本文中提出一种将直驱技术与AMT 相融合的，集成电磁直线驱动装置与两挡一体式接合套的新型电磁直驱变速器DAMT。该变速器的创新之处在于：具有AMT 结构简单、传递效率高等优点，又将电磁直线执行机构与两挡一体式接合套相融合，形成新的换挡执行机构形式。通过仿真与试验获得了DAMT换挡性能。

1.1 总体设计方案

为了得到更优的性能参数和更为紧凑的结构特性，需提高新能源汽车续航里程与实际动力学性能。提出的集成电磁直线驱动装置与两挡一体式结合套的电磁直驱变速器DAMT，结构如图1所示。电磁直线驱动装置与两挡一体式接合套集成，构成新的换挡执行机构结构如图2所示，运动构件仅包括线圈与一体式结合套。DMAT 相较于一般结构AMT，取消了拨叉及拨叉轴等换挡力传递机构，换挡力直接推动接合套运动，缩短换挡力传递距离，减小换挡运动机构质量，进一步减小换挡时间；相较于传统结合套形式，两挡一体式接合套集成性更高，有利于降低DAMT 轴向长度，对于轻量化、小型化的电动汽车更具有应用空间。

图1 电磁直驱变速器结构示意图

DAMT 工作原理：换挡执行机构的电磁直线驱动装置在通电情况下产生换挡力Fa，由于其动子与接合套集成，所以，换挡力直接作用于接合套上。换挡执行机构分别与同步环结合齿圈作用完成换挡过程。

1.2 换挡执行机构设计方案

为了提升换挡执行机构驱动力密度，永磁体采用高性能钕铁硼材料，排列方式如图2所示，中间位置为轴向充磁导磁环，端部为径向充磁永磁环，永磁环主要提供气隙磁通，此种永磁体布置方案可有效增强气隙中的磁通密度，同时降低磁轭的饱和轻度。线圈采用两组绕线匝数相等且绕线方向相反的线圈串联在特制线圈骨架上，以降低电枢反应产生的磁场。

图2 换挡执行机构示意图

1.3 换挡执行机构参数优化

DAMT 的换挡执行机构主要由永磁环、导磁环、线圈、线圈骨架、接合套、内外磁轭以及端盖组成。其主要以电磁耦合原理为基础，利用磁环提供整个磁路的磁动势，永磁体则分为用于疏导磁路的导磁环与提供轴向磁通的永磁环；使用高导磁材增大磁路磁导，通电线圈在磁场的作用下受到沿轴方向的电磁力作用，进而执行机构动子沿轴向运动完成换挡动作。对于电磁直驱变速器换挡执行机构来说，良好的力-位移曲线以及换挡力的大小对于换挡过程来说至关重要，即换挡执行机构在换挡过程中任意位移都具有较强的输出力。

将DAMT 换挡执行机构部分尺寸通过退火粒子群-有限元法进行优化设计，通过粒子群算法得到每代种群参数，导入3D 有限元计算电磁场，经过Metropolis 判别，完成退火操作更新最优粒子位置，往复迭代得到最优结构参数。

本文中所使用的适应度函数为

其中，Fm、Fe分别为换挡执行机构最大与末端换挡力，由于换挡执行机构的输出力特性曲线沿换挡位移不断减小，最大换挡力Fm为空挡时的换挡力，Fe为换挡过程终了时的换挡力；k1、k2分别代表执行机构输出力的中间与端部系数，且必须满足二者之和为1的必要条件，这里k1取0.3。

3D 有限元作为换挡执行机构电磁场计算软件，通过设置网格及相关条件，计算换挡执行机构输出换挡力。即提供整个优化程序中的Fm与Fe。

优化过程如图3所示，换挡执行机构中间位置时的磁密云图如图4所示。

图3 换挡执行机构参数优化过程

图4 空挡位置时换挡执行机构电磁场计算结果

基于1.1节对电磁直驱变速器结构的介绍，换挡执行机构的输出力与各组成部分的参数尺寸相关，本次优化中选取永磁体厚度、永磁环长度、导磁环长度、端盖厚度及外磁轭厚度。其他结构参数均可通过优化目标尺寸推导计算。由于电磁直驱变速器同步环直径固定，所以结合套及线圈骨架内磁轭等径向尺寸不在优化范围内。气隙厚度δ 取0.5 mm。优化目标参数如图5所示。

