CR-CR結(jié)構(gòu)新能源汽車(chē)變速箱離合器設(shè)計(jì)和校核

蔡有建 舒元林 駱德福

(福建中青汽車(chē)技術(shù)有限公司，福建 福州 350001)

1 新能源汽車(chē)多擋變速箱應(yīng)用前景

隨著新能源汽車(chē)實(shí)際運(yùn)行數(shù)量的逐步攀升，目前主流的單個(gè)擋位減速箱的短板也逐步顯現(xiàn)。相反，部分新能源汽車(chē)在采用兩擋或多擋變速箱后，通過(guò)增加速比范圍，根據(jù)不同工況進(jìn)行速比的改變，在車(chē)輛起步時(shí)擁有更好的加速水平，在高速時(shí)降低電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而降低噪音和電能的消耗[1]。電機(jī)最高轉(zhuǎn)速及功率要求的下降，可以明顯降低電機(jī)及控制器成本；同時(shí)能耗的節(jié)約可以在續(xù)航里程不變前提下，減少裝車(chē)的電池容量，降低整車(chē)成本，相對(duì)單個(gè)擋位減速箱，可達(dá)到較好的整車(chē)綜合收益。隨著補(bǔ)貼的下降和能耗等要求的提升，未來(lái)新能源汽車(chē)有望逐步大量采用多擋變速箱[2]。

新能源汽車(chē)多擋變速箱的應(yīng)用也會(huì)對(duì)整車(chē)帶來(lái)新的“挑戰(zhàn)”，包括成本上升、重量增加、換擋執(zhí)行系統(tǒng)額外損耗、換擋時(shí)期動(dòng)力中斷、售后服務(wù)工作增加等。新能源汽車(chē)變速箱設(shè)計(jì)中采用的技術(shù)方案必須能很好地解決這些潛在的問(wèn)題。

2 新能源汽車(chē)變速箱機(jī)構(gòu)的選擇

新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)相比，具有低速扭矩大、轉(zhuǎn)速范圍寬、扭矩變化快等特點(diǎn)，對(duì)與之相匹配的多擋變速箱結(jié)構(gòu)提出了不同層面的要求，無(wú)法用傳統(tǒng)的變速箱進(jìn)行簡(jiǎn)單改造，來(lái)適應(yīng)新能源汽車(chē)的使用要求[3]。

從早期新能源汽車(chē)推廣過(guò)程總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)看，新能源汽車(chē)變速箱必須采用新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，來(lái)平衡整體成本、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、駕駛平順性、可靠性等方面要求。新能源汽車(chē)變速箱擋位少，擋比大，疊加電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍廣的因素，由此帶來(lái)的換擋轉(zhuǎn)速差較大，換擋沖擊大的問(wèn)題較為突出，對(duì)變速箱的齒輪機(jī)構(gòu)和換擋機(jī)構(gòu)都提出了更高的要求[4]。對(duì)變速箱整體結(jié)構(gòu)形式的選擇，決定了變速箱的可靠性能否滿足新能源汽車(chē)的使用要求。新能源汽車(chē)前期推廣過(guò)程中采用傳統(tǒng)手動(dòng)變速箱改造而來(lái)的AMT，后期出現(xiàn)大量售后質(zhì)量問(wèn)題直接驗(yàn)證了這個(gè)分析。

中青汽車(chē)技術(shù)有限公司針對(duì)新能源汽車(chē)變速箱推廣前期出現(xiàn)的問(wèn)題，最終決定的技術(shù)方案采用雙排CR-CR行星齒輪作為齒輪機(jī)構(gòu)，濕式離合器作為換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)。行星齒輪機(jī)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)定軸式齒輪機(jī)構(gòu)，具有承載力大、效率高、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，更適合于新能源汽車(chē)變速箱，特別是中重型新能源商用車(chē)上。雙行星排結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化了對(duì)換擋離合器結(jié)構(gòu)的技術(shù)要求，可實(shí)際簡(jiǎn)化為制動(dòng)器，為引入壓縮空氣作為換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)方案提供了前提條件。壓縮空氣作為換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)，取代了液壓機(jī)構(gòu)，減少零件數(shù)量，大幅度降低了變速箱的成本。

