某电动汽车换挡机构驱动转矩对换挡品质的影响

张 军，刘跃博，刘笃优，汤均涵

(北京理工大学电动车辆国家工程实验室，北京 100081)

某电动汽车采用由新式双离合器和两档变速箱组成的传动系统来实现自动变速［1］.汽车离合器以无动力输出时压盘是否压紧摩擦片而分为常闭式和常开式两种［2］.针对电动汽车区别于传统内燃机汽车的特点，新式双离合器采取了一常闭式、一常开式的创新结构方案:常闭式离合器与两档变速箱的低速挡传动轴相连接;常开式离合器与两挡变速箱的高速挡传动轴相连接.电动汽车的换挡过程就是双离合器接合和断开状态的切换过程.所以双离合器的执行机构就是电动汽车换挡执行机构.

1 换挡机构驱动转矩的分析

新式双离合器的执行机构采用纯电动模式，图1为其结构原理图.

电机的旋转运动通过电动推杆转化为直线运动，推动分离拨叉，分离拨叉又控制分离轴承沿轴向运动压紧膜片弹簧，从而实现对离合器运动的控制.

纯电动执行机构的电机采用永磁直流电机，永磁直流电机在工作过程中的转矩方程如下［3］

式中:Te为电机的电磁转矩;Bm是电机的阻尼转矩系数;n为输出转速;T为执行机构的驱动转矩.

图1 离合器执行机构结构原理图

执行机构驱动转矩由驱动电机提供，包括加速转矩和阻力转矩两部分，如式2所示.

式中:Tj为加速转矩，用来克服转动惯量使执行机构运动加速的转矩;TL为阻力转矩，用来克服执行机构在运动过程中所存在的阻力.

执行机构中的阻力包括膜片弹簧形变所产生的阻力和运动中存在的摩擦阻力，由于采用较好的设计和润滑措施，摩擦阻力与形变阻力相比非常小，因而可以忽略摩擦阻力.

2 阻力转矩与轴承位移关系特性

当分离轴承在膜片弹簧小端处施加载荷F2并使其产生形变的时候，会在其分离轴承上产生同样大小的阻力，其阻力通过执行机构反馈到电机输出端的转矩就等于阻力转矩TL.

式中:L为电动推杆的导程;if为分离拨叉传动比.

分离轴承位移S即膜片弹簧小端的形变量，而F2与S的关系在常开式和常闭式的离合器中不相同，以常开式离合器为例进行分析计算.

2.1 F2－ S关系特性［4］

常开式膜片弹簧的接合过程主要分为两部分:空行程阶段和压紧阶段.分离过程中F2随S的变化是接合过程的反过程.

2.1.1 空行程阶段

这一阶段的F2与S的关系由 (4)－(8)式决定.

式中:E为材料的弹性模量;μ为泊松比;H为膜片弹簧在自由状态下的内截锥高;h为板厚;R为大端半径;r为小端半径;外支承半径L;内支承半径l;rp为加载点半径;re为分离指窗孔半径;β1、β2分别为磨片弹簧接合指舌尖部和舌根部的宽度系数.

2.1.2 压紧阶段［5］

这一阶段轴承处继续加载至F2'，此时小端的位移可近似为完全由膜片弹簧接合指的弯曲变形引起，即

式中:F2b为空行程阶段结束时分离轴承处的加载载荷.

通过对上述常开式膜片弹簧接合过程中两个阶段的分析，代入相关参数可得常开式膜片弹簧的小端位移和加载载荷之间的关系特性曲线如图2所示.

图2 常开式膜片弹簧工作载荷-变形曲线

2.2 TL-S关系特性

结合式3可得到常开式离合器的TL－S关系特性，如图3实线所示.通过与常开式离合器TL－S关系特性同样的计算过程可以得到常闭式膜片弹簧的TL－S关系特性，如图3中虚线部分所示.

图3 离合器阻力力矩与轴承位移关系特性

3 加速转矩和轴承位移关系

加速转矩Tj为

式中:Je为执行机构整体换算到电机输出轴上的转动惯量;n为电机输出转速.

如图1所示，电机的旋转运动经电动推杆的丝杆螺母机构转化为直线运动，又经过分离拨叉的减速作用转化为分离轴承的直线运动，故n与分离轴承的运动速度v之间的换算关系为

式中:L为电动推杆的导程，if为分离拨叉传动比

结合式 (8)、(9)可得到加速转矩和分离轴承位移之间的关系为

加速转矩与分离轴承运动的加速度成正比，加速转矩的大小决定了分离轴承运动过程中的速度变化.

4 驱动转矩对换挡品质的影响

离合器运动的自动控制由上层控制策略和下层执行机构共同实现:上层控制策略根据油门开度、离合器主、从动盘转速差及其变化率等信号确定分离轴承的目标位移S＇.下层执行机构中的驱动电机则根据S＇输出驱动转矩T.驱动转矩T中的阻力转矩TL用来克服膜片弹簧形变阻力等效到电机输出端的转矩;加速转矩Tj决定分离轴承实际的位移S.实际位移S变化情况决定了电动汽车的换挡品质.

为了进一步分析T与S之间的关系特性对于换挡品质的影响，以基于MATLAB/SIMULINK的两挡纯电动汽车双离合器换挡控制仿真模型为研究平台［1］，分别在 A、B、C 3种不同的离合器运动控制策略的控制下进行仿真，观察T与S之间的关系及对应滑磨功W和冲击度J的变化，以评价换挡品质的优劣.

