新能源電動汽車兩檔變速器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、新能源電動汽車兩檔變速器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一、純電動汽車兩擋自動變速器傳動比優(yōu)化及換擋品質(zhì)研究摘 要：汽車傳動系統(tǒng)中， 變速器作為關(guān)鍵構(gòu)件，直接影響整車性能。為了使電動汽車驅(qū)動電機(jī)的效率得到提升，對固定速比電動汽車進(jìn)行改動，采用兩擋傳動比方案， 促使驅(qū)動電機(jī)工作效率提高，進(jìn)而使整車動力性能及經(jīng)濟(jì)性能得到提升。 主要對純電動汽車兩擋自動變速器傳動比優(yōu)化及換擋品質(zhì)進(jìn)行研究。1、整車基本參數(shù)基于傳統(tǒng)微型車對電動汽車進(jìn)行研究，保留原車懸掛系統(tǒng)， 動力電池采用錳酸鋰電池，驅(qū)動電機(jī)采用永磁同步電機(jī)。綜合研究后，整車參數(shù)為：滿載質(zhì)量1 350 m/kg ，機(jī)械傳動效率 0.9，輪胎滾動半徑0.258 r/min，

2、迎風(fēng)面積 1.868 a/m2 ，空氣阻力系數(shù) 0.31. 根據(jù)國標(biāo) gb/t 283822012 標(biāo)準(zhǔn)及市場定位，整車動力性指標(biāo)如下： 30 min 最高車速 80 km/h，最大爬坡速度 20% ，4% 坡度的爬坡車速 60 km/h ，12% 坡度的爬坡車速 30 km/h ，工況法行駛里程100 km。2、驅(qū)動電機(jī)參數(shù)確定對電機(jī)進(jìn)行選擇時(shí)， 要確保電機(jī)最大限度地工作在高效區(qū)，同時(shí)也要考慮電池組的峰值放電倍率。2.1 驅(qū)動電機(jī)功率在最高車速時(shí)計(jì)算以最高車速在水平道路上行駛，對加速阻力忽略不計(jì)， 設(shè)風(fēng)速為0，那么電機(jī)的輸出功率即為p1為最高車速時(shí)驅(qū)動功率；t 為機(jī)械傳動效率；mg為整車滿載

3、質(zhì)量；f （u）為滾動阻力系數(shù)；umax為最大車速；cd為空氣阻力系數(shù)；a為迎風(fēng)面積。其中：f （u）=1.2（0.009 8+0.002 5u/（100 km/h）+ 0.000 4u/（100 km/h）4 ）. 按照實(shí)際需求及國際標(biāo)準(zhǔn)，選擇100 km/h 車速，根據(jù)式（ 2），計(jì)算結(jié)果為 0.015 24，代入式（ 1），計(jì)算結(jié)果為 p1=13.2 kw 。如果車速符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不低于85 km/h，那么電機(jī)的功率還可以選擇更小的。2.2 驅(qū)動電機(jī)功率在最大爬坡時(shí)計(jì)算對爬坡行駛時(shí)所需要的功率進(jìn)行計(jì)算，忽略空氣阻力功率與加速阻力功率，那么電機(jī)輸出功率可計(jì)算出f（u）=0.012 7，

4、根據(jù)式（3）可計(jì)算出 p2=26 kw 。p2為最大爬坡度行駛功率；i 為爬坡度；ua 為爬坡時(shí)最低車速。2.3 加速性能計(jì)算驅(qū)動電機(jī)峰值功率假設(shè)風(fēng)速為 0，在水平道路上，電動汽車輸出的最大功率位于整車加速過程的末時(shí)刻。p3為勻加速末時(shí)刻所需的最大功率；ta 為勻加速時(shí)間；ua 為勻加速時(shí)末速度。根據(jù) gb/t 283822012標(biāo)準(zhǔn)可知， ta 取值為 10 s，根據(jù)式（2）和式（ 4）可計(jì)算出 p3=21.3 kw。根據(jù)式（ 1）計(jì)算，確定電機(jī)額定功率為15 kw ，由式（ 3）和式（4）可知，電機(jī)峰值功率選定為30 kw。為了滿足成本因素與實(shí)際需求，最終選擇電機(jī)額定功率15 kw，峰值功

