马洪涛，刘 钟，刘 尧

电动直连变速箱换挡控制分析

马洪涛，刘 钟，刘 尧

（陕西汉德车桥有限公司，陕西 西安 710299）

换挡控制作为自动变速箱控制系统的核心技术，决定着整车动力性、经济性及舒适性指标。电动直连变速箱舍弃了机械式同步器，使得接合套与接合齿之间缺乏对齿功能，从而在挂挡瞬间更易发生换挡冲击，如齿顶撞击、同步冲击等。因此，在电动直连变速箱控制中，文章引入驱动电机精准调速与接合套分段控制问题。通过系统地分析影响换挡顿挫与换挡冲击关键因素，采用优化换挡规律曲线及挂挡过程控制算法等措施，有效地提升了换挡性能指标。最后，通过台架与整车道路试验完成了算法验证，为后续产品市场投放与技术升级奠定基础。

电动直连；换挡控制；换挡规律；换挡品质

在“双碳”政策的推动下，以纯电动汽车为代表的新能源汽车产业迎来了发展机遇。汽车动力系统逐渐变革为中置式电驱动系统和集成式电动桥等多种形式。现阶段，纯电动乘用车多采用固定速比电驱系统[1-2]，从而规避了换挡控制引起的动力中断、换挡顿挫等技术缺陷。但是，以中、重卡为代表的商用车，由于负载、路况等复杂因素，仍需要变速箱采用多挡位设计，以实现动力边界的拓展。

研究指出，电机具有低速高扭、高效区广等特点，故去离合器、少挡化是电驱动系统的发展方向[3]。同时，电机转速具有精准控制特性，因此，同步器的作用也被严重弱化。比如：福伊特4挡电控机械式变速器（Automated Mechenical Trans- mission, AMT）、李斯特两挡电动桥等，均已去除离合器与同步器，演变为电动直连变速系统。

本文以两挡电动桥为研究对象，系统地梳理了换挡决策与换挡控制[4-5]，并就换挡性能指标进行了分析。最后，通过优化换挡规律曲线与挂挡过程控制，从而有效降低了换挡顿挫与换挡冲击，并顺利通过台架与整车道路验证。另外，鉴于电动直连变速箱不存在离合器接合控制，特别指出，电动直连变速箱的换挡冲击设定为挂挡瞬间齿轮箱内部撞击强度。

1 直连式电驱动系统

本文研究对象为适用于4×2中、轻型载货车的集成式两挡电动桥（图1），此动力系统将电机、两挡变速箱及车桥进行高度集成，具有集成化、轻量化、体积小等优点。在满足整车动力性与经济性需求的同时，取消传动轴，简化底盘装配工艺，从而有效地释放底盘空间。

图1 集成式两挡电动桥

1.1 控制器与通讯架构

在换挡控制过程中，集成式两挡电动桥需要整车控制器（Vehicle Control Unit, VCU）、电机控制器（Motor Control Unit, MCU）和换挡控制器（Transmission Control Unit, TCU）之间的控制协同（图2）。各控制器间的信息交互采用控制器局域网（Controller Area Network, CAN）通讯，具体过程如下：

首先，TCU根据换挡决策，进入换挡控制逻辑，并向VCU请求MCU控制权；

其次，在VCU移交MCU控制权后，TCU指挥MCU协同开展选、换挡动作；

最后，TCU在完成换挡动作后，将MCU控制权返还VCU。

图2 动力域控制通讯网络

1.2 换挡执行机构

电动直连变速系统，大多采用电动拨叉式换挡执行机构（图3）。工作原理即换挡电机经蜗轮蜗杆或滚珠丝杠等机构进行运动转换，驱动换挡拨叉，进而带动滑动接合套，实现目标挡位齿轮的花键齿联结动作。

