一种整车换挡控制系统及其控制方法与流程

本发明属于新能源汽车驾驶控制的技术领域，具体涉及一种整车换挡控制系统及其控制方法。

背景技术：

随着新能源汽车行业的快速发展，纯电动控制系统在汽车工业领域具有越来越广泛的应用前景，而目前商用车中电动控制系统在换挡时往往还沿用汽油驱动车辆的换挡模式。

常合式变速器通常通过接合套进行换挡，接合套通过花键配合安装到转轴上以在转轴的方向上可轴向移动并与惰齿轮并列布置。设置在接合套连接面处的接合齿(花键)连接到惰齿轮，并可与设置在惰齿轮连接面处的接合齿(犬牙离合器)接合。因此，与接合套接合的惰齿轮和转轴彼此一体转动，从而将转轴的扭矩和转速进行传递，通过接合套和不同的接合齿(犬牙离合器)接合来执行换挡操作。

在机动车的动力系统中，通常通过同步设备保证犬牙离合器的可靠结合或闭合，但是当驱动侧的转速可精确调节时，则可以调整驱动侧和被驱动侧到合适的速差来实现接合套和犬牙离合器的啮合实现换挡操作。当经过速差控制后，接合套和带限位的犬牙离合器进入接合的状态，接合套和犬牙离合器的速差快速减少，接合套和犬牙离合器接合的啮合力无法预测且不受控制，甚至会突变至0，换挡电机的负载力主要来源于接合套和犬牙离合器的摩擦力，啮合力易变造成了接合套和犬牙离合器摩擦力的易变，进而引起换挡电机负载力易变，导致换挡电机精准控制困难，此时由于惯性容易造成对限位位置造成撞击，这可能导致换挡时的噪声，而且会对机械结构的可靠性造成影响。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的缺陷与不足，本发明提供了一种整车换挡控制系统及其控制方法。

本发明所采用的技术方案如下：

一种整车换挡控制系统，所述整车换挡控制系统包括：

变速箱(1)；

输入轴(4)，所述输入轴(4)设置于所述变速箱(1)的内部；

输出轴(5)，所述输出轴(5)设置于所述变速箱(1)的内部；

齿轮机构，所述齿轮机构包括设置于所述输入轴(4)上的输入齿轮和设置于所述输出轴(5)上的输出齿轮，所述输出轴(5)和所述输入轴(4)之间通过所述齿轮机构连接；

驱动电机(6)，所述驱动电机(6)设置于所述变速箱(1)的一侧，所述驱动电机(6)与所述变速箱(1)的所述输入轴(4)连接；

换挡执行机构，包括接合套(11)和离合器，所述接合套(11)可轴向移动地固定在所述输入轴(4)上，所述离合器设置在所述输入齿轮中；

换挡电机(2)，所述换挡电机(2)设置于壳体(3)的一侧，所述换挡电机(2)通过传动机构连接到所述换挡执行机构；

所述整车换挡控制系统还包括：

换挡控制部，当接收到换挡指令时，所述换挡控制部控制所述驱动电机(6)进入速差控制模式，当所述接合套(11)和所述离合器的速差满足预设条件时，所述换挡控制部控制所述换挡电机(2)开始执行换挡操作，所述换挡电机(2)通过所述传动机构带动所述接合套(11)移动到接合点，所述接合套(11)与所述离合器开始接合，所述换挡控制部将所述驱动电机(6)的控制模式由速差控制模式变为扭矩控制模式。

进一步地，所述驱动电机(6)处于扭矩控制模式时，所述驱动电机(6)的扭矩到达命令扭矩值tc并保持不变。

进一步地，所述离合器包括设置于所述离合器径向外周的离合器外齿圈，所述离合器外齿圈与所述接合套11的内齿圈11a相互配合。

进一步地，在所述离合器外齿圈的径向外周设置有限位齿。

进一步地，所述输入轴4上设置有花键毂20，所述花键毂20的外齿圈20a与所述接合套11的内齿圈11a相互配合，所述接合套11可以沿着所述花键毂20的外齿圈20a轴向移动但不会完全脱离花键毂20的外齿圈20a。

进一步地，所述传动机构包括拨叉(10)，所述拨叉(10)和接合套(11)固定连接，在拨叉(10)上设置有位置传感器(7)，所述位置传感器(7)用于检测所述拨叉(10)的位置信息。

进一步地，所述离合器是犬牙离合器。

进一步地，还提出一种整车换挡控制系统的控制方法，包括以下步骤：

1)换挡控制部根据驾驶员换挡需求所对应生成的换挡指令，控制驱动电机进入速差控制模式，控制并调节驱动电机的输出转速；

2)通过输入轴转速传感器、输出轴转速传感器实时检测输入轴转速、输出轴转速，并将检测结果发送至换挡控制部；

3)换挡控制部根据实时检测结果，判断输入轴与对应换挡侧离合器的转速差是否满足预设接合转速差，当满足时，控制换挡电机开启，当不满足时，不开启换挡电机并继续控制并调节驱动电机的输出转速；

