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）

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）

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%。

电动汽车；驱动电机；变速器；传动速比

CLC NO.:U462.2Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)11-40-04

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]

1、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。[3]

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，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：

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=Z2/Z1。[4]

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、C1均分离时，则可以实现空挡运行。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]

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， 该车具有较高的速度，能够满足汽车在平坦的路面高速行驶的要求。在电机恒转矩区，该车低速运行时具有大转矩，能够满足爬坡度30%的要求；

(2)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；

(3)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：

(1)车辆起步及车辆爬坡行驶--挂1挡，实现起步或爬坡；

(2)车辆在平坦路面行驶--直接松开加速踏板换2 挡，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。

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）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。[7]

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η =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=1.91m2。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[6]。

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。

5、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高效率区；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1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，影响平顺性。[5]

欲满足设计车型的最高行驶车速Vmax要求，传动系总

传动比

式中：imax为传动系总传动比最大值；nmax为电动机最高稳定转速，r/min。

为保证最大爬坡度，根据汽车理论

式中：imin为传动系总传动比最小值；αmax为最大爬坡度，（°）；Tmmax为电动机最大扭矩，N·m；ηT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≤imax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1挡时总传动比i1≥imin，以保证最大爬坡度；在2挡时总传动比i2≤imax，以保证最高车速。

通过计算，得出：i1=10.5

根据实际匹配，可实现二挡传动比分别为6.7和10.5。[7]

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。

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，以及无动力中断的需求，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［8］[9]。

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。

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。

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，其原因是采用两挡

变速器时，电机的工作转矩比采用固定挡减速器小得多，这样就减小了电机的工作电流，降低了电机的绕组损耗，提高了电机的工作效率。

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。

（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，设计的电动车用两档变速器性能指标得到优化，达到预定目标。

[1] 罗光涛.纯电动客车自动变速器(AMT)系统探讨[J],汽车齿轮,2009 (1)：7-11.

[2] 黄菊花、徐仕华、谢世坤，电动汽车自动变速器设计研究[J]，井冈山大学学报，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、吴国彬等，一种电动汽车用两档自动变速器传动系统的方案设计[J]，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，2011（10）：17-20.

[6] 王燕、万媛媛，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，2011（10）：27-29.

[7] 夏致斌、欧阳波仪、张银平，四轮驱动带高低档电动汽车变速装置的设计与开发[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.

[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.

更改lay文件中各个参数的值：L=7600，H=1500，W=2300，X=1100，Dt=12，Bt=8，Jt=4，NC=8，ND=10。更新三维模型得到图8所示货箱，在“分析”菜单中点“模型-质量属性”可查询出货箱总质量为5946.7Kg。

4、总结

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文件建立的货箱三维模型可通过改变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，极大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，同样可以建立斜筋、U型、四纵梁等结构的参数化货箱三维模型，使设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。

参考文献

[1] 王洪珍，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现[J].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库的开发研究[J].机械设计与制造，2011，（8）：227～229.

Design and Development of Electromobile’s two Speed Transmission

Xia Zhibin
（Hunan Automotive Engineering Vocational College, Hunan Zhuzhou 412001）

A type of transmission 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 for the gear ratio of drive system, and established the shift control artifice on principle of efficient operation of the electrical motor. Comparing testing with electromobile which has fixed ratio reducer, the energy consumption of the electromobile with two speed transmission is reduced 6% and limited driving distance is extended 7%.

electromobile; drive motor; transmission; gear ratio

U462.2

A

1671-7988(2014)11-40-04

夏致斌，就职于湖南汽车工程职业学院。

2013年湖南省科技计划项目（项目编号：2013GK3194）。