新能源汽车两档变速器设计与实现分析

面临资源短缺的这个世界性问题，各领域的科技人员不停地在寻找可替代能源的方案，同时电动车利用可再生能源电能为动力，很大程度上解决了内燃机汽车燃烧汽油造成的环境污染与资源短缺问题，同时利用电能为资源的电动车具有较宽广的工作范围，为此将对驱动电机进行针对性、科学化的参数匹配，设计电动车变速器，保证电动车动力上的支出以及能源应用效率更高，设计以电动机高效运行为原则的换挡变速器，并对此进行了试验，整车的能耗降低了百分之六，续驶里程延长了百分之七。

前 言

电机的高效率运行是电动车最高车速的保障，同时也是对电能资源的节约。固定速比的电动车一般对电机的利用率比较低，促使电机处于高转矩、大电流的运行状态，不仅浪费电机而且降低行驶里程。为了满足电动车爬坡、高速和加速等等要求，牵引电动机不仅要在恒功率区提供较高运行速度，而且要在恒转矩区提供高瞬时转矩，为了降低电动车对动力电机的要求，更大程度上发挥其优越性，电动汽车应该多档化尤其是要优化电动汽车的两档变速器的设计。
 

一、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结构。采用AMT结构时，需要使用同步器，此时换挡冲击较大。而采用DCT结构时，由于变速箱只有两个档位，此时双离合器结构会使成本增加很多。AT自动变速器主要有两种类型，一种为辛普森式行星齿轮变速器，一种为拉维纳式行星齿轮变速器，单排行星齿轮机构运动规律特性方程式如示:n1+an2-(1+a)=0其中: n1为太阳轮转速：n2为齿圈转速；n3为行星架转速：a为齿圈齿数Z2与太阳轮齿数Z1之比即：a=Zz/Z1。

二、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压动力，通过两个高速开关电磁阀分别控低速挡制动器B1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、C1接合时，则整个行星架输出速比为1：当B1， Cl均分离时，则可以实现空挡运行。

三、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)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、停车、加减速，对转矩控制的动态要求比较高。

己知参数:①传动比i=6.5(单级变速器传动比)，机械传动效率ɳ=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=1.91。⑤整车质量为1500kg。⑥设定爬坡速度25km/h，爬坡度25%，角度十四度。⑦设定高速匀速行驶的速度为110km/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·m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下的计算参数。

根据无刷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·m电机。

四、两档变速器传动速比设计

一档在常用低速段电机要好效率的运行以及要满足汽车爬坡功能的要求，二档在满足常用高速运行段时电机要保持在高效运行区，尽量降低此时的能源浪费，这是两档变速器速比选择的基本条件。档位切换过程中的平顺性控制问题也是速比选择过程中的不容忽视的重要一环，过小的2档速比以及过大的1档速比可能造成输出总功率不平衡，影响平顺性。

五、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，使离介器卞从动盘的角速度差跟随期望的曲线。根据转矩相和惯性相传动系的动力平衡方程和保持变速器的输出转矩平顺变化，以及无动力中断的击求，推导出转矩相和惯性相时变速器输出转矩的公式，从而确定了转矩相和惯性相的控制策略。

采用二参数换档规律，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，” 当汽车挂1挡运行在某一油门开度下时，取该油门开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挡运行时，为了防止循环换挡，降挡车速则是在升挡车速的基础上进行一定的换挡延迟。

通过试验验证，带二档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，采用两档变速器使整车的能耗降低了百分之六，续驶里程延长了百分之七。采用两档变速器，可以使电机更多地工作在高效区，其原因是采用两档变速器时，电机的工作转矩比采用固定档减速器小得多，这样就减小了电机的工作电流，降低了电机的烧组损耗，提高了电机的工作效率。

总结：在电动车的构造上来看，电机的运行效率尤为重要，而两档变速器的设计是保证电机运行效率的重大因素， 两档变速器的传动速比和换挡策略的相互结合会大幅度提高电动车电机的效率，从而达到高运行、长里程、低损耗、低浪费等诸多优点。通过试验也证明了电动车两档变速器的性能指标得到优化，达到预期目标。同时也坚信在未来的发展中会出现更为优化的设计方案，更高效地利用能源，从而也达到了节约资源、保护环境。