4.1 3种不同的控制策略

离合器的运动包括滑磨和非滑磨两个阶段，离合器在两个阶段的运动对于换挡品质有着不同的影响，A、B、C 3种不同的控制策略的区别就是在这两个阶段对分离轴承的运动采用不同的控制算法.

(1)A控制策略

在离合器的滑磨阶段，对分离轴承的运动采用模糊控制算法.以油门开度K和离合器主、从动盘转速差Δω作为模糊控制的输入变量，分离轴承的运动速度v作为输出变量.模糊控制规则的设计原则:①离合器接合滑磨初始阶段Δω较大，v取较小值;②接合滑磨结束阶段Δω较小，v要变大;③离合器分离滑磨初始阶段Δω较小，v取较小值;④分离滑磨结束阶段Δω较大，v取较大值;⑤K表现驾驶员意图，K越大，分离轴承运动速度v越大.

在离合器的非滑磨运动阶段不采用模糊控制，直接将分离轴承的运动速度赋值为20 mm/s.

(2)B控制策略

在离合器的滑磨阶段，对分离轴承的运动采用模糊控制算法.将离合器主、从动盘转速差Δω及其变化率Δ作为模糊控制的输入变量，分离轴承的运动速度v作为输出变量.模糊控制规则的设计原则［6］:①离合器接合滑磨初始阶段，Δω 、Δ都较大，v取较小值;②接合滑磨结束阶段Δω和Δ都变小，v要变大;③离合器分离滑磨初始阶段，Δω较小，Δ较大，v取较小值;④分离滑磨结束阶段，Δω 较大，Δ较小，v取较大值.

在离合器的非滑磨运动阶段不采用模糊控制，直接将分离轴承的运动速度进行赋值为20 mm/s.

(3)C控制策略

在整个离合器的运动过程的两个阶段都对轴承的运动控制采用模糊控制算法.控制算法的输入变量为主、从动盘转速差Δω和其变化率Δ，分离轴承的运动速度v作为输出变量.模糊控制规则设计原则［7］:①离合器接合滑磨初始阶段，Δω 、Δ都较大时，v取较小值;②接合滑磨结束阶段Δω和Δ都变小时，v要变大;③离合器分离滑磨初始阶段，Δω较小，Δ较大，v取较小值;④分离滑磨结束阶段，Δ较小，Δω较大，v取较大值;⑤非滑磨阶段，Δ=0，v取较大值.

4.2 仿真结果及分析

纯电动汽车参数如下:电机最大转矩95 Nm;电机最高转速8000转;车辆整备质量2300 kg;迎风面积2.33 m2;车轮半径0.281 m;主减速比5.125;低速挡传动比2.3;高速挡传动比1.65;空气阻力系数0.6.

基于前述MATLAB/SIMULINK的仿真模型分别采用A、B、C 3种控制策略对电动汽车的换挡过程进行仿真.

仿真得到换挡过程产生的滑磨功分别为:WA=9251 J;WB=8074 J;WC=8262 J.

仿真得到驱动转矩和冲击度变化的结果如图4、5、6.

图4 常开式离合器驱动转矩特性

图4显示的是常开式离合器在3种控制策略控制下换挡过程中的T－S关系特性，离合器滑磨阶段的T均值大小关系:TB＞TC＞TA;在非滑摩合阶段:TA≈TB＞ TC.

图5 常闭式离合器驱动转矩特性

图5显示的是常闭式离合器在3种控制策略控制下换挡过程中的T－S关系特性，离合器滑磨阶段的T的均值大小关系为:TB＞TC＞TA;离合器的非滑磨阶段:TA≈TB＞TC.

图6显示的是电动汽车在3种不同的控制策略控制下换挡过程中所产生的冲击度大小.3种控制策略峰值冲击度大小关系:JA＞JB＞JC.

根据换挡过程中的滑磨功和冲击度的数据，在换挡品质方面策略C优于策略B，策略B优于策略A.

5 结论

电动汽车换挡执行机构驱动转矩中的阻力转矩TL与分离轴承位移S有着确定的关系;而加速转矩Tj与分离轴承轴向运动的加速度成正比，决定了分离轴承运动过程中位移S的变化.

以两挡纯电动汽车双离合器换挡控制仿真模型为平台进行了电动汽车换挡过程的仿真，根据仿真结果和分析，得到以下结论:

1) 离合器滑磨运动阶段，执行机构驱动转矩过大或者过小都会影响换挡品质;需要合理设计控制策略得到合适的分离轴承运动速度，以得到良好的换挡品质;

2) 离合器非滑磨运动阶段，执行机构驱动转矩越大，所产生的换挡品质也越好，同时分离轴承的运动速度也需要通过控制策略的控制限定在一个合理的范围内.

［1］欧欣妍.电动汽车两挡变速双离合器换挡控制策略研究［D］，北京理工大学，2014.

［2］史俊武，李小伟，张建武，等.常开式离合器膜片弹簧的改进型遗传算法优化［J］.上海交通大学学报，2009.43(2):208-212.

［3］赵 璐，周云山，郑 磊.轿车AMT离合器电动执行机构的建模仿真研究［C］中国汽车工程师学会年会论文集，2009，126:1363—1366.

［4］徐石安，江发潮.汽车离合器 ［M］.清华大学出版社.2005.

［5］董小洪.双离合器自动变速器干式离合器设计与分析 ［D］.重庆大学，2010.

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