電動(dòng)車(chē)兩檔變速器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

夏致斌

（湖南汽車(chē)工程職業(yè)學(xué)院，湖南 株洲 412001）

電動(dòng)車(chē)兩檔變速器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

夏致斌

（湖南汽車(chē)工程職業(yè)學(xué)院，湖南 株洲 412001）

設(shè)計(jì)了一款電動(dòng)車(chē)用變速器，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行參數(shù)匹配設(shè)計(jì)。依據(jù)整車(chē)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的要求，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的速比進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，制定了以電機(jī)高效運(yùn)行為原則的換擋控制策略，并與采用固定速比減速器的電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)，整車(chē)的能耗降低了6%，續(xù)駛里程延長(zhǎng)了7%。

電動(dòng)汽車(chē)；驅(qū)動(dòng)電機(jī)；變速器；傳動(dòng)速比

CLC NO.:U462.2Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)11-40-04

引言

電動(dòng)汽車(chē)以可再生清潔的電能為動(dòng)力，克服了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的環(huán)境污染和資源短缺問(wèn)題；電動(dòng)汽車(chē)牽引電機(jī)相對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)具有較寬的工作范圍，并且電機(jī)低速時(shí)恒轉(zhuǎn)矩和高速時(shí)恒功率的特性更適合車(chē)輛運(yùn)行需求[1]。采用固定速比的一擋減速器存在電機(jī)利用效率較低的問(wèn)題，為了保證汽車(chē)的最高車(chē)速，減速器速比往往選擇得比較小，這就使?fàn)恳姍C(jī)長(zhǎng)期處于高轉(zhuǎn)矩、大電流的工作狀態(tài)下，電機(jī)效率比較低，從而浪費(fèi)電池能量降低續(xù)駛里程。電動(dòng)汽車(chē)牽引電機(jī)既要在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)提供較高瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，又要在恒功率區(qū)提供較高運(yùn)行速度，才能滿足車(chē)輛的高速、爬坡和加速等整車(chē)性能要求。為使電動(dòng)汽車(chē)發(fā)揮其優(yōu)越性，并降低電動(dòng)汽車(chē)對(duì)動(dòng)力電池和牽引電機(jī)要求，電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)多擋化。[2]

1、兩檔變速器設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)

現(xiàn)有常用的電動(dòng)汽車(chē)兩檔變速器有AMT 結(jié)構(gòu)和DCT結(jié)構(gòu)。采用AMT 結(jié)構(gòu)時(shí)，需要使用同步器，此時(shí)換擋沖擊較大。而采用DCT 結(jié)構(gòu)時(shí)，由于變速箱只有兩個(gè)檔位，此時(shí)雙離合器結(jié)構(gòu)會(huì)使成本增加很多。[3]

AT自動(dòng)變速器主要有兩種類(lèi)型， 一種為辛普森式行星齒輪變速器，一種為拉維納式行星齒輪變速器，圖1 為2K-H行星齒輪變速器的機(jī)構(gòu)圖。單排行星齒輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律特性方程式如下式（1）所示：

其中：n1為太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速；n2為齒圈轉(zhuǎn)速；n3為行星架轉(zhuǎn)速；a 為齒圈齒數(shù)Z2與太陽(yáng)輪齒數(shù)Z1之比即a=Z2/Z1。[4]

2、設(shè)計(jì)原理

為使變速器設(shè)計(jì)更加緊湊，所設(shè)計(jì)的兩擋變速器采用行星齒輪式兩擋變速原理，將差速器進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，取消了傳統(tǒng)AT變速器上的液力變矩器和機(jī)械油泵，采用一個(gè)小型的電動(dòng)油泵為系統(tǒng)提供液壓動(dòng)力，通過(guò)兩個(gè)高速開(kāi)關(guān)電磁閥分別控低速擋制動(dòng)器B1和高速擋離合器C1。當(dāng)B1接合、C1松開(kāi)時(shí)，可以得到一個(gè)比較大減速比；當(dāng)B1松開(kāi)、C1接合時(shí)，則整個(gè)行星架輸出速比為1；當(dāng)B1、C1均分離時(shí)，則可以實(shí)現(xiàn)空擋運(yùn)行。所設(shè)計(jì)的兩擋變速電驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，其中電機(jī)動(dòng)力由太陽(yáng)輪輸入，動(dòng)力由行星架輸出。[5]

