作者：帕特里克・斯塔克 理学硕士 德国斯托尔贝格 IAV 股份有限公司
摘要
商用车电气化程度的不断提高，正改变着动力总成及其子部件的诸多边界条件。这引发了一个问题：传统解决方案是否仍能满足新的需求？在此背景下，本文针对一款搭载自动 3 挡爪式离合器变速箱的纯电动商用车特定驱动方案，围绕整车语境下的变速箱执行系统展开研究，重点分析了执行系统对车辆续航里程的影响。为此，研究人员采用系统化仿真方法（IAV 执行器综合设计法），设计、仿真、优化、评估并对比了机电式和气动式换挡执行器方案。该方法将换挡系统拆解为多个功能模块，每个模块均通过优化参数表征。通过对这些优化参数进行系统化调整，可实现数百万种方案的遍历分析。针对每个参数组合，都会进行基于准静态时间步长的一维换挡过程仿真，从而获取各方案的换挡时间、作用力、力矩、能耗等关键数据。此外，通过自动化预尺寸标定流程，还能为每组参数赋予对应的质量、体积和成本属性。最终，基于生成的参数研究结果进行效益分析，为系统对比提供依据。
研究背景
商用车行业的温室气体排放量占全球总量的 5%[1]，因此商用车领域对于实现《巴黎气候协定》目标具有重要意义。从经济角度来看，电池电动车辆和燃料电池车辆最有可能主导商用车行业的脱碳进程 [1]。多项研究表明，到本十年末，电动汽车将能够平衡生命周期可持续性与总拥有成本（TCO）之间的矛盾 [1,2,3]。这一趋势已推动越来越多的商用车实现电气化，进而改变了动力总成及其子部件的诸多边界条件。这引发了传统解决方案是否仍能满足新需求的疑问，而执行系统正是这一背景下的关键考量因素。此外，执行系统类型繁多（如机电式、气动式等），选择合适的执行系统成为一项极为复杂的开发任务，必须与整车系统相适配。为此，IAV 公司开发了一套用于执行系统选型与优化的系统化方法。
系统化预开发流程 ——IAV 执行器综合设计法
为给特定应用场景选择最适宜的执行技术，IAV 公司研发了一种先进的开发方法 —— 执行器综合设计法 [4]。这种基于仿真的一致性方法，能够在产品开发早期就从效率、安装空间、换挡特性和成本等方面对执行系统进行分析、评估与优化 [5]。该方法已成功应用于多个领域，包括变速箱执行器（电子离合器、同步器、多片离合器与制动器、驻车锁）、转向器、线控制动系统以及机械臂等。如图 1 所示，该方法始于需求定义阶段，明确执行器系统的目标应用场景和输入变量。除了换挡力最大值、换挡行程和所需换挡时间等核心指标外，被执行换挡元件的力 - 行程特性也是关键输入参数 [5]。
需求定义目标应用场景（变速箱、转向系统、机械臂等）换挡力与行程特性所需换挡时间安装空间要求工作电压与电流限制执行系统系统化生成执行器模块化构建体系基于准静态时间步长的一维换挡仿真参数优化全执行系统效益分析（成本、效率、性能、安装空间）方法优势暴力搜索法确保高开发可靠性开发流程透明化执行系统与应用场景的优化适配适用于各类执行系统
图 1：IAV 执行器综合设计法的方法论 [5]
机电式执行系统的技术方案跨度极大，在结构设计上具有高度灵活性。因此，有必要采用形态学矩阵原理，对其子功能及潜在实现方案进行系统化描述。通过将整体功能拆解为独立子功能（如能量供给、扭矩与运动转换），进行数学建模并组合形成完整的执行系统方案，甚至可基于已知功能原理合成新型换挡系统 [5]。仿真流程的核心是对机电式执行系统方案进行系统化综合评估：首先确定系统的主要影响参数，并在物理合理范围内对其进行调整。这些参数对可实现的换挡时间、能耗、安装空间需求和执行方案成本具有显著影响。参数调整的步长和限值决定了搜索空间的大小，每个执行系统的参数组合数量可达 500 万组 [5]。为获取能耗和换挡时间数据，下一步需对所有参数组合进行跨执行周期的准静态瞬态一维换挡仿真。在此过程中，执行方案中的电机和机械部件会经过预尺寸标定，并映射其特定的特性曲线、转动惯量和效率水平。