[发明专利]一种纯电动汽车用鱼叉式换挡同步器设计方法

摘要

本发明涉及一种纯电动汽车用鱼叉式换档同步器设计方法，包括步骤：1)定义角位移参量；2)系统建模：动力系统建模和鱼叉式换挡齿和过程建模；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。本发明的有益效果是：发明提出鱼叉式换档同步器的动力学模型，并应用于纯电动汽车动力总成系统；设计一种基于特定阶跃函数的变速控制策略，实现电机平稳换档，优化扭矩弹簧刚度，减小换档冲击；鱼叉式变速器克服了传统锥形离合器同步器存在的耗能、磨损等缺点，提高同步器的可靠性，延长使用寿命；传统同步器需要较大的轴向力，鱼叉式换挡器消除对离合器子系统和传动系统中复杂低效液压子系统的需求。

主权项

1.一种纯电动汽车用鱼叉式换档同步器设计方法，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为上部导向环(3)初始位移和最大位移，θ₃为下部齿形齿轮(1)初始位移，θ₄为下部导向环(3)半位移，θ₅为上部导向环(3)和下部齿形齿轮(1)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')：在换档力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；和分别表示目标齿轮的角位移和速度；代表第i个传动比；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。