基于2自由度電磁執行器的AMT換擋機構設計*

李 波，常思勤，林樹森，葛文慶

(1.山東理工大學交通與車輛工程學院，淄博 255049； 2.南京理工大學機械工程學院，南京 210094)

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2015056

基于2自由度電磁執行器的AMT換擋機構設計*

李 波1,2，常思勤2，林樹森2，葛文慶1

(1.山東理工大學交通與車輛工程學院，淄博 255049； 2.南京理工大學機械工程學院，南京 210094)

為進一步縮短換擋時間和提高換擋品質，提出一種基于2自由度電磁執行器(2-DOF EMA)的電控機械式自動變速器(AMT)換擋機構。2-DOF EMA集平移(±10mm)和轉動(±22°)于一體，且運動時互不干涉，可實現無中間傳動環節的直接驅動換擋，平移質量和轉動慣量分別較常規AMT換擋機構減小30%和80%以上。參考實車變速器和離合器的規格參數，研制了AMT換擋過程試驗臺架，通過試驗驗證了所提出技術方案的可行性。結果表明，該換擋方案可實現摘、選擋的“邊摘邊選”功能；常用換擋參數下換擋時，摘、選擋總時間控制在40ms以內，空擋至目標擋位的掛擋時間約為120ms，提升了AMT的換擋品質，且仍有進一步提高的余地。

電控機械自動變速器；換擋機構；2自由度電磁執行器；換擋品質

前言

電控機械式自動變速器(AMT)在手動機械式變速器和干式離合器的基礎上利用先進的電子控制技術實現自動換擋，改裝成本低、傳動效率高，適用于手動變速器占據主導市場的變速技術現狀[1]。目前，國內外相關研究機構針對全電式AMT的研究主要集中在優化換擋過程控制策略、改變變速器內部結構和研制性能更優的換擋機構等方面[2]。文獻[3]中設計了一種全電式AMT的新型選換擋機構，通過套筒式結構的運動轉換裝置將兩個直流電機的運動轉換為選擋需要的旋轉運動和摘、掛擋需要的直線運動，在簡化換擋機構的同時，提高了換擋機構的擋位定位精度；文獻[4]中發明了一種通過兩個直流電機驅動單搖臂機構完成選換擋運動的全電式AMT換擋機構，兩個直流電機分別通過齒輪齒條機構和連桿機構的運動轉換完成選擋和換擋動作，結構簡單、成本低，提升了換擋機構的可控性；文獻[5]中研制了一種應用動磁式2自由度電磁執行器的全電式AMT換擋機構，執行器動子由永磁體和電機軸組成，在外圍線圈通電后產生的電磁場作用下運動，驅動換擋機構完成選換擋操作，進一步提高了換擋機構的換擋品質。

綜合上述研究中的優點，從進一步減小換擋機構體積、提高傳動效率和縮短換擋時間的角度出發，本文中提出一種直接驅動變速器換擋撥塊的基于2自由度電磁執行器(two degree of freedom electromagnetic actuator, 2-DOF EMA)的全電式AMT換擋機構，它集平移和轉動于一體，運動慣量較小，可控性強。文中介紹了執行器的結構、工作原理和特性；接著確定了換擋機構的結構方案并獨立開發適用于不同車型的AMT換擋過程試驗臺架；最后在精心設計的控制策略控制下，驗證了基于2-DOF EMA的AMT換擋機構設計方案的可行性。

1 換擋機構方案設計

1.1 設計目標

所設計的新型AMT換擋機構在追求高換擋品質的同時，還須滿足傳動效率高、同步器使用壽命長和執行機構體積小等要求。所謂換擋品質是指在保證汽車動力性和滿足傳動系統使用壽命要求的前提下，變速器能夠平穩且迅速地換入目標擋位，換擋時間和換擋沖擊是評價換擋品質的重要指標。

換擋時間直接影響車輛運行的動力性能，一般要求AMT換擋過程加載在換擋撥塊上的峰值換擋驅動力高于1kN，控制空擋至目標擋位的掛擋時間在0.5s以內；峰值選擋驅動轉矩須達到2N·m，控制選擋時間在0.1s以內[6-7]。同步階段中的沖擊度j是衡量換擋沖擊的重要指標，其最大沖擊度jmax更是乘坐人最直接的主觀感受，其定義[8]為