这使得可为搜索空间内所有执行方案的配置变体生成简化的安装空间模型，既支持初步安装空间分析，也能评估方案的适配性 [5]。后续的效益值分析为不同换挡系统的客观透明评估提供基础。该分析利用各执行系统生成的关键技术和经济数据，对能耗、安装空间、换挡时间、系统质量和成本等主要评估标准的适配百分比进行量化。最终形成的排序结果将作为最终方案选型的依据 [5]。在先进工程设计阶段之后，将进入选定执行方案的详细设计阶段。通过执行器综合设计法，已确定了主要系统参数的基本运动学布局（如电机类型与尺寸、传动比等）。对于机电式执行系统的硬件开发而言，详细设计阶段的核心步骤包括换挡过程动态效应的精细化仿真、机械元件尺寸标定、三维设计以及生成制造图纸，同时还需辅以公差分析和有限元分析（FEA）计算 [5]。
初始条件 —— 参考车辆 / 动力总成
本执行系统研究以 IAV 公司已开发的重型电动商用车动力总成拓扑结构为基础。该拓扑结构通过系统化方法（IAV 动力总成综合设计法）优化得出，是一种功能完善的 3 挡双电机动力总成方案。采用两台相同电机的设计，可复用量产市场的成熟部件，大幅降低动力总成成本；同时紧凑的结构设计使其能灵活适配不同车型 [6]。变速箱结构如图 2 所示，由直齿轮和四个轴向紧凑布置的主齿轮组构成。三个挡位的传动比通过动力路径切换实现，由三个刚性爪式离合器控制换挡。系统包含一个双换挡元件（B-C）和一个单换挡元件（A），两者间距较大 [6]。
图 2：IAV 三挡电动驱动系统结构 [6]
1 挡时，爪式离合器 B 接合，两台电机（EM1 和 EM2）产生的扭矩及其对应的传动比 iEM1 和 iEM2 实现耦合。耦合后的扭矩作用于电机连接轴，经主传动轴 1 和中间轴传递至差速器，完成扭矩放大。2 挡时，电机扭矩耦合至主传动轴 2，再通过中间轴传递至差速器。3 挡时，EM1 的动力路径最直接、机械效率最高，动力经中间轴直接传递至差速器，此时 EM1 和 EM2 的扭矩共同耦合至主传动轴 1 [6]。变速箱通过两台电机实现主动同步。换挡过程中，需在换挡元件处建立特定的转速差，确保离合器的接合与分离几乎在无负载状态下进行。这意味着仅需克服换挡元件处剩余的传动系拖曳损失（由轴承、密封件、电机等产生）。在系统级对比中，参考了电动商用车的当前技术水平：假设车辆配备电动压缩机，用于驱动行车制动、空气悬架及其他辅助装置，该压缩机同时为气动执行系统提供气源。本研究还考虑了气动执行所需的压缩机调整及额外能耗 / 功率需求。
气动与机电执行系统概念开发
本节将上述先进开发流程应用于商用车电动变速箱的爪式离合器执行系统。首先在需求定义阶段明确系统的边界条件：所用刚性爪式离合器需在 150 毫秒内完成接合或分离；车辆车载电源电压为 24 伏，最大电流 60 安。仿真过程中采用的爪式离合器特性如图 3 所示。
图 3：换挡力与行程特性
由于爪式离合器换挡元件（A 和 B/C）间距较大，需配置两个独立执行器（分别控制 A 和 B/C）。针对机电式执行系统，研究人员预先对比了五种方案，包括换挡鼓系统、两种丝杠系统（滚珠丝杠和梯形丝杠）、直线电机系统和电磁铁系统，具体如图 4 所示。
图 4：机电 / 电磁换挡方案
方案 1：换挡鼓 + 换挡拨叉方案 2/3：丝杠驱动（含电机、直齿轮、丝杠驱动机构、换挡拨叉）方案 4：直线电机（含衔铁、线圈、换挡拨叉）方案 5：电磁铁（含线圈 1、线圈 2、换挡拨叉）
预研究结果表明，在给定变速箱参数下，换挡鼓系统在安装空间、换挡动态性能、功率需求和成本之间实现了最佳平衡。因此，后续系统化概念优化围绕换挡鼓方案展开。该方案由电机通过直齿轮驱动换挡鼓构成，研究人员针对换挡时间、能耗、质量 / 安装空间及生产成本等指标，分析了超过 20 万个不同设计变体，重点调整了传动比、电机参数和换挡鼓轮廓。对每个参数组合均进行了瞬态一维换挡仿真，并通过效益分析确定了适配该应用场景的最优执行器设计。基于执行器综合设计法的结果，研究人员设计了两种换挡鼓执行器变体：一种是不含控制器和功率电子器件的全集成方案，另一种是模块化智能执行器方案，具体如图 5 所示。
