一种新型高性能车用自动机械式变速箱外文翻译资料

一种新型高性能车用自动机械式变速箱

F. Vacca, G. Capilli, A. Sorniotti*

University of Surrey, Guildford, UK

*Corresponding author, e-mail: a.sorniotti@surrey.ac.uk

Phone: 44 (0)1483 689688

M. Fracchia, T. Remondin Vocis Ltd

Warwick, UK C. Cavallino

Oerlikon Graziano S.p.A.

Rivoli (Torino), Italy

F. Bottiglione

Politecnico di Bari

Bari, Italy

摘要：由于出台了旨在降低油耗和二氧化碳排放量的越来越多的限制性法规，汽车行业正把精力集中在环保型乘用车上。特别是，各个汽车制造商追求不同的电气化路线，电气化传动系统布局逐步引入市场。该过程涉及所有车辆级别，包括高性能乘用车。在这种背景下，本研究提出一种新型的混合式自动手动变速器（HAMT），用于具有高功率特性的汽车。HAMT包括与内燃机相关的六个传动比和与电动机相关的两个传动比。在动力传动系试验台上测试了HAMT的能量效率，并与等效双离合器变速器（DCT）进行了比较。基于实验测得的效率图的仿真结果表明，相对于离散余弦变换，HAMT在内燃机模式下的能耗显著降低。

关键词:双离合器变速箱；混动机械式自动变速箱；效率；油耗

1.介绍

对驾驶舒适性的要求推动了汽车工业普遍在内燃机（ICE）车上采用自动变速器（ATs）。然而，主要由于液力变矩器中的剪切损失，传统的自动变速器的能量传递效率比手动中间轴变速器更低 [1] 因此，在过去的几十年中，引入了自动手动变速器（AMTs），以提供与手动变速器相同的机械布局和机械效率的自动换档能力。然而，AMT在换档过程中会引起车轮扭矩中断，从而导致车辆纵向加速度的不连续性，造成了驾驶性问题。从这方面讲，DCT[2]正变得越来越流行，因为它们允许无缝自动换档，同时在固定档位运行期间比传统的自动变速器具有更高的能效。

在高性能乘用车中，DCT离合器到离合器换档过程的产生的大量功耗要求采用湿离合器而不是干离合器，保证离合器组合适的冷却。然而湿离合器由于以下原因会造成大量功率损失，这些是高性能车辆DCT提高能效的主要障碍：

离合器内的搅动；

离合器片微滑；

湿离合器组件的附加冷却回路[3]。

同时，正在进行的电气化进程导致采用混合动力传动系统布局的电机（EMs）会根据车辆的运行状况充当电机或发电机。根据电机在混合动力电动传动系统中的位置，可以分为集中布局方式（见图1）：

a）P0，电机充当驱动皮带的起动器/发电机；

b）P1，电机连接到内燃机曲轴；

c）P2，电机安装在离合器之前或之后；

d）P3，电机连接到齿轮箱（图1中的GB）输出轴；

e）P4，电机安装在车桥上[4]。

K0用于断开曲轴，以避免与内燃机旋转相关的阻力。每种布局都提供了不同的可能性。例如，在P0、P1和P2配置中，电机可以在利用变速箱传动比的同时支撑内燃机。在P3和P4配置中，适当的电磁转矩控制可在单离合器变速箱的换档驱动期间提供转矩间隙补偿[5]。

图1.混动系统布局

在此背景下，本研究描述了一种新型的混合AMT布局，在以下部分中称为HAMT，旨在取代用于高性能乘用车，即最大功率值超过400千瓦的7速湿式双离合器产品。比较了两种变速器实验条件下的效率map图。通过稳态效率试验，分析了HAMT电气部分的性能。利用仿真模型对DCT和HAMT在发动机模式下的能耗性能进行了评估，并证明了HAMT的节能潜力。

2.变速箱实例分析

实例研究DCT和HAMT的示意图分别如图2和图3所示。这两个变速器匹配的是同一类型的高性能后轮驱动乘用车，前置纵向内燃机通过传动轴连接到位于后桥上的离合器和变速器。

