基于2自由度电磁执行器的AMT换挡机构设计*

李 波，常思勤，林树森，葛文庆

(1.山东理工大学交通与车辆工程学院，淄博 255049； 2.南京理工大学机械工程学院，南京 210094)



2015056

基于2自由度电磁执行器的AMT换挡机构设计*

李 波1,2，常思勤2，林树森2，葛文庆1

(1.山东理工大学交通与车辆工程学院，淄博 255049； 2.南京理工大学机械工程学院，南京 210094)

为进一步缩短换挡时间和提高换挡品质，提出一种基于2自由度电磁执行器(2-DOF EMA)的电控机械式自动变速器(AMT)换挡机构。2-DOF EMA集平移(±10mm)和转动(±22°)于一体，且运动时互不干涉，可实现无中间传动环节的直接驱动换挡，平移质量和转动惯量分别较常规AMT换挡机构减小30%和80%以上。参考实车变速器和离合器的规格参数，研制了AMT换挡过程试验台架，通过试验验证了所提出技术方案的可行性。结果表明，该换挡方案可实现摘、选挡的“边摘边选”功能；常用换挡参数下换挡时，摘、选挡总时间控制在40ms以内，空挡至目标挡位的挂挡时间约为120ms，提升了AMT的换挡品质，且仍有进一步提高的余地。

电控机械自动变速器；换挡机构；2自由度电磁执行器；换挡品质

前言

电控机械式自动变速器(AMT)在手动机械式变速器和干式离合器的基础上利用先进的电子控制技术实现自动换挡，改装成本低、传动效率高，适用于手动变速器占据主导市场的变速技术现状[1]。目前，国内外相关研究机构针对全电式AMT的研究主要集中在优化换挡过程控制策略、改变变速器内部结构和研制性能更优的换挡机构等方面[2]。文献[3]中设计了一种全电式AMT的新型选换挡机构，通过套筒式结构的运动转换装置将两个直流电机的运动转换为选挡需要的旋转运动和摘、挂挡需要的直线运动，在简化换挡机构的同时，提高了换挡机构的挡位定位精度；文献[4]中发明了一种通过两个直流电机驱动单摇臂机构完成选换挡运动的全电式AMT换挡机构，两个直流电机分别通过齿轮齿条机构和连杆机构的运动转换完成选挡和换挡动作，结构简单、成本低，提升了换挡机构的可控性；文献[5]中研制了一种应用动磁式2自由度电磁执行器的全电式AMT换挡机构，执行器动子由永磁体和电机轴组成，在外围线圈通电后产生的电磁场作用下运动，驱动换挡机构完成选换挡操作，进一步提高了换挡机构的换挡品质。

综合上述研究中的优点，从进一步减小换挡机构体积、提高传动效率和缩短换挡时间的角度出发，本文中提出一种直接驱动变速器换挡拨块的基于2自由度电磁执行器(two degree of freedom electromagnetic actuator, 2-DOF EMA)的全电式AMT换挡机构，它集平移和转动于一体，运动惯量较小，可控性强。文中介绍了执行器的结构、工作原理和特性；接着确定了换挡机构的结构方案并独立开发适用于不同车型的AMT换挡过程试验台架；最后在精心设计的控制策略控制下，验证了基于2-DOF EMA的AMT换挡机构设计方案的可行性。

1 换挡机构方案设计

1.1 设计目标

所设计的新型AMT换挡机构在追求高换挡品质的同时，还须满足传动效率高、同步器使用寿命长和执行机构体积小等要求。所谓换挡品质是指在保证汽车动力性和满足传动系统使用寿命要求的前提下，变速器能够平稳且迅速地换入目标挡位，换挡时间和换挡冲击是评价换挡品质的重要指标。

换挡时间直接影响车辆运行的动力性能，一般要求AMT换挡过程加载在换挡拨块上的峰值换挡驱动力高于1kN，控制空挡至目标挡位的挂挡时间在0.5s以内；峰值选挡驱动转矩须达到2N·m，控制选挡时间在0.1s以内[6-7]。同步阶段中的冲击度j是衡量换挡冲击的重要指标，其最大冲击度jmax更是乘坐人最直接的主观感受，其定义[8]为

