PHEV 混動變速箱無同步器換擋臺架測試研究

王雷 徐輝輝 馮英連 熊健夫 胡帥

（麥格納（江西）動力總成有限公司,南昌 330033）

主題詞：混合動力 臺架測試 同步器 換擋

PHEV Plug in Hybrid Electric Vehicle

HEV Hybrid Electric Vehicle

MG Traction Motor

PRND Park/Reverse/Neutral/Drive

IMC Integration Measure&Calibration

T2T Tip to Tip

CAN Controller Area Network

OSP Output Speed

TCU Transmission Control Unit

MCU Micro Control Until

CCP CAN Communication Protocol

PT Power Train

ETK Emulator Tastkopf(Emulator Test Probe)

1 前言

隨著國家第六階段車輛油耗的法規(guī)發(fā)布，出現(xiàn)不同形式的新能源車輛，包括以電能為主要形式的電動汽車，以氫能為主的氫能源汽車。但是由于充電時(shí)間長以及制氫和儲氫技術(shù)相對不成熟的原因，純電動汽車以及氫能源汽車沒有迅速得到推廣和應(yīng)用，由于發(fā)動機(jī)技術(shù)相對非常成熟，結(jié)合電能優(yōu)點(diǎn)，市場出現(xiàn)了不同形式的混合動力車輛，插電式混合動力車輛（PHEV）和混動車輛（HEV），不同形式混動車輛解決純電車?yán)锍探箲]和充電不方便的困難，同時(shí)解決排放問題，但是由于多動力源的引入，系統(tǒng)的集成度和復(fù)雜度隨之上升，需要在系統(tǒng)角度來優(yōu)化系統(tǒng)功能。由于電機(jī)在轉(zhuǎn)速控制和扭矩控制的便利性，使得變速箱換擋設(shè)計(jì)系統(tǒng)得到優(yōu)化和簡化，且變速箱控制軟件設(shè)計(jì)需要獲取系統(tǒng)基本參數(shù)。

本文重點(diǎn)研究PHEV換擋過程變速箱無離合器換擋控制測試方法，測試目的和測試結(jié)果，為混動變速箱無同步器換擋控制軟件設(shè)計(jì)提供基本數(shù)據(jù)和方法。

2 PHEV變速箱系統(tǒng)

2.1 混動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義

目前市場很多產(chǎn)品構(gòu)型，P0~P4是由電機(jī)在動力總成的位置關(guān)系而定義的，具體見圖1。

圖1 混動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[1]

P0：與發(fā)動機(jī)曲軸同軸、安裝于常規(guī)發(fā)電機(jī)位置的動力電機(jī)；

P1：安裝于發(fā)動機(jī)之后、主離合器之前的動力電機(jī)；

P2：安裝于主離合器之后、差速器之前的動力電機(jī)；

P3：與差速器固定連接、傳動比不受離合器、換擋系統(tǒng)影響的動力電機(jī)；

P4：變速器之后的動力電機(jī)。

2.2 動力系統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)成

本文的研究對象為P2.5單電機(jī)濕式雙離合器架構(gòu)的PHEV傳動系統(tǒng)，這種系統(tǒng)主要由發(fā)動機(jī)（en?gine）、驅(qū)動電機(jī)(MG),離合器C1，離合器C2，以及4個(gè)前進(jìn)擋和一個(gè)P擋組成，詳細(xì)構(gòu)成見圖2。

發(fā)動機(jī)能夠在1擋到4擋之間工作，電機(jī)只能使用1擋和3擋；1擋和3擋通過輸入軸2與離合器C2相連，1擋和3擋在設(shè)計(jì)上是沒有同步器的；2擋和4擋通過輸入軸1與離合器1相連，在設(shè)計(jì)上是有同步器的。

本系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是由于發(fā)動機(jī)有4個(gè)擋位，可以工作在經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)，電機(jī)有2個(gè)擋位，可以降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，減少電機(jī)起步電流和體積，有利于節(jié)約系統(tǒng)的成本。

圖2 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 PHEV變速箱系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)有3種工作模式分別是：純電工作、發(fā)動機(jī)工作和混動工作模式。