4)换挡电机通过驱动拨叉带动接合套向换挡对应侧轴向运动，并通过位置传感器实时检测接合套与对应轴向移动侧的间距，并将检测结果发送至换挡控制部；

5)换挡控制部根据实时检测结果，判断接合套移动到接合点，接合套与离合器开始接合，换挡控制部将驱动电机的控制模式由速差控制模式变为扭矩控制模式；

6)判断接合套与对应轴向移动侧的间距是否达到预设阈值，当达到时，控制换挡电机关闭，同时控制驱动电机退出扭矩控制模式。

进一步地，所述驱动电机处于扭矩控制模式时，所述驱动电机的扭矩到达命令扭矩值tc并保持不变。

本发明相对于现有技术所取得的有益效果为：在变速箱上内部设置位置传感器，对由换挡电机驱动的接合套的轴向位置实现闭环控制，避免接合套和离合器环在接合时对限位齿产生的撞击；当位置传感器检测到接合套和离合器环进入接合状态时，驱动电机由速差控制模式进入扭矩控制模式，保持接合套和离合器环的啮合作用力不变，换挡电机的负载力不再突变，换挡电机可以实现对位置的精确控制，有效避免了对限位齿的撞击，保证换挡可靠、降低换挡噪声、提高使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例中一种整车换挡控制系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中换挡机构的结构示意图；

图3是本发明实施例中的第一输入齿轮的正视图；

图4是本发明实施例中的花键毂的正视图；

图5是本发明实施例中的接合套的正视图；

图6是本发明实施例中接合套和离合器环的外齿圈啮合开始时的啮合状态示意图；

图7是本发明实施例中接合套和离合器环的外齿圈啮合结束时的啮合状态示意图；

图8是本发明实施例中驱动电机的控制流程图；

图9是本发明实施例中换挡电机的控制流程图；

图10是本发明实施例中接合套和换挡目标离合器环的实际速差时刻图；

图11是本发明实施例中驱动电机的实际扭矩时刻图；

图12是本发明实施例中换挡电机的实际扭矩时刻图。

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

如图1所示，该自动变速系统包括自动变速箱1，驱动电机6，自动变速箱1包括壳体3、输入轴4、带第一离合器环13a的第一输入齿轮13、带第二离合器环14a的第二输入齿轮14、第一输出齿轮15、第二输出齿轮16、输出轴5、输入轴转速传感器8、输出轴转速传感器9、花键毂20、接合套11、位置传感器7、换挡电机2、蜗杆17，蜗轮18，换挡毂19、拨叉10。

第一输入齿轮13和第二输入齿轮14相对于输入轴4可转动，花键毂20通过花键配合固定到输入轴4上，使得花键毂20被阻止相对于输入轴4的转动，花键毂20位于第一离合器环13a和第二离合器环14a之间并与两者紧邻，花键毂20的外齿圈20a与接合套11的内齿圈11a啮合，接合套11可以沿着花键毂20的外齿圈20a轴向移动但不会完全脱离外齿圈20a，输出轴5与输入轴4平行布置，第一输出齿轮15与第一输入齿轮13啮合，第二输出齿轮16与第二输入齿轮14啮合。

带第一离合器环13a的第一输入齿轮13和带第二离合器环14a的第二输入齿轮14设置在输入轴4上并位于邻近花键毂20的两侧，即在旋转轴线cl的方向上定位在花键毂20的相对侧。作为进一步的优选，第一离合器环13a和第二离合器环14a相对于花键毂20呈左右对称设置。因此，下文仅说明第一离合器环13a的构造。

如图2-5所示，第一离合器环13a经由轴承设置在输入轴4处以旋转轴线cl的方向上相对于输入轴4可转动并且相对于输入轴4不可轴向移动。第一输入齿轮13构成相对于输入轴4可转动的惰齿轮，呈环形的第一离合器环13a形成在面对花键毂20的第一输入齿轮13的表面处(即配合部)。外齿圈13b被构造为与形成在第一离合器环13a的外周的接合套11的内齿圈11a啮合。外齿圈13b在第一离合器环13a的周向上以等间距均匀分布有若干个齿，且每个齿被形成为包括相同直径的齿根圆。在外齿圈13b的齿尖凸出的部分是第一限位齿13c，当接合套11的内齿圈11a向左与第一离合器环13a的外齿圈13b啮合过度时，接合套11就会撞上第一限位齿13c。

蜗轮18、蜗杆17、换挡毂19、拨叉10是换挡电机执行换挡的传动机构，换挡电机2旋转一定的角度，由于拨叉10和接合套11固定连接，由此可以推动接合套11向左与第一输入齿轮13的第一离合器环13a啮合，也可以推动接合套11向右和第二输入齿轮14的第二离合器环14a啮合，从而实现换挡，将输入轴4的转速和扭矩传递给输出轴5。

