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摘要： 为了分析混合动力系统的换挡过程，本文基于AMESim仿真软件，建立了一种新型行星齿轮插电式并联混合动力系统。利用模拟方法对换挡参数进行标定，分析了升、降换挡过程包含的高挡转矩相、档位切换阶段、惯性相、低挡转矩相4个阶段，并借助AMESim软件进行仿真模拟。仿真结果表明，发动机转速变化较为舒缓，发动机与离合器搭接过程平滑，最大换挡冲击度在合理范围内，说明该新型混合动力系统对换挡冲击的控制效果良好，换挡品质较好，同时整个换挡过程实现了动力无中断，平滑换挡。该研究对节能环保具有重要的现实意义。
关键词： 行星齿轮； 混合动力； AMESim； 换挡品质
中图分类号： U463.5；TP391.9文献标识码： A
动力耦合装置是混合动力驱动系统的核心，开展混合动力车辆动力耦合装置方面的研究，对节能环保具有重要的现实意义[1]。换挡规律是现代自动变速器开发过程中一项关键技术，换挡过程的控制及换挡时机的好坏，直接影响车辆的平顺性、安全性、动力性以及经济性等性能[2]。换挡品质是指换挡过程的平顺性，即车辆能够平稳、无冲击的进行换挡[34]，而且在换挡过程中要迅速，不应出现过高的瞬时减速或加速。张俊智等人[5]对混合动力汽车冲击度的产生机理进行了分析和试验研究；柳士江等人[6]对纯电动工作模式切换到发动机单独驱动模式的过程进行力学特性研究，提高了工作模式切换的平顺度；孔慧芳等人[7]根据动力源响应特性差异和离合器接合等原因造成的冲击问题，制定了相应的扭矩协调控制策略。基于此，本文提出了一种新型行星齿轮插电式并联混合动力系统，利用AMESim软件，建立新型混合动力系统模型，并模拟了换挡过程，确定合适的换挡规律[8]，实现换挡过程中无动力中断，且将换挡冲击控制在合理范围内，提升了混合动力系统的换挡品质。该研究对节能环保具有重要意义。
1新型混合动力系统
新型并联插电式混合动力系统原理图如图1所示。IN为输入端；S1为第1太阳轮；R1为第1齿圈；S2为第2太阳轮；R2为第2齿圈；S3为第3太阳轮；C1为第1结合套；C2为第2结合套；C3为第3结合套；C4为第4结合套；MOTOR为电机；OUT为输出端。该系统采用前排拉维纳式行星齿轮机构[9]，后排双行星排的构型，发动机与前排行星架相连，前排太阳轮S3通过轴系与结合套C2、C3连接传递动力，太阳轮S2、齿圈R2分别与结合套C4、C1连接输出动力；后置电机直接与后排双行星排太阳轮S1相连接，后排行星排固定，由后排齿圈R1直接输出动力。4个结合套分为两组实现4个档位，倒挡通过电机反转实现，采用拨叉换挡实现档位变化。
2混合动力系统模型建立
新型混合动力系统主要包括发动机、离合器、新型混合动力装置、拉维纳式行星齿轮机构、双行星行星排、后置电机、传动轴、主减速器、差速器、车轮及车身部件等组成。根据混合动力系统的原理，基于AMESim建立的混
合动力系统模型如图2所示。其中，Engine为发动机；Ravigneaux set为拉维纳行星排；tire为轮胎；differential为差速器；brake command为制动信号。模型的输入控制信号主要包括发动机转速信号、电动机转速信号、车辆制动信号、离合器控制信号等。发动机模块将外部信号转化为发动机转速信号，由于AMESim中没有本文使用的结合元件，故采用4个离合器模块代替4个结合元件，4个信号模型分别控制各离合器的结合与分离。Powertrain库提供了车辆传动系统模块，车辆行驶动力部分由车身模块、轮胎及车轮模块模拟，其他模块均可在相应模块库中找到。