（1）純電工作模式

當(dāng)離合器C1和C2分離發(fā)動機(jī)處于不工作情況下，電池的電量在設(shè)置范圍內(nèi)，變速箱可以處于1擋和3擋，通過MG輸出動力傳到車輪。

（2）發(fā)動機(jī)工作模式

當(dāng)電量不足或者M(jìn)G出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)工作類似雙離合器換擋的工作方式，可以在1擋到4擋上工作。

（3）混動工作模式

當(dāng)系統(tǒng)需要加速性能或者最佳油耗時(shí)，可以讓發(fā)動機(jī)和電機(jī)同時(shí)輸出動力到車輪，比如系統(tǒng)工作在3擋或者電機(jī)工作在1擋和發(fā)動機(jī)工作在2擋。

3 PHEV無同步器臺架

如果換擋時(shí)刻不適當(dāng)、換擋力不合適，無同步器換擋會帶來換擋噪音以及換擋部件損傷。無同步器換擋臺架測試主要從以下4個(gè)方面來進(jìn)行測試和分析：

（1）合適的齒套/接合齒鎖止角、偏心量；

（2）合適的齒套和接合齒轉(zhuǎn)速差；

（3）通過不同換擋力、換擋時(shí)間、慣量換算出換擋速度對換擋沖擊的影響；

（4）齒套與齒尖之間距離縮短量；

3.1 變速箱無同步器換擋仿真

通過ITI SimulationX設(shè)計(jì)無離合器換擋的換擋仿真模型見圖3。主要考慮換擋機(jī)構(gòu)影響，本變速箱換擋機(jī)構(gòu)采用換擋電機(jī)為驅(qū)動原件驅(qū)動換擋鼓，換擋鼓與換擋撥叉連接進(jìn)行換擋，所以特別設(shè)計(jì)了換擋電機(jī)模型以及換擋股模型，進(jìn)行無同步器換擋仿真。無同步器換擋質(zhì)量與換擋速度（Shift_speed）、主動齒與被動齒速差（Diff_speed）、換擋時(shí)間（ShortT）、齒套鎖止角（Angle_sleeve_L）、齒圈鎖止角影響，由于齒套鎖止角在仿真過程中設(shè)定后，為了仿真方便，齒圈鎖止角通常使用齒套與齒圈鎖止角的差值（Sleeve2clutch_diff_chamfe angle）來表示，模型設(shè)計(jì)中考慮各部件的慣量，本模型主要考慮仿真結(jié)果主要評價(jià)沖擊度大小和撞擊次數(shù)，通過調(diào)整參數(shù)，調(diào)整參數(shù)設(shè)計(jì)見表1。仿真結(jié)果見從圖4到圖9。從仿真結(jié)果可以得出以下結(jié)論。

圖3 換擋仿真模型

（1）一對嚙合齒速差越小，換擋沖擊度越小，同時(shí)換擋沖擊次數(shù)越少，換擋速度對換擋沖擊度影響不大，但對換擋沖擊次數(shù)有影響。當(dāng)換擋速度足夠大，換擋沖擊次數(shù)減少，當(dāng)換擋速度小時(shí)，換擋沖擊次數(shù)增加。

（2）齒套與齒尖之間距離縮短量在大于2.7 mm以上，對換擋有利。從圖4~6中也可以看出，換擋速差大于30 r/min，對換擋沖擊較小，同時(shí)當(dāng)換擋速差很小時(shí)，齒套與齒尖之間距離縮短量，對換擋沖擊時(shí)沒有影響。

（3）從圖7可以可看出，當(dāng)齒套角度在57°附近對換擋的沖擊較小。

（4）從圖8和圖9可以看出，當(dāng)齒套與齒尖之間距離縮短量在2.7~3.0 mm，同時(shí)齒套與齒圈鎖止角的差值在3.5~5.0°之間對換擋沖擊較小。