(1)

jmax=max(j(t))式中：a為車輛運行的加速度；r為車輪滾動半徑；JW為車輪等效轉動慣量；Ts為同步階段的同步轉矩；ix為目標擋齒輪傳動比；id為主減速器傳動比；TL為外部阻力矩。從中看出，同步階段沖擊度的大小主要取決于同步轉矩的變化率，而同步轉矩的變化率主要由同步階段執行器輸出力的變化規律決定，采用合適的控制策略可有效降低換擋機構同步階段沖擊度；一般乘坐舒適性要求換擋過程沖擊度許用值[j]=10m/s3[7]。

單位面積滑摩功WA是評價同步器使用壽命的重要指標，其定義如下[9]：

(2)

式中：As為摩擦錐面面積；ts為同步時間；ω為單位時間內被同步部分角速度差值。我國變速器市場上同步器摩擦材料主要使用特殊黃銅合金，其單位面積滑摩功許用值[WA]=1.2J/mm2[7]。

全電式AMT是在手動變速器的基礎上改裝而成，變速器傳動效率高，換擋撥叉的換擋位移均在20mm以內(空擋至目標擋位位移為±10mm)，換擋執行器的行程須滿足換擋位移要求；為減小換擋機構體積，滿足變速器布置空間的要求，執行器設計時要求既能完成摘擋、掛擋時的直線運動，又能完成選擋時的旋轉運動，且具有較高的功率密度；車輛長時間運行，AMT換擋機構的工作環境相對較差，特別是在復雜的城市工況頻繁換擋時，要求驅動裝置有良好的散熱性能。

1.2 方案設計

基于2-DOF EMA的全電式AMT換擋機構的設計思路如圖1所示。

基于上述設計思路，完成了以2-DOF EMA作為AMT驅動裝置的換擋機構方案設計，如圖2所示，具有高功率密度的2-DOF EMA直接驅動換擋撥塊完成選換擋運動，傳動效率高；換擋機構結構簡單、體積小，滿足變速器上布置空間限制的要求；驅動裝置集平移和轉動于一體，且運動時互不干涉；運動慣量小、動態響應速度快、控制信號從輸出到執行的延遲時間短，可控性強。驅動裝置通過選擋動作可使執行器軸到達圖中a、b、c 3個位置，對應控制不同擋位的摘、掛擋運動。

2 2-DOF EMA

2.1 結構設計

考慮AMT換擋機構驅動裝置的設計要求，應用“電-磁-力”轉換特性，設計了一種集平移和轉動于一體的實現直接驅動的2-DOF EMA，將電能轉換為平移與轉動時所需的機械能，取消運動轉換裝置，換擋機構直接驅動手動變速器的換擋撥塊。

2-DOF EMA的結構形式如圖3所示，主要結構有執行器軸、永磁體組、內外磁軛、平移線圈組件、旋轉部分磁軛、永磁體和旋轉銜鐵等，總長度為164mm，最大外徑為100mm。

平移部分采用動圈式結構，永磁體排列應用Halbach陣列方式，增大氣隙磁通密度，從而提升了2-DOF EMA的功率密度[10]，執行器軸通過對稱平鍵與旋轉銜鐵間隙配合，使平移線圈組件帶動軸平移時不干涉旋轉運動，運動質量實測為0.671kg,較常規全電式AMT換擋機構(約1kg)減小30%以上；旋轉部分采用動鐵式結構，利用磁路磁通量總是趨于更大的特點，實現限角度轉動，執行器軸與平移線圈組件間隙配合，使旋轉銜鐵帶動軸轉動時不干涉直線運動，旋轉慣量為7.04×10-6kg·m2，較常規全電式AMT換擋機構(約3×10-5kg·m2)減小80%以上。直線運動與旋轉運動相互獨立，互不干涉，使執行器具有運動部件慣性和運動摩擦小、損耗和噪聲低、散熱性能好等優點，且可實現換擋機構摘擋與選擋同時進行的功能。

2.2 性能測試與分析

為進一步探討2-DOF EMA能否滿足AMT對換擋執行器性能的要求，搭建如圖4所示的執行器性能測試系統。測試系統以ARM微控制器為核心，采集電流、位移、角位移和力傳感器信號并通過CAN總線傳輸至上位機供記錄和分析。

2.2.1 靜態特性

靜態特性是指2-DOF EMA的電磁力和電磁轉矩特性，主要反映執行器的驅動能力。

通過有限元分析進行仿真。平移部分和旋轉部分靜態特性的仿真與測試結果如圖5所示。由圖5(a)可見，電磁力在電流30A時達到1.2kN。電磁力大小與電流近似呈正比關系，隨著向兩邊位移的增加而稍有下降。仿真與試驗結果基本吻合，最大誤差為4.6%。由圖5(b)可見，旋轉部分在角位移±16.5°位置附近達到最大轉矩，約為2.7N·m，測試電流15A，仿真相對試驗結果的最大誤差為5.8%。由仿真和試驗結果可知，執行器具有較強的驅動能力，有利于縮短換擋時間。

