双侧独立电驱动履带车辆自动机械变速器线控换挡控制方法

赵屹东, 陈慧岩, 胡家铭

(北京理工大学 机械与车辆学院, 北京 100081)

0 引言

电驱动行驶是车辆新能源驱动技术的重要发展方向，同样也是履带车辆发展的方向。目前，由于驱动电机的功率密度仍较为有限，转矩及转速范围难以全面适应车辆、特别是车体较重的履带车辆的需求，需配置变速器提高行驶性能。相比传统燃油车辆，电动车辆同样能够使用多种常见类型的变速器，但在变速器的选择与配置上因电机特性而有所不同。因驱动电机具有恒功率输出特性，电动车辆倾向使用少挡位、高阶比的有级变速器。

在常见的有级变速器类型中，自动机械变速器(AMT)因其结构简单、操控方便、传动效率高而得到广泛应用，多种结构方案与控制方案被提出[1-6]。其中燃油车多使用4挡以上的AMT，普通电动客车或轿车则使用2～3挡无离合器定轴AMT[3-7]，由于定轴齿轮传动的承载能力有限[8]且占用布置空间，较难适用于双侧独立电驱动以及功率与质量较大[9]的履带车辆。

在各种电动履带车辆中，双侧独立电驱动履带车辆为主要类型，具有结构布置简单、便于控制等显著优势。此类履带车辆在加装变速器时需要两台双侧布置，常应用带离合器的2挡行星齿轮液力自动变速器(AT)[10]。AT换挡系统结构复杂、制造成本及精度要求均较高，尤其需用液压控制，难于使用全线控操纵方法进行换挡。

本文研究针对双侧独立电驱动履带车辆AMT变速技术，基于承载能力更强且节省布置空间、应用行星齿轮传动的无离合器两挡行星AMT，提出其全线控电动换挡控制方案，并在软土路面实际行驶试验中取得成功应用，对试验中的换挡效果与规律进行了分析总结。

1 车辆设计方案

1.1 车辆总体结构布置

车辆总体结构布置如图1所示。图1中，主动轮外围的黑色虚线代表履带。

图1 双侧独立电驱动履带车辆总体结构布置Fig.1 Main functional system and components of bilateral electric drive tracked vehicle

车辆的行驶以线控化操控方式实现。在线控系统中，遥控驾驶仪用于反映驾驶操作，整车控制器(VCU)用于控制驱动电机及制动器，变速器控制器(TCU)主要用于控制变速器换挡机构。驱动电机性能、传动比及整车质量等主要参数如表1所示。

1.2 自动变速器在本车的配置与应用特点

本车设计配置两挡行星式电控电动AMT.为驱动电机配置变速器，主要目的是扩展其恒功率输出外特性范围，提升车辆行驶能力，同时也利于提高电驱动系统的驱动效率及功率密度[10]。由于驱动电机在额定转速以上已具有较宽范围的恒功率输出外特性，本AMT按少挡位、高阶比原则设计为两挡，1挡为减速挡，2挡为直接挡，其传动比见表1，可使1挡最低驱动力等于2挡最高驱动力，且1挡最高速度等于2挡在最高驱动力下的最高速度，如图2所示，即能够最大程度地简化结构并扩展输出外特性。为了减小轴向尺寸，本AMT将传动机构设计为行星式，即通过单行星排齿轮组实现两挡传动，同时行星齿轮传动承载能力更强。考虑车辆线控化布局与最简设计，本AMT采用电动换挡机构，且省去离合器。

本车AMT在换挡过程中的应用特点主要体现在3方面：1)AMT具有同步器，利于降低同步阶段驱动电机主动精确调速的难度，提高换挡可靠性；2)车辆需要两侧AMT共同进行换挡，线控化操控方式可使其换挡进程互不影响，且能够实现动力传动一体化换挡控制；3)线控化操控方式可能存在控制信号响应延迟带来的相关问题。

表1 车辆主要参数Tab.1 Basic parameters of vehicle

图2 按驱动电机额定功率计算的履带驱动力特性曲线Fig.2 Calculated characteristics of track driving force at rated power of traction motor

