某純電動汽車兩擋變速器分析及優化研究

鄧才榮 黨 波

（西京學院，陜西 西安 710000）

1 概述

近幾年來，汽車的保有量在逐漸變大，隨之帶來的是汽車的燃料短缺問題變得明顯，全球面臨的能源和環境變得嚴峻突出。能源消耗帶來了環境污染的問題加重，各個國家都在努力尋找合理的控制和解決方案。中西各國汽車生產廠商在積極的投入許多的資本在純電動汽車方面，使得純電動汽車的開發和相關研究進展加快，純電動汽車變速器將成為未來純電動汽車研究發展一大方向。

2 變速器優化研究的現實應用意義

我們過去所使用的方法，更多是在車身結構和發動機的改造，但是這些相對已經較為成熟了，發展的空間到達了現有技術的瓶頸，彎道超車不如換道超車，思想在進一步深化，我們試圖去尋找其他的解決方向和突破。要想電動汽車得以發展，一個重要問題是解決變速器這一核心組成部分之一，變速器的性能極大影響汽車的使用時經濟性、動力性和乘坐的舒適度。本文選取以純電動汽車兩擋變速器作為研究對象，希望有新的突破來適應未來發展的趨勢，也是本論文的研究意義所在。我們從實驗數據和實際經驗發現，變速器的功效能彌補電機的缺陷，在電機與驅動輪的間隙間留有一個間隙，用于安裝變速器，這樣一來可以合理的調配電機的工作高效區間，很大程度減少電池和電機的負擔，并且也能使得汽車在遇到不同路況的時候能夠去適應新的條件，從而提高行駛性能。這種配置方式結構相應簡單，費用較低，所以，在電機和電池等技術還沒有突破時，裝載傳動裝置是非常必要的。

在電動汽車里面裝載兩擋變速器，可以大大的發揮電機的功效，極大的降低電動汽車其他的技術的要求，而且它能有效地減少純電動汽車的成本，還可以降低電動機的體積和重量等參數。

3 純電動汽車動力傳動系統的參數匹配優化

3.1 電動汽車動力系統的設計要求

影響電動汽車的性能因素有很多，包括電動汽車的電池、電機的品質等，但其中非常重要的一個方法是對傳動系統的進行優化。在純電動汽車的傳動系部件的參數設計中，對純電動汽車的動力性、經濟性和續航里程中有很大的影響，其中包括電機功率和轉矩等合理的匹配。參數的選擇不合理，所匹配出來的性能就會使得電動汽車最高車速偏離最高檔位上。所以，在進行動力傳動系統的參數進行優化時，需要考慮從汽車的經濟性對汽車傳動比進行有效匹配，才能整車的性能有所提高。

我國國家乘用汽車技術條件標準中規定，在純電動汽車中明確的動力性要求。汽車在國家標準規定的測試中，每30 分鐘的最高車速不低于80km/h，并且10 秒內加速不低于50km/h。對測驗時的爬坡度要求最大爬坡度不能低于20%。并且，續航里程也不能低于80km。

3.2 電動汽車驅動電機的參數確定

純電動汽車使用的電動機較工業上所使用的電動機所處的環境有很大不同，所以對汽車使用的電動機技術條件要求更高。當汽車在外界溫度和道路條件下發生變化時，它們可能會受到惡劣的工作條件的影響。純電動汽車的電機對過載能力、最高速度和工作效率都有非常高的要求。電機的安裝方式一種是不需要驅動輪，它本身擁有多個電機結構。另一種是使用了變速器的單一電機，主要是通過差速器的轉化驅動車輪。大部分電動汽車仍然會使用單電機結構，因為變速器給電動汽車性能帶來的改變是非常大的。目的是為了提高汽車的驅動電機和變速器相匹配度，電機參數則要根據汽車的性能要求來進一步確定。

在整個設計過程中，電動機的驅動功率要根據電動汽車要求的最高穩定車速進行選擇，電動汽車在水平良好路面時，其驅動電機的額定功率要高于最高穩定車速勻速行駛的阻力功率。所以，在選擇電機時要對電機額定功率、峰值功率、基速和轉速這四個基本參數進行分析計算。

3.2.1 電機額定功率

電動機的額定功率要符合汽車最高速度的駕駛條件的要求。在實際中，電動機額定功率的下限常常以最大轉速的90%進行計算。我們設計最高車速為Umax，根據公式求得Pe22.67kw。

其計算公式為：

式中：f 為滾動阻力系數;Nt為傳動系統的傳動效率;g 為重力加速度9.8m/s2。

3.2.2 電機峰值功率

峰值功率要符最大速度、最大坡度和加速時間三種條件下的，然后計算三種驅動條件下的功率，取值通常是它的最大值。其中αmax為最大爬坡度，計算得到Pe≥41.66kw。

最大爬坡度所需功率公式為：

式中:ui為爬坡時的穩定車速;g 為重力加速度9.8m/s2。

擋位的傳動比會影響加速時間，所以電機的選擇是在其后進行選擇。根據經驗公式計算以及計要求和汽車整車參數計算可得，Pe≥50.22kW。

加速時間所需的功率Pe公式為：

式中:δ 為質量轉換系數。

3.2.3 電機基速和最高轉速

根據轉速不同可以分為低、中和高三個等級轉速電機。一般來說，對于驅動電機的最高轉速和汽車的動力性成正比，轉速越高動力性越好。但是，電機的轉速不宜過高或者過低，過高時對電機的制造成本要求增加，對機器磨損也會相應增加，最終的經濟性也會變得更差。所以，保證設計要求情況下，重復考慮到傳動效率以及經濟性，電動機轉速的選擇應該合理范圍。綜合上面闡述，選擇驅動電機型號為Y200L2-2，技術參數如表1。

