張俊玲 劉炳昌

摘要：本文基于某電動汽車原有固定檔變速器，提出了兩檔自動變速器的結(jié)構(gòu)方案，并根據(jù)動力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)利用MATLAB軟件對其傳動比進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，最后基于UG軟件建立了兩檔變速器的三維模型。

關(guān)鍵詞：兩檔自動變速器;傳動比優(yōu)化;三維建模

引言

環(huán)境污染和資源短缺近年來成為了以內(nèi)燃機(jī)為動力的汽車目前所面臨的兩大技術(shù)問題，而電動汽車以可再生、清潔的電能作為動力，克服了傳統(tǒng)汽車的這些缺點，成為了目前汽車生產(chǎn)商研究的熱點。純電動汽車以電動機(jī)作為動力源，具有良好的調(diào)速特性，電動機(jī)在低速時恒轉(zhuǎn)矩和高速時恒功率的特性比較適合車輛的運行需求。鑒于研發(fā)成本的考慮，眾多在內(nèi)燃發(fā)動機(jī)汽車基礎(chǔ)上改造的電動汽車，大都沿用了原有變速器的一個或兩個檔位來傳動，不利于變速器的專用化。

山東某汽車公司生產(chǎn)的電動汽車采用固定速比減速器，只有一個檔位，使得電動機(jī)常工作在低效率區(qū)域，既浪費能源，又提高了對牽引電機(jī)的要求，還使汽車的續(xù)駛里程減少。因此，對作為傳動系統(tǒng)主體的變速器的研究成為改善電動汽車傳動性能尤其是經(jīng)濟(jì)性能的主要部分。多檔化能夠降低對電機(jī)的要求，擴(kuò)大電動機(jī)的工作區(qū)域，通過對傳動系統(tǒng)的控制來保證牽引電機(jī)總是能夠工作在理想的區(qū)域，從而提高整車的動力性、經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)。隨著生活水平的不斷提高，人們對駕駛舒適感和容易度也提出了更高的要求，本文基于某電動汽車研究了一種兩檔無離合式自動變速器，對其傳動比進(jìn)行了以能量消耗最小為目標(biāo)的優(yōu)化，并在UG環(huán)境下對變速器進(jìn)行了三維建模，為進(jìn)一步的動力學(xué)仿真和試車運行提供了理論依據(jù)。

1.電動汽車兩檔自動變速器的設(shè)計方案

檔位數(shù)的增加有利于增大利用電動機(jī)最大功率的機(jī)會，提高整車的動力性和經(jīng)濟(jì)性，但由于電動機(jī)具有良好的調(diào)速特性，因此電動汽車的檔位數(shù)不宜過多，否則會增加整車的體積和重量，降低傳動效率，故本文設(shè)計兩檔變速，低檔對應(yīng)整車的起步和爬坡，高檔對應(yīng)整車的最大車速，這樣低速檔的傳動比可以選擇的較大，整車的牽引力也較大，動力性較強(qiáng)。基于原有固定速比減速器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和安裝空間，本設(shè)計增加了一根傳動軸，采用傳統(tǒng)的三軸式結(jié)構(gòu)。主要由輸入軸、輸出軸、中間傳動軸、高速檔齒輪、低速檔齒輪、主傳動齒輪、同步器及差速器等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

通過換擋撥叉與同步器的連接實現(xiàn)高低檔位的切換，同時同步器用于減少換擋沖擊和噪聲，實現(xiàn)快速同步;主傳動齒輪為常嚙合齒輪，用于降速增扭;差速器連接驅(qū)動軸，實現(xiàn)扭矩的輸出和分解。變速器實現(xiàn)換擋的條件就是輸入輸出端的轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到同步，由于電機(jī)的控制性能優(yōu)于發(fā)動機(jī)，通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩可以實現(xiàn)同步換擋控制，因此在該變速驅(qū)動系統(tǒng)中去除離合器，通過電控單元的控制來實現(xiàn)無離合自動換擋過程。

