夏致斌 歐陽波儀 張銀平

（1.湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院；2.株洲聯(lián)動(dòng)齒輪工業(yè)有限公司）

目前，小型電動(dòng)汽車多采用固定速比的1擋減速器，這種傳動(dòng)方式結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低，但是對(duì)牽引電機(jī)提出了較高的要求。牽引電機(jī)既要在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)提供較高的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，又要在恒功率區(qū)提供較高的運(yùn)行速度，滿足汽車的加速性能要求和最高車速的設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，為了保證汽車的最高車速，減速器速比往往選擇得比較小，使?fàn)恳姍C(jī)長期處于高轉(zhuǎn)矩與大電流的工作狀態(tài)，電機(jī)效率比較低，從而浪費(fèi)電池能量而使續(xù)駛里程減小[1]。為了拓展市場，文章研制了一款四輪驅(qū)動(dòng)帶高低擋變速裝置的電動(dòng)汽車。

1 新型高低擋變速電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

目前大多數(shù)電動(dòng)汽車不帶變速器，只用一個(gè)固定的減速器，因此結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。由于電動(dòng)汽車在起步和爬坡時(shí)扭矩大，電機(jī)電流比正常工作時(shí)的電流大幾倍乃至幾十倍，影響到電機(jī)和蓄電池的使用壽命，并且縮短了續(xù)駛里程。電機(jī)在高速時(shí)才能達(dá)到恒功率輸出，爬坡時(shí)扭矩大且速度低，電機(jī)輸出功率反而減小，因此爬坡能力差。為了克服上述缺點(diǎn)，目前采用汽車變速器改裝，在驅(qū)動(dòng)裝置前加裝一個(gè)單獨(dú)的變速器，起動(dòng)和爬坡時(shí)采用低擋，減小了沖擊電流，增加了驅(qū)動(dòng)力矩，提高了爬坡性能。由于增加了單獨(dú)的變速器，驅(qū)動(dòng)裝置成本提高將近1倍；而且汽車變速器多擋變速，不僅操作復(fù)雜，還影響了電機(jī)無級(jí)變速性能的發(fā)揮。目前大多數(shù)電動(dòng)車只能在較好的路面上行駛。

適應(yīng)復(fù)雜路況的四驅(qū)車大致有2種形式：一種是采用常規(guī)的減速箱+分動(dòng)箱+前后驅(qū)動(dòng)橋；另一種前后橋各安裝了一套電動(dòng)減速器。前一種T形安置，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。后一種采用了2套同樣的平行安置的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，操作方便，但大大增加了成本，而且在四輪驅(qū)動(dòng)時(shí)2套裝置同時(shí)工作，很難做到同步，會(huì)產(chǎn)生相互干涉，不僅影響平穩(wěn)性，而且會(huì)造成機(jī)件損壞和能源浪費(fèi)。

目前大多數(shù)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)裝置電機(jī)是平行安置的，裝有差速器，但差速器不能限滑或鎖止。新型高低擋變速電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成了2擋變速、4×4驅(qū)動(dòng)及差速鎖等功能，如圖1所示。

新型高低擋變速電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)橋箱體、箱蓋及輸出轉(zhuǎn)角箱組成。在驅(qū)動(dòng)橋箱體內(nèi)安裝有高擋輸入齒輪、輸入齒輪軸、二軸高擋從動(dòng)齒輪、低擋從動(dòng)齒輪、同步器、二軸主動(dòng)齒輪、三軸、三軸從動(dòng)齒輪、輸出大齒輪及差速器；在差速器一端內(nèi)有聯(lián)接齒輪、離合環(huán)和差速鎖操作機(jī)構(gòu)；轉(zhuǎn)角箱內(nèi)有主動(dòng)錐齒輪、主動(dòng)軸被動(dòng)錐齒輪和輸出軸。輸入齒輪軸上的花鍵與電機(jī)聯(lián)接，輸入齒輪軸上的小齒輪與低擋從動(dòng)齒輪相嚙合，高擋輸入齒輪通過鍵固定在輸入齒輪軸上，并與高擋從動(dòng)齒輪嚙合，其特征在于：變速器和驅(qū)動(dòng)箱體合一，變速部分由輸入齒輪軸、二軸及2對(duì)主從動(dòng)齒輪組成，然后經(jīng)二軸主動(dòng)齒輪、三軸及輸出大齒輪傳至差速器。

