純電動(dòng)汽車兩擋電驅(qū)換擋模塊的設(shè)計(jì)

劉 寶，丁 蘭

Liu Bao，Ding Lan

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201208）

0 引 言

目前純電動(dòng)汽車大多采用固定速比的減速器，為了獲得較好的百公里加速時(shí)間，通常速比設(shè)計(jì)得較大，但是高速工況時(shí)，大速比會(huì)使電機(jī)轉(zhuǎn)速升高、電能消耗增大、續(xù)駛能力縮短，使車輛的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性無法被很好兼顧。采用兩擋電驅(qū)，可以設(shè)置兩個(gè)速比，大速比用于提高車輛加速和爬坡能力，小速比用于高速巡航工況，以此降低電耗提高車輛續(xù)駛能力。相關(guān)研究顯示，相同工況下，兩擋變速器相比單擋，百公里起步加速性能提升3%，0～60 km/h 起步加速性能提升15%，最大爬坡度提升17%，高速工況下驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速大幅降低，更多運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)入高效區(qū)，綜合工況下能耗降低5%，并在相同最高車速下，電機(jī)最高設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速大幅降低[1]。

同時(shí)，兩擋化是新能源電驅(qū)的發(fā)展趨勢之一，《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》中明確提到，兩擋變速器是電驅(qū)動(dòng)總成領(lǐng)域的支撐技術(shù)之一[2]。

實(shí)現(xiàn)兩擋化必須增加換擋模塊，換擋模塊的設(shè)計(jì)直接影響車輛動(dòng)力性和駕駛舒適性。

1 兩擋電驅(qū)設(shè)計(jì)

1.1 傳統(tǒng)兩擋電驅(qū)

目前已量產(chǎn)的兩擋電驅(qū)較少，以某款兩擋電驅(qū)為例說明動(dòng)力傳遞過程。電機(jī)輸入軸上設(shè)置有兩個(gè)齒輪，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)換擋撥叉帶動(dòng)同步器進(jìn)行換擋。當(dāng)車輛處于低速、爬坡等高扭矩工況時(shí)，采用1 擋行駛，如圖1（a）所示；當(dāng)車輛處于高速工況時(shí)，采用2 擋行駛，如圖1（b）所示。

圖1 某款兩擋電驅(qū)的傳動(dòng)原理

電驅(qū)換擋過程類似傳統(tǒng)手動(dòng)擋，同步器只有從一個(gè)擋位完全退出后才可以掛入另一個(gè)擋位，但這樣會(huì)出現(xiàn)動(dòng)力中斷，所以兩擋電驅(qū)通常作為輔助驅(qū)動(dòng)搭配四驅(qū)系統(tǒng)使用。為此，設(shè)計(jì)一款無動(dòng)力中斷的兩擋電驅(qū)，可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛。

1.2 無動(dòng)力中斷兩擋電驅(qū)

無動(dòng)力中斷的兩擋電驅(qū)采用平行軸同軸設(shè)計(jì)，中間軸集成兩個(gè)濕式離合器，控制兩個(gè)擋位齒輪的接合和斷開。進(jìn)行換擋時(shí)，一個(gè)擋位的離合器扭矩逐漸減小，另一個(gè)擋位離合器的扭矩逐漸增大，但始終保持動(dòng)力輸出，不出現(xiàn)動(dòng)力中斷。兩個(gè)擋位分別為低速擋1 擋和高速擋2 擋。低速、爬坡等高扭矩工況采用1 擋，動(dòng)力傳遞過程如圖2（a）所示；高速工況時(shí)采用2 擋，動(dòng)力傳遞過程如圖2（b）所示。

圖2 無動(dòng)力中斷兩擋電驅(qū)的傳動(dòng)原理

1.3 無動(dòng)力中斷兩擋電驅(qū)的換擋模塊

1 擋與2 擋切換通過換擋模塊實(shí)現(xiàn)，采用電液控制形式，其內(nèi)部零件如圖3 所示。電液控制分為高壓和低壓兩部分，高壓控制離合器腔液壓力，推動(dòng)執(zhí)行器壓緊多片式離合器實(shí)現(xiàn)扭矩傳遞；低壓用于冷卻潤滑，調(diào)節(jié)主油路和外冷卻循環(huán)回路的油量分配。其中，油泵采用電子雙聯(lián)泵設(shè)計(jì)，即一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)兩組油泵齒輪，分別向高壓油路和低壓油路提供油液，可根據(jù)系統(tǒng)需求實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速達(dá)到動(dòng)態(tài)調(diào)整流量的目的；高壓蓄能器具有系統(tǒng)壓力保持功能，可以降低油泵的能力需求，避免油泵不停歇持續(xù)工作，從而降低系統(tǒng)能耗。

圖3 電液控制模塊內(nèi)部零件

電液控制原理如圖4 所示。

圖4 電液控制原理

電子雙聯(lián)泵中高壓油路輸出的壓力油經(jīng)過高壓過濾器后分為兩路，一路連接至主油路電磁閥組件的供油口，另一路通過單向閥后連接至主油路蓄能器組件為其充油。

主油路電磁閥安裝在上閥板中，主油路電磁閥出油口連接至冷卻油道；主油路蓄能器組件安裝在上閥板上。油泵啟動(dòng)后，高壓油進(jìn)入主油路電磁閥的進(jìn)油口，此時(shí)主油路開關(guān)電磁閥如果關(guān)閉則高壓油為蓄能器充油。主油路上布置有壓力傳感器，用于檢查主油路的油壓，當(dāng)油壓達(dá)到蓄能器工作的最高壓力時(shí)，表明蓄能器中油已充滿，此時(shí)主油路電磁閥開啟，多余油液補(bǔ)充至低壓油路用于潤滑。由于存在單向閥，蓄能器內(nèi)部油液不會(huì)回流泄壓。

