電動汽車的驅(qū)動電動機具有高速低扭的特性,為了滿足車輛低速爬坡和加速性能、最高車速等要求,驅(qū)動電動機與車輪之間必須匹配減速裝置,因此變速器成為電動力系統(tǒng)不可缺少的核心部件。目前市場上的電動乘用車以匹配單擋減速器為主,往往面臨最高車速和爬坡性能不能同時滿足駕駛要求,或者高轉(zhuǎn)速帶來的高噪聲等問題。
本文所研究的兩擋AMT自動變速器具有兩個擋位,可以使車輛在保證低速加速和爬坡性能的同時,也具有理想的最高車速。如圖1所示,車輛搭載2擋變速器后,只要一個小轉(zhuǎn)矩的電動機,就能用1擋輸出更大的輸出轉(zhuǎn)矩,用2擋獲得更高的行駛車速。
圖1 搭載2擋自動變速器與單擋變速器的整車性能對比
本文針對株洲齒輪有限責(zé)任公司自主研發(fā)的某電動汽車用2擋自動變速器的執(zhí)行機構(gòu)進行分析優(yōu)化,研究如何縮短換擋時間,并進行相關(guān)試驗工作。
結(jié)構(gòu)分析和換擋板受力分析 ?
本文研究的兩擋自動變速器總成結(jié)構(gòu)如圖2所示。換擋電動機與滾珠絲桿連接,換擋電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為絲桿螺母的直線運動,絲桿螺母帶動換擋搖臂繞其回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)。換擋搖臂上面有一個換擋撥頭與換擋撥叉軸總成連接,使換擋搖臂的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為撥叉軸的直線運動,從而帶動同步齒套換擋。
圖2 株齒2T07AMT自動變速器
換擋搖臂的回轉(zhuǎn)中心軸上,安裝一個角度位置傳感器,用于測量換擋搖臂的行程,間接計算同步齒套的位置,并判斷實際擋位位置。
1.換擋力的計算
圖3表達了換擋力的產(chǎn)生機理Tm是換擋電機的輸出扭矩,F(xiàn)1為絲桿上螺母的推動力,F(xiàn)2為擋搖臂輸出力。換擋搖臂輸出力的大小主要和換擋電動機轉(zhuǎn)矩、滾珠絲桿傳動比、換擋搖臂傳動比有關(guān)。本文研究對象使用的換擋電動機數(shù)據(jù)如圖4所示,其堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為0.85N·m,額定轉(zhuǎn)矩為0.26N·m,額定轉(zhuǎn)速為2960r/min,空載最高轉(zhuǎn)速為4240r/min。換擋電動機的實際輸出轉(zhuǎn)矩可以由TCU的軟件進行控制,但最大輸出轉(zhuǎn)矩就是堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩,而且只能在零轉(zhuǎn)速情況下才能產(chǎn)生。換擋電動機特性的改變比較困難,本文不對換擋電動機參數(shù)進行改動,而是從傳動比與換擋電動機的匹配方面著手研究。
圖3 滾珠絲桿和換擋搖臂工作原理
圖4 換擋電動機的外特性數(shù)據(jù)
圖5所示為滾珠絲桿外形圖,其關(guān)鍵參數(shù)是直徑和導(dǎo)程,這兩個參數(shù)決定了其傳動比。圖6所示為換擋搖臂外形圖,通過組合不同的L1和L2可以得到不同的傳動比(L1為換擋搖臂與變速器換擋桿接觸的點到插銷的距離,L2為換擋搖臂與絲桿接觸的凸起點到插銷的距離)。
圖5 2T07AMT使用的滾珠絲桿
圖6 2T07AMT使用的換擋搖臂
