電動(dòng)汽車兩檔自動(dòng)變速器的設(shè)計(jì)與研究

張俊玲 劉炳昌

摘要：本文基于某電動(dòng)汽車原有固定檔變速器，提出了兩檔自動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)方案，并根據(jù)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)利用MATLAB軟件對(duì)其傳動(dòng)比進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后基于UG軟件建立了兩檔變速器的三維模型。

關(guān)鍵詞：兩檔自動(dòng)變速器;傳動(dòng)比優(yōu)化;三維建模

引言

環(huán)境污染和資源短缺近年來(lái)成為了以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的汽車目前所面臨的兩大技術(shù)問(wèn)題，而電動(dòng)汽車以可再生、清潔的電能作為動(dòng)力，克服了傳統(tǒng)汽車的這些缺點(diǎn)，成為了目前汽車生產(chǎn)商研究的熱點(diǎn)。純電動(dòng)汽車以電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，具有良好的調(diào)速特性，電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)恒轉(zhuǎn)矩和高速時(shí)恒功率的特性比較適合車輛的運(yùn)行需求。鑒于研發(fā)成本的考慮，眾多在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)汽車基礎(chǔ)上改造的電動(dòng)汽車，大都沿用了原有變速器的一個(gè)或兩個(gè)檔位來(lái)傳動(dòng)，不利于變速器的專用化。

山東某汽車公司生產(chǎn)的電動(dòng)汽車采用固定速比減速器，只有一個(gè)檔位，使得電動(dòng)機(jī)常工作在低效率區(qū)域，既浪費(fèi)能源，又提高了對(duì)牽引電機(jī)的要求，還使汽車的續(xù)駛里程減少。因此，對(duì)作為傳動(dòng)系統(tǒng)主體的變速器的研究成為改善電動(dòng)汽車傳動(dòng)性能尤其是經(jīng)濟(jì)性能的主要部分。多檔化能夠降低對(duì)電機(jī)的要求，擴(kuò)大電動(dòng)機(jī)的工作區(qū)域，通過(guò)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的控制來(lái)保證牽引電機(jī)總是能夠工作在理想的區(qū)域，從而提高整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)。隨著生活水平的不斷提高，人們對(duì)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(dòng)汽車研究了一種兩檔無(wú)離合式自動(dòng)變速器，對(duì)其傳動(dòng)比進(jìn)行了以能量消耗最小為目標(biāo)的優(yōu)化，并在UG環(huán)境下對(duì)變速器進(jìn)行了三維建模，為進(jìn)一步的動(dòng)力學(xué)仿真和試車運(yùn)行提供了理論依據(jù)。

1.電動(dòng)汽車兩檔自動(dòng)變速器的設(shè)計(jì)方案

檔位數(shù)的增加有利于增大利用電動(dòng)機(jī)最大功率的機(jī)會(huì)，提高整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，但由于電動(dòng)機(jī)具有良好的調(diào)速特性，因此電動(dòng)汽車的檔位數(shù)不宜過(guò)多，否則會(huì)增加整車的體積和重量，降低傳動(dòng)效率，故本文設(shè)計(jì)兩檔變速，低檔對(duì)應(yīng)整車的起步和爬坡，高檔對(duì)應(yīng)整車的最大車速，這樣低速檔的傳動(dòng)比可以選擇的較大，整車的牽引力也較大，動(dòng)力性較強(qiáng)?；谠泄潭ㄋ俦葴p速器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和安裝空間，本設(shè)計(jì)增加了一根傳動(dòng)軸，采用傳統(tǒng)的三軸式結(jié)構(gòu)。主要由輸入軸、輸出軸、中間傳動(dòng)軸、高速檔齒輪、低速檔齒輪、主傳動(dòng)齒輪、同步器及差速器等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

通過(guò)換擋撥叉與同步器的連接實(shí)現(xiàn)高低檔位的切換，同時(shí)同步器用于減少換擋沖擊和噪聲，實(shí)現(xiàn)快速同步;主傳動(dòng)齒輪為常嚙合齒輪，用于降速增扭;差速器連接驅(qū)動(dòng)軸，實(shí)現(xiàn)扭矩的輸出和分解。變速器實(shí)現(xiàn)換擋的條件就是輸入輸出端的轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到同步，由于電機(jī)的控制性能優(yōu)于發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩可以實(shí)現(xiàn)同步換擋控制，因此在該變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中去除離合器，通過(guò)電控單元的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)離合自動(dòng)換擋過(guò)程。

圖1 兩檔自動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

整車分為四個(gè)檔位，即1檔、2檔、N檔、R檔，檔位分布如圖2。

1.1空擋狀態(tài)

同步器結(jié)合套處于中間位置，此時(shí)1、2檔齒輪均處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，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(shí)現(xiàn)

動(dòng)力通過(guò)電動(dòng)機(jī)經(jīng)輸入軸輸入，同步器結(jié)合套在換擋力的作用下向左移動(dòng)與一檔空套齒輪結(jié)合，齒輪與輸出軸固連成一體，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出。

1.3二檔（高速檔或直接檔）實(shí)現(xiàn)

當(dāng)同步器結(jié)合套在軸向換擋力的作用下經(jīng)過(guò)空擋位滑向右側(cè)時(shí)，結(jié)合套將輸出軸二檔空套齒輪與軸連成一體，動(dòng)力即由該齒輪輸出。

1.4倒檔（R檔）實(shí)現(xiàn)

檔利用電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，其變速箱狀態(tài)與一檔相同，我們借鑒一些內(nèi)燃汽車上的擋位設(shè)置方法，倒檔與一檔擋位位置相同，但倒檔需要摁下電機(jī)反轉(zhuǎn)開關(guān)，操縱時(shí)須壓下。

