电动汽车EMT换挡拨块异常磨损分析及控制

刘成武，刘珂路，姚胜华

（湖北汽车工业学院 汽车动力传动与电子控制湖北省重点实验室，湖北 十堰442002）

电驱动特性和能源的多样性使得电动汽车的结构形式具备多种方案。目前市场上的纯电动汽车一般选择驱动电机搭配固定速比减速器方案，该方案结构简单，但对驱动电机的性能提出较高要求，且不能充分利用电机高效工作区域，影响续驶里程。纯电动汽车采用两挡自动变速器是兼顾车辆动力性、车载能源经济性以及结构简洁紧凑三重因素的有效解决方案［1-2］。近年来国内外研究提出了多种用于纯电动汽车的两挡变速器方案，并通过模型仿真、台架测试验证换挡规律与控制策略，验证了方案的优越性。两挡变速器大部分是基于行星齿轮变速器或双离合器自动变速器（DCT）的方案提出［3-5］。采用同步器换挡原理的电控机械变速器（EMT）具有结构紧凑简单、制造加工难度低、生产延续性好等特点，更适用于我国的电动汽车与集成式电驱动系统的开发［6］。文中以某纯电动汽车所采用两挡机械式变速器为研究对象，针对性地开发了电动换挡执行机构及控制系统，完成台架测试与实车功能试验并取得理想效果，但在后续可靠性试验阶段，随机抽取的3套样件均在换挡3万次左右后出现高挡换挡拨块单侧早期异常磨损导致无法正常换挡的现象，而该变速器低挡拨块磨损量在允许范围内。因此从执行机构原理及工作过程入手，基于粘着磨损理论，对影响因素进行分析，分析拨块单侧磨损的原因并提出解决方案，再次开展的台架试验结果，证明了改进方案对解决拨块异常磨损问题的有效性。

1 EMT系统介绍

为目标车辆开发的EMT系统构成如图1所示，主要包括电子控制单元（TCU）、换挡机构、拨挡开关、车速传感器及连接各部件的线束等。为进一步降低系统成本，取消了离合器，利用动力电机调速配合实现无离合器换挡。执行机构实物图如图2所示，运动简图如图3所示。采用换挡电机通过减速机构驱动换挡摇臂，带动拨叉左右移动换挡，使用位置传感器监控拨叉实际位置，以准确控制摘挡、挂挡动作的完成。

可靠性试验过程中，出现的高挡换挡拨块单侧异常磨损情况见图4，此时低挡方向拨块磨损量仅为0.08 mm，而高挡方向拨块磨损量达到3.5 mm，导致无法正常完成换挡动作。

图1 EMT系统原理图

图2 EMT执行机构实物图

图3 EMT执行机构运动简图

图4 磨损拨块实物图

2 挂挡过程分析

换挡过程中，控制器TCU 根据当前车速、加速踏板开度及当前挡位等信号，通过协调动力电机主动调速，完成换挡全过程控制。具体换挡过程如图5 所示，分为回空挡、主动同步和挂挡［7］。回空挡时，执行机构以合适力矩控制接合套从前一挡位脱出并移动到空挡位置停止，以便于开展动力电机调速实施主动同步。主动同步是利用动力电机快速、准确的调速能力，使所选挡位的待啮合齿轮与同步器转速同步（齿轮的圆周速度基本相等），为无冲击挂挡创造条件。如果在两者间存在较大转速差时强行挂挡，将导致冲击及同步器与拨块过度磨损。

待主动同步实际转速接近目标转速后，滑动拨块在拨叉轴和拨叉的作用下向左推动接合套，如图5b所示，接合套通过定位销带动同步环左移动，消除间隙后同步环与齿圈紧密接触（图5c）；接合套持续压紧同步环与齿圈，利用同步环与齿圈之间产生的摩擦力矩使两者转速完全相等。在两者同步之前，接合套及同步环花键齿的齿尖锥面相顶，产生锁止作用，即使接合套作用在同步环上的作用力非常大，同步环也会阻止接合套继续往左移动，不能与齿圈接合。而同步环与齿圈同步后，同步环的锁止作用消失，此时接合套齿尖与齿圈齿尖抵触产生的拨环力矩使齿圈相对于接合套转动，实现齿圈与接合套的接合（图5d），直至接合套的端面与齿轮的端面相接触而限位，完成挂挡的全过程。

图5 同步器工作过程

3 磨损原因分析

换挡时换挡力由拨叉通过拨块作用在接合套上产生同步力矩，此时拨块不做旋转运动，而接合套随变速器轴旋转，当拨块与接合套接触时，两者之间相对高速运动且产生热量，导致换挡过程中拨块发生粘着磨损，该磨损与转速差和拨挡力大小直接相关。此外，当拨块推动接合套到达目标位置后，换挡过程结束。由于挂挡过程中，换挡电机施加的换挡力通过减速机构、拨头、换挡轴、拨叉、拨块作用在接合套上，导致上述部件会发生微量弹性变形，换挡结束后换挡电机虽然停止施加力矩，但减速机构若存在一定的自锁力矩，上述弹性变形产生的压紧力不能完全撤销，拨块与接合套之间仍然存在压力，导致换挡结束后拨块产生粘着磨损。因此将拨块磨损的原因归纳为换挡过程磨损和换挡后行驶过程磨损。其中换挡过程磨损不可避免存在，但可控制在合理范围；换挡后行驶过程磨损属于不正常存在的磨损，应尽量避免。