圖1 兩檔自動變速器的結(jié)構(gòu)簡圖

整車分為四個檔位，即1檔、2檔、N檔、R檔，檔位分布如圖2。

1.1空擋狀態(tài)

同步器結(jié)合套處于中間位置，此時1、2檔齒輪均處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，變速器處于空擋。

圖2 檔位布置

1.2一檔（低速擋或起步檔）實現(xiàn)

動力通過電動機(jī)經(jīng)輸入軸輸入，同步器結(jié)合套在換擋力的作用下向左移動與一檔空套齒輪結(jié)合，齒輪與輸出軸固連成一體，實現(xiàn)動力輸出。

1.3二檔（高速檔或直接檔）實現(xiàn)

當(dāng)同步器結(jié)合套在軸向換擋力的作用下經(jīng)過空擋位滑向右側(cè)時，結(jié)合套將輸出軸二檔空套齒輪與軸連成一體，動力即由該齒輪輸出。

1.4倒檔（R檔）實現(xiàn)

檔利用電動機(jī)的反轉(zhuǎn)實現(xiàn)，其變速箱狀態(tài)與一檔相同，我們借鑒一些內(nèi)燃汽車上的擋位設(shè)置方法，倒檔與一檔擋位位置相同，但倒檔需要摁下電機(jī)反轉(zhuǎn)開關(guān)，操縱時須壓下。

2.傳動比的參數(shù)選擇和優(yōu)化

傳動比的選擇要兼顧汽車動力性和經(jīng)濟(jì)性也就是續(xù)駛里程兩個條件，為此我們以動力性要求作為約束條件，以整車的經(jīng)濟(jì)性即能量消耗為目標(biāo)函數(shù)對傳動比進(jìn)行優(yōu)化。

2.1根據(jù)動力性的要求，傳動比的約束條件為：電動汽車低速檔傳動比必須滿足汽車對起步和爬坡度的要求，即：

，其中

為最大爬坡度， 為總傳動比的最小值， 為電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。

電動機(jī)高速檔傳動比必須滿足最高車速的要求：

， 為電動機(jī)的最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速， 為整車最高車速。根據(jù)整車的參數(shù)設(shè)置可得：

2.2為了提高整車的續(xù)駛里程，應(yīng)盡量使電動機(jī)工作在等功率區(qū)和額定轉(zhuǎn)速附近。我們以整車一個ECE循環(huán)工況的能量消耗作為優(yōu)化目標(biāo)，以道路的循環(huán)工況給定的車速為輸入，經(jīng)傳動系統(tǒng)得到電機(jī)的需求功率，最終通過積分得到整車消耗的能量。數(shù)學(xué)計算模型如圖3所示。

圖3 電動汽車能耗計算流程

在整個循環(huán)工況中取N個采樣時刻，以所消耗的能量為評價指標(biāo)，以傳動比為設(shè)計變量，建立的目標(biāo)函數(shù)為：

，

其中J為循環(huán)工況所消耗的能量， 為電池的輸出功率， 為采樣時間。

選取在約束條件范圍內(nèi)的多組傳動比，通過matlab仿真模型的分析可得到一個循環(huán)工況消耗的能量，通過能量的對比最終選擇傳動系統(tǒng)的傳動比為：i1=8.2，i2=5.7。

3.換擋過程控制方法

在沒有離合器的情況下要完成換擋操作，實現(xiàn)無離合器平順換擋，要求控制系統(tǒng)對電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、車速和換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的控制達(dá)到協(xié)調(diào)一致。

變速器實現(xiàn)掛檔無沖擊的關(guān)鍵在于使即將嚙合的齒輪的輪軸具有相同的線速度并達(dá)到空載狀態(tài)。在去掉離合器后，與傳統(tǒng)換擋過程相比，該變速驅(qū)動系統(tǒng)可分為摘擋、電機(jī)同步和掛檔三個階段。