在图2中，DCT[6]表示为两个子系统的组合，每个子系统包括：

1. 两个同轴湿式离合器中的一个；
2. 两个平行同轴主轴中的一个；
3. 各自的副轴。

湿离合器相比于干离合器更常用于内燃机最大扭矩值较高的车辆，如本研究之一。如第一节所述，相对于更传统的干式离合器，这会引起额外的功耗。内输入轴驱动奇数齿轮（I、III、V和VII），奇数齿轮由同步器s1和s2选择。外部输入轴驱动三个偶数档位（II、IV和VI）和倒挡位（R），由同步器s3和s4选择。两个副轴连接到同一个输出轴，该输出轴将扭矩通过最终减速比传递给开式差速器。

HAMT[7，8]包括六个与内燃机相关的齿轮和两个与电机相关联的齿轮。HAMT中选择六个发动机齿轮比，而不是DCT的七个齿轮比，是基于变速器设计过程的车辆模拟的结果，旨在实现不损害纵向加速度和油耗的同时简化机械和提高效率。内燃机相关齿轮的特点是典型的传统AMT设置，带有液压控制同步器（图3中的s1、s2和s3）和干式离合器。在电机侧，一档显示为ⅠEM通过一个可控的电机档位选择器，将电机与行星齿轮组PG连接。接着是图3中的drop1和drop2两个降挡序列，以及通过可控爪形离合器实现的混合联轴器HC，该离合器将变速器输出轴与HAMT内燃机侧的第三个齿轮连接。第二个电机档（表示为II EM）由一个爪形离合器实现，该离合器将电机直接连接到两个降档序列和混合联轴器。通过对电磁转矩的闭环调节，电机换档不需要同步器。

图2.DCT机械结构布局

图3.HAMT机械结构布局

表1.HAMT操作模式和各执行器的相应状态（改编自[3]）。

HAMT的工作模式如表1所示，表1显示了内燃机和电机的状态，以及电机选档器、I内燃机同步器、混合联轴器和干式离合器的状态。在纯电动模式下，车辆以低至中速运行，通常仅使用电动一档就能满足。相反，在混合动力模式下， I EM和II EM档位都可以选择，因为此模式与整个车速范围都有关。

在全电动模式下，HAMT可以在P2或P3配置下工作（如图1），这取决于s1的状态：

1)在P2中，III内燃机齿轮和HC接合，从而电机连接到主轴。因此，在从全电模式过渡到混合或内燃机模式期间，P2配置可用于驱动内燃机。

2)在P3（表I中表示的全电动模式）中，III内燃机齿轮断开，HC接合，因此电机连接到副轴。三级内燃机齿轮用作降档，因此主轴不参与传动。由于输入轴不转动，离合器可以关闭。

表一不包括换档阶段的说明。特别是，在内燃机模式或混合动力电动模式下的ICE换档过程中，电机档位选择器、HC和电机扭矩，被控制用以补偿离合器分离和重新接合造成的车轮扭矩间隙。电磁扭矩补充操作允许在单离合器换档时实现良好的驾驶性能。对于DCT的离合器到离合器换档，带单个离合器的内燃机换档执行机构在分离和重新接合阶段显著降低了离合器打滑功率损失，从而降低了离合器冷却要求。这使得高性能车辆也可以采用单个干式离合器。

3.实验设置

研究DCT和HAMT案例的实验测试在萨里大学的变速器测试台上进行（图4）。试验台包括：

1. 模拟内燃机的输入电机；
2. 模拟道路负载的两个输出电机，即图4中的左右电机；
3. 控制变速箱油温和HAMT电机冷却液温度的冷却/加热系统；
4. HAMT电机的直流电源；
5. 用于数据采集、实时仿真和控制的dSPACE系统。

试验件包括：

1. 变速器，即DCT或HAMT，包括离合器、变速箱和差速器；
2. 各自带逆变器的电机（如适用）；
3. 半轴；
4. 变速器控制单元（TCU）。

用产品化的离合器微滑控制器对DCT进行了测试，以确保测量值能代表实际工况。稳态效率测量程序遵循[9]中的一般指南：

1. 使用一致的加热/冷却程序将油温设置为目标值。
2. 选择相关档位。
3. 接合相关联变速箱离合器。
4. 设置输出马达转速的目标值。
5. 分阶段施加输入电机转矩或HAMT电机转矩，以覆盖测量点的设计范围。对于每个点，一旦达到稳态条件，扭矩将保持30 s不变。
6. 逐渐撤除输入扭矩。
7. 逐渐降低输出电机转速。

