电动车两档变速器设计开发

乍，灾用披术　ＡＵＴＯＭＯＢＩＩ　Ｅ　ＡＰＰｌ　ＩＥＤ　ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ　２０ｌ　４　第１　１驯　２Ｏ　１　４　（）．１　ｌ　电动车两档变速器设计开发　夏致斌　（湖南汽车工程职业学院，湖南株洲４１２００１）　摘要：设计了一款电动车用变速器，对驱动电机进行参数匹配设计。依据整车动力性和经济性的要求，对传动系　统的速比进行了优化设计，制定了以电机高效运行为原则的换挡控制策略，并与采用固定速比减速器的电动汽车进　行了对比验证试验，整车的能耗降低了６％，续驶里程延长了７％。　关键词：电动汽车；驱动电机；变速器；传动速比　中图分类号：Ｕ４６２．２文献标识码：Ａ文章编号：１　６７１—７９８８（２０１　４）１　１—４Ｏ一０４　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｂｉｌｅ’Ｓ　ｔｗｏ　Ｓｐｅｅｄ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｘｉａ　Ｚｈｉｂｉｎ　（ＨｕｎａｎＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏｃ￣ｉｏｎａｌＣｏｌｌｅｇｅ，ＨｕｎａｎＺｈｕｚｈｏｕ４１２００１）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｔｙｐｅ　ｏｆｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｆｏｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｂｉｌｅ，ａｎｄ　ｉｔ　ｉｓ　ｔａｋｅｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｍａｔｃｈｉｎｇ　ｄｅｓｉｇｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｒｉｖｅ　ｍｏｔｏｒ　Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｅｍａｎｄ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ａｎｄ　ｅｃｏｎｏｍｙ　ｏｆ　ｍｏｂｉｌｅ，ｉｔ　ｉｓ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｒ　ｆｔｈｅ　ｇｅａｒ　ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ｄｒｉｖｅ　ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｔｈｅ　ｓｈｉｆｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｇｉｆｉｃｅ　ｏｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｅｆｉｃｉｅｎｔｆ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｍｏｔｏｒ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｂｉｌｅ　ｗｈｉｃｈ　ｈａｓ　ｆｉｘｅｄ　ｒａｔｉｏ　ｒｅｄｕｃｅｒ，ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｂｉｔｌｅ　ｗｉｔｈ　ｔｗｏ　ｓｐｅｅｄ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｉｓ　ｒｅｄｕｃｅｄ　６％ａｎｄ　ｌｉｍｉｔｅｄ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｉｓ　ｅｘｔｅｎｄｅｄ　７％．