5、率 30 kw。3 傳動系傳統(tǒng)比確定在行駛條件和電機(jī)特性不發(fā)生改變的情況下，對比以下幾種傳動比的變速器使用動力性能， 實(shí)現(xiàn)對傳動比的優(yōu)化， 使換擋品質(zhì)得到提高。3.1 單一傳動比動力性能為了兼顧最大爬坡度及最高車速，固定傳動比選擇為6.963，則其阻力與動力平衡， 85 km/h 為達(dá)到的最高車速， 12% 的坡度為最大坡度。為使爬坡性能得到滿足，將電機(jī)峰值功率加大到45 kw ，轉(zhuǎn)速提高到 9 000 r/min才能實(shí)現(xiàn)。這種工況下， 存在的主要問題是需要提高電池放電功率，提高減速器齒輪潤滑性， 同時(shí)還會對倒擋時(shí)減速器輸入軸反轉(zhuǎn)帶來一定的影響。3.2 兩擋傳動比的動力性能如果電機(jī)的功率輸入相

6、同，兩擋變速器的高擋傳動比與低擋傳動比分別為6.5 和 10，通過計(jì)算，可以得到阻力與動力平衡圖。90 km/h 是能夠達(dá)到的最高車速，而最大爬坡坡度達(dá)不到20% ，只能接近。所以，需要驅(qū)動電機(jī)輸出更高的功率才能實(shí)現(xiàn)更高的車速和爬坡度，這就要求電池的性能也要得到提升。3.3 五擋變速器傳動比的動力性能采用 15 kw的額定功率時(shí)，五擋變速器的最大傳動比與最小傳動比分別為 3.538 和 0.78，主減速傳動比 3.765 ，倒擋速比 3.454. 在15 kw額定功率條件下， 96 km/h 為五擋變速器可以達(dá)到的最高車速，最大爬坡坡度達(dá)到20% 以上，動力性能得到有效滿足。如果行車速度只需要

7、滿足85 km/h 的最低標(biāo)準(zhǔn)車速，采用11 kw的額定功率電機(jī)，則五擋變速器的最大傳動比與最小傳動比分別為5.494 和 1.033，主減速傳動比 4.314 ，倒擋速比 3.583. 在 11 kw額定功率條件下，車速最高可滿足85 km/h 的需求，并且最大爬坡度也能夠達(dá)到 20% 。兩擋時(shí)，電池放電功率需求為30 kw ，放電倍率為 1.28；而采用五擋時(shí)，電池只需要提供15 kw的放電功率就可以滿足動力性能，放電倍率為 0.64. 所以，使用五擋變速器時(shí)，對電池性能的要求大幅降低。3.4 3 類變速器對比根據(jù)以上分析，電機(jī)如果選擇15 kw額定功率，則 3 種變速器的最高車速及最大爬

8、坡度如表1 所示。采用 15 kw電機(jī)與五擋變速器配合，能夠滿足最高車速與最大爬坡度的需求。從能耗方面來看，同等工況條件下，五擋變速度輸出功率最低為 11 kw，兩擋變速器最低需要輸出15 kw，單擋變速器則需要輸出 45 kw。綜合對比可見，五擋變速器的能耗最低。4 結(jié)論通過本文研究可知， 純電動汽車兩擋自動變速器傳動比優(yōu)于單擋傳動比，但與五擋傳動比相比稍差。所以，對于兩擋變速器的純電動汽車而言，為了提高傳統(tǒng)比，實(shí)現(xiàn)最大車速及最大爬坡度的提升，可對變速器進(jìn)行改進(jìn)， 采用五擋變速器，能夠?qū)崿F(xiàn)汽車性能的提高?，F(xiàn)階段，五擋變速器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，而兩擋變速器研發(fā)成果顯然還不明顯，所以， 五擋變

9、速器可以直接應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)及成果，實(shí)現(xiàn)研發(fā)成本的降低，同時(shí)五擋變速器對電池、電機(jī)的要求都不高，是未來電動汽車發(fā)展的主要方向。二、淺談新能源電動汽車兩檔變速器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的分析1、兩檔變速器設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)現(xiàn)有常用的電動汽車兩檔變速器有amt 結(jié)構(gòu)和 dct結(jié)構(gòu)。采用 amt 結(jié)構(gòu)時(shí)，需要使用同步器，此時(shí)換擋沖擊較大。而采用dct結(jié)構(gòu)時(shí)，由于變速箱只有兩個(gè)檔位，此時(shí)雙離合器結(jié)構(gòu)會使成本增加很多。at自動變速器主要有兩種類型，一種為辛普森式行星齒輪變速器，一種為拉維納式行星齒輪變速器。2、設(shè)計(jì)原理為使變速器設(shè)計(jì)更加緊湊， 所設(shè)計(jì)的兩擋變速器采用行星齒輪式兩擋變速原理，將差速器進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，取消了傳統(tǒng)at變