摘擋階段電動變速機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的公式如下：

為車輪驅(qū)動轉(zhuǎn)矩， 為地面阻力矩， 為電動機(jī)輸出力矩， 為傳動過程的力矩?fù)p失， 為電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速， 為主減速比， 為檔位傳動比， 為車輪轉(zhuǎn)速。要實現(xiàn)平順摘擋，必須使電動機(jī)在此過程中 =0，才能使嚙合齒輪達(dá)到無載狀態(tài)。

電動機(jī)同步的要求：在兩個檔位切換的過程中，電動機(jī)需要在電控單元的控制下迅速調(diào)整轉(zhuǎn)速以達(dá)到嚙合要求。換擋時間很短，可以認(rèn)為Δt趨近于0，而由于汽車本身的慣性，車輪轉(zhuǎn)速基本維持不變。為了實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與車輪轉(zhuǎn)速的重新匹配，電機(jī)的轉(zhuǎn)速需要發(fā)生迅速變化，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整公式為：

， 為新檔位的傳動比。過大的轉(zhuǎn)速差會造成齒輪的嚴(yán)重打齒現(xiàn)象，對于同步器而言允許齒輪結(jié)合分離的轉(zhuǎn)速差為10-50r/min。因此調(diào)速過程中只要將齒輪嚙合轉(zhuǎn)速差調(diào)整到上述范圍內(nèi)就可以掛檔。

掛擋階段：當(dāng)齒輪的轉(zhuǎn)速差達(dá)到合理的范圍，就可以迅速掛檔。掛檔后電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩根據(jù)工況會由電控單元進(jìn)行實時調(diào)整，保證不會出現(xiàn)大的沖擊，從而使主從動齒輪的轉(zhuǎn)速差趨近于零。

4.基于UG的齒輪軸系的實體建模

確定了變速器兩檔的傳動比后，再對軸及軸上的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計計算，主要包括齒輪和軸的設(shè)計和強(qiáng)度校核，根據(jù)設(shè)計參數(shù)在UG環(huán)境下建立齒輪和軸等零部件的實體模型，然后通過UG的裝配功能對零部件進(jìn)行裝配，通過運動分析進(jìn)行了干涉檢查，得到的裝配模型如圖4所示。

圖4 齒輪軸系的裝配模型

結(jié)論 本文基于原有的變速器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計了兩檔自動變速器的基本結(jié)構(gòu)，以動力性和經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)優(yōu)化了其傳動比，提出了自動換擋的控制策略，并利用UG 軟件對變速器進(jìn)行了實體建模，為進(jìn)一步的動力學(xué)分析和試車運行提供了理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉振軍，崔榮賓等.純電動汽車兩檔變速器的研究與設(shè)計[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報，2013.06（37卷）：53-57.

[2]姬芬竹，高峰，周榮等.純電動汽車傳動系參數(shù)匹配的研究[J]，汽車科技，2011（6）：22-25.

[3]秦大同，周保華，胡明輝等.兩檔電動汽車動力傳動系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計[J]，重慶大學(xué)學(xué)報，2011（1）：1-6.

[4]張進(jìn)，沈安文.純電動汽車自動同步換擋系統(tǒng)設(shè)計[J]，計算技術(shù)與自動化，2011（12）：50-54.

[5]曾虎，黃菊花.純電動汽車的電機(jī)與變速器匹配[J]，裝備制造技術(shù)，2010，5（2）：40-42

[6]唐永琪.純電動汽車兩檔自動變速器換擋品質(zhì)研究[J]，新能源汽車，2013。01：3-7

[7]何東偉，王國華，吳光強(qiáng).基于Matlab的電動汽車變速器結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]，計算機(jī)輔助工程，2008.06：66-68.

作者簡介：

張俊玲（1981-），女，濰坊科技學(xué)院機(jī)械工程系，講師，碩士（已獲得）山東壽光人，主要研究方向：機(jī)電一體化設(shè)計，主編教材一部，發(fā)表論文3篇，實用新型專利一項。

劉炳昌（1975-），男，濰坊科技學(xué)院機(jī)械工程系，講師。