3、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功能

帶兩擋變速功能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)功能有：

(1)該電動(dòng)汽車(chē)具有較廣的車(chē)速范圍和較大的爬坡扭矩。在恒功率電機(jī)區(qū)， 該車(chē)具有較高的速度，能夠滿足汽車(chē)在平坦的路面高速行駛的要求。在電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，該車(chē)低速運(yùn)行時(shí)具有大轉(zhuǎn)矩，能夠滿足爬坡度30%的要求；

(2)必要時(shí)中斷傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力傳遞。松開(kāi)油門(mén)，中斷動(dòng)力傳遞，以便變速器換擋；

(3)該車(chē)兩側(cè)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪具有差速功能；

(4)該車(chē)具有倒擋功能。[6]

帶兩擋變速功能電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)操縱方式：

(1)車(chē)輛起步及車(chē)輛爬坡行駛--掛1擋，實(shí)現(xiàn)起步或爬坡；

(2)車(chē)輛在平坦路面行駛--直接松開(kāi)加速踏板換2 擋，實(shí)現(xiàn)高速行駛，無(wú)需踩離合器換擋；

(3)制動(dòng)停車(chē)--在高速擋制動(dòng)后，換空擋停車(chē)；

(4)倒車(chē)行駛--停車(chē)，摁倒擋按鈕，通過(guò)電機(jī)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)倒擋。

4、電機(jī)參數(shù)選擇

驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力源，直接決定整車(chē)的性能。相對(duì)于其他傳統(tǒng)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)當(dāng)有如下特點(diǎn)。

（1）高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度；

（2）低速高轉(zhuǎn)矩和高速恒功率的寬調(diào)速范圍；

（3）較高的驅(qū)動(dòng)效率、低噪聲、低成本；

（4）在惡劣環(huán)境下可靠工作；

（5）能頻繁起動(dòng)、停車(chē)、加減速，對(duì)轉(zhuǎn)矩控制的動(dòng)態(tài)要求比較高。[7]

已知參數(shù)：①傳動(dòng)比i=6.5（單級(jí)變速器傳動(dòng)比）， 機(jī)械傳動(dòng)效率η =0.95， 驅(qū)動(dòng)輪半徑r =0.283m。②滾動(dòng)阻力系數(shù)f=0.014。③空氣阻力系數(shù)GD =0.32。④車(chē)輛迎風(fēng)面積A=1.91m2。⑤整車(chē)質(zhì)量為1500kg。⑥設(shè)定爬坡速度25km/h，爬坡度25%，角度14°。⑦設(shè)定高速勻速行駛的速度為110km/h。

通過(guò)計(jì)算， 車(chē)輛爬坡時(shí)電機(jī)的峰值輸出功率能達(dá)到30kW，峰值轉(zhuǎn)矩能達(dá)到176N·m 即可。

電機(jī)爬坡時(shí)效率按75%計(jì)算。需要的電機(jī)輸入功率為P/0.75。

車(chē)輛以最高速行駛時(shí)電機(jī)輸出的功率為15kW，轉(zhuǎn)矩為24N·m，轉(zhuǎn)速為6000r ／min，以上參數(shù)為無(wú)風(fēng)理想狀況下的計(jì)算參數(shù)[6]。

根據(jù)無(wú)刷直流電機(jī)的過(guò)載特性和加速要求特性， 要預(yù)留有部分后備功率， 選額定輸出功率為25kW 的無(wú)刷直流電機(jī)，可滿足高速情況下的功率輸出，爬坡時(shí)電機(jī)過(guò)載到38kW的峰值功率，因此，選用額定功率25kW，峰值功率38kW，最高轉(zhuǎn)速6000r/min，峰值轉(zhuǎn)矩180N·m 電機(jī)。

