1、北京理工大学硕士学位论文 I 牛晶 AMT 硕士论文 摘要 本文以纯电动大客车 BK6122EV 上应用的 机械式自动变速器 为研究对象，详细介绍了纯电驱动机械自动变速系统的结构组成和工作原理，应用多刚体动力学理论对此系统进行了换挡过程动力学建模；以同步器换挡过程中的磨损机理研究为基础，建立了基于 M-B 分形接触理论和组合磨损计算方法的同步器磨损计算模型；基于多刚体动力学分析的建模原理，应用 Pro/E 和 ADAMS 软件，建立了机械变速器定轴齿轮系和同步器换挡两大功能虚拟样机，其中应用 Hertz 弹性接触理论确定了齿轮啮合模型的接触参数，并从齿轮转速、啮合 力和振动频率三方面验证了定轴
2、齿轮系模型的正确性；进行了实车道路换挡试验，并将实车数据与仿真数据对比分析，进一步证明了同步器换挡模型的正确性；应用力学理论公式推导、试验结果 和 仿真结果相结合的方法，建立了基于车辆动力性和 AMT 系统可靠性的双目标转速差优化函数，得到了同步器输入输出轴的转速差与换挡时间、 同步器锁环磨损量以及 磨损率的关系，确定了满足要求的转速差区间，并通过优化前后的仿真结果对比发现，优化后的转速差能够满足车辆动力性和 AMT 系统可靠性的要求。这种研究方法 可以为今后研究纯电驱动机械变速系统的动力学特性提 供新思路，还可以为研究不同换挡规律下的车辆换挡过程奠定一定理论基础。 关键词： 纯电动大客车；机
3、械 式自动 变速器；换挡过程；虚拟样机；优化 北京理工大学硕士学位论文 II Abstract Basis to the automatic mechanical transmission used on the BK6122EV electric bus, the composition and principles of this system were introduced in detail. Using Multi-body dynamic theorys the shifting process was modeled. The wear mechanism of synchron
4、izer in shifting process was also researched. Based on M-B fractal contact theory and protfolio wear calculation methods, the synchronizer wear calculation model was established in order to gain the wear quantities and the wear rates of synchronizer rings. The two virtual prototyping models includin
5、g the fixed-axis gear system and the shifting process were built using Pro/E and ADAMS, in which the gear contact parameters were defined using Hertz elastic contact theory. Simultaneously the correctness of fixed-axis gear system model was confirmed in three aspects, including gear angular velocity
6、, gear meshing force and gear vibration frequency. Real vehicle shift tests were completed in the end. The correctness of the shifting process model was verified from the contrast of real tests data and simulation results. The optimization function of the angular velocity difference between synchron
7、izer input and output shafts was built basis to kinetic theorys, test results and simulation results. In this function the vehicle dynamic performances and the reliability of AMT system were consided at the same time. Finally the reasonable angular velocity difference ranges were determined. This re
8、search methods would provid new ideas for the dynamic research on pure electric drived mechanical transmission system, which would also be a subsystem in order to study shifting process in different shift schedules. Key Words: electric bus; automatic mechanical transmission; shifting process; virtua
9、l prototyping model; optimization北京理工大学硕士学位论文 III 目录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 国内外电动汽车的发展概况 . 1 1.2 AMT技术发展概况及其在纯电动客车上的应用 . 2 1.2.1 AMT 系统的工作原理 . 3 1.2.2 国内外 AMT 的发展现状及关键技术 . 4 1.2.3 AMT 技术在纯电动客车上的应用 . 7 1.3 虚拟样机技术在机械变速系统中的应用 . 8 1.3.1 机械变速系统分析与仿真技术 . 9 1.4 本课题的研究意义和主要内容 . 10 1.4.1 本课题的研究意义 . 10 1.4.2 本课题研究的
10、主要内容 . 10 第 2 章 纯电动大客车 AMT 换挡规律设计方法 . 12 2.1 换挡规律的主要类型 . 12 2.1.1 单参数换挡规律 . 12 2.1.2 双参数换挡规律 . 13 2.1.3 动态三参数换挡规律 . 14 2.1.4 智能挡位决策方法 . 14 2.2 换挡规律的设计方法 . 15 2.2.1 边界点换挡规律的设计 . 15 2.2.2 最佳动力性换挡规律的设计 . 15 2.2.3 最佳能耗经济性换挡规律的设计 . 17 2.3 BK6122EV 最佳动力性换挡规律的设计 . 19 2.4 本章小结 . 22 第 3 章 AMT 换挡过程分析与动力学建模 .