2 两挡行星AMT及其换挡

2.1 变速器机构组成

2.1.1 两挡行星变速传动机构

图3所示两挡行星AMT变速器传动机构以单行星排(含太阳轮、行星轮、齿圈、行星架)实现两挡传动比，太阳轮连接输入轴，行星架连接输出轴。图3中，位置⓪表示空挡，①表示1挡，②表示2挡。换挡拨叉在①位置区域时，接合套连接1挡接合齿，使齿圈连接箱体而被固定，为1挡(减速挡)；换挡拨叉在②位置区域时，接合套连接2挡接合齿，使齿圈连接行星架，行星排被固连，为2挡(直接挡)。接合齿及接合套间为锁环，构成惯性式同步器。

图3 两挡行星AMT变速器传动机构示意图Fig.3 Scheme of transmission system of two-speed planetary AMT

2.1.2 换挡机构

AMT电动换挡机构如图4所示。换挡拨叉位置由换挡电机调整，拨叉与螺母相连。当换挡电机转动时可通过丝杠带动螺母直线移动，从而改变拨叉的位置。拨叉位置可通过曲柄的旋转角位置间接测量，对应电位器的感测信号，即电位器电压模拟数字(AD)量化值。图4中，UA、UB分别为测量电压、供电电压。

图4 换挡机构示意图Fig.4 Scheme of gearshift mechanism

2.2 换挡控制原理及影响因素

换挡控制将变速器的换挡分为三阶段，即摘挡、同步、挂挡。摘挡阶段，使驱动电机自由运行进行卸载，将拨叉移动至空挡位置区域。同步阶段，采用主动同步的方法，调节驱动电机的转速，使所连变速器的传动比接近目标行进挡位值，即接近同步状态。挂挡阶段，使驱动电机自由运行，将拨叉移动至目标挡位的位置区域，并可借助同步器辅助精确同步。

换挡采用主动同步方法的主要因素是考虑到变速器无离合器，其输入轴直连驱动电机，导致等效转动惯量加大，若以同步器的机械摩擦方式使输入轴被动同步，则同步进程会减慢，且同步器的摩擦磨损会加剧。主动同步方法无需同步器的摩擦接触，因此可避免摩擦振动等不利影响[11]。

考虑理想正向行驶时的换挡过程，行驶阻力可忽略，换挡过程中车辆两侧履带速度相同且稳定不变，两侧变速器换挡工况相同，同步状态时的输入轴转速相同且稳定不变，主动同步时便于用驱动电机进行精确调速，可同时完成换挡。实际情况中，考虑履带车辆常行驶于粗糙的地面，滚动阻力作用较大，且在两侧履带处具有差异性，可引起换挡过程中两侧履带速度及变速器输出轴转速的变化波动与差异，一方面使得主动同步时驱动电机的转速目标不会精确稳定，难以实现精确同步，另一方面使得车辆可能具有两侧明显差速的风险，还影响两侧换挡保持共同的进程，不利于换挡的整体效果。实际情况中需要考虑以上两方面换挡控制影响因素。

对于第一方面影响因素，若主动同步时驱动电机的转速目标不精确稳定，且需要在精确同步的同时使接合套、同步器与接合齿具有相配的位置关系，以便拨叉迅速完成安全挂挡，避免打齿冲击[7，12-15]，则需驱动电机具有瞬态高精度的转速及位置响应能力，且要应对线控系统响应延迟等问题，换挡控制难度相当高。为此，主动应用同步器解决精确同步与安全挂挡的问题，避免驱动电机按目标转速精确调速，而在接近同步后直接开始挂挡，使同步器发挥其原本作用确保精确同步与安全挂挡，以降低换挡控制难度，并提高换挡可靠性。

对于第二方面影响因素，围绕换挡期间地面造成的滚动阻力会否影响正向行驶，使两侧履带速度有显著差异，分析如下。

设车辆垂直于地面的质量为G，左侧及右侧履带承重为Gl及Gr，压力均布；左侧和右侧地面的滚动阻力系数分别为fl及fr，即滚动阻力为flGl及frGr；履带中心距为B，车辆质心到左侧及右侧履带纵向中分面的距离为Bl及Br. 则：G=Gl+Gr；B=Bl+Br；GlBl=GrBr；作用于两侧履带的滚动阻力对车辆质心的力矩为Mc=|flGlBl-frGrBr|. 若fl=fr，则Mc=0 N·m，不影响车辆正向行驶，不会使两侧履带速度产生差异。