2.傳動(dòng)比的參數(shù)選擇和優(yōu)化

傳動(dòng)比的選擇要兼顧汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性也就是續(xù)駛里程兩個(gè)條件，為此我們以動(dòng)力性要求作為約束條件，以整車的經(jīng)濟(jì)性即能量消耗為目標(biāo)函數(shù)對(duì)傳動(dòng)比進(jìn)行優(yōu)化。

2.1根據(jù)動(dòng)力性的要求，傳動(dòng)比的約束條件為：電動(dòng)汽車低速檔傳動(dòng)比必須滿足汽車對(duì)起步和爬坡度的要求，即：

，其中

為最大爬坡度， 為總傳動(dòng)比的最小值， 為電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。

電動(dòng)機(jī)高速檔傳動(dòng)比必須滿足最高車速的要求：

， 為電動(dòng)機(jī)的最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速， 為整車最高車速。根據(jù)整車的參數(shù)設(shè)置可得：

2.2為了提高整車的續(xù)駛里程，應(yīng)盡量使電動(dòng)機(jī)工作在等功率區(qū)和額定轉(zhuǎn)速附近。我們以整車一個(gè)ECE循環(huán)工況的能量消耗作為優(yōu)化目標(biāo)，以道路的循環(huán)工況給定的車速為輸入，經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)得到電機(jī)的需求功率，最終通過(guò)積分得到整車消耗的能量。數(shù)學(xué)計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 電動(dòng)汽車能耗計(jì)算流程

在整個(gè)循環(huán)工況中取N個(gè)采樣時(shí)刻，以所消耗的能量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以傳動(dòng)比為設(shè)計(jì)變量，建立的目標(biāo)函數(shù)為：

，

其中J為循環(huán)工況所消耗的能量， 為電池的輸出功率， 為采樣時(shí)間。

選取在約束條件范圍內(nèi)的多組傳動(dòng)比，通過(guò)matlab仿真模型的分析可得到一個(gè)循環(huán)工況消耗的能量，通過(guò)能量的對(duì)比最終選擇傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比為：i1=8.2，i2=5.7。

3.換擋過(guò)程控制方法

在沒有離合器的情況下要完成換擋操作，實(shí)現(xiàn)無(wú)離合器平順換擋，要求控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、車速和換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的控制達(dá)到協(xié)調(diào)一致。

變速器實(shí)現(xiàn)掛檔無(wú)沖擊的關(guān)鍵在于使即將嚙合的齒輪的輪軸具有相同的線速度并達(dá)到空載狀態(tài)。在去掉離合器后，與傳統(tǒng)換擋過(guò)程相比，該變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可分為摘擋、電機(jī)同步和掛檔三個(gè)階段。

摘擋階段電動(dòng)變速機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的公式如下：

為車輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩， 為地面阻力矩， 為電動(dòng)機(jī)輸出力矩， 為傳動(dòng)過(guò)程的力矩?fù)p失， 為電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速， 為主減速比， 為檔位傳動(dòng)比， 為車輪轉(zhuǎn)速。要實(shí)現(xiàn)平順摘擋，必須使電動(dòng)機(jī)在此過(guò)程中 =0，才能使嚙合齒輪達(dá)到無(wú)載狀態(tài)。

電動(dòng)機(jī)同步的要求：在兩個(gè)檔位切換的過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)需要在電控單元的控制下迅速調(diào)整轉(zhuǎn)速以達(dá)到嚙合要求。換擋時(shí)間很短，可以認(rèn)為Δt趨近于0，而由于汽車本身的慣性，車輪轉(zhuǎn)速基本維持不變。為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與車輪轉(zhuǎn)速的重新匹配，電機(jī)的轉(zhuǎn)速需要發(fā)生迅速變化，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整公式為：

， 為新檔位的傳動(dòng)比。過(guò)大的轉(zhuǎn)速差會(huì)造成齒輪的嚴(yán)重打齒現(xiàn)象，對(duì)于同步器而言允許齒輪結(jié)合分離的轉(zhuǎn)速差為10-50r/min。因此調(diào)速過(guò)程中只要將齒輪嚙合轉(zhuǎn)速差調(diào)整到上述范圍內(nèi)就可以掛檔。

掛擋階段：當(dāng)齒輪的轉(zhuǎn)速差達(dá)到合理的范圍，就可以迅速掛檔。掛檔后電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩根據(jù)工況會(huì)由電控單元進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，保證不會(huì)出現(xiàn)大的沖擊，從而使主從動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速差趨近于零。

4.基于UG的齒輪軸系的實(shí)體建模

確定了變速器兩檔的傳動(dòng)比后，再對(duì)軸及軸上的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，主要包括齒輪和軸的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)在UG環(huán)境下建立齒輪和軸等零部件的實(shí)體模型，然后通過(guò)UG的裝配功能對(duì)零部件進(jìn)行裝配，通過(guò)運(yùn)動(dòng)分析進(jìn)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(jié)論 本文基于原有的變速器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了兩檔自動(dòng)變速器的基本結(jié)構(gòu)，以動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)優(yōu)化了其傳動(dòng)比，提出了自動(dòng)換擋的控制策略，并利用UG 軟件對(duì)變速器進(jìn)行了實(shí)體建模，為進(jìn)一步的動(dòng)力學(xué)分析和試車運(yùn)行提供了理論依據(jù)。

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作者簡(jiǎn)介：

張俊玲（1981-），女，濰坊科技學(xué)院機(jī)械工程系，講師，碩士（已獲得）山東壽光人，主要研究方向：機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，主編教材一部，發(fā)表論文3篇，實(shí)用新型專利一項(xiàng)。

劉炳昌（1975-），男，濰坊科技學(xué)院機(jī)械工程系，講師。