11、23 3.1 AMT换挡过程动力学建模 . 23 3.1.1 纯电驱动机械自动变速系统简述 . 23 3.1.2 同步器结构及其工作原理 . 24 北京理工大学硕士学位论文 IV 3.1.3 AMT 换挡过程动力学建模 . 25 3.2 同步器磨损过程分析 . 28 3.2.1 同步器的磨损机理 . 28 3.2.2 常用磨损计算方法 . 29 3.2.3 同步器磨损计算模型 . 31 3.3 本章小结 . 34 第 4 章 纯电驱动 AMT 虚拟样机仿真分析 . 35 4.1 变速器三维实体模型的建立 . 35 4.1.1 三维装配模型的表达 . 35 4.1.2 变速器传动机构实体建模 .
12、 36 4.2 定轴齿轮系虚拟样机仿真分析 . 38 4.2.1 定轴齿轮系虚拟样机建模 . 38 4.2.2 齿轮接触参数的选择 . 39 4.2.3 定轴齿轮系仿真分析结果 . 43 4.3 同步器换挡过程仿真分析 . 46 4.3.1 同步器虚拟样机建模 . 46 4.3.2 AMT 换挡过程实车试验 . 49 4.3.3 AMT 换挡过程仿真分析结果 . 51 4.4 本章小结 . 56 第 5 章 纯电驱动 AMT 换挡过程控制策略优化 . 57 5.1 目标函数的建立 . 57 5.1.1 换挡时间分析 . 57 5.1.2 同步器锁环磨损分析 . 60 5.1.3 电机轴承和风阻
13、摩擦阻转矩分析 . 61 5.2 S对换挡时间、锁环磨损量和磨损率的影响分析 . 62 5.2.1 升挡分析 . 63 5.2.3 降挡分析 . 65 5.3 转速差 S的优化区间 . 67 北京理工大学硕士学位论文 V 5.3.1 换挡时间和同步器锁环磨损量的阀值 . 67 5.3.2 转速差区间的确定 . 68 5.4 仿真结果对比 . 69 5.4.1 转速差优化前后的升挡仿真结果对比 . 69 5.4.2 转速差优化前后的降挡仿真结果对比 . 71 5.5 本章小结 . 73 结论与展望 . 74 参考文献 . 76 致谢 . 79 北京理工大学硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 1.
14、1 国内外 电动汽车 的 发展概况 随着近半个世纪全球汽车工业的快速发展，传统内燃机汽车保有量的不断增加，能源消耗和尾气排放带来的能源危机、环境恶化等问题已经引起全世界范围内的广泛关注。世界各国都在努力寻求一种既高能又环保的新型交通工具来替代传统内 燃机汽车。在这种时代背景之下一百多年前曾经风靡全球的电动汽车又一次登上历史舞台。20 世纪 80 年代开始，美国福特公司和日本尼桑公司率先加入到研发和改良电动汽车的行列中。现代意义上的电动汽车主要是指全部或部分由电力驱动的汽车，包括纯电动汽车 (EV)，混合动力电动汽车 (HEV)，燃料电池电动汽车 (FCEV)三种类型。从电动汽车产生至今，电动汽
15、车各大组成系统中电力驱动子系统和能源子系统一直是影响其性能最关键的两大子系统，其中电力驱动子系统由电控单元、功率转换器、电机、机械传动装置和驱动车轮等组成，能源子系统由主电源 、能量管理系统和充电系统等组成 1。 纯电动汽车的能量源仅为蓄电池，所以蓄电池的性能以及能量管理系统的作用是影响其性能的主要因素。纯电动汽车的蓄电池经历了由最初的铅酸蓄电池、镍基蓄电池、到现在的锂离子高能蓄电池 (如锰酸锂蓄电池和磷酸铁锂蓄电池 )的发展历程，蓄电池的比能量和比功率都有了大幅提升。目前磷酸铁锂电池由于具有较高的性价比，在纯电动汽车上得到了广泛应用。蓄电池特性具有高度的非线性，对电动汽车的续驶里程、最高车速
16、以及最大爬坡度都有很大影响，所以一般电动汽车上都会配备能量管理系统。它主要由一些传感器和控 制单元组成，其作用是监控蓄电池的工作状态 (电池的电压、电流和温度 )，预测电池的 SOC 状态、管理电池的工作情况 (避免电池的过放、过充和单体电池的电压不均衡 )以便最大限度地利用电池的存储能力和循环寿命。受这些因素的制约，小型、低速或特种用途的纯电动汽车有不断发展的趋势，如纯电动环卫车、纯电动城市公交客车等。 混合动力电动汽车是传统内燃机汽车向零排放过渡的一种产品，车上配备有电机和内燃机两个动力驱动系统，需要添加复杂的控制程序来完成提高行驶性能和降低排放的功能。混合动力电动汽车是目前业内研究的热点
