Development of Synchronized Automated Manual Transmission for Electric Heavy-duty Commercial Vehicle

Abstract

Sähkömoottorikäyttöisten henkilöautojen myötä myös kiinnostus raskaiden ajoneuvojen ja työkoneiden sähkömoottorikäyttöihin on kasvanut. Jotta moottoria ei tarvitsi suuren liikkeellelähtömomentin takia reilusti ylimitoittaa, on kaksinopeuksisen alennusvaihteen integroiminen ajoneuvon voimansiirtoon järkevää. Sähkömoottorikäyttö mahdollistaa täysin uudenlaisten vaihderatkaisujen hyödyntämisen, sillä perinteinen levykytkin voidaan jättää voimalinjasta kokonaan pois. Suurin haaste kytkimettömälle vaihderatkaisulle on välityksenvaihdon hallinta ajoneuvon liikkuessa. Diplomityön teoriaosion päätavoitteena oli vaihteiston välityksenvaihdon synkronointiprosessien tutkiminen ja välityksenvaihtoon vaadittavien komponenttien ja toimilaitteiden kartoittaminen. Menetelminä tutkittiin sekä moottorin ohjaukseen perustuvaa sähköistä synkronointia, että mekaanista kitkakytkimeen perustuvaa synkronointia. Mekaanisen synkronointiyksikön geometria, materiaalivalinnat ja voitelu ovat kriittisiä tekijöitä nopeussynkronoinnin toiminnan kannalta. Sen sijaan sähköisen synkronoinnin mahdollistamiseksi tärkeitä kriteerejä ovat sekä moottorin, että välityksenvaihtosylinterin nopea ja tarkka ohjattavuus. Vaihtamisprosessin valvomiseksi vaaditaan riittävää anturointia sekä vaihtomekanismin aseman, että vaihteen ulostulonopeuden seurantaan. Välityksenvaihdon hallitsemiseksi on ymmärrettävä prosessin eri vaiheisiin kuluva aika ja muuttuva voimantarve vaihtosylinterillä eri prosessin vaiheissa. Mikäli moottorin ohjaus, anturointi ja lineaarisylinterin ohjaus saadaan toteutettua riittävän tarkasti ja turvallisesti, voidaan teoriassa mekaanisesta synkronoinnista tulevaisuudessa luopua kokonaan. Diplomityön soveltavan osan tavoitteena oli suunnitella raskaaseen sähköajoneuvoon soveltuva kaksinopeuksinen synkronoitu automatisoitu ajovaihde. Suunnittelu perustuu työn teoriaosissa tutkittuun tietoon ajoneuvovaihteelle kohdistuvista vaatimuksista ja välityksenvaihdon ratkaisuista. Suunnitelman pohjalta valmistettu prototyyppivaihde mahdollistaa erilaisten synkronointimenetelmien testaamisen käytännössä. Koeajot ja niiden tulokset eivät kuitenkaan sisälly tähän opinnäytetyöhön.

After electrification of passenger cars, electric traction motors have rapidly started to gain ground within heavy working machines and commercial vehicles. To avoid oversizing the motor just because of high moving-off torque, it is reasonable to integrate two-speed reduction gearbox into a vehicle driveline. The driveline with a modern traction motor makes possible to use completely new type of transmissions since conventional dry clutch can be totally removed. The biggest challenge with clutchless driveline is to manage gear shifting while vehicle is moving. The main objective of a theory section of the thesis was to investigate gear shift process and speed synchronization methods of vehicle transmissions and make survey about necessary components and actuators for the process. As speed synchronization methods, both electric synchronization by traction motor control and mechanical synchronization by synchromesh components were studied. For synchromesh operation, the right geometry, material choices and proper lubrication are the key factors. To enable electric synchronization, an accurate and rapid controllability are requirements for both traction motor and gear shift actuator. Monitoring gearshift operations is enabled by multiple sensors to observe position of the shifter mechanism but also to read rotational speed of the gearbox output shaft. To be able to control gear shift process, it is necessary to understand lengths of its separate phases and be aware of alternating need of actuating force during the process. If motor control, actuator control and sensor functions are operated accurately enough, it is theoretically possible to totally get rid of mechanical synchronizer. Target for the applied part of the thesis was to design an automated synchronized two-speed transmission suitable for electric heavy-duty commercial vehicle. The design was based on requirements set by vehicle application and gearshift solutions investigated in theory section of the thesis. As a result of the design work, the real prototype gearbox is manufactured enabling testing different speed synchronization methods in practice. However, the test runs and their results are not part of this thesis.