新能源汽車兩檔變速器設計與實現(xiàn)分析

面臨資源短缺的這個世界性問題，各領域的科技人員不停地在尋找可替代能源的方案，同時電動車利用可再生能源電能為動力，很大程度上解決了內燃機汽車燃燒汽油造成的環(huán)境污染與資源短缺問題，同時利用電能為資源的電動車具有較寬廣的工作范圍，為此將對驅動電機進行針對性、科學化的參數(shù)匹配，設計電動車變速器，保證電動車動力上的支出以及能源應用效率更高，設計以電動機高效運行為原則的換擋變速器，并對此進行了試驗，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

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

一、兩檔變速器設計理論基礎

現(xiàn)有常用的電動汽車兩檔變速器有AMT結構和DCT結構。采用AMT結構時，需要使用同步器，此時換擋沖擊較大。而采用DCT結構時，由于變速箱只有兩個檔位，此時雙離合器結構會使成本增加很多。AT自動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，單排行星齒輪機構運動規(guī)律特性方程式如示:n1+an2-(1+a)=0其中: n1為太陽輪轉速：n2為齒圈轉速；n3為行星架轉速：a為齒圈齒數(shù)Z2與太陽輪齒數(shù)Z1之比即：a=Zz/Z1。

二、設計原理

為使變速器設計更加緊湊，所設計的兩擋變速器采用行星齒輪式兩擋變速原理，將差速器進行集成設計，取消了傳統(tǒng)AT變速器上的液力變矩器和機械油泵，采用一個小型的電動油泵為系統(tǒng)提供液壓動力，通過兩個高速開關電磁閥分別控低速擋制動器B1和高速擋離合器C1。當B1接合、C1松開時，可以得到一個比較大減速比：當B1松開、C1接合時，則整個行星架輸出速比為1：當B1， Cl均分離時，則可以實現(xiàn)空擋運行。

三、電機參數(shù)選擇

驅動電機作為純電動汽車動力源，直接決定整車的性能。相對于其他傳統(tǒng)電驅動系統(tǒng)，純電動汽車驅動電機應當有如下特點。

(1)高功率密度、高轉矩密度：

(2)低速高轉矩和高速恒功率的寬調速范圍：

(3)較高的驅動效率、低噪聲、低成本：

(4)在惡劣環(huán)境下可靠工作：

(5)能頻繁起動、停車、加減速，對轉矩控制的動態(tài)要求比較高。

己知參數(shù):①傳動比i=6.5(單級變速器傳動比)，機械傳動效率?=0.95，驅動輪半徑r =0.283m。②滾動阻力系數(shù)f=0.014。③空氣阻力系數(shù)GD =0.32。④車輛迎風面積A=1.91。⑤整車質量為1500kg。⑥設定爬坡速度25km/h，爬坡度25%，角度十四度。⑦設定高速勻速行駛的速度為110km/h。通過計算，車輛爬坡時電機的峰值輸出功率能達到30kW，峰值轉矩能達到176N·m即可。

電機爬坡時效率按75%計算。需要的電機輸入功率為P/0.75。車輛以最高速行駛時電機輸出的功率為15kW，轉矩為24N·m，轉速為6000r/min，以上參數(shù)為無風理想狀況下的計算參數(shù)。

根據(jù)無刷直流電機的過載特性和加速要求特性，要預留有部分后備功率，選額定輸出功率為25kW的無刷直流電機，可滿足高速情況下的功率輸出，爬坡時電機過載到38kW的峰值功率，因此，選用額定功率25kW。峰值功率38kW。最高轉速6000r/min，峰值轉矩180N·m電機。

四、兩檔變速器傳動速比設計

一檔在常用低速段電機要好效率的運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行段時電機要保持在高效運行區(qū)，盡量降低此時的能源浪費，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、換擋設計

為了在換擋過程中保持變速器的輸出轉矩平順變化，必須精確控制驅動電機的轉矩和離合器的滑摩?？刂撇呗园ㄔ谵D矩相應用線性前饋控制器控制驅動電機和離合器，而在慣性相應用PID控制器控制驅動電機，使離介器卞從動盤的角速度差跟隨期望的曲線。根據(jù)轉矩相和慣性相傳動系的動力平衡方程和保持變速器的輸出轉矩平順變化，以及無動力中斷的擊求，推導出轉矩相和慣性相時變速器輸出轉矩的公式，從而確定了轉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)汽車自動變速換擋規(guī)律獲取相同的方法，” 當汽車掛1擋運行在某一油門開度下時，取該油門開度兩擋效率曲線的交點對應的車速為升擋車速，如果沒有交點則取1擋效率曲線的末端車速為升擋車速；當汽車在2擋運行時，為了防止循環(huán)換擋，降擋車速則是在升擋車速的基礎上進行一定的換擋延遲。

通過試驗驗證，帶二檔變速功能電動汽車與傳統(tǒng)電動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，而在經濟性上，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，可以使電機更多地工作在高效區(qū)，其原因是采用兩檔變速器時，電機的工作轉矩比采用固定檔減速器小得多，這樣就減小了電機的工作電流，降低了電機的燒組損耗，提高了電機的工作效率。

總結：在電動車的構造上來看，電機的運行效率尤為重要，而兩檔變速器的設計是保證電機運行效率的重大因素， 兩檔變速器的傳動速比和換擋策略的相互結合會大幅度提高電動車電機的效率，從而達到高運行、長里程、低損耗、低浪費等諸多優(yōu)點。通過試驗也證明了電動車兩檔變速器的性能指標得到優(yōu)化，達到預期目標。同時也堅信在未來的發(fā)展中會出現(xiàn)更為優(yōu)化的設計方案，更高效地利用能源，從而也達到了節(jié)約資源、保護環(huán)境。