電動機堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩T=0.85N·m,滾珠絲桿直徑d=16mm;滾珠絲桿導(dǎo)程P=5mm。
可求螺桿螺旋角β為
絲桿圓周力Fi為
軸向力Fx為
根據(jù)換擋搖臂力矩平衡,可以求得換擋搖臂撥頭輸出的換擋力F為
此處換擋力之所以用堵轉(zhuǎn)力矩計算,是因為當(dāng)換擋遇到大阻力,比如頂齒時,同步器的運動速度幾乎為0,電動機轉(zhuǎn)速也為0,即為堵轉(zhuǎn)。
2.換擋時間的計算
1擋換2擋的總行程S1=20mm。
式中,S2為滾珠絲桿螺母的直線行程,V為滾珠絲桿螺母的線速度。
其實本文設(shè)計的AMT變速器,在換擋搖臂的回轉(zhuǎn)中心軸上面安裝有角度傳感器,因此實際換擋速度是可以測量得到的。而基于圖4中換擋電動機的外特性數(shù)據(jù)可知,換擋電動機最大輸出功率點在2200r/min左右,最高效率點在3500r/min左右。
縮短換擋時間是本文的研究目的。本項目設(shè)計1擋換2擋靜態(tài)換擋時間要求在200ms以內(nèi)。
如果設(shè)計要求為換擋時間最短,則電動機轉(zhuǎn)速應(yīng)工作在最大輸出功率轉(zhuǎn)速,因為換擋時間最短意味著移動速度最快,在阻力一定的情況下,必定功率需求最大。
在杠桿比和目標(biāo)換擋時間已知的情況下,可以由式(1)~(8)得到電動機轉(zhuǎn)速n的計算公式:
具體方案設(shè)計與優(yōu)化 ?
考慮到變速器結(jié)構(gòu)的約束,本文不改變換擋電動機和滾珠絲桿的參數(shù),而是調(diào)整換擋搖臂杠桿比L2/L1來實現(xiàn)不同的總傳動比。
1.原有方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計與參數(shù)計算
原有方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖7所示。換擋撥頭位于撥叉軸的左側(cè),換擋撥頭離搖臂回轉(zhuǎn)軸很近,L1=25mm,L2=94mm,杠桿比L2/L1為3.76。
圖7 舊方案換擋搖臂與撥叉軸結(jié)構(gòu)
圖7中位置傳感器能將角度信號轉(zhuǎn)換成0~5V的模擬量,TCU采集該模擬量可以計算出換擋搖臂的旋轉(zhuǎn)角度。
由式(9)計算可得,換擋時間為200ms時,電動機工作轉(zhuǎn)速為4512r/min。由圖4可知,換擋電動機最高轉(zhuǎn)速為4240r/min,而且此轉(zhuǎn)速時電動機輸出功率為0,因此該傳動比不可能達到200ms換擋時間的設(shè)計目標(biāo)。
根據(jù)式(4),該方案最大換擋力輸出為4014N。
2.優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)設(shè)計與參數(shù)計算
優(yōu)化方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖8所示。換擋撥頭位于撥叉軸的右側(cè),換擋撥頭離搖臂回轉(zhuǎn)軸變遠了,L1=50mm,L2=94mm,杠桿比為1.88。
圖8 優(yōu)化方案換擋搖臂與撥叉軸結(jié)構(gòu)
由式(9)計算可得,換擋時間為200ms時,電動機工作轉(zhuǎn)速為2256r/min,接近換擋電動機最高功率轉(zhuǎn)速,因此只要換擋電動機輸出功率能克服阻力功率,200ms的換擋時間就能夠達到。
根據(jù)式(4),該方案最大換擋力輸出為2007N。
樣件試制和試驗驗證 ?