图5 换挡执行机构优化目标参数

收敛过程如图6所示；优化结果如图7和表1所示。

图6 算法优化收敛过程图

图7 DAMT优化前后性能对比图

表1 目标参数优化结果
Tab.1 Target parameter optimization result

如图6 所示，优化过程中种群在10 代前收敛速度较快，在20 代左右开始收敛，如图6 所示，经过优化后换挡执行机构最大换挡力为1 044 N，相较于优化前提升35 N；在换挡力衰减率方面，优化后为780 N，换挡力衰减率为25.2%，而优化前末端换挡力为720 N，换挡力衰减率为28.6%；通过优化换挡执行机构，在最大换挡力与末端换挡力方面均有提升，最大换挡力波动率下降3.4%。

2.1 DAMT分阶段换挡过程分析

在接收到换挡信号后，TCU 给换挡执行机构线圈通电，其运动部件在换挡力的作用下运动，换挡过程中，接合套与同步环以及目标挡齿轮齿圈相互作用，根据接合套与同步环以及目标挡齿轮的位置与角度等空间关系，将DAMT换挡过程分为6个不同阶段，相对位置关系如图8所示。

图8 DAMT进挡过程分阶段示意图

（1）进挡位移第一阶段，换挡执行机构动子在换挡力Fa作用下运动，直至接合套内花键齿面与同步环外花键齿面接触，此时，DAMT 到达预同步位置。

（2）同步阶段，根据接合套与目标挡齿轮转速差的方向，同步环与接合套形成锁止，同步环受转矩Tsyn 以及由于存在转速差所形成的摩擦转矩Tf作用，被同步端在Tf的作用下完成同步，此时，目标挡齿圈与接合套、同步环转速相同，摩擦转矩消失，同步环不再起到锁止作用。

（3）同步环拨正阶段，摩擦转矩Tf消失后同步环不再相对接合套锁止，此时，换挡执行机构输出换挡力Fa继续作用于同步环，同步环在拨环转矩Tsyn的作用下转动一个锁止角度，此接合套内花键与同步环外花键相互配合，换挡过程进入下一阶段。

（4）进挡位移第二阶段，换挡执行机构动子在换挡力的作用下穿过已拨正的同步环，直至与目标挡齿圈相接触。

（5）目标挡齿圈拨正阶段，结合套内花键齿端与目标挡齿轮齿圈外花键齿端相抵，在执行机构换挡力Fa的作用下目标挡齿圈转动一定角度完成拨正。

（6）进挡位移第三阶段，执行机构换挡力输出Fa推动动子运动至换挡位移终了位置，此时，执行机构动子停止运动，换挡完成。

以上各阶段具体受力分析如图9所示。

图9 进挡各阶段受力分析

2.2 DAMT换挡过程换挡力求解

基于上述对DAMT 换挡过程详细分析，根据各不同阶段同步环、目标挡齿圈受力分析，对换挡力进行数学建模，其中，式（2）～式（7）对应进挡1～6阶段：

式中，F1～F6分别为各个阶段的换挡力；μ1为定位滑块与花键毂运动接触面之间的动摩擦因数；μ2为摩擦锥面摩擦因数；μ3为结合套与同步环花键间的动摩擦因数；μ5为结合套与齿圈间的动摩擦因数；K为定位滑块弹簧刚度；Xs0为弹簧初始压缩量；in为目标挡齿轮传动比；α 为摩擦锥面角的一半；S1～S6分别为各阶段的换挡位移；t1～t6分别为各阶段的换挡时间；JR为同步环转动惯量；JS为被同步部分转动惯量；α3为同步环转过的角度；α5为齿圈转过的角度；Rr为同步环与齿圈之间摩擦锥面的有效半径；β 为同步环锁止角；n1为输入轴转速；Rb为定位小球半径。

3.1 仿真模型

通过建立DAMT 换挡过程仿真模型，对每个换挡阶段输入不同的参数得到换挡过程换挡力、换挡位移、换挡时间等仿真结果。换挡过程每个阶段数学模型各不相同，因此需要分阶段建立换挡过程子系统。

各换挡阶段控制变量分别为进退挡位移、同步环以及目标挡齿圈转动角度等不同参数，各阶段通过PID 控制器控制。以同步阶段为例，在同步阶段的控制策略主要是控制单位面积滑摩功不超过最大许用值，并将最大当量换挡冲击度控制在较小的范围内。

