simulation模塊，設(shè)定仿真時間16 s，步長為0.01 s，運行仿真并對參數(shù)進行分析，如圖6～圖8所示。

由圖6～圖8可以看出，蓄能器建壓時間大約為0.54 s。從第8 s開始，液壓缸左側(cè)油腔進油，右側(cè)油腔排油，活塞向右移動，進入二擋，用時約為0.11 s。第10 s開始，兩側(cè)液壓缸同時進油，由于兩側(cè)活塞受力面積不同，活塞受到向左的合力，并向左移動，回到空擋。第12 s起，液壓缸右側(cè)油腔進油，左側(cè)油腔排油，活塞向左移動，進入一擋。第14 s起，兩側(cè)液壓缸再次同時進油，由于兩側(cè)活塞受力面積不同，活塞受到向右的合力，并向右移動，回到空擋。至此，該換擋執(zhí)行機構(gòu)完成了從空擋掛到二擋，再回到空擋，然后掛到一擋，最后回到空擋的換擋過程。

表1 AMESim仿真參數(shù)

圖6 活塞位移變化

圖7 左側(cè)液壓缸液壓油流量變化

圖8 蓄能器壓力變化

對仿真曲線進行觀察分析，可以認為該模型成功仿真了換擋機構(gòu)的換擋過程，該換擋機構(gòu)換擋穩(wěn)定，能夠按照設(shè)計意圖換擋，并實現(xiàn)DHT變速器的換擋操作。

4 結(jié)論

針對混合動力汽車DHT變速器存在的問題，設(shè)計了一種用于混合動力汽車DHT變速器的換擋執(zhí)行機構(gòu)及其液壓系統(tǒng)，可實現(xiàn)變速器在一擋、二擋與空擋之間的切換。該換擋執(zhí)行機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、可靠性高等優(yōu)點，可以與DHT變速器深度集成并且裝配方便。該液壓系統(tǒng)通過蓄能器確保換擋控制油路油壓的穩(wěn)定，油泵負載不必一直處于高位，既提升了油泵的壽命，也降低了液壓元件的損傷。由AMESim軟件的仿真結(jié)果可知，該液壓系統(tǒng)中各元件可按設(shè)計意圖穩(wěn)定工作，換擋功能良好。