2.2.2 動態特性

AMT換擋過程要求執行器在接收到換擋指令后能夠快速響應，因此2-DOF EMA的動態特性是非常重要的性能指標，主要包括時間常數和動態響應。由樣機系統參數可計算得到電氣時間常數τe和機電時間常數τm。平移部分τe、τm分別為0.69ms和0.97ms；旋轉部分τe、τm分別為0.51ms和0.68ms。執行器的電阻較小且運動質量低，使時間常數遠低于電液執行器和直流電機。

2-DOF EMA的動態響應特性可以充分反映其對電壓激勵的響應。平移部分和旋轉部分激勵電壓分別為30V和20V。圖6為電磁執行器動態響應特性的仿真與試驗結果，執行器平移部分運動10mm位移所需的時間為8ms，運動20mm位移所需時間為14.7ms,旋轉部分轉動22°角位移所需的時間為13.5ms。

通過以上對執行器靜態特性和動態特性的分析可知，2-DOF EMA具有較強的驅動能力和較好的動態特性，滿足全電式AMT對換擋機構驅動裝置的性能要求。

3 試驗臺架設計

同步器接合過程、換擋機構和AMT整體性能的測試系統應能模擬不同車型不同換擋參數時的換擋過程，且測試精度高、動態響應性能好。獨立設計、加工、安裝并調試了AMT換擋過程試驗臺架，通過傳感器、控制器和上位機進行數據采集與處理。

試驗臺架主要由變速器組件、輸入端轉動慣量模擬裝置(慣量盤)、輸入軸驅動裝置(變頻電機)、傳感器、2-DOF EMA及與其相連的執行機構組成。變速器輸出軸與整車相連，換擋過程中轉速視為不變，臺架設計中應用鎖死裝置將輸出軸固定，改變輸入軸轉速，模擬不同轉速差參數對換擋過程的影響，整體試驗臺架如圖7所示。

試驗臺的主傳動路線中心高為133mm。車用離合器從動盤至變速器輸入軸的轉動慣量一般為0.02～0.04kg·m2，慣量盤設計時可模擬0.01～0.06kg·m2范圍內的負載轉動慣量[11]；各擋位換擋時最大換擋轉速差在900r/min左右，變頻電機選型時最大驅動轉速可達1 440r/min，試驗臺架可模擬的換擋參數與實車換擋參數相匹配，其工作原理如圖8所示。

試驗開始前設定慣量盤和變頻電機需要達到的轉速，之后開啟變頻電機驅動輸入軸轉動，當轉速傳感器反饋信號達到預定值時，關閉變頻電機，并同時啟動2-DOF EMA，直至換擋過程結束，試驗完成。試驗過程中控制器采集位移、轉矩和轉速等傳感器的信號，實現試驗過程中2-DOF EMA的實時控制。

4 方案可行性驗證

通常情況下，換擋時間與換擋沖擊、同步器使用壽命之間是相互矛盾的，須通過精心設計的換擋控制策略加以協調。換擋過程可分為非同步階段和同步階段。同步階段換擋機構無軸向位移，采用2-DOF EMA輸入電流的閉環控制策略，控制執行器輸出力的波動量，得到滿足換擋沖擊和同步器使用壽命要求的同步階段執行器輸出力規律。非同步階段是換擋機構存在軸向位移的換擋階段總稱，試驗時采用的換擋執行機構首先以執行器最大加速度加速，到達最大速度值后再減速緩沖的基于位移閉環PID控制算法的控制策略，控制器接收位移傳感器的反饋信號，通過運算得到應加到2-DOF EMA兩端的電壓值，實現換擋機構運動過程中的實時控制。

4.1 “邊摘邊選”功能的實現

基于2-DOF EMA的AMT換擋機構摘擋動作由平移線圈組件直接驅動，選擋動作由旋轉銜鐵直接驅動，運動時互不干涉，可實現摘擋與選擋同時進行的“邊摘邊選”功能。

圖9為摘擋力F、位移S，選擋轉矩T、角位移θ隨時間t的變化歷程。t=0時刻，摘擋與選擋動作同時開始，此時由于摘擋力的存在，選擋運動時執行器軸與換擋撥塊之間存在摩擦力，產生旋轉阻力矩，選擋角加速度小，轉過同樣的角度所用的選擋時間比自由選擋時間(tT時刻以后)長。為避免執行器軸與目標擋撥塊碰撞，“邊摘邊選”時選擋動作并未全部完成；tT時刻摘擋結束，進入自由選擋階段，此時摘擋運動引入的旋轉阻力矩消失。從圖中可以看出，應用2-DOF EMA的AMT換擋機構摘、選擋總時間控制在40ms以內，實現了摘、選擋時的“邊摘邊選”功能。