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｂｉｌｅ；ｄｒｉｖｅ　ｍｏｔｏｒ；ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ；ｇｅａｒ　ｒａｔｉｏ　ＣＬＣ　Ｎ０．：Ｕ４６２．２　Ｄｏｃｕｍｅｎｔ　Ｃｏｄｅ：Ａ　Ａｒｔｉｃｌｅ　ＩＤ：１６７１－７９８８（２０ｌ４）ｌｌ一４Ｏ—Ｏ４　引言　电动汽车以可再生清洁的电能为动力，克服了传统内燃　两档变速器设计理论基础　现有常用的电动汽车两档变速器有ＡＭＴ结构和ＤＣＴ　机汽车的环境污染和资源短缺问题；电动汽车牵引电机相对　结构。采用ＡＭＴ结构时，需要使用同步器，此时换挡冲击　传统内燃机具有较宽的工作范围，并且电机低速时恒转矩和　较大。而采用ＤＣＴ结构时，由于变速箱只有两个档位，此　高速时恒功率的特性更适合车辆运行需求［１】。采用固定速比　时双离合器结构会使成本增加很多。［３］　的一挡减速器存在电机利用效率较低的问题，为了保证汽车　的最高车速，减速器速比往往选择得比较小，这就使牵引电　机长期处于高转矩、大电流的工作状态下，电机效率比较低，　从而浪费电池能量降低续驶里程。电动汽车牵引电机既要在　恒转矩区提供较高瞬时转矩，又要在恒功率区提供较高运行　速度，才能满足车辆的高速、爬坡和加速等整车性能要求。　为使电动汽车发挥其优越性，并降低电动汽车对动力电池和　牵引电机要求，电动汽车传动系统应多挡化。［２］　作者简介：夏致斌，就职于湖南汽车工程职业学院。　基金项目：２Ｏ１３年湖南省科技计划项目（项目编号：２０１３ＧＫ３ｌ９４）。　图１　２Ｋ—Ｈ行星齿轮变速器简图　４１　汽车实用技术　２０１４年第１１期　ＡＴ门动变速器主要有两种类犁，　－种为辛普森式行星　实现高速行驶，无需踩离合器换挡：　（３）制动停车——在高速挡制动后，换空挡停车：　（４）倒车行驶——停车，摁倒挡按钮，通过电机反转实现　倒挡。　（１）　齿轮变速器，一种为拉维纳式行星齿轮变速器，图１为２Ｋ　Ｈ　行星齿轮变速器的机构图。单排行星齿轮机构运动规律特性　方程式如下式（１）所示：　ｎｌ＋ａ“２一（１＋ａ）“３＝０　其中：ｎ。为太阳轮转速；ｎ２为齿圈转速；ｒｌ　为行星架转　速；ａ为　圈齿数Ｚ２与太阳轮齿数Ｚｌ之比即ａ＝Ｚ２／Ｚｌ。［４】　４、电机参数选择　驱动电机作为纯电动汽车动力源，直接决定整车的性能。　相对于其他传统电驱动系统，纯电动汽车驱动电机应当有如　下特点。　（１）高功率密度、高转矩密度；　２、设计原理　为使变速器设计更加紧凑，所设计的两挡变速器采用行　星齿轮式两挡变速原理，将差速器进行集成设计，取消了传　统ＡＴ变速器上的液力变矩器和机械油泵，采用一个小型的　电动油泵为系统提供液　动力，通过两个高速开关电磁阀分　别控低速挡制动器Ｂｌ和高速挡离合器Ｃ１。当Ｂ１接合、ｃ１　松开时，可以得到一个比较大减速比；当Ｂ１松开、ｃｌ接合　时，则整个行星架输　速比为１：　Ｂ１、Ｃｌ均分离时，则　口］‘以实现空挡运行。所设计的两挡变速电驱动桥结构原理如　图２所示，其中电机动力由太阳轮输入，动力由行星架输出。　［５］　；建　‘ｌ怒禽　｝　Ｉ艇ｉ照　ｊ　辫　１　Ｉ琶　｝　图２两档变速驱动桥结构原理图　３、驱动系统的功能　带两挡变速功能驱动系统结构，可实现的详细功能有：　（１）该电动汽车具有较广的车速范围和较大的爬坡扭矩。　在恒功率电机区，该午具有较高的速度，能够满足汽车在平　坦的路而高速仃驶的要求。在电机恒转矩区，该车低速运｛＝Ｊ：　时具有大转矩，能够满足爬坡度３０％的要求；　（２１必要时中断传动系统的动力传递。松开油门，中断动　力传递，以便变速器换挡：　（３１该车两侧驱动车轮具有差速功能；　（４）该车具有倒挡功能。【６］　带两挡变速功能电动汽车驱动系统操纵方式：　ｆ１１车辆起步及车辆爬坡行驶——挂１挡，实现起步或爬　坡：　（２）　辆在平　路血行驶——直接松开加速踏板换２挡，　（２）低速高转矩和高速恒功率的宽调速范围：　（３）较高的驱动效率、低噪声、低成本；　（４）在恶劣环境下可靠工作；　（５）能频繁起动、停　、加减速，对转矩控制的动态要　求比较高。