新能源汽車兩檔變速器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)分析

面臨資源短缺的這個(gè)世界性問題，各領(lǐng)域的科技人員不停地在尋找可替代能源的方案，同時(shí)電動(dòng)車?yán)每稍偕茉措娔転閯?dòng)力，很大程度上解決了內(nèi)燃機(jī)汽車燃燒汽油造成的環(huán)境污染與資源短缺問題，同時(shí)利用電能為資源的電動(dòng)車具有較寬廣的工作范圍，為此將對驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行針對性、科學(xué)化的參數(shù)匹配，設(shè)計(jì)電動(dòng)車變速器，保證電動(dòng)車動(dòng)力上的支出以及能源應(yīng)用效率更高，設(shè)計(jì)以電動(dòng)機(jī)高效運(yùn)行為原則的換擋變速器，并對此進(jìn)行了試驗(yàn)，整車的能耗降低了百分之六，續(xù)駛里程延長了百分之七。

前 言

電機(jī)的高效率運(yùn)行是電動(dòng)車最高車速的保障，同時(shí)也是對電能資源的節(jié)約。固定速比的電動(dòng)車一般對電機(jī)的利用率比較低，促使電機(jī)處于高轉(zhuǎn)矩、大電流的運(yùn)行狀態(tài)，不僅浪費(fèi)電機(jī)而且降低行駛里程。為了滿足電動(dòng)車爬坡、高速和加速等等要求，牽引電動(dòng)機(jī)不僅要在恒功率區(qū)提供較高運(yùn)行速度，而且要在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)提供高瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，為了降低電動(dòng)車對動(dòng)力電機(jī)的要求，更大程度上發(fā)揮其優(yōu)越性，電動(dòng)汽車應(yīng)該多檔化尤其是要優(yōu)化電動(dòng)汽車的兩檔變速器的設(shè)計(jì)。
 

一、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。AT自動(dòng)變速器主要有兩種類型，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，單排行星齒輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律特性方程式如示:n1+an2-(1+a)=0其中: n1為太陽輪轉(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與太陽輪齒數(shù)Z1之比即：a=Zz/Z1。

二、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，通過兩個(gè)高速開關(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松開時(shí)，可以得到一個(gè)比較大減速比：當(dāng)B1松開、C1接合時(shí)，則整個(gè)行星架輸出速比為1：當(dāng)B1， Cl均分離時(shí)，則可以實(shí)現(xiàn)空擋運(yùn)行。

三、電機(jī)參數(shù)選擇

驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為純電動(dòng)汽車動(dòng)力源，直接決定整車的性能。相對于其他傳統(tǒng)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，純電動(dòng)汽車驅(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、加減速，對轉(zhuǎn)矩控制的動(dòng)態(tài)要求比較高。

己知參數(shù):①傳動(dòng)比i=6.5(單級變速器傳動(dòng)比)，機(jī)械傳動(dòng)效率?=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車輛迎風(fēng)面積A=1.91。⑤整車質(zhì)量為1500kg。⑥設(shè)定爬坡速度25km/h，爬坡度25%，角度十四度。⑦設(shè)定高速勻速行駛的速度為110km/h。通過計(jì)算，車輛爬坡時(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)為無風(fēng)理想狀況下的計(jì)算參數(shù)。

根據(jù)無刷直流電機(jī)的過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)。

四、兩檔變速器傳動(dòng)速比設(shè)計(jì)

一檔在常用低速段電機(jī)要好效率的運(yùn)行以及要滿足汽車爬坡功能的要求，二檔在滿足常用高速運(yùn)行段時(shí)電機(jī)要保持在高效運(yùn)行區(qū)，盡量降低此時(shí)的能源浪費(fèi)，這是兩檔變速器速比選擇的基本條件。檔位切換過程中的平順性控制問題也是速比選擇過程中的不容忽視的重要一環(huán)，過小的2檔速比以及過大的1檔速比可能造成輸出總功率不平衡，影響平順性。

五、換擋設(shè)計(jì)

為了在換擋過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)，使離介器卞從動(dòng)盤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，以及無動(dòng)力中斷的擊求，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。

采用二參數(shù)換檔規(guī)律，以車速和油門開度為換擋參數(shù)。采用與傳統(tǒng)汽車自動(dòng)變速換擋規(guī)律獲取相同的方法，” 當(dāng)汽車掛1擋運(yùn)行在某一油門開度下時(shí)，取該油門開度兩擋效率曲線的交點(diǎn)對應(yīng)的車速為升擋車速，如果沒有交點(diǎn)則取1擋效率曲線的末端車速為升擋車速；當(dāng)汽車在2擋運(yùn)行時(shí)，為了防止循環(huán)換擋，降擋車速則是在升擋車速的基礎(chǔ)上進(jìn)行一定的換擋延遲。

通過試驗(yàn)驗(yàn)證，帶二檔變速功能電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)電動(dòng)的汽車相比最高車速及最大爬坡度都有了明顯的提高。最高車速提高了22.56km/h，而在經(jīng)濟(jì)性上，采用兩檔變速器使整車的能耗降低了百分之六，續(xù)駛里程延長了百分之七。采用兩檔變速器，可以使電機(jī)更多地工作在高效區(qū)，其原因是采用兩檔變速器時(shí)，電機(jī)的工作轉(zhuǎn)矩比采用固定檔減速器小得多，這樣就減小了電機(jī)的工作電流，降低了電機(jī)的燒組損耗，提高了電機(jī)的工作效率。

總結(jié)：在電動(dòng)車的構(gòu)造上來看，電機(jī)的運(yùn)行效率尤為重要，而兩檔變速器的設(shè)計(jì)是保證電機(jī)運(yùn)行效率的重大因素， 兩檔變速器的傳動(dòng)速比和換擋策略的相互結(jié)合會(huì)大幅度提高電動(dòng)車電機(jī)的效率，從而達(dá)到高運(yùn)行、長里程、低損耗、低浪費(fèi)等諸多優(yōu)點(diǎn)。通過試驗(yàn)也證明了電動(dòng)車兩檔變速器的性能指標(biāo)得到優(yōu)化，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。同時(shí)也堅(jiān)信在未來的發(fā)展中會(huì)出現(xiàn)更為優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，更高效地利用能源，從而也達(dá)到了節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境。