图 5：机电式换挡鼓设计方案
设计 1：集成式执行器（1. 转角传感器、2. 换挡鼓轴、3. 换挡鼓、5. 小齿轮、6. 壳体、7. 壳体盖）设计 2：模块化智能执行器（1. 执行器齿轮箱壳体、2. 中间轴、3. 执行器端盖、4. 小齿轮、5. 电机壳体盖、6. 电子换向电机、7. 转角传感器、8. 控制器、9. 功率电子器件盖、10. 滑动轴承衬套、11. 输出轴）
参照机电式执行系统的开发流程，研究人员在相同边界条件下对气动系统进行了系统化研究、仿真和设计，其概念设计如图 6 所示。
图 6：气动换挡执行器
气动执行器（1. 消音器、2. 压缩空气接口、3. 插入式 ECU 接口、4. 执行器端盖、5. 位置传感器、6.3/2 通阀、7. 线束、8. 压缩空气传输通道、9. 模块本体、10. 活塞组、11. 活塞盖、12. 换挡拨叉安装座）换挡元件 A 执行器模块换挡元件 B-C 执行器模块机电式与气动式执行系统对比
本研究基于通过 IAV 执行器综合设计法优化后的机电式和气动式执行系统概念设计，从技术和经济两个维度进行评估对比。
机电式与气动式执行系统技术对比
技术评估采用如图 7 所示的标准，每个评估指标均配有权重系数，该系数通过针对目标应用场景的指标两两对比确定。下文将详细阐述技术评估中的核心指标（安装空间、换挡动态性能、能耗及维护与装配）。
图 7：技术评估指标
安装空间（安装空间体积、功能布局、模块化程度、质量）换挡动态性能（换挡时间、定位精度）能耗（循环能耗）维护与装配（装配便利性、维护需求、维修可达性）安装空间
安装空间指标主要描述不同方案的几何布局和功能适配性，同时评估执行系统的质量和模块化程度。安装空间体积和质量数据直接从 CAD 系统中获取，模块化程度和功能布局则通过定性分析评估。模块化程度反映系统对不同边界条件和目标应用场景的适配能力；功能布局描述系统与目标应用的集成效果及安装空间的分布合理性，核心目标是实现空间的高效利用。机电式系统在安装空间体积、模块化程度和质量方面表现最优；气动系统虽需更大安装空间，但空间分布更合理，更易于集成至变速箱拓扑结构中。
换挡动态性能
换挡动态性能是核心评估指标，描述执行器在保证高定位精度的前提下快速完成换挡任务的能力。在前期优化中，通过一维仿真对各执行系统进行了换挡时间校准，确保对比对象具有相同的换挡性能水平，因此各系统的换挡时间评估结果一致。在系统级评估中，执行器的定位精度权重较低，采用定性分析方式进行评估。尽管如此，机电式系统仍具备小幅优势：借助现有测量技术，机电式系统可通过可控流程精准到达终端位置和空挡位置，无需像气动系统那样依赖机械定位机构。
能耗
各系统单次执行过程（接合与分离）的能耗通过瞬态一维仿真计算得出。为对比执行系统的能耗差异，研究采用了整车级行驶循环能耗数据。首先计算执行器到电池端的能耗：气动系统的压缩空气由电动压缩机配合蓄能器产生，该压缩机同时为制动系统和悬架系统供能。结果显示，气动执行器从电池获取的能耗是机电式执行器的 5 倍，这主要源于压缩空气生成过程中的额外损失及蓄能器的能量损耗。为量化执行系统对整车能耗的影响，研究人员基于 EU Vecto 行驶循环，通过能量最优纵向动力学仿真模拟车辆的换挡频率。结合动力总成能耗和电池容量（或目标续航里程），可计算出采用不同执行系统时车辆的续航里程（或电池成本）差异，结果如下表 1 所示。
表 1：能耗与车辆续航里程（机电式 vs 气动式执行器）
注：假设电池容量≈675 千瓦时； 假设电池价格 = 80 欧元 / 千瓦时，目标续航里程 800 公里由于执行器能耗对车辆续航里程或整体效率平衡的影响极小，技术评估中不再重点考量能效指标，仅将电池成本绝对差异纳入经济评估范畴。
