電動汽車兩檔自動變速器的設計與研究

張俊玲 劉炳昌

摘要：本文基于某電動汽車原有固定檔變速器，提出了兩檔自動變速器的結構方案，并根據動力性和經濟性指標利用MATLAB軟件對其傳動比進行了優化設計，最后基于UG軟件建立了兩檔變速器的三維模型。

關鍵詞：兩檔自動變速器;傳動比優化;三維建模

引言

環境污染和資源短缺近年來成為了以內燃機為動力的汽車目前所面臨的兩大技術問題，而電動汽車以可再生、清潔的電能作為動力，克服了傳統汽車的這些缺點，成為了目前汽車生產商研究的熱點。純電動汽車以電動機作為動力源，具有良好的調速特性，電動機在低速時恒轉矩和高速時恒功率的特性比較適合車輛的運行需求。鑒于研發成本的考慮，眾多在內燃發動機汽車基礎上改造的電動汽車，大都沿用了原有變速器的一個或兩個檔位來傳動，不利于變速器的專用化。

山東某汽車公司生產的電動汽車采用固定速比減速器，只有一個檔位，使得電動機常工作在低效率區域，既浪費能源，又提高了對牽引電機的要求，還使汽車的續駛里程減少。因此，對作為傳動系統主體的變速器的研究成為改善電動汽車傳動性能尤其是經濟性能的主要部分。多檔化能夠降低對電機的要求，擴大電動機的工作區域，通過對傳動系統的控制來保證牽引電機總是能夠工作在理想的區域，從而提高整車的動力性、經濟性等指標。隨著生活水平的不斷提高，人們對駕駛舒適感和容易度也提出了更高的要求，本文基于某電動汽車研究了一種兩檔無離合式自動變速器，對其傳動比進行了以能量消耗最小為目標的優化，并在UG環境下對變速器進行了三維建模，為進一步的動力學仿真和試車運行提供了理論依據。

1.電動汽車兩檔自動變速器的設計方案

檔位數的增加有利于增大利用電動機最大功率的機會，提高整車的動力性和經濟性，但由于電動機具有良好的調速特性，因此電動汽車的檔位數不宜過多，否則會增加整車的體積和重量，降低傳動效率，故本文設計兩檔變速，低檔對應整車的起步和爬坡，高檔對應整車的最大車速，這樣低速檔的傳動比可以選擇的較大，整車的牽引力也較大，動力性較強?；谠泄潭ㄋ俦葴p速器的機械結構和安裝空間，本設計增加了一根傳動軸，采用傳統的三軸式結構。主要由輸入軸、輸出軸、中間傳動軸、高速檔齒輪、低速檔齒輪、主傳動齒輪、同步器及差速器等組成，其結構如圖1所示。

通過換擋撥叉與同步器的連接實現高低檔位的切換，同時同步器用于減少換擋沖擊和噪聲，實現快速同步;主傳動齒輪為常嚙合齒輪，用于降速增扭;差速器連接驅動軸，實現扭矩的輸出和分解。變速器實現換擋的條件就是輸入輸出端的轉速能夠達到同步，由于電機的控制性能優于發動機，通過控制電機的轉速、轉矩可以實現同步換擋控制，因此在該變速驅動系統中去除離合器，通過電控單元的控制來實現無離合自動換擋過程。