濕式離合器方案的采用，允許換擋過(guò)程半聯(lián)動(dòng)輸出扭矩，可實(shí)現(xiàn)無(wú)動(dòng)力中斷換擋，極大程度減少了換擋沖擊，提供了變速箱可靠性的保證。本文對(duì)中青汽車(chē)技術(shù)有限公司一款采用雙排CR-CR行星齒輪機(jī)構(gòu)的新能源汽車(chē)變速箱運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，從而對(duì)換擋離合器進(jìn)行設(shè)計(jì)校核。

3 CR-CR行星齒輪機(jī)構(gòu)變速箱的濕式多片離合器設(shè)計(jì)與校核

3.1 離合器接合過(guò)程的理論分析

對(duì)離合器接合過(guò)程進(jìn)行分析,可以取其從主動(dòng)片和被動(dòng)片的油膜接觸開(kāi)始到滑摩完全停止的過(guò)程。設(shè)離合器的主、從動(dòng)部分的角速度為ωe、ωb，則其接合過(guò)程中ω隨時(shí)間t的變化可用圖1表示。當(dāng)0ωb，主、從動(dòng)部分在同步過(guò)程有轉(zhuǎn)速差產(chǎn)生滑摩,并產(chǎn)生熱量。在每一次接合過(guò)程中,隨著摩擦力矩的增大,摩擦產(chǎn)生的熱量增加,摩擦片表面溫度也隨之升高,其摩擦力矩的增長(zhǎng)及溫升過(guò)程可用圖2表示。因此，離合器設(shè)計(jì)必須控制摩擦片的最大相對(duì)線速度Vmax，并配合有效的降溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，迅速帶走每次結(jié)合過(guò)程中產(chǎn)生的熱量。

Ωe: 主動(dòng)部分角速度 Ωb：從動(dòng)部分角速度 t0：主從動(dòng)部分結(jié)合時(shí)間

(a)摩擦力矩變化曲線 (b)溫升變化曲線

新能源汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩變化較快，由此帶來(lái)對(duì)變速箱離合器的沖擊也較大，在設(shè)計(jì)上必須保證足夠扭矩容量，通常以離合器后備系數(shù)β來(lái)評(píng)估。

3.2 CR-CR行星齒輪機(jī)構(gòu)變速箱的離合器工況分析

以中青汽車(chē)技術(shù)有限公司變速箱的換擋離合器為例，該變速箱采用CR-CR雙排行星輪結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3。其工作原理為：當(dāng)構(gòu)件5-離合器1接合，離合器2分離，為一擋輸出；當(dāng)構(gòu)件7-離合器2接合，離合器1分離，為二擋輸出。

圖3 ZQ2P12變速箱結(jié)構(gòu)示意圖

基于成本和實(shí)用性的考慮，該款變速箱不設(shè)N擋和P擋。采用雙排CR-CR行星齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)2個(gè)擋位的設(shè)計(jì)，可以極大簡(jiǎn)化離合器和控制機(jī)構(gòu)的要求，換擋離合器可以簡(jiǎn)化為制動(dòng)器。具體換擋過(guò)程也較為簡(jiǎn)單，在一擋升二擋過(guò)程中，作用在離合器1上的活塞逐步卸除壓力，在回位彈簧作用下，離合器1逐步松開(kāi)，同時(shí)作用在離合器2上的活塞逐步增加壓力，克服回位彈簧作用后推動(dòng)離合器2開(kāi)始結(jié)合；期間離合器1在松開(kāi)過(guò)程中轉(zhuǎn)速逐步升高，傳遞的轉(zhuǎn)矩逐步下降，同時(shí)離合器2轉(zhuǎn)速逐步降低，直到轉(zhuǎn)速為零，轉(zhuǎn)矩逐步升高，直到最大，完成擋位的切換。同理，在二擋降一擋過(guò)程中，離合器2逐步松開(kāi)，同時(shí)離合器1開(kāi)始結(jié)合；期間離合器2的轉(zhuǎn)速逐步升高，傳遞的轉(zhuǎn)矩逐步下降，同時(shí)離合器1轉(zhuǎn)速逐步降低到零，轉(zhuǎn)矩逐步升高到最大，完成擋位的切換。在換擋過(guò)程實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、無(wú)動(dòng)力中斷，提升換擋舒適度同時(shí)減小沖擊度，降低齒輪機(jī)構(gòu)的沖擊力。