『７１　已知参数：①传动比ｉ＝６．５（单级变速器传动比），　机　械传动效率　＝０．９５，　驱动轮半径ｒ＝０．２８３ｍ。②滚动阻力　系数ｆ＝－０．０１４。③空气阻力系数ＧＤ＝０．３２。④车辆迎风面积　Ａ＝Ｉ．９１ｍ２。⑤整车质量为１５００ｋｇ。⑥设定爬坡速度２５ｋｍ／ｈ，　爬坡度２５％，角度１４。。⑦设定高速匀速行驶的速度为　１　１０ｋｍ／ｈ。　通过计算，　车辆爬坡时电机的峰值输出功率能达到　３０ｋＷ，峰值转矩能达到１７６Ｎ・ｒｎ即可。　电机爬坡时效率按７５％计算。需要的电机输入功率为　Ｐ／０．７５。　车辆以最高速行驶时电机输出的功率为１５ｋＷ，转矩为　２４Ｎ・ｍ，转速为６０００ｒ／ｍｉｎ，以上参数为无风理想状况＿Ｆ　的计算参数［６］。　根据无　０直流电机的过载特性和加速要求特性，要预留　有部分后备功率，　选额定输出功率为２５ｋＷ的无刷直流电　机，可满足高速情况下的功率输出，爬坡时电机过载到３８ｋＷ　的峰值功率，因此，选用额定功率２５ｋＷ，峰值功率３８ｋＷ，　最高转速６０００ｒ／ｍｉｎ，峰值转矩１８０Ｎ・ｒｎ电机。　两档变速器传动速比设计　两挡变速器速比选择的基本原则：　一挡速比在满足汽车　爬坡要求的同时，要兼顾在常用低速段电机运行在岛效率区；　二挡在满足最高车速的同时，尽量降低电机的输入轴转速，　同时要满足常用高速段运行时电机转速尽量落在电机运行的　高效区域。同时，在速比选择过程中还要考虑挡位切换过程　中平顺性控制问题，过大的ｌ挡速比和过小的２挡速比将极　有可能造成挡位切换过程中电机输出总功率不能保持平衡，　影响半顺性。【５】　欲满足设计车型的最高行驶车速Ｖｍａｘ要求，传动系总　２０１４年第１１期　传动比　ｉ≤０．３７７ｒ・ｎ　／Ｖｍａｘ＝ｉｍ　夏致斌：电动车两档变速器设计开发　４２　器的输出转矩平顺变化，以及无动力中断的需求，推导出转　（２）　矩相和惯性相时变速器输出转矩的公式，从而确定了转矩相　式中：ｉ　为传动系总传动比最大值；ｎ　为电动机最高　和惯性相的控制策略［８］［９］。　稳定转速，ｒ／ｍｉｎ。　采用二参数换挡规律，以车速和油门开度为换挡参数。　采用与传统汽车自动变速换挡规律获取相同的方法，如图３　所示，当汽车挂１挡运行在某一油门开度下时，取该油门开　为保证最大爬坡度，根据汽车理论　ｍｇ（　ｏ；　飘懿４－￣．ｉｒａ　ｘｃＥＬ找≥Ｆ　．　一１　—————＿＝■———————一１Ｄ．ｍｉ￣ｌｉＴＩＴ　　ｌｍｌｎ　（３）　度两挡效率曲线的交点对应的车速为升挡车速，如果没有交　点则取１挡效率曲线的末端车速为升挡车速；当汽车在２挡　式中：ｉ　ｉ　为传动系总传动比最小值；ｏ　为最大爬坡　运行时，为了防止循环换挡，降挡车速则是在升挡车速的基　度，（。）；Ｔ　为电动机最大扭矩，Ｎ・１ＴＩ；ｒｌ　为从电　动机到车轮的传动效率，此处取０．９。　从以上公式中可以得出，为了保证设计车型的最高设计　车速和最大设计爬坡度，如果采用固定速比１挡减速器，传　动系统总传动比ｉ应限制在ｉｍｉｎｉ≤ｉ　ａｘ范围内；而采用两挡自　动变速器，则１挡传动比决定了汽车的最大爬坡能力，２挡　传动比则决定了汽车的最高车速，因此，传动系在ｌ挡时总　传动比ｉｌ≥ｉ　ｊ　，以保证最大爬坡度；在２挡时总传动比ｉ２　≤ｉ　，以保证最高车速。　通过计算，得出：ｉ１＝１０．５　二挡传动比：ｉ２－－０．３７７×　６．７　（４）　ｔｌ　根据实际匹配，可实现二挡传动比分别为６．７和１０．５。　６、换挡设计　为了在换挡过程中保持变速器的输出转矩平顺变化，必　须精确控制驱动电机的转矩和离合器的滑摩。控制策略包括　在转矩相应用线性前馈控制器控制驱动电机和离合器，而在　惯性相应用ＰＩＤ控制器控制驱动电机，使离合器主从动盘的　角速度差跟随期望的曲线。　ｋｍ．ｈ　）　…一ｌ籀——２挡　图３两档位各油门开度下电机效率曲线　根据转矩相和惯性相传动系的动力平衡方程和保持变速　础上进行一定的换挡延迟。　７、验证试验　目前，该两挡变速器完成设计制作和初步的测试，图４　为两挡变速器总装效果：图５、图６为初步的台架试验数据。　