图3 拨叉式换挡执行机构

2 最佳挡位决策与换挡过程控制

电动直连变速箱的换挡过程控制分为六步，依次为换挡决策、卸载、摘挡、调速、挂挡及加载。其中，“摘挡、调速与挂挡”三个步骤的控制水平直接决定了换挡冲击指标水平，并对换挡顿挫有较大影响[6]。

2.1 最佳换挡策略

文章采用经典的两参数换挡策略，即根据车速与油门（转矩）决定最佳挡位及换挡点。两参数法具有稳定可靠和实现简单的特点。在设计过程中，依据整车输出MAP初步确定换挡点，并以升、降挡过程中变速箱输出扭矩曲线的连续性作为设计准则，对换挡点进行优化。应指出的是，输出扭矩的连续性和换挡时间是决定换挡顿挫指标的关键因素，尤其是对于电动AMT系统。

换挡顿挫的量化指标是冲击度，是评价整车平顺性的重要指标。我国现行标准中最大冲击度的限值为=17.64 m/s3，其物理定义为车辆加速度的变化率：

式中，r为车辆行驶过程中的滚动阻力、风阻及坡阻的总和；m为电机输出扭矩；i0为各挡位速比和主减速比；t为电机与变速箱系统总效率；为旋转系数；为整车质量。

在实际换挡过程中，换挡时间较短，一般在0.7～1.0 s左右，因此，将车辆行驶阻力简化为常数。进一步讲，换挡顿挫指标则仅由电机输出转矩m的变化率决定。在“摘挡-调速-挂挡”三阶段中，整车处于动力中断状态近似为零。此外，前、后分别对应卸载与加载过程，对应的冲击度可以标定为固定值，即电机驱动扭矩进行恒斜率的线性控制。

由于电动直连变速箱的固有特点，整车冲击度必须经历负-零-正的冲击度演变进程。对于控制算法的设计而言，关键在于压缩“摘挡-调速-挂挡”时间，以及标定出兼顾冲击度与动力性的电机卸载、加载斜率。应指出的是，为保证卸载与加载阶段冲击度保持不变，换挡前后的扭矩斜率与挡位速比成反比。

2.2 临界挂挡点标定与接合控制

前文指出“挂挡”是决定换挡冲击指标的关键步骤。首先应该标定出临界挂挡点；其次，在挂挡动作中，优化临界点附近的进给控制。在降低换挡冲击、保证接合齿抗冲击强度的同时，尽可能地压低挂挡过程时间。

2.2.1临界挂挡点标定

接合套与挡位齿轮在装配过程中，存在相对位置公差。因此，变速箱在下线时，需要对临界挂挡点进行位置标定。具体操作时，首先，对驱动电机进行低转速的恒速控制，然后，对接合套进行蠕行位移控制，直至输出轴出现转速脉冲信号，则将此时拨叉位置设定为临界挂挡点。另外，临界摘挡点可在临界挂挡点的基础之上，加入拨叉与接合套之间的间隙值即可，不再重复对应的标定过程。

2.2.2临界挂挡点接合控制

在关键的“挂挡”过程控制中，以“空挂1挡”为例，拨叉的位移控制可分为快进-慢进-快进-慢进-慢退，共计五个阶段的闭环位移控制。其中第一个“慢进”步骤就是在接合套移动至临界挂挡点时，对其进行限速控制，一是降低换挡冲击异响，二是规避顶齿与打齿问题。从而，在保证平顺进挡的前提下，尽量降低对接合套花键齿端部的强度要求。

2.3 卸载与加载斜率设计

卸载与加载阶段的设计对换挡顿挫即冲击度的影响同样至关重要。目前主要采用恒斜率控制，具体做法是基于整车道路测试与驾驶感受，标定出扭矩的变化斜率。一般而言，扭矩幅值较低时，卸载与加载时间较短，换挡顿挫不明显。但是对于全油门工况，则由于AMT的动力中断属性，整车出现较为显著的换挡顿挫。