实际行驶时，车辆采用履带，且地面的滚动阻力系数较小，换挡瞬间可认为fl≈fr，则Mc≈0 N·m，加之整车质量及惯性大，在换挡期间，车辆不易出现两侧明显差速的不利问题，即两侧履带速度不易产生显著差异。因此，双侧独立电驱动车辆应用双侧AMT换挡是可行的，且仅需要驱动电机控制动力恢复，不必要求两侧换挡精准同时完成，可降低换挡控制难度。

2.3 换挡控制方法

图5 换挡控制方法Fig.5 Shifting control method

车辆在两个行进挡位之间进行换挡时的控制方法如图5所示。在换挡过程中，需要控制驱动电机与换挡电机。驱动电机由VCU直接控制，TCU向VCU发送控制信号；换挡电机由TCU直接控制。两侧变速器共同开始摘挡；之中任何变速器若进入空挡，即可进行主动同步与挂挡；若均完成挂挡，则换挡成功。两侧变速器在移动换挡拨叉时的速度指令值均相等；拨叉位置AD值在换挡前后的行程范围与变化方向相同。在标定各挡位对应的拨叉位置区域时，虽然两侧拨叉位置AD值范围边界值不同，但变化量相等。若拨叉位置AD值变到空挡或目标行进挡位的AD值标定范围内，则进入空挡或完成挂挡。之后TCU使换挡电机断电，停止移动换挡拨叉。考虑换挡期间，若换挡电机断电，则换挡机构的机械惯性与振动等因素可引起拨叉位置的自由变化，故在进入空挡进行主动同步时，为防止拨叉位置偏离空挡范围，避免打齿冲击的可能性，采取措施保持空挡：TCU周期性地判断拨叉位置，若在空挡范围内，则不移动拨叉；若偏离空挡范围，则令驱动电机自由运行以中断主动同步，运行换挡电机，直至使拨叉移回空挡位置范围。接近同步的判断参考变速器输入轴转速ni与输出轴转速no以及目标行进挡位的传动比ie. 若|ni/no-ie|<5%，则接近同步。ni由旋转变压器式转速传感器直接测得；no由霍尔式转速传感器间接测得(见图1)。主动同步时，设定一个能够使驱动电机持续调速的目标转速值即可，接近同步后令驱动电机进入自由运行状态，调速过程即停止。

3 实车试验

3.1 试验条件

试验场地为坦克专用行驶场地，其地形属于平原微丘，地面由沙质软土构成，有起伏，其间有凹凸不平的地面，具有典型的非道路行驶条件。履带车辆在这类松软的土路上行驶时可造成地面发生较大的沉陷量，会产生压实与推土阻力，使得试验中的行驶阻力较大。试验车辆采用克里斯蒂(无托带轮)行动装置、前置主动轮及铰链式钢制履带。

3.2 试验方法

换挡试验中使车辆正向行驶，在不同速度条件下开始换挡(包括升挡与减挡)，以便考察换挡成功率、对比换挡过程、论证换挡控制方法的实用性与应用效果。为此，换挡试验着重关注变速器换挡拨叉位置，以及在驱动电机与主动轮转速实测值的基础上所计算得到的变速器输入轴、输出轴与齿圈的转速、车辆及其履带速度的理论值。

试验中为了便于获得摘挡、同步、挂挡的时段，在采集数据时记录变速器开始换挡、进入空挡、接近同步、挂挡完成时刻所对应的状态标志信号。

4 换挡试验结果与分析

4.1 换挡结果

车辆在连续行驶过程中共进行30次换挡，均成功，其中：升挡与减挡各15次；车速受场地所限，均不超过30 km/h. 不同起始车速的车辆换挡用时及两侧换挡用时差异情况如图6和图7所示。

图6 不同起始车速的车辆换挡用时Fig.6 Statistics of vehicle shifting time duration at various speeds

图7 两侧换挡用时差异统计Fig.7 Difference between shifting time durations of two gearboxes

图6中换挡起始车速是指换挡起始时刻的车速，取该时刻两侧履带速度平均值。图7中数据点反映了两侧换挡用时差异的绝对值不小于对应横坐标值的情况，次数占比表示该情况的发生次数与换挡总次数之比。