测试结果表明，两挡变速器在换挡过程能实现平顺换挡，降　挡过程完成时间约０．４５　Ｓ，升挡过程完成时间约０．５７　Ｓ。　图４两档变速器总装效果图　ｌ　４ｎ　ｆ｝《　１　１０　｛螂　ｌ《　｛鞋舯　车速　霸　０　电机转速　Ｋｉｎ／　ｊ　Ｉ　¨　Ｊ　０　毒皓　ｉ｝《　｝　２０　《》　静　图５升档时电机转速与车速变化　ｌｌ《Ｍ）ｆ｝　ｆＸｍ　车速　‘　｛　ｍ电机转速　Ｋｍ／ｈ＊￣　ｒ／ｍｉｍ，　｛Ｍｍ　…　图６降档过程中电机转速与车速变化　通过试验验证，带二挡变速功能电动汽车与传统电动的　汽车相比最高车速及最大爬坡度都有了明显的提高。最高车　速提高了２２．５６ｋｍ／ｈ，而在经济性上，采用两挡自动变速器　使整车的能耗降低了６％，续驶里程延长了７％。采用两挡变　速器，可以使电机更多地工作在高效区，其原因足采用两挡　汽车实用技术　２０１４年第１ｌ期　变速器时，电机的工作转矩比采用固定挡减速器小得多，这　【２］黄菊花、徐仕华、ｉ舅｝世坤，电动汽车自动变速器设计研究［Ｊ］，井　样就减小了电机的工作电流，降低了电机的绕组损耗，提高　了电机的工作效率。　冈山大学学报，２０１１（１）：１００—１０３．　［３】黄菊花．电动汽车自动变速器设计研究［Ｊ］．南昌大学学报，２０１１（４）．　［４］何李婷、吴占雨、吴圈彬等，　种电动汽车用两档自动变速器传　８、结论　（１）依据方案设计了一款电动车用两档变速器。　（２）通过计算，选定了电机的参数。　动系统的方案设计【Ｊ１，科技信息，２０１３（２１）：１８－１９．　［５］黄伟、王耀南、冯坤等，纯电动汽车两档自动变速器研究开发［Ｊ］，　汽车技术，２Ｏｌｌ（１０）：１７．２０　（３）设计了两档变速器的传动速比和换挡策略。　（４）通过验证试验，设计的电动车　两档变速器性能指　［６］王燕、万媛嫒，带二档变速功能汽车驱动系统参数设计及应用［Ｊ］．　农业装备与车辆工程，２０１ｌ（１０）：２７．２９．　［７］夏敛斌、欧阳波仪、张银平，网轮驱动带高低档电动汽车变速装　标得到优化，达到于贝定目标。　置的设计与开发［Ｊ］，汽车工业研究，２０１４（１０）：３５—３７．　［８］葛安林汽车自动变速理论与设计［Ｍ］．北京：机械工业出版　社　１９９３．　参考文献　［１］罗光涛．纯电动客车自动变速器（ＡＭＴ）系统探讨　，汽　齿　轮，２００９（１）：７－１１．　【９］何忠波、白鸿柏、杨建春，ＡＭＴ车辆频繁换挡的消除策略［Ｊ］，　农业机械学报，２００６　３７（７）：９—１３．　（上接第２３页）　更改ｌａｙ文件中各个参数的值：Ｌ＝７６００，Ｈ＝１５００，　Ｗ＝２３００，Ｘ＝Ｉ　１００，Ｄｔ＝ｌ２，Ｂｔ＝８，Ｊｔ＝４，ＮＣ＝８，ＮＤ＝１０。更　３、参数化结果验证　根据所创建的自卸车货箱参数化模犁进行结果验证。改　变ｌａｙ文件中各个参数的值：Ｌ＝５４００，Ｈ＝Ｉ　１５０，Ｗ＝２３００，　新三维模型得到图８所示货箱，在“分析”菜单中点“模型一　质量属性”可有询出货箱总质量为５９４６．７Ｋｇ。　Ｘ＝８００，Ｄｒ＝８，Ｂｔ＝４，Ｊｔ＝４，ＮＣ－６，ＮＤ－７。更新三维模型　４、总结　得到图７所示货箱，在“分析”菜　中点“模型一质量属性”　日Ｊ杏询出货箱总质量为３１７８．８Ｋｇ。　对于结构类似，零件截面尺寸　一致的常规自卸车货箱，　利用布局文件ｌａｙ文件建立的货箱ｊ维模型可通过改变ｌａｙ　文件参数方便、快速地得到需要的货箱模型和理论货箱质量，　极人地提高了设计效率及设计准确性，方便设计人员快速得　出不同用户配置的货箱质量。利用这一方法，同样可以建市　斜筋、ｕ型、四纵梁等结构的参数化货箱三维模型，使没计　人员在实际设计过程中简化设计，缩短设计时间，提高设计　效率和设计的准确性。　图７　５４００Ｘ　２３００Ｘ１１５０底８边４货箱三维模型　参考文献　［１］＿干洪珍，侯友夫，勒敏．基于Ｐｒｏ／Ｅ三维模型的参数化设计方法研　究与实虮［Ｊ１　煤矿机械，２００７，（２）：８３￣８５．　【２］蔡冬根，周天瑞．基于Ｐｒｏ／Ｅ的注塑模参数化模架庠的开发研究［Ｊ］．　图８　７６００×２３００×１５００底１２边８货箱三维模型　机械设训与制造，２０１ｌ，（８）：２２７￣２２９．