另一方面，对磨损量造成影响的因素还有润滑条件、零部件表面加工质量、材料、装配质量及工作过程中的相对速度及表面载荷［8］。由于样车装备的变速器有成熟的原型机械变速器并广泛应用于传统车，未出现类似的异常磨损，且低挡侧拨块也未发生早期异常磨损，可排除润滑条件、零部件表面加工质量、材料、装配质量等因素。故对实际案例中导致拨块异常磨损的其他原因展开分析。

3.1 换挡过程磨损原因分析

3.1.1 换挡机构（含电机）特性测试

前期试验结果表明，过量磨损仅仅出现在高挡的滑动拨块处，低挡拨块及同步器未出现异常。在检查了高、低挡位标定位置的准确性后，对换挡执行机构正转、反转2个方向工作特性差异性进行测试，比较所控制的换挡力是否存在明显不同。

换挡机构测试实验台如图6所示：采用安捷伦直流稳压电源模拟提供24 V电压并监控实际输出电流变化，利用监控程序输入不同PWM 指令控制电机正转或反转输出力矩，测量拨头作用在力传感器上的实际换挡力矩大小。测试结果如图7所示：随着PWM 变化电机输出力矩基本符合线性增加，工作区内正反向性能基本吻合（换挡力控制遵循手动换挡过程中的最大换挡力限值，工作区为20%～60%），当前换挡力控制策略可实现正反2 个方向的均衡，基本排除换挡力不等导致磨损量差异大。

图6 换挡机构测力试验台

图7 换挡机构双向力矩对比

3.1.2 同步转速差对比分析

在换挡过程中，由于实施动力电机主动同步无离合器换挡，其同步意味着需要将动力电机及变速器输入轴转速，尽可能在短时间内调整到与变速器输出轴相匹配的转速。在输入轴端惯量较大的情况下，若电机由于超调或目标转速偏差大，调速完成后仍存在较大转速差，势必造成同步器工作负荷增加，同时也加剧拨块的磨损。

实车测试换挡过程转速数据见图8，高挡换低挡电机主动同步升速，同步转速差为749 r·min-1左右，调速时间为0.6 s，当速差不超过30 r·min-1时实施换挡；低挡换高挡，电机主动同步降速，同步转速差为2300 r·min-1，调速时间为0.7 s，当速差不超过50 r·min-1时实施换挡。

图8 高低挡位换挡调速转速差

高低挡换挡时的转速基本接近，高挡调速时间略长，借助PVT值对换挡能量进行评估［8］。PVT值主要用于衡量单位面积施加的能量，即压强P、速度V和时间T的乘积。如前所述，高低拨叉接触面积近似相等，2个方向的拨挡力矩形成的压力基本相当，即

对比发现，高挡、低挡差异主要取决于拨叉平均的换挡转速。若同步初期拨块与接合套有较大压力接触，此时高挡单位面积施加能量是低挡的2.59倍；若准确停留在空挡位置，待同步后拨叉再施加力矩推动换挡，能量比将下降到1.119。故准确的空挡位置，在未同步前，减少拨块对同步器的接触时间及压力，有利于减少滑块磨损。

3.2 换挡后车辆行驶过程磨损原因分析

换挡后，若不能有效消除拨块与接合套间的接触，将导致拨块持续磨损并产生高温。通过采集的试验数据发现，目标变速器换高挡结束后，偶尔会出现拨叉回退量不足的情况，如图9所示。此时拨块与接合套间的接触仍存在，导致磨损较大。

图9 换挡位置关系对比

4 挂挡控制策略改进及试验结果

针对出现的磨损原因调整换挡策略：1）缩小空挡位置范围区域，保证在主动调速时同步器处于准确空挡位置不参与该阶段调速，避免拨块接触同步器造成不必要的磨损；2）适当牺牲高挡换挡调速时间，将转速差缩小到30 r·min-1之内；3）对换挡电机采用变PWM 控制方式，通过换挡位置传感器反馈值，并接合挂挡过程中电流的变化调节电机在同步阶段工作时的占空比，实现挂挡力的精确控制，接近目标挡位时降低换挡力矩、减小换挡冲击，换挡结束后以极小的力矩反向微量移动，达到完全撤销压力的目的；4）调整高挡侧换挡后拨叉的回退量，确保消除拨块与接合套间的接触，减少磨损。

基于相同试验台架及测试方案，重新抽选3套试验样机进行5 万次模拟运行工况升降挡可靠性试验，试验数据见表1。试验结果表明：采用挂挡新控制策略后，高挡侧拨块磨损明显改善，达到产品要求。同时，在试验过程中，试验人员能够明显感觉到换挡过程中系统的振动和冲击变小，台架试验时换挡噪声和振动也明显减小。改进策略中由于换挡力得到控制，挂挡冲击减小，必然减小同步器工作的负荷，也有利于延长同步器的使用寿命。

表1 改进后换挡拨块磨损量 mm

5 结论

针对应用于电动汽车的EMT系统出现的换挡拨块异常磨损现象，通过对变速器换挡过程、磨损原因分析与判断，得知执行机构双向运动的换挡力差异、动力电机各挡调速准确性、拨叉空挡位置的准确性、换挡后拨叉未能合理回退均会造成EMT系统换挡拨块单侧磨损。针对上述原因提出控制换挡力、减小同步转速差、缩小空挡范围和实施拨叉回退等综合改进控制方案，对消除换挡拨块单侧异常磨损取得了显著效果，对完善无离合器EMT换挡控制策略有一定参考意义。