蓄能器為活塞充氣式，布置在主油路中，當(dāng)主油路壓力升高時(shí)，其儲(chǔ)備主油路中部分能量，當(dāng)主油路壓力降低時(shí)，其將儲(chǔ)備的能量釋放到離合器中，維持離合器油壓。

蓄能器連接1 擋和2 擋離合器直驅(qū)電磁閥組件。當(dāng)離合器電磁閥組件收到電驅(qū)控制單元的打開信號(hào)時(shí)，蓄能器內(nèi)油液通過離合器直驅(qū)電磁閥組件傳遞到離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制1 擋和2 擋離合器接合或斷開，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力切換。通過調(diào)整離合器電磁閥的電流大小，可調(diào)整離合器開度，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)離合器壓力和傳遞的扭矩。

泄壓閥組件可以控制油路壓力穩(wěn)定在合理范圍。當(dāng)系統(tǒng)油壓超過極限壓力時(shí)，泄壓閥進(jìn)行排油，保護(hù)整個(gè)液壓控制系統(tǒng)穩(wěn)定。

2 性能仿真

采用AMESim 軟件分別對(duì)1 擋和2 擋離合器的壓力進(jìn)行仿真，包括階躍、步進(jìn)掃掠、響應(yīng)時(shí)間和換擋操作。軟件的輸入條件為：（1）油泵流量，4.5 L/min；（2）溫度，90 ℃。

1 擋和2 擋離合器的壓力階躍仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 離合器的壓力階躍仿真

由圖5（a）、（b）可知，1 擋和2 擋離合器的壓力變動(dòng)范圍為0～2.1 MPa，整個(gè)過程中壓力波動(dòng)不明顯。

1擋和2擋離合器的壓力步進(jìn)掃掠仿真結(jié)果如圖6 所示。

圖6 離合器的壓力步進(jìn)掃掠仿真

由圖6（a）、（b）可知，1 擋和2 擋離合器的壓力爬升過程中壓力波動(dòng)不明顯，滿足目標(biāo)要求。

1擋和2擋離合器的壓力響應(yīng)時(shí)間仿真結(jié)果如圖7 所示。

由圖7（a）、（b）可知，1 擋和2 擋離合器的壓力響應(yīng)時(shí)間分別為0.11 s 和0.12 s，滿足目標(biāo)要求。

車輛空擋與行車擋的換擋仿真過程如圖8 所示，換擋動(dòng)作在0.4 s 內(nèi)完成，滿足換擋響應(yīng)時(shí)間要求。

圖8 換擋仿真

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

將電液模塊、離合器總成、齒軸等部件裝配到電驅(qū)總成后，將電驅(qū)總成放置在總成性能測試臺(tái)架上進(jìn)行測試，如圖9 所示?？偝蓽y試臺(tái)架包含環(huán)境艙，可對(duì)潤滑油溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測油溫。在液壓模塊1、2 擋離合器執(zhí)行器腔安裝壓力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測管路壓力。臺(tái)架電機(jī)帶動(dòng)齒軸轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行攪油潤滑。

圖9 電驅(qū)總成性能臺(tái)架測試

在60 ℃油溫下，對(duì)1、2 擋離合器的壓力分別進(jìn)行階躍、步進(jìn)掃掠、響應(yīng)時(shí)間和換擋測試，如圖10～13 所示。

圖10 離合器的壓力階躍測試

由圖10 可知，階躍測試中1、2 擋離合器壓力穩(wěn)定，未見異常。由圖11 可知，步進(jìn)掃掠測試中1、2 擋離合器壓力穩(wěn)定，未見異常。由圖12可知，響應(yīng)時(shí)間測試中1、2 擋響應(yīng)時(shí)間均為0.1 s,均滿足目標(biāo)要求。由圖13 可知，在典型換擋工況測試中，升擋工況與降擋工況過程離合器的實(shí)際壓力跟隨油壓命令，滿足離合器傳扭需求，無動(dòng)力中斷現(xiàn)象。

圖11 離合器的壓力步進(jìn)掃掠測試

圖12 離合器的壓力響應(yīng)時(shí)間測試

圖13 換擋工況測試

綜上所述，此款電液控制模塊具有如下特點(diǎn)：（1）換擋無動(dòng)力中斷，扭矩始終保持輸出；（2）換擋響應(yīng)快；（3）電子雙聯(lián)泵設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高壓換擋和低壓潤滑，節(jié)省了空間及成本；（4）高壓蓄能器設(shè)計(jì)既保持系統(tǒng)壓力，又降低電子泵負(fù)載，從而降低整車能耗；（5）離合器直驅(qū)電磁閥不僅避免多余的閥芯，也降低了泄漏量及損耗；（6）可將多余的高壓油液補(bǔ)充到低壓部分，潤滑電機(jī)、軸承等部件，使油泵排量降低。

4 結(jié)束語

所設(shè)計(jì)的電液控制模塊在換擋過程實(shí)現(xiàn)了無動(dòng)力中斷，樣機(jī)在臺(tái)架測試中表現(xiàn)良好，兩擋的設(shè)計(jì)兼顧了加速動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性，為后續(xù)開發(fā)過程提供參考。