3 关键技术参数设计

3.1 换挡规律曲线设计

换挡点的设计在保证换挡前后输出动力连续性的基本前提下，进一步需要考虑整车对动力性与经济性的指标要求。因此，换挡点分为动力换挡点与经济换挡点，动力换挡点的设计依据是整车加速度最大化，因此表现为缓升挡。相反，经济换挡点主要是基于电机效率最高的原则。图4为采用两参数法设计出的动力换挡点的规律曲线，右侧标识线为升挡点曲线，左侧标识线为降挡点曲线。

图4 动力换挡点设计与扭矩输出特性

在具体设计过程中，主要依据整车动力模型仿真结果作为评价依据，并进行迭代优化，从而制定出动力换挡点的换挡规律曲线，并得到电动桥的输出特性。从图中可以看出，仿真数据显示，换挡前后，电动桥输出扭矩的接续是平滑的，仅存在轻微的波动，从而有效地降低换挡过程中的整车顿挫感，保证行驶平顺性与舒适性。

3.2 换挡阻力设计

换挡阻力分为挂挡力与摘挡力，是决定换挡时间与换挡成功率的关键因素。换挡阻力的设计，尤其是对于挂挡力，其关键在于平衡换挡电机功率与接合齿倒角面强度。例如，将倒角面锥度加大可以有效降低挂挡力与换挡电机功率，并提升换挡成功率。但是，锥角过大则容易引起端部齿面抗冲击强度不足，下面对其展开详细设计分析。

3.2.1挂挡力分析

挂挡过程中，接合套与目标挡位接合齿圈存在挂挡阻力（图5），尤其是倒角面碰撞时，其阻力出现峰值，求解过程见公式（2）

q=Nsin+Scos（2）

式中，N为接触面正压力；为齿端倒角；S为接触齿面摩擦力。

图5 挂挡过程受力简图

接触正压力N的产生机理：在具体控制过程中，为了实现挂挡动作，接合套与目标挡位齿圈之间设定转速差，如±10 r/min。设计依据是主、从动端之间绝对的同步控制难以实现，同时转速差可以避免接合齿顶齿干涉。在接合瞬间，电机一侧作为被同步端，需要被瞬时同步，因此，对主动端造成同步阻力矩C，进而衍生出齿间作用力N，见式（3）：

式中，为接合齿圈节圆半径。

最后，根据式（2）、式（3），求得挂挡阻力的最终表达式为

另外，在挂挡瞬间，不仅要确保接合套与接合齿圈之间的转速差控制在设定范围。同时，要将上一阶段即调速状态下的电机扭矩指令迅速清零，避免电机驱动扭矩与同步阻力矩叠加，加剧挂挡阻力。

3.2.2摘挡力分析

摘挡力即为摘挡过程中的阻力，主要由接合套与接合齿圈之间的齿间摩擦力所致（图6），求解过程如式（5）所示。

图6 摘挡过程受力简图

f=⋅N=⋅e/（5）

式中，为齿面摩擦因数；N为接触面正压力；e接合套传递扭矩；接合齿分度圆半径。

在行车过程中，接合套传递的扭矩取决于电机扭矩和行驶阻力，具体表现为

式中，m为电机输入扭矩；v为负载阻力矩；m为接合齿圈与电机端之间的转动惯量；v为接合齿与负载端之间的转动惯量；m为输入轴旋转阻尼系数；v为输出端旋转阻尼系数；m为输入轴角速度；v为输出轴角速度；g为输入轴与中间轴间的传动比（接合套在中间轴上）；0为中间轴与输出轴之间的减速比。

在挡状态下，输入转速与输出转速之间满足减速比关系，同时忽略旋转阻尼对力矩传导的影响，由式（5）、式（6）可得

因此，当电机扭矩m越小，摘挡阶段的阻力越小，更容易摘挡，故换挡的首要任务是将电机扭矩降为0。

4 台架与路试验证

4.1 台架验证

在台架试验中，开展换挡疲劳测试，同时对换挡成功率、换挡冲击进行了指标提取。首先，在试验数据中随机抽取100次连续换挡过程的报文数据，经确认换挡成功率为100%，其中因为接合齿顶齿问题产生二次挂挡的占比为6.9%。