通过输入轴转速传感器7和输出轴转速传感器9分别对输入轴4和输出轴5的转速进行监测，通过控制驱动电机6的转速实现接合套11和第一离合器环13a的速差控制，当接合套11和第一离合器环13a之间的速差满足接合条件时，接合套11和第一离合器环13a开始接合，位置传感器7监测拨叉10的位置，拨叉10的位置反映了接合套11位置，当接合套11向左与第一离合器环13a进入啮合状态时，位置传感器7将这一状态反馈给驱动电机6，驱动电机6由速差控制转换为扭矩控制，接合套10和第一离合器环13a保持一个啮合作用力f，接合套11的内齿圈11a与第一离合器环13a的外齿圈13b开始接合时齿间力的关系如图6所示，此时每个齿间的啮合作用力为f，其方向是垂直于啮合点的切线方向，接合套11的内齿圈11a和第一离合器环13a的外齿圈13b进行啮合时需要克服的摩擦力为：

f＝nμf，

式中，

f为接合套11的内齿圈11a与第一离合器环13a的外齿圈13b接合开始时每个齿间的啮合作用力；

n为接合套11的内齿圈11a与第一离合器环13a的外齿圈13b的齿数，

μ为接合套11的内齿圈11a与第一离合器环13a的外齿圈13b之间的动摩擦因数。

换挡电机2在换挡时除了经过传动机构中蜗轮18、蜗杆17、换挡毂19、拨叉10损耗的力f损耗外，主要的负载力为接合套11与第一离合器环13a造啮合过程中的摩擦力f，当啮合过程中的摩擦力f保持不变时，换挡电机2的负载力的波动很小，换挡电机2不易失控，接合套11不会由于换挡电机2负载力突变的惯性撞上第一限位齿13c。当接合套11与第一离合器环13a啮合到指定位置时，如图7所示，接合套11距离第一限位齿13c留有一定的间距余量(优选2mm)，此时换挡电机2先停止换挡操作，即接合套11停止继续向左与第一离合器环13a进一步啮合，然后驱动电机6停止扭矩控制。

驱动电机6的控制流程图如图8所示，当驱动电机6接收到换挡指令，根据输入轴转速传感器8和输出轴转速传感器9监测到的输入轴4和输出轴5的实时转速，通过控制驱动电机6的转速可以实现接合套11和第一离合器环13a的转速差控制，当其转速差满足可以实现接合的条件时，接合套11和第一离合器环13a开始接合，此时驱动电机6的控制由速差控制模式变为扭矩控制模式，保持接合套11的内齿圈11a和第一离合器环13a的外齿圈13b的啮合作用力，直到接合套11的位置到达理想的换挡位置，换挡电机2停止换挡，驱动电机6的扭矩控制模式结束。

换挡电机2的控制流程图如图9所示，当换挡电机2接收到换挡指令，等待驱动电机6经过速差控制实现接合套11和外齿圈13b达到目标速差，换挡电机2执行换挡操作，将接合套11向左推向第一离合器环13a，接合套11的内齿圈11a与第一离合器环13a的外齿圈13b经过接合套11和第一离合器环13a的第一外齿圈13b之间的间隙(空行程)后开始进行啮合，位置传感器7实时监测拨叉10的位置，进而监测接合套11与外齿圈13b的接合位置，当接合套11距离第一限位齿13c还有2mm间距时，换挡电机2停止换挡，接合套11停止与第一外齿圈13b继续接合。

如图10所示为接合套11和第一外齿圈13b的实际速差时刻图，图11为驱动电机6的实际扭矩时刻图，图12为换挡电机2的实际扭矩时刻图。图中的t0为换挡电机2通过换挡传动机构推动接合套11的负载扭矩，t1为接合套11和第一外齿圈13b保持稳定速差且还没接合时驱动电机6的扭矩，t2为接合套11到达目标换挡位置且驱动电机6停止扭矩控制后的实际扭矩。当换挡指令给出，驱动电机6开始进行速差控制，当t1时刻接合套11和第一外齿圈13b达到目标速差δn1,此时换挡电机2开始执行换挡操作，通过换挡传动机构向左移动接合套11，t2时刻位置传感器7检测到接合套11到达与第一外齿圈13b的接合点，接合套11与第一外齿圈13b开始接合，接合套11与第一外齿圈13b的速差降至为0，t2时刻驱动电机6改为扭矩控制，给出命令扭矩tc，t3时刻驱动电机的扭矩到达命令扭矩值tc并保持不变，接合套11和第一外齿圈13b的啮合力保持不变，t4时刻位置传感器7检测出接合套11到达与第一限位齿13c距离2mm的指定换挡位置，换挡电机2停止换挡，t5时刻换挡电机2的扭矩值降为0，此时驱动电机6停止扭矩控制。由图11可知从t3时刻开始到t5时刻，驱动电机6的命令扭矩保持不变，接合套11和第一外齿圈13b的啮合力保持不变，由图12可知从t3时刻开始到t4时刻，换挡电机2的负载扭矩一直保持不变。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。