该AMESim模型较为复杂，在仿真之前需验证其正确性。首先输入已匹配的齿轮齿数和汽车相关的基本参数，然后计算相关转动惯量并输入模型中，运行仿真得到拉维纳行星排和双行星排中各齿轮的转速，拉维纳行星排中各构件的运行数据如表1所示，而拉维纳行星排齿圈R2转速为1 119 r/min，行星架CR3转速为2 403 r/min。
由表1可得S2和R2及S3和R3的传动比分别为
I20=ZS2ZR2=（nS2-nCR）/（nR2-nCR）=-4 871-（-2 403）/1 119-2 403=192（1）
I30=ZS3ZR2=nCR-nR2+（nR2-nS3）/（nCR-nR2）=2 403-1 119+1 119--2 945/2 403-1 119=420 （2）
式中，nS2、nS3、nCR、nR2分别是S2、S3、行星架、R2的转速；ZS2、ZS3、ZR2分别为S2、S3、R2的齿数。
双行星轮行星排S1的转速为2 229 r/min，R1的转速为1 372 r/min，计算可得S1和R1的传动比为
I10=nS1/nR1=2 229/1 372=1625（3）
式中，nS1、nR1分别表示S1和R1的转速。
模型计算得出的一组传动比与之前匹配的传动比相比，在误差范围内近似相等，證明本次建立的模型中行星齿轮部分正确。
为验证各档位的传动比是否正确，根据各档位结合元件的结合状态，模拟各结合元件的结合和脱离动作，得到各档位下对应的一组发动机和混合动力系统输出实际转速，并由此计算出各档位传动比，各档位下一组对应的发动机转速和系统输出转速如表2所示，各档位下匹配的传动比如表3所示。将表2中仿真得到的实际传动比与表3中已匹配的传动比进行比较，在误差范围内近似相等，说明此模型可以实现4个档位的传动比，从而验证了建模的正确性。
3仿真与分析
AMESim可建立多学科的系统模型，并进行仿真计算和深入分析，同时可研究任何元件或系统的稳态和动态性[9]。文中借助AMESim软件模拟换挡过程，并分析了仿真结果。车辆的换挡过程十分复杂，不仅换挡情况多种多样，而且影响换挡品质的参数也很多，如发动机油门开度和转速，车速和坡道阻力等[1013]。其中，发动机油门开度和车速是最主要的两个参数，也是目前汽车确定档位的两个基本换挡参数[14]。本次仿真是在半油门开度及中高车速情况下进行，所采用的方法是混合动力汽车换挡规律，换挡时刻，将发动机转速、电动机转速和车速作为换挡初始时刻参数。 3.12挡升3挡
2挡换3挡过程中，C4脱离，C2结合，C1保持二挡时结合状态不变。根据混合动力汽车换挡规律，标定2挡升3挡换挡时刻，发动机转速为2 046 r/min，电动机转速为2 739 r/min，车速为139 m/s。
将以上换挡时刻的数据输入模型，2挡升3挡时，发动机转速如图3所示。将整个换挡仿真过程分为4个阶段，其中02～03 s为低挡转矩相，发动机与离合器处于接合状态；03～06 s为档位切换阶段，发动机与离合器处于分离状态；06～11 s为惯性矩，发动机转速下降，离合器状态受扭矩控制，且离合器转速实现由从动至与发动机转速同步；11～12 s为高挡转矩相。整个换挡过程中发动机转速变化较为平缓，转速最高约为2 070 r/min，而换挡结束时刻，转速约为1 780 r/min，换挡过程中发动机转速变化最大值为290 r/min。
2挡升3挡时，发动机与离合器搭接過程状态如图4所示。图4中，虚线y_1表示离合器搭接的控制信号，实线y_2表示发动机转速，点画线y_3表示离合器端转动惯量转速。在03 s的点C处，发动机与离合器完全脱离，在11 s的D点处，完全同步，整个搭接过程无较大冲击，表明对换挡过程的控制较好[1519]。