圖1 兩檔自動變速器的結構簡圖

整車分為四個檔位，即1檔、2檔、N檔、R檔，檔位分布如圖2。

1.1空擋狀態

同步器結合套處于中間位置，此時1、2檔齒輪均處于空轉狀態，變速器處于空擋。

圖2 檔位布置

1.2一檔（低速擋或起步檔）實現

動力通過電動機經輸入軸輸入，同步器結合套在換擋力的作用下向左移動與一檔空套齒輪結合，齒輪與輸出軸固連成一體，實現動力輸出。

1.3二檔（高速檔或直接檔）實現

當同步器結合套在軸向換擋力的作用下經過空擋位滑向右側時，結合套將輸出軸二檔空套齒輪與軸連成一體，動力即由該齒輪輸出。

1.4倒檔（R檔）實現

檔利用電動機的反轉實現，其變速箱狀態與一檔相同，我們借鑒一些內燃汽車上的擋位設置方法，倒檔與一檔擋位位置相同，但倒檔需要摁下電機反轉開關，操縱時須壓下。

2.傳動比的參數選擇和優化

傳動比的選擇要兼顧汽車動力性和經濟性也就是續駛里程兩個條件，為此我們以動力性要求作為約束條件，以整車的經濟性即能量消耗為目標函數對傳動比進行優化。

2.1根據動力性的要求，傳動比的約束條件為：電動汽車低速檔傳動比必須滿足汽車對起步和爬坡度的要求，即：

，其中

為最大爬坡度， 為總傳動比的最小值， 為電動機的最大轉矩。

電動機高速檔傳動比必須滿足最高車速的要求：

， 為電動機的最高穩定轉速， 為整車最高車速。根據整車的參數設置可得：

2.2為了提高整車的續駛里程，應盡量使電動機工作在等功率區和額定轉速附近。我們以整車一個ECE循環工況的能量消耗作為優化目標，以道路的循環工況給定的車速為輸入，經傳動系統得到電機的需求功率，最終通過積分得到整車消耗的能量。數學計算模型如圖3所示。

圖3 電動汽車能耗計算流程

在整個循環工況中取N個采樣時刻，以所消耗的能量為評價指標，以傳動比為設計變量，建立的目標函數為：

，

其中J為循環工況所消耗的能量， 為電池的輸出功率， 為采樣時間。

選取在約束條件范圍內的多組傳動比，通過matlab仿真模型的分析可得到一個循環工況消耗的能量，通過能量的對比最終選擇傳動系統的傳動比為：i1=8.2，i2=5.7。

3.換擋過程控制方法

在沒有離合器的情況下要完成換擋操作，實現無離合器平順換擋，要求控制系統對電機轉速、轉矩、車速和換擋執行機構之間的控制達到協調一致。

變速器實現掛檔無沖擊的關鍵在于使即將嚙合的齒輪的輪軸具有相同的線速度并達到空載狀態。在去掉離合器后，與傳統換擋過程相比，該變速驅動系統可分為摘擋、電機同步和掛檔三個階段。

摘擋階段電動變速機構轉矩和轉速的公式如下：

為車輪驅動轉矩， 為地面阻力矩， 為電動機輸出力矩， 為傳動過程的力矩損失， 為電動機輸出轉速， 為主減速比， 為檔位傳動比， 為車輪轉速。要實現平順摘擋，必須使電動機在此過程中 =0，才能使嚙合齒輪達到無載狀態。

電動機同步的要求：在兩個檔位切換的過程中，電動機需要在電控單元的控制下迅速調整轉速以達到嚙合要求。換擋時間很短，可以認為Δt趨近于0，而由于汽車本身的慣性，車輪轉速基本維持不變。為了實現電機轉速與車輪轉速的重新匹配，電機的轉速需要發生迅速變化，電動機的轉速調整公式為：

， 為新檔位的傳動比。過大的轉速差會造成齒輪的嚴重打齒現象，對于同步器而言允許齒輪結合分離的轉速差為10-50r/min。因此調速過程中只要將齒輪嚙合轉速差調整到上述范圍內就可以掛檔。

掛擋階段：當齒輪的轉速差達到合理的范圍，就可以迅速掛檔。掛檔后電動機的輸出轉矩根據工況會由電控單元進行實時調整，保證不會出現大的沖擊，從而使主從動齒輪的轉速差趨近于零。

4.基于UG的齒輪軸系的實體建模

確定了變速器兩檔的傳動比后，再對軸及軸上的參數進行設計計算，主要包括齒輪和軸的設計和強度校核，根據設計參數在UG環境下建立齒輪和軸等零部件的實體模型，然后通過UG的裝配功能對零部件進行裝配，通過運動分析進行了干涉檢查，得到的裝配模型如圖4所示。

圖4 齒輪軸系的裝配模型

結論 本文基于原有的變速器的結構進行了改進，設計了兩檔自動變速器的基本結構，以動力性和經濟性為目標優化了其傳動比，提出了自動換擋的控制策略，并利用UG 軟件對變速器進行了實體建模，為進一步的動力學分析和試車運行提供了理論依據。

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作者簡介：

張俊玲（1981-），女，濰坊科技學院機械工程系，講師，碩士（已獲得）山東壽光人，主要研究方向：機電一體化設計，主編教材一部，發表論文3篇，實用新型專利一項。

劉炳昌（1975-），男，濰坊科技學院機械工程系，講師。