某純電動汽車兩擋變速器分析及優(yōu)化研究

鄧才榮 黨 波

（西京學(xué)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(huán)境變得嚴(yán)峻突出。能源消耗帶來了環(huán)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(chǎn)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(fā)和相關(guān)研究進(jìn)展加快，純電動汽車變速器將成為未來純電動汽車研究發(fā)展一大方向。

2 變速器優(yōu)化研究的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用意義

我們過去所使用的方法，更多是在車身結(jié)構(gòu)和發(fā)動機(jī)的改造，但是這些相對已經(jīng)較為成熟了，發(fā)展的空間到達(dá)了現(xiàn)有技術(shù)的瓶頸，彎道超車不如換道超車，思想在進(jìn)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(fā)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(jīng)濟(jì)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(yīng)未來發(fā)展的趨勢，也是本論文的研究意義所在。我們從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，變速器的功效能彌補(bǔ)電機(jī)的缺陷，在電機(jī)與驅(qū)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(diào)配電機(jī)的工作高效區(qū)間，很大程度減少電池和電機(jī)的負(fù)擔(dān)，并且也能使得汽車在遇到不同路況的時候能夠去適應(yīng)新的條件，從而提高行駛性能。這種配置方式結(jié)構(gòu)相應(yīng)簡單，費(fèi)用較低，所以，在電機(jī)和電池等技術(shù)還沒有突破時，裝載傳動裝置是非常必要的。

在電動汽車?yán)锩嫜b載兩擋變速器，可以大大的發(fā)揮電機(jī)的功效，極大的降低電動汽車其他的技術(shù)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(jī)的體積和重量等參數(shù)。

3 純電動汽車動力傳動系統(tǒng)的參數(shù)匹配優(yōu)化

3.1 電動汽車動力系統(tǒng)的設(shè)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(jī)的品質(zhì)等，但其中非常重要的一個方法是對傳動系統(tǒng)的進(jìn)行優(yōu)化。在純電動汽車的傳動系部件的參數(shù)設(shè)計中，對純電動汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性和續(xù)航里程中有很大的影響，其中包括電機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩等合理的匹配。參數(shù)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(jìn)行動力傳動系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化時，需要考慮從汽車的經(jīng)濟(jì)性對汽車傳動比進(jìn)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(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，在純電動汽車中明確的動力性要求。汽車在國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試中，每30 分鐘的最高車速不低于80km/h，并且10 秒內(nèi)加速不低于50km/h。對測驗(yàn)時的爬坡度要求最大爬坡度不能低于20%。并且，續(xù)航里程也不能低于80km。

3.2 電動汽車驅(qū)動電機(jī)的參數(shù)確定

純電動汽車使用的電動機(jī)較工業(yè)上所使用的電動機(jī)所處的環(huán)境有很大不同，所以對汽車使用的電動機(jī)技術(shù)條件要求更高。當(dāng)汽車在外界溫度和道路條件下發(fā)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(jī)對過載能力、最高速度和工作效率都有非常高的要求。電機(jī)的安裝方式一種是不需要驅(qū)動輪，它本身擁有多個電機(jī)結(jié)構(gòu)。另一種是使用了變速器的單一電機(jī)，主要是通過差速器的轉(zhuǎn)化驅(qū)動車輪。大部分電動汽車仍然會使用單電機(jī)結(jié)構(gòu)，因?yàn)樽兯倨鹘o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(qū)動電機(jī)和變速器相匹配度，電機(jī)參數(shù)則要根據(jù)汽車的性能要求來進(jìn)一步確定。

在整個設(shè)計過程中，電動機(jī)的驅(qū)動功率要根據(jù)電動汽車要求的最高穩(wěn)定車速進(jìn)行選擇，電動汽車在水平良好路面時，其驅(qū)動電機(jī)的額定功率要高于最高穩(wěn)定車速勻速行駛的阻力功率。所以，在選擇電機(jī)時要對電機(jī)額定功率、峰值功率、基速和轉(zhuǎn)速這四個基本參數(shù)進(jìn)行分析計算。

3.2.1 電機(jī)額定功率

電動機(jī)的額定功率要符合汽車最高速度的駕駛條件的要求。在實(shí)際中，電動機(jī)額定功率的下限常常以最大轉(zhuǎn)速的90%進(jìn)行計算。我們設(shè)計最高車速為Umax，根據(jù)公式求得Pe22.67kw。

