純電動(dòng)汽車兩擋行星齒輪自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鄭麗輝 張?jiān)轮?/p>

摘?要：以純電動(dòng)汽車兩擋行星齒輪自動(dòng)變速器為研究對象，通過分析2Z-X型行星齒輪機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)特性，結(jié)合實(shí)際需求選取合適的傳動(dòng)方案，并建立三維模型體現(xiàn)該兩擋行星齒輪自動(dòng)變速器的布置形式，以及制動(dòng)器和離合器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：兩擋行星齒輪自動(dòng)變速器;基本結(jié)構(gòu);傳動(dòng)方案

中圖分類號(hào)：U469文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.06.009Open Science Identity（OSID）

基金項(xiàng)目：院級(jí)項(xiàng)目（QZYY1908）純電動(dòng)汽車兩擋行星齒輪自動(dòng)變速器設(shè)計(jì)與仿真分析

作者簡介：鄭麗輝（1988-），男，浙江衢州人，碩士研究生，主要從事新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)方面的研究，E-mail：zhenglihui0339@126.com。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)低速恒轉(zhuǎn)矩、高速恒功率的工作特性可以滿足純電動(dòng)汽車正常行駛的動(dòng)力需求。因此，目前市面上的很多純電動(dòng)汽車都是以驅(qū)動(dòng)電機(jī)搭配固定速比減速器作為動(dòng)力單元。但是，該動(dòng)力單元在滿足動(dòng)力性能的情況下不能使電機(jī)經(jīng)常處于高效率的工作區(qū)域。這不僅提高了對驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能要求，而且不利于節(jié)約能量，影響續(xù)駛里程。

純電動(dòng)汽車采用兩擋行星齒輪自動(dòng)變速器是兼顧車輛動(dòng)力性、車載能源經(jīng)濟(jì)性以及結(jié)構(gòu)簡潔緊湊三重因素的有效解決方案[1-2]。

1?理論基礎(chǔ)

傳統(tǒng)汽車自動(dòng)變速器往往采用并聯(lián)兩個(gè)以上行星排列以獲得多個(gè)前進(jìn)擋擋位，常見的有辛普森式和拉維納式兩種類型。本課題的研究對象為純電動(dòng)汽車用自動(dòng)變速器，只需兩個(gè)前進(jìn)擋，采用2Z-X型行星齒輪機(jī)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)。2Z-X型行星齒輪機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、外形尺寸小、傳動(dòng)效率高等特點(diǎn)。在結(jié)構(gòu)合理的條件下，其傳動(dòng)比范圍2.8～13，傳動(dòng)效率0.97～0.99，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。

2Z-X型行星齒輪機(jī)構(gòu)各部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律滿足以下方程

ω1+aω2-（1+a） ω3=0（1）

式中?ω1—太陽輪角速度（rad·S-1）;

ω2—齒圈角速度（rad·S-1）;

ω3—行星架角速度（rad·S-1）;

a—齒圈齒數(shù)Z2與太陽輪齒數(shù)Z1之比，即a=Z2/Z1>1。

2Z-X型行星齒輪機(jī)構(gòu)中太陽輪、齒圈、行星架三者任一部件固定，其余兩部件分別作為主動(dòng)件和從動(dòng)件，即可實(shí)現(xiàn)不同速比和傳動(dòng)方向的變換，具體傳動(dòng)方案如表1所示。

除此之外，太陽輪、齒圈、行星架三者當(dāng)中任意兩者剛性連接即可實(shí)現(xiàn)直接擋傳動(dòng)，三者均處于自由狀態(tài)時(shí)可實(shí)現(xiàn)空擋。

2?方案擬定

通過分析2Z-X型行星齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方案，結(jié)合本課題研究對象的實(shí)際需求，擬定該純電動(dòng)汽車兩擋行星齒輪自動(dòng)變速器的1擋采用表1中方案1的形式，即齒圈與機(jī)架之間安裝制動(dòng)器B用于固定齒圈，太陽輪輸入，行星架輸出。Ⅱ擋采用直接擋形式，即行星架與齒圈之間安裝離合器C，使兩者結(jié)合一體，太陽輪輸入，行星架輸出。倒擋與Ⅰ擋方案相同，利用電機(jī)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)倒擋?？論觚X圈處于自由狀態(tài)[4-5]。具體擋位控制方案如表2所示。