17、，它将会成为近三 十年解决能源和污染问题最切实可行的途径 2。 1997 年日本丰田公司在日本市场上推出了世界上第北京理工大学硕士学位论文 2 一款批量生产的混合动力轿车 PRIUS。该产品于 2000 年 7 月出口北美，同年 9 月出口欧洲，现在已经在二十多个国家销售。据丰田公司测试， PRIUS 轿车在城市工况比同等排量的花冠轿车节油 44.4%，在市郊节油 29.7%，综合节油 40.5%。继 PRIUS 混合动力轿车之后，丰田还推出了 ESTIMA 混合动力轿车和搭载软混合动力系统的CROWN 轿车，其在普及混合动力系统的低燃耗、低排放和改进行驶性能方面走在了世界前列。此外，日本 本
18、田公司开发的 Insight 混合动力电动汽车一经投放市场也供不应求 3。 燃料电池电动汽车是一种通过将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能，从而驱动车辆行驶的电动汽车。成本和燃料系统一直是燃料电池电动汽车研发中的主要问题。燃料电池分六类：碱性燃料电池 (AFC)、磷酸燃料电池 (PAFC)、固体氧化物燃料电池 (SOFC)、熔融燃料电池 (MCFC)、质子交换膜燃料电池 (PEMFC)和直接甲醇燃料电池 (DMFC)。目前质子交换膜燃料电池比较广泛地应用在汽车上。燃料电池电动汽车以氢作为能量，有环保和高效的特点，有 关专家预测燃料电池电动汽车很可能成为未来汽车发展的主体 2。 我国电动汽车
19、的研发水平与国外基本处于同一起跑线上，技术水平与产业化差距较小。“十五”期间国家从维护能源安全、改善大气环境、提高汽车工业竞争力、实现跨越式发展的战略高度出发，设立了“电动汽车重大科技专项”，通过组织企业、高校和科研院所等各方面力量进行了联合攻关。从 2001 年起，国家在电动汽车领域的投资达到 100 亿人民币，“ 863”计划中涉及这一领域的投资达到 8.8 亿人民币。我国“电动汽车重大科技专项”实施几年来，已经取得了重大的进展：燃料电池汽车 已经成功开发出功能样机，累计运行 4000km；混合动力汽车正在武汉等地的公交线路上实验运行，运行已经超过 14 万 km；纯电动轿车和纯电动客车已
20、通过国家有关认证试验 3。 1.2 AMT 技术发展概况及其在纯电动客车上的应用 近年来，商用车的变速器开始向多挡位发展，使得驾驶员的劳动强度越来越大 4。而车辆的自动变速 功能 能够减轻驾驶员的劳动强度，提高驾驶的舒适型和安全性，并且显著提高车辆的动力性和燃油经济性，所以研究 AMT 技术对提高商用车的整体性能具有重要意义。 北京理工大学硕士学位论文 3 1.2.1 AMT 系统的工作原理 当前市场上比较 常见的变速器有三种类型：液力自动变速器 AT(Automatic Transmission)，机械无极变速器 CVT(Continuously Variable Transmission)
21、，电控机械式自动变速器 AMT(Automatic Mechanical Transimission)。 AMT 是在传统有级式机械变速器 (MT)和干式离合器的基础上，加装带有微机控制的自动操纵机构，利用自动变速技术和电子控制理论，通过电子控制单元来控制换挡执行机构的动作。表 1.1 列出了AMT 与 MT 和 AT 各方面的性能比较 5。 表 1.1 AMT 与 MT 性能特点比较 参数 类型 MT AMT AT 传动效率 高 与 MT 同 比 MT 低 加速性能 不同车型参数不一 与 MT 同 比 MT 低 换挡品质 随驾驶员而异 优于优秀驾驶员 好 舒适性 差 良好 优 成本 低 为
22、AT 的 1/31/4 高 制造难度 小 较小 大 技术成熟性 成熟 国外有成熟商品 成熟 维修 简单 较简单 复杂 图 1.1 表示 AMT 系统的基本控制原理。 图 1.1 AMT 控制原理 图 北京理工大学硕士学位论文 4 AMT 以电子 控制单元 (ECU)为核心，通过液压执行系统控制离合器的分离与接合、选换挡操作以及发动机节气门的调节，来实现起步、换挡的自动操纵。 AMT 的基本控制思想是：根据驾驶员的意图 (油门踏板、制动踏板、选择器开关等 )和车辆的状态 (发动机转速、变速器输入轴转速、车速、挡位 )，依据设定的规律 (换挡规律、离合器接合规律等 )，借助于相应的执行机构 (供油