2挡升3挡时，车速、加速度曲线及系统输出扭矩如图5所示。图5中，点画线y_1为车速变化，虚线y_2为加速度变化，实线y_3为系统输出扭矩变化。换挡过程中，输出扭矩最低点H（07，1099），最高点J（10，1639），输出扭矩变化最大值为54 N·m，2挡升3挡的冲击度[10]如图6所示，最大值点位于（105，768），最大冲击度在合理范围内，说明升挡过程中对冲击的控制效果较好，换挡品质较好。另外，由图5可知，汽车全程一直在加速，说明换挡全程实现了无动力中断。
3.24挡降3挡
4挡降3挡的过程中，C3脱离，C2结合，C1保持4挡时的结合状态不变。根据换挡规律标定，4挡降3挡换挡时刻，发动机转速为2 100 r/min，电动机转速为4 250 r/min，车速为217 m/s。将数据输入模型，运行模型得发动机转速如图7所示。将整个换挡仿真过程分为4个阶段。其中，02～03 s为高挡转矩相，发动机与离合器处于接合状态；03～06 s为档位切换阶段，发动机与离合器处于分离状态；06～09 s为惯性相，发动机转速升
高，离合器状态受扭矩控制，且离合器转速实现由从动至与发动机转速同步；09～10 s为低挡转矩相。由图7可以看出，换挡过程中发动机转速变化平缓，换挡过程中发动机最低转速2 092 r/min，最高转速为2 678 r/min，转速变化最大值为586 r/min。
当4挡降3挡时，发动机与离合器搭接状态如图8所示。图中，虚线y_1为离合器搭接控制，实线y_2为发动机转速曲线，点画线y_3为离合器端转动惯量转速。由图8可以看出，搭接过程平缓，无较大冲击，表明降挡过程中通过离合器的控制、发动机和电动机输出扭矩的合理分配，实现了对换挡过程的控制，换挡品质较好。
当4挡降3挡时，发动机和电动机的扭矩输出如图9所示。在换挡之前的0～02 s，汽车在4挡，即超速挡行驶，此时发动机为主动力源，电动机为辅助动力源；在02～03 s时，离合器开始分离，发动机在01 s内输出扭矩降为零，电动机输出扭矩迅速增大；在03～06 s内，电动机成为汽车唯一动力源，这段时间内发动机与离合器分离是为了保证换挡结合元件平顺结合；在06 s之后，离合器开始搭接，发动机转速上升的同时输出扭矩逐渐增大，成为汽车主动力源，电动机扭矩同步开始变小到一定值并保持，成为汽车辅助驱动力。发动机和电动机输出扭矩的交替变化以及离合器搭接的控制，保证了降挡过程中动力无中断，且控制换挡冲击在合理范围内，从而提升车辆的换挡品质。
当4挡降3挡时，车速、加速度及系统输出扭矩如图10所示。图10中，点画线y_1为车速，实线y_2为汽车加速度，虚线y_3为混合动力系统输出扭矩。降挡过程中，系统输出扭矩最大值点为e（06，11561），最小值点为g（08，6153），可得4挡降3挡过程中系统输出扭矩变化最大值为5408 N·m；由图10还可以看出，车辆一直处于加速状态，说明混合动力系统在本次降挡过程中实现了动力无中断。4挡降3挡的冲击度如图11所示，最大值点出现在（08，536），最大冲击度也在合理范围内，说明降挡过程中对冲击的控制较好，换挡品质较好。
4结束语
本文主要介绍了新型行星齿轮插电式并联混合动力系统，并根据新型混合动力系统的原理图建立了AMESim仿真模型，并验证了所建模型的正确性。对1组升挡和1组降挡的换挡过程进行仿真，主要分析了换挡过程中发动机转速、发动机与离合器的搭接过程及输出扭矩，并计算得到换挡冲击度。换挡过程中，发动机转速变化较为平缓，发动机与离合器搭接过程平滑，最大换挡冲击度在合理范围内，分析结果表明，该新型混合动力系统对换挡冲击的控制取得良好效果，换挡品质较好，同时整个换挡过程实现了无动力中断。