3.2 仿真结果及分析

通过上述DAMT 换挡力的求解与仿真模型的搭建，利用Simulink 中的Shifting Order 联接各换挡模块，采用Stateflow 的有限状态机原理搭建仿真模型，对DAMT进行仿真分析，仿真结果如图10所示。

图10 DAMT换挡过程仿真结果

图10所示箭头直线中，0表示退挡过程；1～6分别为前文介绍的DAMT 不同的换挡阶段；1、4、6分别为换挡过程中进挡位移第一、第二与第三阶段，此时位移图像呈现上升的趋势；2 为DAMT 同步阶段，从图像可以得知，在220 r/min 的转速差下同步时间约为90 ms，此时结合套与同步环相对锁止，换挡执行机构动子位移不变；3、5 为同步环拨正与目标挡齿圈拨正阶段。通过图10 可以看出，DAMT 仿真换挡时间约为135 ms。

图11 换挡冲击度随时间变化曲线

图11 所示为换挡冲击度随时间变化曲线。如图11 所示，根据仿真结果，在该工况下DAMT 换挡过程中冲击度j 最大值为4.6 m/s3[13]，满足冲击度许用值[j]=10 m/s3。

4.1 样机与试验测试平台

图12 所示为DAMT 试验测试平台，由永磁同步电机作为动力源模拟整车运行工况，该电机通过驱动电机变频器进行调速控制。DAMT 换挡执行机构通过稳压电源提供电流，由变速系统控制器对其进行实时控制。输入轴惯量模拟装置模拟换挡过程中同步端的转动惯量；输出轴惯量模拟装置模拟设置较大，保证在换挡过程中输出轴转速保持不变。

图12 DAMT试验平台

图13 所示为DAMT 样机，样机挡位数为两挡，输入轴通过法兰盘与电机相连，输出轴与模拟整车转动惯量的惯量盘相连，输入输出轴分别接入转矩转速传感器。换挡执行机构直接套在输出轴上，使得DAMT结构紧凑，变速器整体宽度为172 mm。

图13 DAMT样机

4.2 试验结果

通过试验平台搭建与样机研制，对DAMT 进行换挡试验研究，试验结果如图14 与图15 所示。DAMT 在转速差为220 r/min，被同步端转动惯量为0.04 kg·m2 的情况下，换挡过程的换挡时间为148 ms，同步时间为109 ms。在该测试工况下，输入轴在稳定转速后变速系统控制器给出换挡指令，通过调节稳压电源对DAMT 换挡执行机构线圈通电，动子在换挡力的作用下带动结合套分别于同步环和目标挡齿圈相互作用完成换挡。试验结果验证了DAMT此类变速器的可行性。

图14 DAMT试验换挡力与换挡位移图

但在试验过程中发现，由于换挡执行机构直接套在变速器轴上，目标挡齿轮暴露在换挡执行机构的强磁场内，磁通会沿着输出轴-齿轮-外磁轭形成闭合回路，长时间的磁化作用使齿轮及换挡执行机构上规则地附着着铁屑。齿轮长时间磁化后在换挡过程中相互间的吸引力对换挡结果产生较大影响，这也是试验结果与仿真结果存在差别的原因之一，这种现象也会对齿轮造成更多程度的磨损。下一步电磁直驱变速器需要在磁场屏蔽与磁回路设计方面做出改进以避免此类现象。

图15 输入轴转速变化图

（1）提出一种针对电动汽车应用电磁直线驱动装置与两挡一体式结合套的集成式直驱变速器DAMT，通过电磁直线驱动装置与两挡一体式结合套集成，形成结构更紧凑的换挡执行机构。

（2） 利用退火粒子群-有限元的优化方法对DAMT 换挡执行机构结构参数优化，得到较优的结构参数，通过优化最大换挡力提升了35 N，换挡力波动率下降了3.4%。

（3）分阶段对换挡过程中换挡执行机构输出换挡力建模，通过仿真初步得到DAMT 在220 r/min 的转速差下换挡时间约为135 ms。

（4）通过试验获得DAMT 在转速差220 r/min，被同步端转动惯量0.04 kg·m2的情况下，换挡过程的换挡时间为148 ms，同步时间为109 ms。试验结果验证了DAMT方案的可行性。