对所有档位、预先确定的转速值和两个变速箱油温（即30°C和70°C）重复以上步骤。

对于每个设定点，牵引时瞬时输出功率P_out：

P_out（t）=T_out，left（t）omega;_out，left（t） T_out，right（t）omega;_out，right（t） （1）

其中t是时间，T_out，left和T_out，right是左右轮毂扭矩；omega;_out，left和omega;_out，right是左右轮毂转速。在DCT测试和HAMT内燃机模式测试的情况下，瞬时输入功率P_in（t）：

P_in（t）=T_in（t）omega;_in（t） （2）

其中T_in是输入转矩，omega;_in是输入电机转速。

在HAMT纯电动模式下，牵引功率P_in（t）：

P_in（t）=P_inv（t）=I_inv（t）V_inv（t） （3）

其中P_inv是HAMT逆变器输入功率，I_inv是HAMT逆变器输入电流，V_in是HAMT逆变器输入电压。在再生过程中，式（1）和式（3）中的表达式相互交换。传动系统或电驱动系统的效率eta;_tr/DT，计算为测量间隔内的平均输出功率_out和平均输入功率_in之比。

(4)

其中N是30s测量间隔的次数。

图4.萨里大学的传动试验台。

4.实验结果

本节展示了稳态效率测量的选择。其中，4.1展示了DCT和HAMT在内燃机模式下的比较，而4.2讨论了HAMT在纯电模式下的效率。

4.1DCT和HAMT：稳态效率

图5是在不同挡位下的DCT和HAMT效率测量结果的示例，即Ⅰ-Ⅶ是DCT，Ⅰ-Ⅵ是HAMT的内燃机模式，在omega;_in=1000rpm和omega;_in=2000rpm，并保持30℃润滑油温的条件下。

两个变速箱显示出相似的规律，即：1）传动效率是随T_in的增长函数；2）传动效率随omega;_in增加而减小；3）一档的传动效率最高。然而HAMT普遍展现出更高的效率，与T_in的差值更小。例如，在一档T_in=160Nm，omega;_in=1000rpm时，DCT的eta;_tr约为87%（图6a）HAMT的eta;_tr为96%（图6c）。大体上讲，HAMT在输入扭矩大于100Nm，30℃下的效率增益，表达式是Delta;eta;_HAMT-DCT=100（eta;_HAMT-eta;_DCT）/eta;_DCT，在大约9%~13%范围内。对于典型的传统驾驶循环中出现的较低的扭矩值，差异甚至更大。在70℃下测量出的效率特性呈类似趋势，但DCT和HAMT之间的效率差异减小，中高扭矩下Delta;eta;_HAMT-DCT的差异在5%到9%之间。

图5.30℃下传动效率测量：a）DCT在omega;=1000rpm；b）DCT在omega;=2000rpm；c)HAMT在omega;=1000rpm；d)HAMT在omega;=2000rpm；

4.2HAMT电驱动系统效率

从稳态效率的角度比较了HAMT纯电动模式的P2和P3构型。电动传动系效率eta;_DT，p2和eta;_DT，p3包括逆变器、电机、变速箱、半轴和等速万向节的贡献。图6是实验中的map图摘要，牵引实验条件omega;_EM=2000rpm和omega;_EM=5000rpm，其中omega;_EM是电机转速。eta;_DT，p2和eta;_DT，p3随电机转矩增加而增加，T_in没有随转速变化而变化的明确规律。在2000rpm时，P2和P3构型的效率非常接近，即两者之差小于1%，这表明低车速下（~20km/h）两种构型不会有实质性的能耗差异。在电机一挡中高扭矩时，比如T_in=90Nm，omega;_EM=5000rpm（~50km/h）P2和P3构型的效率接近；同时Delta;eta;_P3-P2=100（eta;_DT，P3-eta;_DT，P2lt;

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