5、兩檔變速器傳動(dòng)速比設(shè)計(jì)

兩擋變速器速比選擇的基本原則：一擋速比在滿足汽車(chē)爬坡要求的同時(shí)，要兼顧在常用低速段電機(jī)運(yùn)行在高效率區(qū)；二擋在滿足最高車(chē)速的同時(shí)，盡量降低電機(jī)的輸入軸轉(zhuǎn)速，同時(shí)要滿足常用高速段運(yùn)行時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速盡量落在電機(jī)運(yùn)行的高效區(qū)域。同時(shí)，在速比選擇過(guò)程中還要考慮擋位切換過(guò)程中平順性控制問(wèn)題，過(guò)大的1擋速比和過(guò)小的2擋速比將極有可能造成擋位切換過(guò)程中電機(jī)輸出總功率不能保持平衡，影響平順性。[5]

欲滿足設(shè)計(jì)車(chē)型的最高行駛車(chē)速Vmax要求，傳動(dòng)系總

傳動(dòng)比

式中：imax為傳動(dòng)系總傳動(dòng)比最大值；nmax為電動(dòng)機(jī)最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，r/min。

為保證最大爬坡度，根據(jù)汽車(chē)?yán)碚?/p>

式中：imin為傳動(dòng)系總傳動(dòng)比最小值；αmax為最大爬坡度，（°）；Tmmax為電動(dòng)機(jī)最大扭矩，N·m；ηT為從電動(dòng)機(jī)到車(chē)輪的傳動(dòng)效率，此處取0.9。

從以上公式中可以得出，為了保證設(shè)計(jì)車(chē)型的最高設(shè)計(jì)車(chē)速和最大設(shè)計(jì)爬坡度，如果采用固定速比1擋減速器，傳動(dòng)系統(tǒng)總傳動(dòng)比i應(yīng)限制在imini≤imax范圍內(nèi)；而采用兩擋自動(dòng)變速器，則1擋傳動(dòng)比決定了汽車(chē)的最大爬坡能力，2擋傳動(dòng)比則決定了汽車(chē)的最高車(chē)速，因此，傳動(dòng)系在1擋時(shí)總傳動(dòng)比i1≥imin，以保證最大爬坡度；在2擋時(shí)總傳動(dòng)比i2≤imax，以保證最高車(chē)速。

通過(guò)計(jì)算，得出：i1=10.5

根據(jù)實(shí)際匹配，可實(shí)現(xiàn)二擋傳動(dòng)比分別為6.7和10.5。[7]

6、換擋設(shè)計(jì)

為了在換擋過(guò)程中保持變速器的輸出轉(zhuǎn)矩平順變化，必須精確控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和離合器的滑摩。控制策略包括在轉(zhuǎn)矩相應(yīng)用線性前饋控制器控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)和離合器，而在慣性相應(yīng)用PID 控制器控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使離合器主從動(dòng)盤(pán)的角速度差跟隨期望的曲線。

根據(jù)轉(zhuǎn)矩相和慣性相傳動(dòng)系的動(dòng)力平衡方程和保持變速器的輸出轉(zhuǎn)矩平順變化，以及無(wú)動(dòng)力中斷的需求，推導(dǎo)出轉(zhuǎn)矩相和慣性相時(shí)變速器輸出轉(zhuǎn)矩的公式，從而確定了轉(zhuǎn)矩相和慣性相的控制策略［8］[9]。

采用二參數(shù)換擋規(guī)律，以車(chē)速和油門(mén)開(kāi)度為換擋參數(shù)。采用與傳統(tǒng)汽車(chē)自動(dòng)變速換擋規(guī)律獲取相同的方法，如圖3所示，當(dāng)汽車(chē)掛1擋運(yùn)行在某一油門(mén)開(kāi)度下時(shí)，取該油門(mén)開(kāi)度兩擋效率曲線的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的車(chē)速為升擋車(chē)速，如果沒(méi)有交點(diǎn)則取1擋效率曲線的末端車(chē)速為升擋車(chē)速；當(dāng)汽車(chē)在2擋運(yùn)行時(shí)，為了防止循環(huán)換擋，降擋車(chē)速則是在升擋車(chē)速的基礎(chǔ)上進(jìn)行一定的換擋延遲。