各擋位動(dòng)力傳遞路徑及傳動(dòng)比：

（1）Ⅰ擋。

制動(dòng)器B結(jié)合，齒圈與機(jī)架固定，離合器C不工作（分離狀態(tài)）。

動(dòng)力傳遞路徑：電機(jī)→輸入軸→太陽輪→行星輪→行星架→輸出軸。

傳動(dòng)比：此時(shí)ω2=0，代入（1）式，i1= ω1/ω3=1+a。

（2）Ⅱ擋。

離合器C結(jié)合，齒圈與行星架剛性結(jié)合，制動(dòng)器B不工作（分離狀態(tài)）。

動(dòng)力傳遞路徑：電機(jī)→輸入軸→太陽輪→行星輪、齒圈、行星架（三者整體轉(zhuǎn)動(dòng)）→輸出軸。

傳動(dòng)比：此時(shí)ω2=ω3，代入（1）式，i2=1。

（3）倒擋。

電機(jī)反轉(zhuǎn)，制動(dòng)器B結(jié)合，齒圈與機(jī)架固定，離合器C不工作（分離狀態(tài)）。

動(dòng)力傳遞路徑：電機(jī)（反轉(zhuǎn)）→輸入軸（反轉(zhuǎn)）→太陽輪（反轉(zhuǎn)）→行星輪（反轉(zhuǎn)）→行星架（反轉(zhuǎn)）→輸出軸（反轉(zhuǎn)）。

傳動(dòng)比：此時(shí)ω2=0，代入（1）式可得： i1=ω1/ω3=1+a。

3?結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本課題所設(shè)計(jì)的純電動(dòng)汽車兩擋行星齒輪自動(dòng)變速器基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由2Z-X型行星齒輪機(jī)構(gòu)、液壓多片制動(dòng)器B、液壓多片離合器C組成。輸入軸與太陽輪一體，通過軸承支撐在前端蓋上，輸入軸與電機(jī)輸出軸通過花鍵配合。行星架與輸出軸一體，通過軸承支撐在后端蓋上，輸出軸與減速器輸入軸通過花鍵配合。前后端蓋之間通過螺栓連接。

齒圈與前端蓋之間布置液壓多片制動(dòng)器B，其中鋼片與摩擦片交替排列，鋼片通過花鍵與前端蓋相連，摩擦片通過花鍵與齒圈相連，鋼片右側(cè)布置活塞和回位彈簧，高壓液壓油經(jīng)電液伺服閥進(jìn)入后端蓋油腔推動(dòng)活塞左移，壓緊鋼片，完成制動(dòng)器B制動(dòng)動(dòng)作。

齒圈與行星架之間布置液壓多片離合器C，其中鋼片與摩擦片交替排列，鋼片通過花鍵與齒圈相連，摩擦片通過花鍵與行星架相連，鋼片右側(cè)布置活塞和回位彈簧，高壓液壓油經(jīng)電液伺服閥進(jìn)入后端蓋油腔推動(dòng)活塞左移，壓緊鋼片，完成離合器C結(jié)合動(dòng)作。

4?結(jié)論

（1）分析了2Z-X型行星齒輪機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)特性。

（2）擬定了一種純電動(dòng)汽車用兩擋行星齒輪自動(dòng)變速器的傳動(dòng)方案。

（3）建立三維模型，設(shè)計(jì)制動(dòng)器和離合器的布置形式。

參考文獻(xiàn)：

[1] 姚福泰.?新能源汽車自動(dòng)變速器熱潮來襲[J].?中國汽車報(bào)，2018（12）：33-36.

[2] 羅本進(jìn).?汽車自動(dòng)變速器及其產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展[J].汽車觀察，2015（1）：25-28.

[3] 張策.機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2019.

[4] 尹鵬飛.電動(dòng)汽車兩檔自動(dòng)變速器設(shè)計(jì)與仿真分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.

[5] 何李婷，吳占雨，吳國彬， 等.一種電動(dòng)汽車用兩檔自動(dòng)變速器傳動(dòng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)[J].科技信息，2013（21）：18-19.