维护与装配
该指标通过定性分析进行对比：集成式机电执行器的评分最低，因其多数故障需拆解变速箱壳体才能维修；模块化智能执行器和气动系统则可整体更换，且从外部易于拆卸，但气动系统的更换需专业技术人员操作。
技术评估总体结果
技术评估总体结果如下表 2 所示。从技术角度看，机电式系统略优于气动式系统，其中模块化智能执行器表现尤为突出。
表 2：执行系统技术对比表
评分标准：5 - 优秀；4 - 良好；3 - 一般；2 - 较差；1 - 合格注：* 不纳入总分计算
机电式与气动式执行系统经济对比
经济评估基于 CAD 模型对三种系统进行了粗略成本计算。计算假设：年产能 20,000 台，生产周期 6 年，生产自动化水平高。成本计算采用 IAV 内部成本数据库，综合考虑了材料相关的制造工艺（包括原材料、工具和设备成本等），并采用可扩展成本模型（如基于二维钣金横截面的电机成本计算方法）。如 “能耗” 部分所述，经济评估还纳入了机电式系统因能耗较低带来的电池成本差异，该差异对执行系统总成本的影响不足 2%。执行系统成本计算的定性结果如图 8 所示（每套执行系统含两个执行器）。结果显示，针对目标应用场景，气动执行系统具有显著的成本优势。
图 8：执行系统相对成本对比
（纵坐标：相对成本；横坐标：集成式执行器、模块化智能执行器、气动式执行器）
综合评估
结合技术和经济评估结果，根据文献 [7] 的方法计算各方案的综合价值，结果如图 9 所示。
图 9：执行系统综合价值对比（横坐标：技术价值；纵坐标：经济价值）
方案综合价值集成式执行器0.62模块化智能执行器0.65气动式执行器0.77理论最优方案1.0
价值分布图显示，气动执行器在技术价值和经济价值之间实现了极佳的平衡，这一优势也体现在综合评估结果中。尽管气动系统的技术价值略低，但其相较于机电式执行器的显著成本优势更为突出，因此成为参考变速箱的最优方案。机电式执行器的成本劣势主要源于分散式单换挡鼓设计，电机和电子元件的高成本是主要原因。受目标变速箱的安装空间条件和换挡元件布局限制，无法通过采用带多换挡槽的中央换挡鼓实现多个换挡元件的集中驱动。如图 10 所示的中央换挡鼓设计，可通过减少电机和转角传感器的数量大幅降低成本。
图 10：带多换挡槽的中央换挡鼓
（含转角传感器、执行器齿轮、带多换挡槽的换挡鼓、电机、换挡拨叉）
不同执行系统的成本与换挡元件数量的关系如图 11 所示。
图 11：执行系统成本与换挡元件数量的关系
（纵坐标：相对成本；横坐标：换挡元件数量）
对于换挡元件数量较多的场景，单换挡鼓方案成本极高；中央换挡鼓方案的成本随换挡元件数量增加仅小幅上升。从第三个换挡元件开始，气动系统的成本优势被中央换挡鼓方案抵消；从第四个换挡元件开始，中央换挡鼓方案已具备成本优势。从整车角度看，仅当电动商用车需为其他辅助装置（如制动系统、空气悬架或舒适性悬架装置）配备压缩空气生成和处理组件时，气动执行器的成本优势才得以保留。随着传统气动控制装置（如制动系统）的电气化程度不断提高，变速箱执行器也应同步实现电气化。此外，若安装空间允许，对于三个及以上独立换挡元件的场景，建议采用中央换挡鼓系统。
结论
本文针对搭载自动 3 挡爪式离合器变速箱的纯电动商用车动力总成，系统地设计、仿真、优化、评估并对比了机电式和气动式换挡执行器方案。研究过程中，提出了一种机电式执行系统的系统化生成与优化方法：将换挡系统拆解为功能模块，通过系统化调整优化参数实现数百万种方案的遍历，对每个参数组合进行基于准静态时间步长的一维换挡仿真，最终通过效益分析为系统对比提供依据。此外，还对执行器方案进行了预研究。评估过程分为经济评估和技术评估两部分，技术评估涵盖安装空间、换挡动态性能、能耗及维护与装配等指标，并在整车层面量化了执行器能耗的影响。研究明确了气动式和机电式换挡执行系统的适用边界条件，其中需驱动的换挡元件数量及其在变速箱内的布置方式是关键决定因素。
