电动汽车的驱动电动机具有高速低扭的特性，为了满足车辆低速爬坡和加速性能、最高车速等要求，驱动电动机与车轮之间必须匹配减速装置，因此变速器成为电动力系统不可缺少的核心部件。目前市场上的电动乘用车以匹配单挡减速器为主，往往面临最高车速和爬坡性能不能同时满足驾驶要求，或者高转速带来的高噪声等问题。
本文所研究的两挡AMT自动变速器具有两个挡位，可以使车辆在保证低速加速和爬坡性能的同时，也具有理想的最高车速。如图1所示，车辆搭载2挡变速器后，只要一个小转矩的电动机，就能用1挡输出更大的输出转矩，用2挡获得更高的行驶车速。
图1 搭载2挡自动变速器与单挡变速器的整车性能对比
本文针对株洲齿轮有限责任公司自主研发的某电动汽车用2挡自动变速器的执行机构进行分析优化，研究如何缩短换挡时间，并进行相关试验工作。
结构分析和换挡板受力分析
本文研究的两挡自动变速器总成结构如图2所示。换挡电动机与滚珠丝杆连接，换挡电动机的旋转运动转换为丝杆螺母的直线运动，丝杆螺母带动换挡摇臂绕其回转中心旋转。换挡摇臂上面有一个换挡拨头与换挡拨叉轴总成连接，使换挡摇臂的旋转运动转换为拨叉轴的直线运动，从而带动同步齿套换挡。
图2 株齿2T07AMT自动变速器
换挡摇臂的回转中心轴上，安装一个角度位置传感器，用于测量换挡摇臂的行程，间接计算同步齿套的位置，并判断实际挡位位置。
1.换挡力的计算
图3表达了换挡力的产生机理Tm是换挡电机的输出扭矩，F1为丝杆上螺母的推动力，F2为挡摇臂输出力。换挡摇臂输出力的大小主要和换挡电动机转矩、滚珠丝杆传动比、换挡摇臂传动比有关。本文研究对象使用的换挡电动机数据如图4所示，其堵转转矩为0.85N·m，额定转矩为0.26N·m，额定转速为2960r/min，空载最高转速为4240r/min。换挡电动机的实际输出转矩可以由TCU的软件进行控制，但最大输出转矩就是堵转转矩，而且只能在零转速情况下才能产生。换挡电动机特性的改变比较困难，本文不对换挡电动机参数进行改动，而是从传动比与换挡电动机的匹配方面着手研究。
图3 滚珠丝杆和换挡摇臂工作原理
图4 换挡电动机的外特性数据
图5所示为滚珠丝杆外形图，其关键参数是直径和导程，这两个参数决定了其传动比。图6所示为换挡摇臂外形图，通过组合不同的L1和L2可以得到不同的传动比（L1为换挡摇臂与变速器换挡杆接触的点到插销的距离，L2为换挡摇臂与丝杆接触的凸起点到插销的距离）。
图5 2T07AMT使用的滚珠丝杆
图6 2T07AMT使用的换挡摇臂
电动机堵转转矩T=0.85N·m，滚珠丝杆直径d=16mm；滚珠丝杆导程P=5mm。
可求螺杆螺旋角β为
丝杆圆周力Fi为
轴向力Fx为
根据换挡摇臂力矩平衡，可以求得换挡摇臂拨头输出的换挡力F为
此处换挡力之所以用堵转力矩计算，是因为当换挡遇到大阻力，比如顶齿时，同步器的运动速度几乎为0，电动机转速也为0，即为堵转。
2.换挡时间的计算
1挡换2挡的总行程S1=20mm。
式中，S2为滚珠丝杆螺母的直线行程，V为滚珠丝杆螺母的线速度。
其实本文设计的AMT变速器，在换挡摇臂的回转中心轴上面安装有角度传感器，因此实际换挡速度是可以测量得到的。而基于图4中换挡电动机的外特性数据可知，换挡电动机最大输出功率点在2200r/min左右，最高效率点在3500r/min左右。
缩短换挡时间是本文的研究目的。本项目设计1挡换2挡静态换挡时间要求在200ms以内。
如果设计要求为换挡时间最短，则电动机转速应工作在最大输出功率转速，因为换挡时间最短意味着移动速度最快，在阻力一定的情况下，必定功率需求最大。
在杠杆比和目标换挡时间已知的情况下，可以由式（1）～（8）得到电动机转速n的计算公式：
具体方案设计与优化
考虑到变速器结构的约束，本文不改变换挡电动机和滚珠丝杆的参数，而是调整换挡摇臂杠杆比L2/L1来实现不同的总传动比。
1.原有方案的结构设计与参数计算
原有方案的结构设计如图7所示。换挡拨头位于拨叉轴的左侧，换挡拨头离摇臂回转轴很近，L1=25mm，L2=94mm，杠杆比L2/L1为3.76。
图7 旧方案换挡摇臂与拨叉轴结构
图7中位置传感器能将角度信号转换成0～5V的模拟量，TCU采集该模拟量可以计算出换挡摇臂的旋转角度。