采用間齒式套齒離合裝置或者同步器，保證高低速擋位能在汽車正常行進(jìn)中自由切換，通過電動(dòng)或手動(dòng)方式使汽車能獲得滿足其行車狀態(tài)的擋位，在汽車起步和爬坡時(shí)使用低速擋，正常行駛時(shí)使用高速擋位。

2 2擋變速器速比設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的選擇與匹配是否合理直接影響整車性能的發(fā)揮。在電機(jī)和蓄電池確定之后，選擇不同的傳動(dòng)比，整車將具有不同的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，為此，必須對(duì)2擋自動(dòng)變速器的速比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

電動(dòng)汽車傳動(dòng)系的速比優(yōu)化是一個(gè)多目標(biāo)和多變量的優(yōu)化問題，其中優(yōu)化目標(biāo)包括動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性[1]。

采用交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要考慮2個(gè)主要的動(dòng)力及阻力平衡點(diǎn)：一是常規(guī)車速行駛的轉(zhuǎn)矩平衡點(diǎn)；二是最高車速下的轉(zhuǎn)矩平衡點(diǎn)[2]。

帶2擋變速功能的變速器既可滿足整車在較好路面上以最高車速120 km/h行駛的要求，也可滿足爬坡度30%的要求。

1擋傳動(dòng)比：汽車最大爬坡度大于30%，因此利用汽車行駛方程式確定1擋及低擋爬坡能力[3]，即：

2擋傳動(dòng)比（i2）為：i2=0.377rn/Ua

式中：T0——輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；

i1——1擋速比；

η——機(jī)械傳動(dòng)效率，η=0.95；

r——驅(qū)動(dòng)輪半徑，m；

G——整車重力，N；

α——爬坡角度，（°）；

f——滾動(dòng)阻力系數(shù)，f=0.014；

CD——空氣阻力系數(shù)，CD=0.32；

A——迎風(fēng)面積，m2；

Ua——行駛速度，km/h；

n——驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，r/min。

通過計(jì)算得出：i1=10.5，i2=6.7。根據(jù)實(shí)際匹配，可實(shí)現(xiàn)2擋傳動(dòng)比分別為6.7和10.5。

3 四輪驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

四輪驅(qū)動(dòng)汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)由離合器、變速器、傳動(dòng)裝置、分動(dòng)器、前后萬向傳動(dòng)裝置及前后驅(qū)動(dòng)橋等部件組成。汽車驅(qū)動(dòng)輪的牽引力受到地面附著性能的影響，并且與汽車質(zhì)量的大小成正比。為了改善汽車的操縱性能，特別是為了提高在低摩擦因數(shù)路面行駛的動(dòng)力性和穩(wěn)定性，采用了四輪驅(qū)動(dòng)（4WD）系統(tǒng)，它可以充分利用4個(gè)輪胎及汽車質(zhì)量來產(chǎn)生牽引力。在4WD系統(tǒng)中，前后車輪之間的動(dòng)力分配會(huì)直接影響汽車的行駛性能，理想的分配比在 30∶70～50∶50。

四輪驅(qū)動(dòng)汽車不可避免地存在底盤傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜及傳動(dòng)效率偏低等問題。由于全輪驅(qū)動(dòng)（AWD）裝置的質(zhì)量較大，所以整車的裝備質(zhì)量比非全輪驅(qū)動(dòng)汽車要大[4]。

本系統(tǒng)的轉(zhuǎn)角箱固定在底盤上，三軸軸端花鍵伸出箱體，與轉(zhuǎn)角箱內(nèi)主動(dòng)錐齒輪聯(lián)接，主動(dòng)錐齒輪裝在主動(dòng)軸上，從動(dòng)錐齒輪裝在輸出軸上，輸出軸通過錐齒輪副轉(zhuǎn)向呈90°向前驅(qū)輸出。