(1)

jmax=max(j(t))式中：a为车辆运行的加速度；r为车轮滚动半径；JW为车轮等效转动惯量；Ts为同步阶段的同步转矩；ix为目标挡齿轮传动比；id为主减速器传动比；TL为外部阻力矩。从中看出，同步阶段冲击度的大小主要取决于同步转矩的变化率，而同步转矩的变化率主要由同步阶段执行器输出力的变化规律决定，采用合适的控制策略可有效降低换挡机构同步阶段冲击度；一般乘坐舒适性要求换挡过程冲击度许用值[j]=10m/s3[7]。

单位面积滑摩功WA是评价同步器使用寿命的重要指标，其定义如下[9]：

(2)

式中：As为摩擦锥面面积；ts为同步时间；ω为单位时间内被同步部分角速度差值。我国变速器市场上同步器摩擦材料主要使用特殊黄铜合金，其单位面积滑摩功许用值[WA]=1.2J/mm2[7]。

全电式AMT是在手动变速器的基础上改装而成，变速器传动效率高，换挡拨叉的换挡位移均在20mm以内(空挡至目标挡位位移为±10mm)，换挡执行器的行程须满足换挡位移要求；为减小换挡机构体积，满足变速器布置空间的要求，执行器设计时要求既能完成摘挡、挂挡时的直线运动，又能完成选挡时的旋转运动，且具有较高的功率密度；车辆长时间运行，AMT换挡机构的工作环境相对较差，特别是在复杂的城市工况频繁换挡时，要求驱动装置有良好的散热性能。

1.2 方案设计

基于2-DOF EMA的全电式AMT换挡机构的设计思路如图1所示。

基于上述设计思路，完成了以2-DOF EMA作为AMT驱动装置的换挡机构方案设计，如图2所示，具有高功率密度的2-DOF EMA直接驱动换挡拨块完成选换挡运动，传动效率高；换挡机构结构简单、体积小，满足变速器上布置空间限制的要求；驱动装置集平移和转动于一体，且运动时互不干涉；运动惯量小、动态响应速度快、控制信号从输出到执行的延迟时间短，可控性强。驱动装置通过选挡动作可使执行器轴到达图中a、b、c 3个位置，对应控制不同挡位的摘、挂挡运动。

2 2-DOF EMA

2.1 结构设计

考虑AMT换挡机构驱动装置的设计要求，应用“电-磁-力”转换特性，设计了一种集平移和转动于一体的实现直接驱动的2-DOF EMA，将电能转换为平移与转动时所需的机械能，取消运动转换装置，换挡机构直接驱动手动变速器的换挡拨块。

2-DOF EMA的结构形式如图3所示，主要结构有执行器轴、永磁体组、内外磁轭、平移线圈组件、旋转部分磁轭、永磁体和旋转衔铁等，总长度为164mm，最大外径为100mm。

平移部分采用动圈式结构，永磁体排列应用Halbach阵列方式，增大气隙磁通密度，从而提升了2-DOF EMA的功率密度[10]，执行器轴通过对称平键与旋转衔铁间隙配合，使平移线圈组件带动轴平移时不干涉旋转运动，运动质量实测为0.671kg,较常规全电式AMT换挡机构(约1kg)减小30%以上；旋转部分采用动铁式结构，利用磁路磁通量总是趋于更大的特点，实现限角度转动，执行器轴与平移线圈组件间隙配合，使旋转衔铁带动轴转动时不干涉直线运动，旋转惯量为7.04×10-6kg·m2，较常规全电式AMT换挡机构(约3×10-5kg·m2)减小80%以上。直线运动与旋转运动相互独立，互不干涉，使执行器具有运动部件惯性和运动摩擦小、损耗和噪声低、散热性能好等优点，且可实现换挡机构摘挡与选挡同时进行的功能。

2.2 性能测试与分析

为进一步探讨2-DOF EMA能否满足AMT对换挡执行器性能的要求，搭建如图4所示的执行器性能测试系统。测试系统以ARM微控制器为核心，采集电流、位移、角位移和力传感器信号并通过CAN总线传输至上位机供记录和分析。