表1 驅動電機型號Y200L2-2 參數

3.3 傳動系統參數匹配

由于路況和工況的變化性，所以純電動汽車的運行需要多種的變速比。目前的技術條件的現狀，諸如電池和電機等性能不能達到理想的技術效果，所以還是需要變速器的加持。

3.3.1 傳動比范圍確定：一擋變速器和二擋變速器應該滿足以下原則，一擋傳動比的加速能力在0-100km/h，并且其最小值能夠在汽車最大爬坡度的要求下。其中一擋傳動比的最大值不會出現驅動輪滑轉；二擋傳動比的最大值要滿足驅動電機最高轉速可以到達最高車速。

3.3.2 最小傳動比的確定：傳動系最小傳動比受轉速比以及車速影響，其關系式為：

3.3.3 最大傳動比的確定：傳動系最大傳動受比峰值矩和爬坡度最大影響，其關系式為：

由于道路條件不同要考慮到電動汽車的驅動車輪與路面的附著條件，當汽車滿載水平道路時載荷為G1。其關系式為：

式中，φ 為路面附著系數。

總成傳動比要考慮動力約束，同時要考慮變速器的尺寸等大小，另外對于減速比大時帶來的噪音大、滑動等問題。傳動比的確定：通過分析最低擋的速度比應該滿足汽車在電動機最大的最大輸出扭矩下的爬坡度，最低的車速最大以最低穩定車速行駛；并且電動機的輸入軸的轉速也應該盡量的減小，同時也要保證它的速度較高情況下的效率。在實際的計算時的取值，對于兩擋變速器的取值范圍也要適當減小。

3.4 傳動系統齒輪傳動比計算

通過分析最低擋的速度比應該滿足汽車在電動機最大的最大輸出扭矩下的爬坡度，最低的車速最大以最低穩定車速行駛；并且電動機的輸入軸的轉速也應該盡量的減小，同時也要保證它的速度較高情況下的效率。對于檔位下的傳動比也有要求滿足一擋情況下爬坡的能力，這是為了保證汽車在低速情況下也能夠進行有效的工作。汽車在爬坡傳動比的時候保證電機能夠以最大的輸出轉矩進行工作，同時驅動輪與路面有足夠的著地能力。

并且，在實際路況下導致驅動力不連續導致換擋動力不足或者中斷，原因可能是兩個擋位間的傳動比沒有合理的匹配，最終影響駕駛體驗。在進行匹配時候要對經濟性和動力性的考慮，也要對變速等結構的尺寸等問題限制。最后在實際的計算取值，要對于兩擋變速器的取值范圍也要適當減小。

按照國家標準范圍內選用斜齒輪法向模數2.0mm；壓力角α 使用標準壓力角為20°；斜齒輪的螺旋角β 選擇會受齒輪的強度的影響，其角度越大，齒輪的強度和嚙合的重合度越高，性能更加平穩，產生的噪聲也會變小。但是在超過30°齒輪的抗彎強度會大幅度下降。因此在選擇時要合理選擇，在這里我們選擇21.3°；齒輪寬度輸入軸一擋齒輪分別為b1=19mm 和23mm，輸入軸二擋齒輪b1=39mm 和36mm；汽車中所使用的變速器齒輪都為標準h*a=1.0。

3.4.1 各擋齒輪參數的計算

根據前面確定的傳動比和中心距等參數齒數進行計算，得出Z1=18,Z2=37,則實際的一擋傳動比ig1=2.052。其中一擋齒輪參數計算公式為：

聯立方程

為進行有效的克服齒輪根切提高齒輪強度，我們需要對齒輪進行適當的角位移。

計算端面嚙合角、中心距和端面壓力角：

得A0=58.99mm，αt=21.325°,α't=21.40°。

3.4.2 二擋齒輪參數的確定

聯立方程可以求出實際的一擋傳動比Ig2=1.56。

綜合上述分析和計算，得到一擋傳動比為2.052，二擋傳動比為1.56，主減速器傳動比為4.71。動力總成參數優化如表2 所示。

表2 動力總成參數優化結果

4 研究總結

全球環境下，電動汽車的發展是必然趨勢。但是，傳統內燃機的汽車存在已經相當長時間了，發展也相當成熟了。要使得電動汽車的性能能夠滿足人們的使用要求，需進一步發展電動汽車的配套設施，使之更加全面、通用，更加貼近人民生活。然而，電機系統和變速器電動汽車重要部分，能影響到電動汽車整體性能。電機和電池發展由于技術的瓶頸，很難滿足現在電動汽車的技術要求。需要變速器的加持改善電機和電池整體性能表現，才能滿足當前電動汽車的動力性和經濟性。在坡道低速行駛時，電動汽車使用大傳動比可降低在高負載后產生的負載電流，減少電機發熱。變數器優化可以改善電機運行工況，進而減少電池深度放電，這樣一來電機和電池的可靠性和安全性也提高了。并且，對不同車型的性能要求就能降低，間接提高了電機的實用性問題。變速器優化設計，提高電動汽車性能的同時減少了其他部件的技術要求，為了純電動汽車進一步的發展提供理論依據。