公司試制了前述兩種方案的零件,并裝箱進行了測試。兩種方案的零件如圖9所示,左邊為優(yōu)化方案,右邊為原有方案。
圖9 兩種方案的換擋搖臂樣件對比
為消除變速器、同步器、換擋電動機及位置傳感器等因素的影響,兩個方案的測試都在同一臺變速器上面進行,僅更換換擋搖臂和換擋撥叉軸。變速器裝配效果如圖10所示。公司自主研發(fā)了TCU控制器用于變速器換擋電動機驅(qū)動和擋位位置的探測,以及運行試驗程序(見圖11)。
圖10 2T07AMT試驗箱
圖11 兩擋AMT用TCU控制器
下面詳細(xì)對比兩個方案靜態(tài)換擋的數(shù)據(jù)。之所以選擇靜態(tài)換擋的數(shù)據(jù)進行對比,是為了排除動態(tài)換擋過程中其他干擾因素。比如,動態(tài)換擋時電動機調(diào)速會影響整個換擋時間,從而干擾執(zhí)行機構(gòu)運動時間的分析。
1.1 擋升2擋試驗數(shù)據(jù)對比
兩方案樣機在靜態(tài)環(huán)境下,1擋升2擋的擋位位置信號的對比如圖12所示,驅(qū)動占空比對比如圖13所示。通過圖12可以看出,優(yōu)化后的方案1擋到2擋的信號范圍變窄了一些,這是因為同步齒套的行程為20mm沒變,但是換擋搖臂上的換擋撥頭的旋轉(zhuǎn)半徑變大了,即圖6中的L1變大,因此換擋搖臂的旋轉(zhuǎn)角度變小,位置傳感器的旋轉(zhuǎn)角度行程也隨之減小。另外,可以非常明顯地看出,優(yōu)化后的方案比原方案提前0.1s左右到達極限位置,即1擋換2擋的時間縮短了0.1s的時間。原方案1擋升2擋總時間需要0.3s左右,其中啟動響應(yīng)時間為50ms,動作時間為250ms(對應(yīng)電動機轉(zhuǎn)速約為3600r/min,功率55W左右);優(yōu)化后的方案換擋總時間為190ms以內(nèi),其中50ms啟動響應(yīng)時間,140ms動作時間(對應(yīng)電動機轉(zhuǎn)速約3214r/min,功率70W左右)。通過圖13也可以看出,優(yōu)化后的方案會比原方案提前關(guān)閉占空比,而且TCU控制換擋的占空比都為250(100%)。
圖12 優(yōu)化前后2擋降1擋靜態(tài)換擋時間對比
圖13 優(yōu)化前后2擋降1擋換擋電動機驅(qū)動占空比對比
經(jīng)過數(shù)據(jù)對比,可見優(yōu)化后的方案有效縮短了換擋時間,優(yōu)化后電動機功率平衡轉(zhuǎn)速為3214r/min,輸出功率約為70W左右,而換擋電動機最大輸出功率為95W左右,說明換擋時間還有進一步縮短的空間。
2.2 擋降1擋試驗數(shù)據(jù)對比
與1擋升2擋類似,2擋降1擋的擋位位置信號的對比如圖14所示,驅(qū)動占空比對比如圖15所示。通過圖13和圖14可以看出,優(yōu)化后的方案2擋降1擋的時間也縮短了100ms。
圖14 優(yōu)化前后1擋升2擋靜態(tài)換擋時間對比
圖15 優(yōu)化前后1擋升2擋換擋電動機驅(qū)動占空比對比
結(jié)語 ?
本文提出了一種基于換擋時間和電動機工作轉(zhuǎn)速的AMT換擋機構(gòu)傳動比的計算方法,經(jīng)過理論計算,分析現(xiàn)有方案的不足,并提出了一種優(yōu)化方案。通過樣件試制和測試驗證,證明了優(yōu)化方案比原方案更大程度的發(fā)揮了換擋電動機功率,從55W提升到了70W,使換擋時間縮短了100ms(0.1s),而且換擋電動機最大功率95W,換擋時間還有進一步的優(yōu)化空間。
本文通過調(diào)整傳動比來調(diào)整電動機輸出功率平衡時的電動機轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速越接近最大輸出功率轉(zhuǎn)速,換擋時間就越短。
本文所述設(shè)計方法,其原理可通用于其他類似的換擋執(zhí)行機構(gòu),比如齒輪減速、蝸桿減速、搖臂減速方案等。
編輯:黃飛
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