轉(zhuǎn)角箱是一個(gè)獨(dú)立的組合體，需要四驅(qū)功能時(shí)可選裝，并可在垂直方向選擇需要的角度。

電機(jī)直接安裝在箱體上，電機(jī)軸花鍵與輸入軸的花鍵相聯(lián)，與輸出方向平行。

采用“按需全輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”，無須駕駛?cè)瞬倏v分動(dòng)器上的操縱桿選擇兩輪驅(qū)動(dòng)與四輪驅(qū)動(dòng)。在干燥的路面上通常采用前輪驅(qū)動(dòng)，一旦系統(tǒng)檢測(cè)到路面有打滑的趨勢(shì)，如路面有水、雪或泥漿等，汽車的動(dòng)力自動(dòng)傳遞給后輪，實(shí)現(xiàn)全輪驅(qū)動(dòng)。該車能夠根據(jù)不同的路況（如瀝青、沙礫、積雪或積水），將后橋的輸出扭矩控制在0～2 230 N·m。同時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整前橋與后橋的扭矩分配比率在100∶0～50∶50。上述功能的轉(zhuǎn)換不需要駕駛?cè)藚⑴c，因此能夠提供良好的牽引力和越野機(jī)動(dòng)性。

4 差速裝置設(shè)計(jì)

差速器殼安裝在主減速器從動(dòng)齒輪上，故在確定主減速器從動(dòng)齒輪尺寸時(shí)，應(yīng)考慮差速器的安裝。差速器殼的輪廓尺寸也受到從動(dòng)齒輪及主動(dòng)齒輪導(dǎo)向軸承支座的限制。差速器殼體的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有殼體厚度、殼體外部直徑、內(nèi)部直徑、長度及半軸直徑等。差速器殼體的內(nèi)部直徑主要由行星齒輪和半軸齒輪的直徑?jīng)Q定，差速器的外部直徑則由殼體厚度和內(nèi)部直徑?jīng)Q定。差速器殼沿驅(qū)動(dòng)軸方向的長度與半軸齒輪、行星齒輪及半軸齒輪內(nèi)部花鍵的長度有關(guān)。殼體的厚度主要決定因素是差速器殼體強(qiáng)度，在滿足強(qiáng)度和足夠的安全系數(shù)條件下，殼體厚度應(yīng)盡量減小，以減輕質(zhì)量，節(jié)約成本。同時(shí)差速器殼體的結(jié)構(gòu)參數(shù)還與半軸的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，特別是與半軸的直徑關(guān)系最密切。如：半軸與差速器連接處的花鍵的齒數(shù)、模數(shù)及直徑直接決定了差速器殼沿驅(qū)動(dòng)軸方向的長度[5]。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的差速器，如圖2所示。差速器裝有帶4個(gè)行星齒輪的不對(duì)稱錐齒輪，主體裝于主被動(dòng)齒輪前端，縮小了驅(qū)動(dòng)橋的軸向尺寸，適合左右輪距較小的汽車使用；采用4個(gè)行星齒輪，提高了差速器的強(qiáng)度；主動(dòng)齒輪跨式安裝，使齒輪強(qiáng)度和殼體強(qiáng)度提高1/3以上；主驅(qū)動(dòng)橋還可裝齒套式差速鎖，輔助驅(qū)動(dòng)橋還裝有齒套式二四驅(qū)動(dòng)變換離合器，并可加裝齒套式差速鎖，它們的接合外齒和花鍵套的內(nèi)齒做成間齒（除去相鄰齒），使接合與分離容易，均可實(shí)現(xiàn)不停車操作。

5 結(jié)論

新型高低擋變速電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由于采用2擋變速，起步和爬坡時(shí)使用低速擋位及大減速比時(shí)，電機(jī)負(fù)荷減小，爬坡性能提高。經(jīng)實(shí)際道路試驗(yàn)，采用2擋變速器使整車的能耗降低了6.8%，續(xù)駛里程延長了7.2%。該系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)橋箱體和端蓋組成，在驅(qū)動(dòng)橋箱體內(nèi)安裝有差速器和高低擋變速裝置，沒有單獨(dú)的變速箱。研發(fā)的差速器體積小、強(qiáng)度高、功能性強(qiáng)且性能穩(wěn)定。