试验总体效果表明，对于本文履带车辆及非道路行驶条件，为降低控制难度而设计提出的线控换挡控制方法在实际应用中是有效可行的。由图6可见，在相同换挡起始车速时，升挡用时倾向于比减挡用时更长。升挡及减挡用时均倾向于随换挡起始车速的增高而增加。由图7可见，由于无需控制两侧同时完成换挡，两侧换挡用时存在差异性，差异值多在0.3 s以内，差异性总体较小，对车辆换挡不构成显著影响。

4.2 换挡过程

4.2.1 升挡与减挡全过程表现及对比分析

相同换挡起始车速时的升挡与减挡换挡过程如图8和图9所示，图中横坐标行驶时刻表示试验开始后经历的时间。试验中的换挡起始车速约为11 km/h.

图8 起始车速约为11 km/h时的升挡过程Fig.8 Upshifting process beginning at vehicle speed close to 11 km/h

图9 起始车速约为11 km/h时的减挡过程Fig.9 Downshifting process beginning at vehicle speed of about 11 km/h

根据试验过程中记录的状态标志信号，图8所示升挡过程的各阶段历时为：左右两侧变速器在第186.153 s开始摘挡，摘挡阶段各持续至第186.323 s及第186.316 s进入空挡并开始主动同步，同步阶段各持续至第187.303 s及第187.353 s接近同步并开始挂挡，挂挡阶段各持续至第187.446 s及第187.476 s完成挂挡。图9所示减挡过程的各阶段历时为：左右两侧变速器在第221.352 s开始摘挡，摘挡阶段均持续至第221.532 s进入空挡并开始主动同步，同步阶段各持续至第222.222 s及第222.262 s接近同步并开始挂挡，挂挡阶段均持续至第222.372 s完成挂挡。

由图8和图9可知，换挡过程中，受阻力影响，履带速度及变速器输出轴转速总体减小，具有随机波动性与相对较弱的两侧差异性。分析变速器的转速状态，相同行驶时刻所对应的两侧变速器输出轴转速基本相同，其间的差异可忽略，对两侧变速器工况一致性与换挡的同时完成不构成主要影响。同步阶段的特点为：两侧变速器输入轴转速的主动变化均匀稳定，几乎不受输出轴转速随机波动的影响；齿圈转速主要随输入轴转速变化，但也受输出轴转速影响而随机波动，反映出令驱动电机精确调速以精确同步所面临的控制难度。对此，不要求驱动电机按同步目标转速精确调速，在接近同步时即开始挂挡的控制方法发挥出良好效果。同步阶段完成后，齿圈转速曲线仅出现一个明显拐点，表明驱动电机在调速过程中很容易接近同步，挂挡可迅速完成。挂挡阶段中拨叉位置变化中断的时间极短，表明在接近同步后的挂挡过程中，以同步器辅助精确同步迅速有效，不影响挂挡的迅速完成，且不易引起明显的摩擦磨损。可见，控制方法能以高效率实现精确同步与安全挂挡。

比较左右两侧变速器状态可知，传动构件转速的两侧相同性较好，其中仅有输入轴与齿圈转速的两侧差异可在图中略有显现；两侧拨叉位置同时开始变化但过程中存在差异。影响两侧换挡同时完成的原因主要在于拨叉位置实际变化差异。摘挡阶段，拨叉位置变化有减慢或不变的情况，原因在于驱动电机对TCU信号的响应延迟，在信号响应期间未自由运行，两侧的摘挡进程均因此略受阻碍，但基本同时完成。同步阶段，拨叉位置最初仍因惯性略有自由变化，且右侧拨叉位置因此出现偏离空挡标定范围及再次调整的情况，图8中右侧转速主动同步过程因此略有中断，同步进程略有延长。挂挡阶段，左侧拨叉位置变化略有短时停顿，同步器锁环或接合齿端面略为接触锁止；右侧拨叉位置变化程度较大，但变化过程连续通顺，恰好对应同步状态，未引起同步器的锁止，挂挡移动更为迅速，同步状态略受驱动电机响应延迟及输出轴转速随机波动等因素的影响。可见，线控换挡过程中，两侧拨叉能够迅速响应TCU信号，同时开始移动，两侧变速器输出轴转速状态基本相同，影响两侧换挡同时完成的因素主要来自控制系统内部，包括驱动电机响应延迟及拨叉惯性移动等实际因素，但影响程度不严重，两侧可基本同时完成挂挡，即能够保证车辆较好的换挡效果。