4.2 典型換擋參數試驗結果

對試驗過程加載滿足換擋沖擊和同步器使用壽命要求的換擋控制策略，同步階段最大沖擊度許用值設定為4m/s3，分析了不同換擋參數(Δn為500和900r/min；JS為0.03和0.06kg·m2)下2-DOF EMA能耗相同時的掛擋過程，并得到了各換擋參數下同步階段產生的最大沖擊度jmax和單位面積滑摩功WA。

被同步部分轉動慣量JS=0.03kg·m2時的掛擋過程試驗結果如圖10(a)所示，當輸入輸出軸轉速差Δn=500r/min時，掛擋時間約為120ms，同步時間被控制在73ms左右；當Δn=900r/min時，加載同樣的換擋力規律得到的換擋時間為188ms，此時同步時間被控制在145ms左右。除同步時間以外的其它階段平均換擋總時間被控制在50ms以內，與現有的全電式AMT換擋機構相比，縮短近40%，提高了AMT的換擋品質。

增加慣量模擬裝置的轉動慣量，模擬中重型車輛的換擋過程。JS=0.06kg·m2，轉速差分別為500和900r/min時的試驗結果如圖10(b)所示，換擋時間分別為190和262ms。從中可以看出，應用2-DOF EMA的AMT換擋機構安裝在被同步部分轉動慣量更大的中重型車變速器上時，同樣縮短了AMT換擋過程的動力中斷時間。

各換擋參數在執行器能耗相同的力規律作用下換擋時，換擋時間t、同步階段最大沖擊度jmax和單位面積滑摩功WA的試驗結果如表1所示，滿足換擋過程沖擊度許用值和特殊黃銅合金摩擦襯層單位面積滑摩功許用值要求的同時，縮短了換擋過程動力中斷時間，提升了換擋品質。

表1 換擋品質評價指標試驗結果

5 結論

(1) 針對目前AMT的研究現狀，綜合考慮換擋品質、同步器使用壽命和變速器上布置空間限制等要求，提出一種2-DOF EMA直接驅動的AMT換擋機構，并搭建了適用于不同車型的AMT換擋過程試驗臺架。

(2) 設計了一種集平移和轉動于一體的直接驅動的2-DOF EMA，它具有平移和轉動互不干涉、運動部件慣量小、功率密度大、散熱性能好等優點，符合AMT換擋機構對驅動裝置的要求。

(3) 驗證了基于2-DOF EMA的AMT換擋機構設計方案的可行性，在所加換擋控制策略滿足同步階段沖擊度和同步器摩擦材料單位面積滑摩功許用值要求的前提下，設計方案縮短了選換擋時間，提升了AMT的換擋品質。

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Design of Shifting Mechanism of AMT Based on Two Degreeof Freedom Electromagnetic Actuator

Li Bo1,2, Chang Siqin2, Lin Shusen2& Ge Wenqing1

1.SchoolofTransportationandVehicleEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049;2.SchoolofMechanicalEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094

To reduce shift time and improve shifting quality, a shifting mechanism of automated mechanical transmission(AMT)based on two degree of freedom electromagnetic actuator (2-DOF EMA) is proposed. 2-DOF EMA integrates translational (±10mm) and rotational (±22°) movement without interference to each other for realizing direct shifting without intermediate link, with the mass of translation and the moment of inertia of rotation reduced by 30% and 80% respectively compared with that of conventional AMT. By reference to the specification parameters of transmission and clutch of real vehicles, a test bench for the shifting process of AMT is developed, and tests are conducted to verity the feasibility of technical scheme proposed. The results show that the shifting scheme proposed can achieve the function of “choosing gear while shifting out”. When shifting with conventional shift parameters, the total time of gear selection is within 40ms and the duration of shifting in from neutral position to target gear is about 120ms, enhancing the shifting quality of AMT with still some room for improvement.

AMT; shifting mechanism; two degree of freedom electromagnetic actuator; shifting quality

*山東省自然科學基金(ZR2014EEQ031)、山東省科技發展計劃項目(2014GGX103007)和淄博市科技發展計劃項目(2014kj020017)資助。

原稿收到日期為2013年5月20日，修改稿收到日期為2013年9月3日。