参考文献：
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关键词： 行星齿轮； 混合动力； AMESim； 换挡品质
中图分类号： U463.5；TP391.9文献标识码： A
动力耦合装置是混合动力驱动系统的核心，开展混合动力车辆动力耦合装置方面的研究，对节能环保具有重要的现实意义[1]。换挡规律是现代自动变速器开发过程中一项关键技术，换挡过程的控制及换挡时机的好坏，直接影响车辆的平顺性、安全性、动力性以及经济性等性能[2]。换挡品质是指换挡过程的平顺性，即车辆能够平稳、无冲击的进行换挡[34]，而且在换挡过程中要迅速，不应出现过高的瞬时减速或加速。张俊智等人[5]对混合动力汽车冲击度的产生机理进行了分析和试验研究；柳士江等人[6]对纯电动工作模式切换到发动机单独驱动模式的过程进行力学特性研究，提高了工作模式切换的平顺度；孔慧芳等人[7]根据动力源响应特性差异和离合器接合等原因造成的冲击问题，制定了相应的扭矩协调控制策略。基于此，本文提出了一种新型行星齿轮插电式并联混合动力系统，利用AMESim软件，建立新型混合动力系统模型，并模拟了换挡过程，确定合适的换挡规律[8]，实现换挡过程中无动力中断，且将换挡冲击控制在合理范围内，提升了混合动力系统的换挡品质。该研究对节能环保具有重要意义。
1新型混合动力系统
新型并联插电式混合动力系统原理图如图1所示。IN为输入端；S1为第1太阳轮；R1为第1齿圈；S2为第2太阳轮；R2为第2齿圈；S3为第3太阳轮；C1为第1结合套；C2为第2结合套；C3为第3结合套；C4为第4结合套；MOTOR为电机；OUT为输出端。该系统采用前排拉维纳式行星齿轮机构[9]，后排双行星排的构型，发动机与前排行星架相连，前排太阳轮S3通过轴系与结合套C2、C3连接传递动力，太阳轮S2、齿圈R2分别与结合套C4、C1连接输出动力；后置电机直接与后排双行星排太阳轮S1相连接，后排行星排固定，由后排齿圈R1直接输出动力。4个结合套分为两组实现4个档位，倒挡通过电机反转实现，采用拨叉换挡实现档位变化。
2混合动力系统模型建立
新型混合动力系统主要包括发动机、离合器、新型混合动力装置、拉维纳式行星齿轮机构、双行星行星排、后置电机、传动轴、主减速器、差速器、车轮及车身部件等组成。根据混合动力系统的原理，基于AMESim建立的混
合动力系统模型如图2所示。其中，Engine为发动机；Ravigneaux set为拉维纳行星排；tire为轮胎；differential为差速器；brake command为制动信号。模型的输入控制信号主要包括发动机转速信号、电动机转速信号、车辆制动信号、离合器控制信号等。发动机模块将外部信号转化为发动机转速信号，由于AMESim中没有本文使用的结合元件，故采用4个离合器模块代替4个结合元件，4个信号模型分别控制各离合器的结合与分离。Powertrain库提供了车辆传动系统模块，车辆行驶动力部分由车身模块、轮胎及车轮模块模拟，其他模块均可在相应模块库中找到。
该AMESim模型较为复杂，在仿真之前需验证其正确性。首先输入已匹配的齿轮齿数和汽车相关的基本参数，然后计算相关转动惯量并输入模型中，运行仿真得到拉维纳行星排和双行星排中各齿轮的转速，拉维纳行星排中各构件的运行数据如表1所示，而拉维纳行星排齿圈R2转速为1 119 r/min，行星架CR3转速为2 403 r/min。
由表1可得S2和R2及S3和R3的传动比分别为
I20=ZS2ZR2=（nS2-nCR）/（nR2-nCR）=-4 871-（-2 403）/1 119-2 403=192（1）