2.2.1 静态特性

静态特性是指2-DOF EMA的电磁力和电磁转矩特性，主要反映执行器的驱动能力。

通过有限元分析进行仿真。平移部分和旋转部分静态特性的仿真与测试结果如图5所示。由图5(a)可见，电磁力在电流30A时达到1.2kN。电磁力大小与电流近似呈正比关系，随着向两边位移的增加而稍有下降。仿真与试验结果基本吻合，最大误差为4.6%。由图5(b)可见，旋转部分在角位移±16.5°位置附近达到最大转矩，约为2.7N·m，测试电流15A，仿真相对试验结果的最大误差为5.8%。由仿真和试验结果可知，执行器具有较强的驱动能力，有利于缩短换挡时间。

2.2.2 动态特性

AMT换挡过程要求执行器在接收到换挡指令后能够快速响应，因此2-DOF EMA的动态特性是非常重要的性能指标，主要包括时间常数和动态响应。由样机系统参数可计算得到电气时间常数τe和机电时间常数τm。平移部分τe、τm分别为0.69ms和0.97ms；旋转部分τe、τm分别为0.51ms和0.68ms。执行器的电阻较小且运动质量低，使时间常数远低于电液执行器和直流电机。

2-DOF EMA的动态响应特性可以充分反映其对电压激励的响应。平移部分和旋转部分激励电压分别为30V和20V。图6为电磁执行器动态响应特性的仿真与试验结果，执行器平移部分运动10mm位移所需的时间为8ms，运动20mm位移所需时间为14.7ms,旋转部分转动22°角位移所需的时间为13.5ms。

通过以上对执行器静态特性和动态特性的分析可知，2-DOF EMA具有较强的驱动能力和较好的动态特性，满足全电式AMT对换挡机构驱动装置的性能要求。

3 试验台架设计

同步器接合过程、换挡机构和AMT整体性能的测试系统应能模拟不同车型不同换挡参数时的换挡过程，且测试精度高、动态响应性能好。独立设计、加工、安装并调试了AMT换挡过程试验台架，通过传感器、控制器和上位机进行数据采集与处理。

试验台架主要由变速器组件、输入端转动惯量模拟装置(惯量盘)、输入轴驱动装置(变频电机)、传感器、2-DOF EMA及与其相连的执行机构组成。变速器输出轴与整车相连，换挡过程中转速视为不变，台架设计中应用锁死装置将输出轴固定，改变输入轴转速，模拟不同转速差参数对换挡过程的影响，整体试验台架如图7所示。

试验台的主传动路线中心高为133mm。车用离合器从动盘至变速器输入轴的转动惯量一般为0.02～0.04kg·m2，惯量盘设计时可模拟0.01～0.06kg·m2范围内的负载转动惯量[11]；各挡位换挡时最大换挡转速差在900r/min左右，变频电机选型时最大驱动转速可达1 440r/min，试验台架可模拟的换挡参数与实车换挡参数相匹配，其工作原理如图8所示。

试验开始前设定惯量盘和变频电机需要达到的转速，之后开启变频电机驱动输入轴转动，当转速传感器反馈信号达到预定值时，关闭变频电机，并同时启动2-DOF EMA，直至换挡过程结束，试验完成。试验过程中控制器采集位移、转矩和转速等传感器的信号，实现试验过程中2-DOF EMA的实时控制。

4 方案可行性验证

通常情况下，换挡时间与换挡冲击、同步器使用寿命之间是相互矛盾的，须通过精心设计的换挡控制策略加以协调。换挡过程可分为非同步阶段和同步阶段。同步阶段换挡机构无轴向位移，采用2-DOF EMA输入电流的闭环控制策略，控制执行器输出力的波动量，得到满足换挡冲击和同步器使用寿命要求的同步阶段执行器输出力规律。非同步阶段是换挡机构存在轴向位移的换挡阶段总称，试验时采用的换挡执行机构首先以执行器最大加速度加速，到达最大速度值后再减速缓冲的基于位移闭环PID控制算法的控制策略，控制器接收位移传感器的反馈信号，通过运算得到应加到2-DOF EMA两端的电压值，实现换挡机构运动过程中的实时控制。

