[发明专利]一种纯电动汽车用鱼叉式换挡同步器设计方法

权利要求书

1.一种纯电动汽车用鱼叉式换挡同步器设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：定义角位移参量：θ_s为叉齿(4)初始位移，θ₁为叉齿(4)最大位移，θ'和θ₂为位于上部的导向环(3)的初始位移和最大位移，θ₃为位于下部的齿形齿轮(1)的初始位移，θ₄为位于下部的导向环(3)的半位移，θ₅为位于上部的导向环(3)和位于下部的齿形齿轮(1)的总位移；

步骤2：系统建模：

步骤2-1：动力系统建模；描述换挡同步器输入侧和输出侧自由度旋转运动的微分方程如公式(1)-(4)：

式中，J_m为电机惯量，J_dout为与固定的主减速比相关的当量惯量，J_h为轮毂当量惯量，J_v为车辆当量惯量，c_n和k_n(n＝1,2,3)表示每个轴的阻尼和刚度系数，c₄和k₄为轮胎阻尼和刚度，c_m和c_t表示恶性阻尼系数；θ为角位移，它的两个时间导数和表示旋转速度和加速度；γ_d为最终比；T_load为包括爬升阻力、滚动阻力和空气动力阻力在内的载荷扭矩，计算公式如下，

式中，φ、f_r、m_v、g、ρ_air、C_d、A_F和r_w分别为道路倾角、滚动阻力系数、车辆质量、重力加速度、空气密度、阻力系数、车前面积和有效轮径；选取φ＝0；

步骤2-2：鱼叉式换挡齿和过程建模；鱼叉移位的齿和过程分为7个阶段，公式与参数说明如下：

阶段1(0≤θ_s＜θ')：在换挡力F_a的作用下，套管(2)向齿形齿轮(1)轴向移动，动力学方程为：

式中，J′_s为包括套管(2)和轮毂惯性在内的等效惯性；J'_gin为输入轴上的等效惯性，包括输入轴和变速器的所有齿轮副的惯性；为导向环(3)的惯性；m_s为套管(2)质量；θ_s、θ_gin和分别表示待齿和的第i个齿轮的套管(2)、输入轴和导向环(3)的角位移，它们的一阶和二阶时间导数和表示旋转速度和加速度；x_s和为套管(2)的轴向位移和速度；为套管(2)轴向移动时的粘性阻尼；θ_gi和分别表示目标齿轮的角位移和速度；代表第i个传动比；T_pk0为第i档扭矩弹簧预压缩产生的扭矩，满足其中为扭矩弹簧的预压缩弧度；

阶段2(θ'≤θ_s＜θ₁+θ')：套管(2)尖头沿着导环的斜面滑动，导环的斜面仍然阻塞齿形齿轮(1)的外槽；该阶段的动力学方程如下：

式中，R_m是叉齿(4)和导向环(3)之间的平均接触半径；轴向加速度从切向加速度得到，如公式(13)：

阶段3(θ₁+θ'≤θ_s＜θ₂)：齿尖滑到齿式齿轮的平头面(5)上，其轴向运动受阻，即和该阶段结束时，叉齿(4)侧面接触下一个叉平面的导环；该阶段的动力学方程表示为：

阶段4(θ₂≤θ_s＜θ₃+θ')：叉齿(4)与导向环(3)发生碰撞；该阶段尖头仍然在齿式齿轮的平头面(5)上滑动，满足和采用冲击函数计算碰撞产生的接触力，该阶段的动力学方程如下：

式中，为导向环(3)与套管(2)碰撞产生的扭矩，冲击函数计算公式为，

式中，k_sr和c_sr为碰撞的等效刚度和阻尼系数，N是叉齿(4)的数量，为与套管(2)、导向环(3)、齿圈之间的相对角位移有关的系数；n为非线性指数因子，满足n＝1.5；

阶段5(θ₃+θ'≤θ_s＜θ₄+θ')：该阶段尖头滑到齿形齿轮(1)的斜面上，同时转动导向环(3)；鱼叉位移自由度的动力学方程如下：

式中，为粘性阻尼；与第2阶段相似，套管(2)切向和轴向速度连接在齿形槽面上，其轴向加速度计算公式为，

阶段6换挡力F_a作用下的套管(2)，其轴叉继续运动直到它接触的外部槽底；该阶段的动力学方程如下：

式中，为粘性阻尼，为套管(2)和齿形齿轮(1)之间的碰撞扭矩，通过碰撞函数计算得出：

阶段7最终阶段(IU)为锁相环启动阶段；叉头接触外槽底，表示套管(2)处于齿和位置，与齿形齿轮(1)物理联锁，满足和该阶段齿式齿轮，导向环(3)和套管(2)旋转具有相同的速度动力学方程为：

步骤3：控制方法：包括换挡控制，发动机转矩控制和电机速度控制。

2.根据权利要求1所述的纯电动汽车用鱼叉式换挡同步器设计方法，其特征在于，所述步骤3的具体步骤为：

步骤3-1：换挡控制主要包括以下5个过程：

(1)电机扭矩减小至零；

(2)同步器脱离；当电机扭矩设置为零时，鱼叉换挡套管(2)在驱动力F_a的作用下从接合位置轴向移动到空档位置；

(3)电机速度控制；电机主动调整齿形齿轮(1)速度，直到轴和目标齿轮速度之间的速度差达到鱼叉换挡的阈值，以成功完成接合；

(4)同步器齿和；当速度差达到阈值时，电机扭矩设置为零，然后执行器将套管(2)推向目标齿轮；在鱼叉换挡接合阶段，柔性连接齿形齿轮(1)和导向环(3)的扭矩弹簧被压缩，通过弹簧传递扭矩；

(5)电机扭矩恢复；鱼叉换挡接合后，驱动电机将其扭矩增加到所需水平；

步骤3-2：发动机扭矩控制；第4阶段的鱼叉位移/齿和过程中，冲击函数使用的阶跃函数是一个三阶函数，具有光滑特性；为了实现平稳的换挡，基于阶跃函数提出用于减小和恢复扭矩的具体扭矩曲线，如公式(32)：

式中，T(＝100Nm)为所需扭矩，t为时间，为启动电机扭矩控制的时间，为所需的扭矩减小或恢复阶段持续时间，设置

步骤3-3：电机速度控制；为了顺利实现目标速度，根据上述基于阶跃函数提出的用于减小和恢复扭矩的具体扭矩曲线定义电机跟踪的速度剖面如公式(33)：

式中，为鱼叉移动启动齿和过程的速度阈值；为电机速度控制启动时的时间，为所需的持续时间，在该时间内，应将齿式档速度调整为目标速度，即设置为当电动机开始主动调整目标齿轮速度时的齿轮速度，满足