I30=ZS3ZR2=nCR-nR2+（nR2-nS3）/（nCR-nR2）=2 403-1 119+1 119--2 945/2 403-1 119=420 （2）
式中，nS2、nS3、nCR、nR2分别是S2、S3、行星架、R2的转速；ZS2、ZS3、ZR2分别为S2、S3、R2的齿数。
双行星轮行星排S1的转速为2 229 r/min，R1的转速为1 372 r/min，计算可得S1和R1的传动比为
I10=nS1/nR1=2 229/1 372=1625（3）
式中，nS1、nR1分别表示S1和R1的转速。
模型计算得出的一组传动比与之前匹配的传动比相比，在误差范围内近似相等，證明本次建立的模型中行星齿轮部分正确。
为验证各档位的传动比是否正确，根据各档位结合元件的结合状态，模拟各结合元件的结合和脱离动作，得到各档位下对应的一组发动机和混合动力系统输出实际转速，并由此计算出各档位传动比，各档位下一组对应的发动机转速和系统输出转速如表2所示，各档位下匹配的传动比如表3所示。将表2中仿真得到的实际传动比与表3中已匹配的传动比进行比较，在误差范围内近似相等，说明此模型可以实现4个档位的传动比，从而验证了建模的正确性。
3仿真与分析
AMESim可建立多学科的系统模型，并进行仿真计算和深入分析，同时可研究任何元件或系统的稳态和动态性[9]。文中借助AMESim软件模拟换挡过程，并分析了仿真结果。车辆的换挡过程十分复杂，不仅换挡情况多种多样，而且影响换挡品质的参数也很多，如发动机油门开度和转速，车速和坡道阻力等[1013]。其中，发动机油门开度和车速是最主要的两个参数，也是目前汽车确定档位的两个基本换挡参数[14]。本次仿真是在半油门开度及中高车速情况下进行，所采用的方法是混合动力汽车换挡规律，换挡时刻，将发动机转速、电动机转速和车速作为换挡初始时刻参数。 3.12挡升3挡
2挡换3挡过程中，C4脱离，C2结合，C1保持二挡时结合状态不变。根据混合动力汽车换挡规律，标定2挡升3挡换挡时刻，发动机转速为2 046 r/min，电动机转速为2 739 r/min，车速为139 m/s。
将以上换挡时刻的数据输入模型，2挡升3挡时，发动机转速如图3所示。将整个换挡仿真过程分为4个阶段，其中02～03 s为低挡转矩相，发动机与离合器处于接合状态；03～06 s为档位切换阶段，发动机与离合器处于分离状态；06～11 s为惯性矩，发动机转速下降，离合器状态受扭矩控制，且离合器转速实现由从动至与发动机转速同步；11～12 s为高挡转矩相。整个换挡过程中发动机转速变化较为平缓，转速最高约为2 070 r/min，而换挡结束时刻，转速约为1 780 r/min，换挡过程中发动机转速变化最大值为290 r/min。
2挡升3挡时，发动机与离合器搭接過程状态如图4所示。图4中，虚线y_1表示离合器搭接的控制信号，实线y_2表示发动机转速，点画线y_3表示离合器端转动惯量转速。在03 s的点C处，发动机与离合器完全脱离，在11 s的D点处，完全同步，整个搭接过程无较大冲击，表明对换挡过程的控制较好[1519]。
2挡升3挡时，车速、加速度曲线及系统输出扭矩如图5所示。图5中，点画线y_1为车速变化，虚线y_2为加速度变化，实线y_3为系统输出扭矩变化。换挡过程中，输出扭矩最低点H（07，1099），最高点J（10，1639），输出扭矩变化最大值为54 N·m，2挡升3挡的冲击度[10]如图6所示，最大值点位于（105，768），最大冲击度在合理范围内，说明升挡过程中对冲击的控制效果较好，换挡品质较好。另外，由图5可知，汽车全程一直在加速，说明换挡全程实现了无动力中断。
3.24挡降3挡