4.1 “边摘边选”功能的实现

基于2-DOF EMA的AMT换挡机构摘挡动作由平移线圈组件直接驱动，选挡动作由旋转衔铁直接驱动，运动时互不干涉，可实现摘挡与选挡同时进行的“边摘边选”功能。

图9为摘挡力F、位移S，选挡转矩T、角位移θ随时间t的变化历程。t=0时刻，摘挡与选挡动作同时开始，此时由于摘挡力的存在，选挡运动时执行器轴与换挡拨块之间存在摩擦力，产生旋转阻力矩，选挡角加速度小，转过同样的角度所用的选挡时间比自由选挡时间(tT时刻以后)长。为避免执行器轴与目标挡拨块碰撞，“边摘边选”时选挡动作并未全部完成；tT时刻摘挡结束，进入自由选挡阶段，此时摘挡运动引入的旋转阻力矩消失。从图中可以看出，应用2-DOF EMA的AMT换挡机构摘、选挡总时间控制在40ms以内，实现了摘、选挡时的“边摘边选”功能。

4.2 典型换挡参数试验结果

对试验过程加载满足换挡冲击和同步器使用寿命要求的换挡控制策略，同步阶段最大冲击度许用值设定为4m/s3，分析了不同换挡参数(Δn为500和900r/min；JS为0.03和0.06kg·m2)下2-DOF EMA能耗相同时的挂挡过程，并得到了各换挡参数下同步阶段产生的最大冲击度jmax和单位面积滑摩功WA。

被同步部分转动惯量JS=0.03kg·m2时的挂挡过程试验结果如图10(a)所示，当输入输出轴转速差Δn=500r/min时，挂挡时间约为120ms，同步时间被控制在73ms左右；当Δn=900r/min时，加载同样的换挡力规律得到的换挡时间为188ms，此时同步时间被控制在145ms左右。除同步时间以外的其它阶段平均换挡总时间被控制在50ms以内，与现有的全电式AMT换挡机构相比，缩短近40%，提高了AMT的换挡品质。

增加惯量模拟装置的转动惯量，模拟中重型车辆的换挡过程。JS=0.06kg·m2，转速差分别为500和900r/min时的试验结果如图10(b)所示，换挡时间分别为190和262ms。从中可以看出，应用2-DOF EMA的AMT换挡机构安装在被同步部分转动惯量更大的中重型车变速器上时，同样缩短了AMT换挡过程的动力中断时间。

各换挡参数在执行器能耗相同的力规律作用下换挡时，换挡时间t、同步阶段最大冲击度jmax和单位面积滑摩功WA的试验结果如表1所示，满足换挡过程冲击度许用值和特殊黄铜合金摩擦衬层单位面积滑摩功许用值要求的同时，缩短了换挡过程动力中断时间，提升了换挡品质。

表1 换挡品质评价指标试验结果

5 结论

(1) 针对目前AMT的研究现状，综合考虑换挡品质、同步器使用寿命和变速器上布置空间限制等要求，提出一种2-DOF EMA直接驱动的AMT换挡机构，并搭建了适用于不同车型的AMT换挡过程试验台架。

(2) 设计了一种集平移和转动于一体的直接驱动的2-DOF EMA，它具有平移和转动互不干涉、运动部件惯量小、功率密度大、散热性能好等优点，符合AMT换挡机构对驱动装置的要求。

(3) 验证了基于2-DOF EMA的AMT换挡机构设计方案的可行性，在所加换挡控制策略满足同步阶段冲击度和同步器摩擦材料单位面积滑摩功许用值要求的前提下，设计方案缩短了选换挡时间，提升了AMT的换挡品质。

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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

*山东省自然科学基金(ZR2014EEQ031)、山东省科技发展计划项目(2014GGX103007)和淄博市科技发展计划项目(2014kj020017)资助。

原稿收到日期为2013年5月20日，修改稿收到日期为2013年9月3日。