表1 仿真參數(shù)表

3.2 變速箱無同步器臺架構(gòu)成

為了驗(yàn)證仿真數(shù)據(jù)和測試一些基本數(shù)據(jù)，為軟件設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。無同步器試驗(yàn)臺架主要有測試設(shè)備、變速箱、控制設(shè)備、驅(qū)動電機(jī)和飛輪組成。由于無同步器擋位在1擋和3擋，變速箱直接與發(fā)動機(jī)通過飛輪相連，變速箱主減與半軸相連，而后通過半軸連接到反拖電機(jī)上。無同步器試驗(yàn)臺見圖10，圖10中變速箱主要有驅(qū)動電機(jī)（P2.5電機(jī)）變速箱控制器TCU和驅(qū)動電機(jī)（P2.5電機(jī)）控制器MCU，控制設(shè)備主要有請求變速箱所在工作擋位PRND、安裝INCA的Laptop電腦，控制設(shè)備可以控制換擋速度、換擋時(shí)間；測試設(shè)備主要有ES451，ES451把傳感器（噪音和振動）電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，ES593主要測量TCU內(nèi)部信號和CAN1、CAN3信號，同時(shí)把ES415與上述信號放在同一個(gè)時(shí)間軸上,并傳給電腦，進(jìn)行數(shù)據(jù)保存和分析，IMC主要采集CAN信號，同時(shí)測量輸出軸轉(zhuǎn)速（OSP）；通過此臺架進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)修改和分析，最終選擇無同步器最優(yōu)參數(shù)。

圖4 沖擊度仿真結(jié)果

圖5 撞擊次數(shù)仿真結(jié)果

圖6 T2T縮短與速差關(guān)系

圖7 齒套角度與速差關(guān)系

圖8 T2T縮短與齒套角度

圖9 齒套角度與齒套與齒圈鎖止角差值

圖10 測試臺架構(gòu)成

3.3 變速箱無同步器臺架測試

由于硬件設(shè)計(jì)需要耗費(fèi)大量的財(cái)力、人力和時(shí)間，根據(jù)仿真結(jié)果選取一組硬件設(shè)計(jì)參數(shù)（表2）進(jìn)行測試。只要換擋速度能夠滿足換擋時(shí)，換擋沖擊和和撞擊次數(shù)僅僅與需要嚙合的一對齒輪的換擋速差有很大關(guān)聯(lián)。鑒于此，在臺架測試時(shí)，通過調(diào)節(jié)換擋速差來尋找優(yōu)質(zhì)換擋，無同步器換擋最終影響換擋質(zhì)量的是換擋噪音。為了更好測試和分析結(jié)果，在測試過程中通過主觀評價(jià)，把噪音分為5個(gè)級別，分別為打齒撞擊聲、輕微打齒聲、換擋鼓撞擊聲、輕微入擋聲和進(jìn)擋無聲音。其中，輕微入擋聲和進(jìn)擋無聲音是可以接受的。分別測試了2擋到1擋和2擋到3擋的換擋品質(zhì)，測試換擋速差為30~100 r/min，間隔轉(zhuǎn)速為10 r/min，測試結(jié)果見圖11。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如下：

（1）2擋到1擋在速差為30 r/min以下時(shí)，換擋品質(zhì)良好；

（2）2擋到1擋在速差為100 r/min時(shí)，無明顯打齒聲；

（3）2擋到3擋在速差50 r/min和60 r/min時(shí)，換擋品質(zhì)可接受；

（4）2擋到3擋在其它速差下，均會出現(xiàn)打齒聲。

表2 硬件設(shè)計(jì)參數(shù)表

圖11 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

4 總結(jié)

在仿真過程中通過設(shè)置換擋速度、換擋一對齒輪速差、齒套鎖止角、齒套與齒尖之間距離縮短量等因子不同參數(shù)，來確認(rèn)合理參數(shù)對無同步器換擋噪音和換擋平順性影響。通過仿真為硬件設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)優(yōu)化參數(shù)奠定基礎(chǔ)，減少設(shè)計(jì)過程中重復(fù)工作。通過仿真設(shè)計(jì)和臺架測試，對于PHEV混動變速箱無同步器換擋的軟件開發(fā)提供大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)為后續(xù)車輛測試奠定基礎(chǔ)。臺架的實(shí)測數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)表明影響無同步器換擋質(zhì)量最重要因素是一對嚙合齒輪的速差，基于不同的換擋情況控制匹配的速差才能提高換擋質(zhì)量，減少換擋過程中噪音。