4挡降3挡的过程中，C3脱离，C2结合，C1保持4挡时的结合状态不变。根据换挡规律标定，4挡降3挡换挡时刻，发动机转速为2 100 r/min，电动机转速为4 250 r/min，车速为217 m/s。将数据输入模型，运行模型得发动机转速如图7所示。将整个换挡仿真过程分为4个阶段。其中，02～03 s为高挡转矩相，发动机与离合器处于接合状态；03～06 s为档位切换阶段，发动机与离合器处于分离状态；06～09 s为惯性相，发动机转速升
高，离合器状态受扭矩控制，且离合器转速实现由从动至与发动机转速同步；09～10 s为低挡转矩相。由图7可以看出，换挡过程中发动机转速变化平缓，换挡过程中发动机最低转速2 092 r/min，最高转速为2 678 r/min，转速变化最大值为586 r/min。
当4挡降3挡时，发动机与离合器搭接状态如图8所示。图中，虚线y_1为离合器搭接控制，实线y_2为发动机转速曲线，点画线y_3为离合器端转动惯量转速。由图8可以看出，搭接过程平缓，无较大冲击，表明降挡过程中通过离合器的控制、发动机和电动机输出扭矩的合理分配，实现了对换挡过程的控制，换挡品质较好。
当4挡降3挡时，发动机和电动机的扭矩输出如图9所示。在换挡之前的0～02 s，汽车在4挡，即超速挡行驶，此时发动机为主动力源，电动机为辅助动力源；在02～03 s时，离合器开始分离，发动机在01 s内输出扭矩降为零，电动机输出扭矩迅速增大；在03～06 s内，电动机成为汽车唯一动力源，这段时间内发动机与离合器分离是为了保证换挡结合元件平顺结合；在06 s之后，离合器开始搭接，发动机转速上升的同时输出扭矩逐渐增大，成为汽车主动力源，电动机扭矩同步开始变小到一定值并保持，成为汽车辅助驱动力。发动机和电动机输出扭矩的交替变化以及离合器搭接的控制，保证了降挡过程中动力无中断，且控制换挡冲击在合理范围内，从而提升车辆的换挡品质。
当4挡降3挡时，车速、加速度及系统输出扭矩如图10所示。图10中，点画线y_1为车速，实线y_2为汽车加速度，虚线y_3为混合动力系统输出扭矩。降挡过程中，系统输出扭矩最大值点为e（06，11561），最小值点为g（08，6153），可得4挡降3挡过程中系统输出扭矩变化最大值为5408 N·m；由图10还可以看出，车辆一直处于加速状态，说明混合动力系统在本次降挡过程中实现了动力无中断。4挡降3挡的冲击度如图11所示，最大值点出现在（08，536），最大冲击度也在合理范围内，说明降挡过程中对冲击的控制较好，换挡品质较好。
4结束语
本文主要介绍了新型行星齿轮插电式并联混合动力系统，并根据新型混合动力系统的原理图建立了AMESim仿真模型，并验证了所建模型的正确性。对1组升挡和1组降挡的换挡过程进行仿真，主要分析了换挡过程中发动机转速、发动机与离合器的搭接过程及输出扭矩，并计算得到换挡冲击度。换挡过程中，发动机转速变化较为平缓，发动机与离合器搭接过程平滑，最大换挡冲击度在合理范围内，分析结果表明，该新型混合动力系统对换挡冲击的控制取得良好效果，换挡品质较好，同时整个换挡过程实现了无动力中断。
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[5]张俊智， 李波， 薛俊亮， 等. 混合动力电动汽车冲击度的试验[J]. 机械工程学报， 2008， 44（4）： 8791. [6]柳士江， 周文竞， 朱玉光， 等. 插电式混合动力汽车双离合动力系统发动机启动优化分析[J]. 汽车工程学报， 2015， 5（5）： 327333.
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