23、控制执行机构、选换挡执行机构、离合器分离和接合执行机构 )，对车辆的动力传动系统 (发动机、离合器、变速器 )进行联合操纵 6。 1.2.2 国内外 AMT 的发展 现状及关键技术 由于保 留了 MT 原有的机械传动结构，因此 AMT 具有传统齿轮变速器传动效率高、成本低和易于制造的优点，同时又具有自动变速操纵轻便的特点。随着人们对汽车操纵轻便性越来越高的要求，全球范围内变速器开始由手动向自动转变，到 2008年欧洲有近 50%的 MT 被 AMT 代替，部分 AT 市场也被 AMT 占据。图 1.2 是欧洲国家各种自动变速系统发展趋势的预测 ， 从中可以看出 AT 的发展将逐渐放缓，而 AM
24、T的发展呈较强上升趋势。 AMT 已成为各自动变速器公司和研究机构竞相研制的热点，在未来 10 年内将会有越来越多装备 AMT 的汽车投放市场 6。 图 1.2 欧洲国家变速器发展情况的预测 国外对 AMT 的研究和开发开始于 20 世纪 70 年代中期，较为典型的有瑞典Scandia 的 CAG 系统、德国 Daimler Benz 的 EPS 系统、美国 Eaton 的 SAMT 系统，这些系统使换挡操纵实现了自动化，换挡 时仍由驾驶员踩离合器踏板来配合 换挡 。世界上第一台全自动的电控机械式自动变速器是日本五十铃公司在 1984 年推出的北京理工大学硕士学位论文 5 NAVI-5，不久德
25、国波尔舍的 Carrera 轿车也装用 Tip Tronic，同 期出现的还有：日本Nissan、 Hino 及美国 Eaton 的全自动变速系统。 与国外 AMT 的研发水平相比，国内开展较晚，水平上存在很大差距。 我国 AMT的研究始于 20 世 纪 80 年代中期，吉林工业大学是开展这方面工作 较早的单位，经历了理论研究、技术开发、样车试制等阶段，进入到目前的产品化阶段，这期间的科研成果主要有：离合器最佳接合规律、动态三参数换 挡 规律、动力传动系统动态闭环控制、最佳同步换 挡 控制等。近年来，又相继将模糊逻辑、神经网络、综合控制 以 及自适应控制等技术应用于 AMT 上，使其智能化程度
26、和 对环境的适应能力得到了很大 程度 的提高。此外，北京理工大学、重庆东方欧翔汽车电子有限公司、大连爱姆 特齿轮箱厂等单位也在从事 AMT 的研究工作，并取得了一定成果。 从研究内容上来看，国内的研究重点是离合器的起步控制、换挡操纵规律等。 目前，集机、电、液和控制技术于一体的 AMT 技术已经成为商用车和城市客车实现变速自动化的最佳途径，其代表有 Eaton Fuller 机械式自动变速器 AutoShift。它采用“无离合器数据通讯换挡”，应用载货汽车 SAE-J1939 数据通讯协议测量车速、油门位置和转矩需求，其换挡控制策略允许基于载荷进行换挡，而不是严格按照车速换挡，这有助于减少循环
27、换挡 3。 由于 AMT 的 换 挡 过程是在 切断动力的条件下进行，因此要求换挡时间尽可能短，以减少动力损失。而 车辆 切断动力和恢复动力的过程均会造成冲击，冲击的强度又随这两个过程时间的缩短而增加，因此既要缩短换挡时间，又要减少换挡冲击，这对换挡 过程 控制提出了更高 的 要求。 所以 AMT 换挡过程控制以及 AMT 系统可靠性的研究也是近年来这一领域内关注的热点。 AMT 系统可靠性考核的方法一般 有 两种 7， 一是实车道路试验方法 ， 该方法是考核车辆及其 动力总成可靠性 最直接且最实际的试验方法 ， 但是这种 试验方法耗时、 耗资 ， 且由于受车上空间条件限制 ， 许多测量无法进行 ； 二是通过 试验台考核 ， 采用该方法考核可靠性既能克服上述困难 ， 又能考核 AMT 系统的可靠性 ， 但是台架试验所能模拟的工况有限 ， 跟 AMT 系统实际的工作状况有一定差别。虽然有这方面的缺点 ，但试验台考核可以采集需要的测试量和试验数据 ， 而且通过试验数据能进一步分析AMT 系统的可靠性。 有文献提到 8可以使用综合正拖法和反拖法进行 AMT 的可靠性台架试验，尽量模拟实车的换挡过程。 正拖法是 指 由变频电机将 动力由变速器的输入轴输入 ， 从 变速