比较图8和图9换挡过程发现，换挡起始车速相同时，减挡比升挡用时更短，主要是因为同步阶段的差异。变速器输入轴转速在升挡时增大，在减挡时减小，转速变化方向相反，变化率基本相同；输出轴转速均呈现减小趋势，转速变化方向相同。因此，相比升挡，减挡过程中输入轴与输出轴转速之间的相对变化率更大，同步阶段用时更短。可见，在阻力作用下，输出轴转速的减小对升挡与减挡的同步进程造成了不同影响。此外，摘挡阶段减挡比升挡更容易受到驱动电机响应延迟的影响而引起拨叉位置变化的停顿，因减挡前驱动电机需输出更大的转矩以克服相同的行驶阻力，接合齿加载互锁及阻碍拨叉移动的作用更强。

4.2.2 不同车速换挡过程对比分析

在不同的换挡起始车速时，升挡及减挡过程的表现如表2和表3所示。

由表2和表3可见，起始车速对换挡过程的影响主要表现为，当起始车速增高时，同步阶段所用的时间及变速器的输出轴转速平均减速变化率均有所增加。分析同步阶段，变速器的输入轴转速平均变化率明显高于输出轴转速平均变化率，若换挡起始车速增高，则变速器输入轴转速变化范围将随之增大；表2和表3中，变速器的输入轴转速平均变化率基本相同，因此会使同步阶段所用的时间随换挡起始车速的增高而增加。实际中，变速器的输出轴转速平均减速变化率仍然不可忽略，且随车速增高而增加，可见车辆行驶阻力的影响。在此影响下，比较11.2 km/h起始车速时减挡及9.3 km/h起始车速时升挡的情况，即便前者起始车速较高，但同步阶段所用的时间仍然短于后者。

表2和表3中显示：摘挡及挂挡阶段时间均很短，车速对其影响不明显，线控方案可使换挡电机及时快速地响应并驱动拨叉移动到位；挂挡阶段未引起同步器明显锁止，不会造成其严重磨损。挂挡阶段，车速较低时，右侧拨叉移动较为流畅；车速较高时，左侧拨叉移动较为流畅，可能是初始控制条件及响应延迟等因素造成的影响。在换挡各阶段，左右两侧所用时间略有差异性。

表2 不同起始车速时的升挡过程对比Tab.2 Upshifting processes beginning at different vehicle speeds

表3 不同起始车速时的减挡过程对比Tab.3 Downshifting processes beginning at different vehicle speeds

5 结论

本文应用无离合器两挡行星AMT及全线控电动操纵方法实现了双侧独立电驱动履带车辆在非道路行驶时的换挡，换挡控制过程中，先令驱动电机主动调速至接近同步，然后开始挂挡，由同步器辅助实现精确同步，大幅降低了换挡控制难度，取得了稳定流畅的换挡效果。得出主要结论如下：

1)实际行驶中，两挡行星AMT可应用于双侧独立电驱动履带车辆。换挡控制通过线控系统及纯电动换挡机构实现，控制方法针对非道路行驶路面，基于无离合器、有同步器的AMT机械结构，主要由驱动电机调速进行主动同步，在接近同步后的挂挡阶段由同步器辅助精确同步，可降低换挡控制难度，提高换挡操纵效率，具有较好的可行性与可靠性，在软土路面试验中取得良好效果，且未使拨叉在同步器锁止位置处发生明显停顿，不会对同步器造成严重磨损。

2)换挡期间，变速器输入轴转速在主动同步时具有显著且稳定的变化率，输出轴转速受车辆行驶阻力影响而有减速趋势。在换挡起始车速不变时，升挡时间常大于减挡时间；随换挡起始车速的提高，升挡及减挡时间均有增加趋势。

3)换挡期间，履带速度及变速器输出轴转速两侧基本相同，反映出路面不平度的随机差异性基本不会造成两侧履带速度及变速器输出轴转速出现显著差异，不影响车辆正向行驶与两侧换挡保持共同的进程。两侧换挡基本同时完成，略有时间差异，差异原因主要在于驱动电机响应延迟及拨叉空挡位置调整所带来的综合影响。