為準(zhǔn)確分析離合器1和離合器2在變速箱運(yùn)行過(guò)程中所承受的最大扭矩和最大轉(zhuǎn)速，表1對(duì)ZQ2P2變速箱的離合器各個(gè)構(gòu)件做了定義。

表1 離合器構(gòu)件定義

根據(jù)單行星的行星排運(yùn)動(dòng)特性，構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系為：

ω1太陽(yáng)+a1×ω1齒圈-(1+a1)ω1H=0

(1)

ω2太陽(yáng)+a2×ω2齒圈-(1+a2)ω2H=0

(2)

在CR-CR結(jié)構(gòu)中，前排行星架和后排齒圈連成一體，后排行星架和前排齒圈連成一體，即：

ω1H=ω2齒圈

(3)

ω2H=ω1齒圈

(4)

在ZQ2P12變速箱，電機(jī)輸出軸和第一排行星齒輪的太陽(yáng)輪連成一體，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為變速箱輸入，定義為M輸入，轉(zhuǎn)速為N輸入，即：

ω1太陽(yáng)=N輸入

(5)

從圖3可以看出，離合器1主動(dòng)件和第一排行星齒輪的齒圈連成一體，離合器2主動(dòng)件和第二排行星齒輪的太陽(yáng)輪連成一體,變速箱的輸出軸和第一排行星齒輪的行星架、第二排行星齒輪的齒圈連成一體，即：

N1=ω1齒圈

(6)

N2=ω2太陽(yáng)

(7)

N輸出=ω1H=ω2齒圈

(8)

由以上公式，得出在各個(gè)擋位下，離合器1和離合器2以及輸出軸的轉(zhuǎn)速，如表2所示。

表2 換擋離合器轉(zhuǎn)速

根據(jù)力矩平衡條件(勻速轉(zhuǎn)動(dòng))，在忽略內(nèi)部摩擦力的條件下，行星排上的三個(gè)受力構(gòu)件，即輸入，離合器，輸出的總力矩為0，即：

M入+M離合器-M出=0

(9)

根據(jù)能量守恒定律，得：

M入N輸入=M出N輸出

(10)

由以上公式，得出在各個(gè)擋位下，離合器1和離合器2以及輸出軸的轉(zhuǎn)矩如表3所示。

表3 換擋離合器轉(zhuǎn)矩

3.3 中青ZQ2P12變速箱的換擋離合器校核

ZQ2P12變速箱設(shè)計(jì)最大輸入轉(zhuǎn)速為8000r/min，輸入扭矩為1200N·m，適用于10～13m公交客車(chē)以及等同條件下的貨車(chē)車(chē)型。為保證變速箱能穩(wěn)定運(yùn)行，主要針對(duì)變速箱在最大設(shè)計(jì)輸入工況下，對(duì)換擋離合器的摩擦片之間的最大相對(duì)線速度Vmax，以及離合器后備系數(shù)β進(jìn)行設(shè)計(jì)校核，結(jié)果如表4所示。

表4 CR-CR行星齒輪結(jié)構(gòu)離合器的摩擦片傳扭能力計(jì)算

4 結(jié)果與討論

由以上校核計(jì)算結(jié)果可知，中青ZQ2P12變速箱離合器的摩擦片各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。實(shí)際路試和臺(tái)架實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定運(yùn)行結(jié)果顯示，與校核的結(jié)果比較吻合。

本文建立了CR-CR行星齒輪結(jié)構(gòu)離合器的摩擦片傳扭能力計(jì)算數(shù)學(xué)模型，調(diào)整部分邊界條件后，可以作為類似結(jié)構(gòu)行星齒輪變速箱計(jì)算的參照，例如拉維娜行星齒輪結(jié)構(gòu)等。隨著新能源汽車(chē)變速箱產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，后續(xù)會(huì)出現(xiàn)更多不同于傳統(tǒng)燃油車(chē)變速箱、專門(mén)適用于新能源汽車(chē)的新型結(jié)構(gòu)變速箱，中青ZQ2P12變速箱設(shè)計(jì)作為一個(gè)創(chuàng)新嘗試，率先驗(yàn)證和推廣，為后續(xù)新能源汽車(chē)變速箱研發(fā)提供一個(gè)新的思路。