7、驗(yàn)證試驗(yàn)

目前，該兩擋變速器完成設(shè)計(jì)制作和初步的測(cè)試，圖4為兩擋變速器總裝效果；圖5、圖6為初步的臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)。測(cè)試結(jié)果表明，兩擋變速器在換擋過(guò)程能實(shí)現(xiàn)平順換擋，降擋過(guò)程完成時(shí)間約0.45 s，升擋過(guò)程完成時(shí)間約0.57 s。

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證， 帶二擋變速功能電動(dòng)汽車(chē)與傳統(tǒng)電動(dòng)的汽車(chē)相比最高車(chē)速及最大爬坡度都有了明顯的提高。最高車(chē)速提高了22.56km/h，而在經(jīng)濟(jì)性上，采用兩擋自動(dòng)變速器使整車(chē)的能耗降低了6%，續(xù)駛里程延長(zhǎng)了7%。采用兩擋變速器，可以使電機(jī)更多地工作在高效區(qū)，其原因是采用兩擋

變速器時(shí)，電機(jī)的工作轉(zhuǎn)矩比采用固定擋減速器小得多，這樣就減小了電機(jī)的工作電流，降低了電機(jī)的繞組損耗，提高了電機(jī)的工作效率。

8、結(jié)論

（1）依據(jù)方案設(shè)計(jì)了一款電動(dòng)車(chē)用兩檔變速器。

（2）通過(guò)計(jì)算，選定了電機(jī)的參數(shù)。

（3）設(shè)計(jì)了兩檔變速器的傳動(dòng)速比和換擋策略。

（4）通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)，設(shè)計(jì)的電動(dòng)車(chē)用兩檔變速器性能指標(biāo)得到優(yōu)化，達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。

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更改lay文件中各個(gè)參數(shù)的值：L=7600，H=1500，W=2300，X=1100，Dt=12，Bt=8，Jt=4，NC=8，ND=10。更新三維模型得到圖8所示貨箱，在“分析”菜單中點(diǎn)“模型-質(zhì)量屬性”可查詢出貨箱總質(zhì)量為5946.7Kg。

4、總結(jié)

對(duì)于結(jié)構(gòu)類(lèi)似，零件截面尺寸一致的常規(guī)自卸車(chē)貨箱，利用布局文件lay文件建立的貨箱三維模型可通過(guò)改變lay文件參數(shù)方便、快速地得到需要的貨箱模型和理論貨箱質(zhì)量，極大地提高了設(shè)計(jì)效率及設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性，方便設(shè)計(jì)人員快速得出不同用戶配置的貨箱質(zhì)量。利用這一方法，同樣可以建立斜筋、U型、四縱梁等結(jié)構(gòu)的參數(shù)化貨箱三維模型，使設(shè)計(jì)人員在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

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Design and Development of Electromobile’s two Speed Transmission

Xia Zhibin
（Hunan Automotive Engineering Vocational College, Hunan Zhuzhou 412001）

A type of transmission is designed for electromobile, and it is taken parameter matching design to the drive motor. According to the demand of power and economy of mobile, it is optimized the design for the gear ratio of drive system, and established the shift control artifice on principle of efficient operation of the electrical motor. Comparing testing with electromobile which has fixed ratio reducer, the energy consumption of the electromobile with two speed transmission is reduced 6% and limited driving distance is extended 7%.

electromobile; drive motor; transmission; gear ratio

U462.2

A

1671-7988(2014)11-40-04

夏致斌，就職于湖南汽車(chē)工程職業(yè)學(xué)院。

2013年湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2013GK3194）。