其計算公式為：

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

3.2.2 電機(jī)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(qū)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(wěn)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(jī)的選擇是在其后進(jìn)行選擇。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計算以及計要求和汽車整車參數(shù)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(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)。

3.2.3 電機(jī)基速和最高轉(zhuǎn)速

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

表1 驅(qū)動電機(jī)型號Y200L2-2 參數(shù)

3.3 傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配

由于路況和工況的變化性，所以純電動汽車的運(yùn)行需要多種的變速比。目前的技術(shù)條件的現(xiàn)狀，諸如電池和電機(jī)等性能不能達(dá)到理想的技術(shù)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(yīng)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(xiàn)驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)；二擋傳動比的最大值要滿足驅(qū)動電機(jī)最高轉(zhuǎn)速可以到達(dá)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(zhuǎn)速比以及車速影響，其關(guān)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(guān)系式為：

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

式中，φ 為路面附著系數(shù)。

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(yīng)該滿足汽車在電動機(jī)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(wěn)定車速行駛；并且電動機(jī)的輸入軸的轉(zhuǎn)速也應(yīng)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(shí)際的計算時的取值，對于兩擋變速器的取值范圍也要適當(dāng)減小。

3.4 傳動系統(tǒng)齒輪傳動比計算

通過分析最低擋的速度比應(yīng)該滿足汽車在電動機(jī)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(wěn)定車速行駛；并且電動機(jī)的輸入軸的轉(zhuǎn)速也應(yīng)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(jìn)行有效的工作。汽車在爬坡傳動比的時候保證電機(jī)能夠以最大的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行工作，同時驅(qū)動輪與路面有足夠的著地能力。

并且，在實(shí)際路況下導(dǎo)致驅(qū)動力不連續(xù)導(dǎo)致?lián)Q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(yàn)。在進(jìn)行匹配時候要對經(jīng)濟(jì)性和動力性的考慮，也要對變速等結(jié)構(gòu)的尺寸等問題限制。最后在實(shí)際的計算取值，要對于兩擋變速器的取值范圍也要適當(dāng)減小。

按照國家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)選用斜齒輪法向模數(shù)2.0mm；壓力角α 使用標(biāo)準(zhǔn)壓力角為20°；斜齒輪的螺旋角β 選擇會受齒輪的強(qiáng)度的影響，其角度越大，齒輪的強(qiáng)度和嚙合的重合度越高，性能更加平穩(wěn)，產(chǎn)生的噪聲也會變小。但是在超過30°齒輪的抗彎強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)h*a=1.0。

3.4.1 各擋齒輪參數(shù)的計算

根據(jù)前面確定的傳動比和中心距等參數(shù)齒數(shù)進(jìn)行計算，得出Z1=18,Z2=37,則實(shí)際的一擋傳動比ig1=2.052。其中一擋齒輪參數(shù)計算公式為：

聯(lián)立方程

為進(jìn)行有效的克服齒輪根切提高齒輪強(qiáng)度，我們需要對齒輪進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕俏灰啤?/p>

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(shù)的確定

聯(lián)立方程可以求出實(shí)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(shù)優(yōu)化如表2 所示。

表2 動力總成參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

4 研究總結(jié)

全球環(huán)境下，電動汽車的發(fā)展是必然趨勢。但是，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的汽車存在已經(jīng)相當(dāng)長時間了，發(fā)展也相當(dāng)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(jìn)一步發(fā)展電動汽車的配套設(shè)施，使之更加全面、通用，更加貼近人民生活。然而，電機(jī)系統(tǒng)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(jī)和電池發(fā)展由于技術(shù)的瓶頸，很難滿足現(xiàn)在電動汽車的技術(shù)要求。需要變速器的加持改善電機(jī)和電池整體性能表現(xiàn)，才能滿足當(dāng)前電動汽車的動力性和經(jīng)濟(jì)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(fù)載后產(chǎn)生的負(fù)載電流，減少電機(jī)發(fā)熱。變數(shù)器優(yōu)化可以改善電機(jī)運(yùn)行工況，進(jìn)而減少電池深度放電，這樣一來電機(jī)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(jī)的實(shí)用性問題。變速器優(yōu)化設(shè)計，提高電動汽車性能的同時減少了其他部件的技術(shù)要求，為了純電動汽車進(jìn)一步的發(fā)展提供理論依據(jù)。