由式（9）计算可得，换挡时间为200ms时，电动机工作转速为4512r/min。由图4可知，换挡电动机最高转速为4240r/min，而且此转速时电动机输出功率为0，因此该传动比不可能达到200ms换挡时间的设计目标。
根据式（4），该方案最大换挡力输出为4014N。
2.优化方案结构设计与参数计算
优化方案的结构设计如图8所示。换挡拨头位于拨叉轴的右侧，换挡拨头离摇臂回转轴变远了，L1=50mm，L2=94mm，杠杆比为1.88。
图8 优化方案换挡摇臂与拨叉轴结构
由式（9）计算可得，换挡时间为200ms时，电动机工作转速为2256r/min，接近换挡电动机最高功率转速，因此只要换挡电动机输出功率能克服阻力功率，200ms的换挡时间就能够达到。
根据式（4），该方案最大换挡力输出为2007N。
样件试制和试验验证
公司试制了前述两种方案的零件，并装箱进行了测试。两种方案的零件如图9所示，左边为优化方案，右边为原有方案。
图9 两种方案的换挡摇臂样件对比
为消除变速器、同步器、换挡电动机及位置传感器等因素的影响，两个方案的测试都在同一台变速器上面进行，仅更换换挡摇臂和换挡拨叉轴。变速器装配效果如图10所示。公司自主研发了TCU控制器用于变速器换挡电动机驱动和挡位位置的探测，以及运行试验程序（见图11）。
图10 2T07AMT试验箱
图11 两挡AMT用TCU控制器
下面详细对比两个方案静态换挡的数据。之所以选择静态换挡的数据进行对比，是为了排除动态换挡过程中其他干扰因素。比如，动态换挡时电动机调速会影响整个换挡时间，从而干扰执行机构运动时间的分析。
1.1 挡升2挡试验数据对比
两方案样机在静态环境下，1挡升2挡的挡位位置信号的对比如图12所示，驱动占空比对比如图13所示。通过图12可以看出，优化后的方案1挡到2挡的信号范围变窄了一些，这是因为同步齿套的行程为20mm没变，但是换挡摇臂上的换挡拨头的旋转半径变大了，即图6中的L1变大，因此换挡摇臂的旋转角度变小，位置传感器的旋转角度行程也随之减小。另外，可以非常明显地看出，优化后的方案比原方案提前0.1s左右到达极限位置，即1挡换2挡的时间缩短了0.1s的时间。原方案1挡升2挡总时间需要0.3s左右，其中启动响应时间为50ms，动作时间为250ms（对应电动机转速约为3600r/min，功率55W左右）；优化后的方案换挡总时间为190ms以内，其中50ms启动响应时间，140ms动作时间（对应电动机转速约3214r/min，功率70W左右）。通过图13也可以看出，优化后的方案会比原方案提前关闭占空比，而且TCU控制换挡的占空比都为250（100%）。
图12 优化前后2挡降1挡静态换挡时间对比
图13 优化前后2挡降1挡换挡电动机驱动占空比对比
经过数据对比，可见优化后的方案有效缩短了换挡时间，优化后电动机功率平衡转速为3214r/min，输出功率约为70W左右，而换挡电动机最大输出功率为95W左右，说明换挡时间还有进一步缩短的空间。
2.2 挡降1挡试验数据对比
与1挡升2挡类似，2挡降1挡的挡位位置信号的对比如图14所示，驱动占空比对比如图15所示。通过图13和图14可以看出，优化后的方案2挡降1挡的时间也缩短了100ms。
图14 优化前后1挡升2挡静态换挡时间对比
图15 优化前后1挡升2挡换挡电动机驱动占空比对比
结语
本文提出了一种基于换挡时间和电动机工作转速的AMT换挡机构传动比的计算方法，经过理论计算，分析现有方案的不足，并提出了一种优化方案。通过样件试制和测试验证，证明了优化方案比原方案更大程度的发挥了换挡电动机功率，从55W提升到了70W，使换挡时间缩短了100ms（0.1s），而且换挡电动机最大功率95W，换挡时间还有进一步的优化空间。
本文通过调整传动比来调整电动机输出功率平衡时的电动机转速，转速越接近最大输出功率转速，换挡时间就越短。
本文所述设计方法，其原理可通用于其他类似的换挡执行机构，比如齿轮减速、蜗杆减速、摇臂减速方案等。
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