10、速器上的液力變矩器和機(jī)械油泵， 采用一個(gè)小型的電動油泵為系統(tǒng)提供液壓動力，通過兩個(gè)高速開關(guān)電磁閥分別控低速擋制動器b1和高速擋離合器 c1。當(dāng) b1接合、 c1松開時(shí)，可以得到一個(gè)比較大減速比：當(dāng)b1松開、c1接合時(shí)，則整個(gè)行星架輸出速比為1：當(dāng) b1， cl 均分離時(shí)，則可以實(shí)現(xiàn)空擋運(yùn)行。3、兩檔變速器傳動速比設(shè)計(jì)一檔在常用低速段電機(jī)要高效率的運(yùn)行以及要滿足汽車爬坡功能的要求，二檔在滿足常用高速運(yùn)行段時(shí)電機(jī)要保持在高效運(yùn)行區(qū)，盡量降低此時(shí)的能源浪費(fèi)，這是兩檔變速器速比選擇的基本條件。檔位切換過程中的平順性控制問題也是速比選擇過程中的不容忽視的重要一環(huán)， 過小的 2 檔速比以及過大的1 檔速比

11、可能造成輸出總功率不平衡，影響平順性。4、電機(jī)參數(shù)選擇驅(qū)動電機(jī)作為純電動汽車動力源，直接決定整車的性能。 相對于其他傳統(tǒng)電驅(qū)動系統(tǒng)，純電動汽車驅(qū)動電機(jī)應(yīng)當(dāng)有如下特點(diǎn)。(1) 高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度：(2) 低速高轉(zhuǎn)矩和高速恒功率的寬調(diào)速范圍：(3) 較高的驅(qū)動效率、低噪聲、低成本：(4) 在惡劣環(huán)境下可靠工作：(5) 能頻繁起動、停車、加減速，對轉(zhuǎn)矩控制的動態(tài)要求比較高。己知參數(shù)：傳動比 i=6.5( 單級變速器傳動比 )，機(jī)械傳動效率 ?=0.95，驅(qū)動輪半徑 r =0.283m 。滾動阻力系數(shù) f=0.014 ?？諝庾枇ο禂?shù) gd =0.32。車輛迎風(fēng)面積 a=1.91。整車質(zhì)量為 150

12、0kg。設(shè)定爬坡速度 25km/h，爬坡度 25% ，角度十四度。設(shè)定高速勻速行駛的速度為110km/h。通過計(jì)算，車輛爬坡時(shí)電機(jī)的峰值輸出功率能達(dá)到30kw ，峰值轉(zhuǎn)矩能達(dá)到 176n m即可。電機(jī)爬坡時(shí)效率按75% 計(jì)算。需要的電機(jī)輸入功率為p/0.75 。車輛以最高速行駛時(shí)電機(jī)輸出的功率為15kw ，轉(zhuǎn)矩為 24n m ，轉(zhuǎn)速為6000r/min ，以上參數(shù)為無風(fēng)理想狀況下的計(jì)算參數(shù)。根據(jù)無刷直流電機(jī)的過載特性和加速要求特性，要預(yù)留有部分后備功率，選額定輸出功率為25kw的無刷直流電機(jī)，可滿足高速情況下的功率輸出，爬坡時(shí)電機(jī)過載到38kw的峰值功率，因此，選用額定功率 25kw 。 峰值

13、功率 38kw 。 最高轉(zhuǎn)速 6000r/min ， 峰值轉(zhuǎn)矩 180n m電機(jī)。5、換擋設(shè)計(jì)為了在換擋過程中保持變速器的輸出轉(zhuǎn)矩平順變化，必須精確控制驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和離合器的滑摩?？刂撇呗园ㄔ谵D(zhuǎn)矩相應(yīng)用線性前饋控制器控制驅(qū)動電機(jī)和離合器，而在慣性相應(yīng)用 pid控制器控制驅(qū)動電機(jī)，使離介器卞從動盤的角速度差跟隨期望的曲線。根據(jù)轉(zhuǎn)矩相和慣性相傳動系的動力平衡方程和保持變速器的輸出轉(zhuǎn)矩平順變化， 以及無動力中斷的擊求， 推導(dǎo)出轉(zhuǎn)矩相和慣性相時(shí)變速器輸出轉(zhuǎn)矩的公式，從而確定了轉(zhuǎn)矩相和慣性相的控制策略。以車速和油門開度為換擋參數(shù)。 采用與傳統(tǒng)汽車自動變速換擋規(guī)律獲取相同的方法， 當(dāng)汽車掛 1 擋運(yùn)行在某一油門開度下時(shí)，取該油門開度兩擋效率曲線的交點(diǎn)對應(yīng)的車速為升擋車速，如果沒有交點(diǎn)則取 1 擋效率曲線的末端車速為升擋車速；當(dāng)汽車在 2 擋運(yùn)行時(shí)， 為了防止循環(huán)換擋，降擋車速則是在升擋車速的基礎(chǔ)上