其次，通过采集变速箱壳体的振动信号，反映挂挡瞬间变速箱的同步冲击程度，见图7。壳体瞬时加速度在80 m/s2以内，处于可接受范围。最后，在换挡过程中驱动电机和换挡电机均可以按指令动作，且控制效果满足预期目标。

图7 换挡冲击时域图

4.2 整车路试验证

在整车路试过程中，选取城市与郊区的复合路况，对换挡性能进行了20 000 km的换挡控制性能验证（图8），期间换挡控制器与执行机构运行正常，顺利完成路试任务。

图8 路试样车示例

图9 整车路试结果

如图9所示，通过TCU过程报文与挡位报文，以及MCU的扭矩、转速报文，对换挡性能指标，如换挡时间、换挡成功率进行了全程统计，数据显示换挡时间普遍在0.7～1.0 s之间，且一次换挡成功率在94.6%，略高于台架测试结果。

5 总结

首先，对于电驱系统而言，两参数换挡策略可以较好地满足整车对换挡顿挫的技术要求，同时少挡化设计，简化了换挡规律曲线的设计；对于挂挡动作的分阶段控制，可以有效降低换挡冲击，从而在保证接合齿机械强度的前提下，有效提升换挡成功率。

其次，台架与整车路试结果表明，文章提出的换挡策略与过程控制算法完全适用于两挡集成式电动桥；研究成果将有力地支撑产品的市场验证与推广工作，同时为后续的技术升级工作提供参考。

[1] 汪斌.纯电动汽车无离合器式AMT换挡控制研究[J].汽车实用技术,2018,43(24):21-24.

[2] YILDIRIM M,KURT S.Effect of Different Types of Electric Drive Units on the Energy Consumption of Heavy Commercial Electric Vehicles[J].World Electric Vehicles Journal,2022,13(5):92-98.

[3] 徐秀华,陈勇,罗大国,等.全电式AMT选换挡位置自识别方法和换挡策略研究[J].汽车技术,2013(10): 22-25,46.

[4] 唐永琪.纯电动汽车自动变速器换挡规律研究[J].合肥学院学报(自然科学版),2012,22(4):60-65.

[5] LUO L P,XI J Q,LIU X L,et al.Modeling and Analysis of Three-Parameter Power Shift Schedule for Pure Electric Bus of AMT[J].Applied Mechanics and Materials,2012(16):155-156,648-652.

[6] 朱丹丹.基于城市道路工况纯电动汽车自动变速器换挡规律的研究[D].合肥:合肥工业大学,2019.

Analyse on Shift Control of Electric Direct Transmission

MA Hongtao, LIU Zhong, LIU Yao

( Shaanxi Hande Axle Company Limited, Xi'an 710299, China )

As the core technology of automatic transmission control system, shift control determines the vehicle's power, economy and comfort indicators. The mechanical synchronizer is abandoned in the electric direct coupled transmission, which makes the gear matching function between the engagement sleeve and the engagement gear lacking, so that shift impact, such as tooth top impact and synchronous impact, is more likely to occur at the moment of gear shifting. Therefore, in the control of electric direct transmission, the problem of precise speed regulation of drive motor and sectional control of joint sleeve is introduced. This paper systematically analyzes the key factors that affect the shift jerk and shift impact, and improves the shift performance index by optimizing the shift schedule curve and the shift process control algorithm. Finally, the algorithm is verified by bench and vehicle road tests.It lays a foundation for subsequent product market launch and technology upgrading.

Electric direct connection; Shift control; Shift schedule; Shift quality

U463.212

A

1671-7988(2023)12-22-05

马洪涛（1985－），男，硕士，工程师，研究方向为电动车桥设计，E-mail:hongxiaotaohunan@126.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.012.005