带高低挡电动汽车变速装置的设计与开发*

夏致斌 欧阳波仪 张银平

（1.湖南汽车工程职业学院；2.株洲联动齿轮工业有限公司）

目前，小型电动汽车多采用固定速比的1挡减速器，这种传动方式结构简单、制造成本低，但是对牵引电机提出了较高的要求。牵引电机既要在恒转矩区提供较高的瞬时转矩，又要在恒功率区提供较高的运行速度，满足汽车的加速性能要求和最高车速的设计要求。同时，为了保证汽车的最高车速，减速器速比往往选择得比较小，使牵引电机长期处于高转矩与大电流的工作状态，电机效率比较低，从而浪费电池能量而使续驶里程减小[1]。为了拓展市场，文章研制了一款四轮驱动带高低挡变速装置的电动汽车。

1 新型高低挡变速电动汽车驱动系统整体设计

目前大多数电动汽车不带变速器，只用一个固定的减速器，因此结构简单，操作方便。由于电动汽车在起步和爬坡时扭矩大，电机电流比正常工作时的电流大几倍乃至几十倍，影响到电机和蓄电池的使用寿命，并且缩短了续驶里程。电机在高速时才能达到恒功率输出，爬坡时扭矩大且速度低，电机输出功率反而减小，因此爬坡能力差。为了克服上述缺点，目前采用汽车变速器改装，在驱动装置前加装一个单独的变速器，起动和爬坡时采用低挡，减小了冲击电流，增加了驱动力矩，提高了爬坡性能。由于增加了单独的变速器，驱动装置成本提高将近1倍；而且汽车变速器多挡变速，不仅操作复杂，还影响了电机无级变速性能的发挥。目前大多数电动车只能在较好的路面上行驶。

适应复杂路况的四驱车大致有2种形式：一种是采用常规的减速箱+分动箱+前后驱动桥；另一种前后桥各安装了一套电动减速器。前一种T形安置，但结构复杂，成本高。后一种采用了2套同样的平行安置的电动驱动装置，操作方便，但大大增加了成本，而且在四轮驱动时2套装置同时工作，很难做到同步，会产生相互干涉，不仅影响平稳性，而且会造成机件损坏和能源浪费。

目前大多数电动汽车驱动装置电机是平行安置的，装有差速器，但差速器不能限滑或锁止。新型高低挡变速电动汽车驱动系统集成了2挡变速、4×4驱动及差速锁等功能，如图1所示。

新型高低挡变速电动汽车驱动系统由驱动桥箱体、箱盖及输出转角箱组成。在驱动桥箱体内安装有高挡输入齿轮、输入齿轮轴、二轴高挡从动齿轮、低挡从动齿轮、同步器、二轴主动齿轮、三轴、三轴从动齿轮、输出大齿轮及差速器；在差速器一端内有联接齿轮、离合环和差速锁操作机构；转角箱内有主动锥齿轮、主动轴被动锥齿轮和输出轴。输入齿轮轴上的花键与电机联接，输入齿轮轴上的小齿轮与低挡从动齿轮相啮合，高挡输入齿轮通过键固定在输入齿轮轴上，并与高挡从动齿轮啮合，其特征在于：变速器和驱动箱体合一，变速部分由输入齿轮轴、二轴及2对主从动齿轮组成，然后经二轴主动齿轮、三轴及输出大齿轮传至差速器。

采用间齿式套齿离合装置或者同步器，保证高低速挡位能在汽车正常行进中自由切换，通过电动或手动方式使汽车能获得满足其行车状态的挡位，在汽车起步和爬坡时使用低速挡，正常行驶时使用高速挡位。

2 2挡变速器速比设计

电动汽车传动系统参数的选择与匹配是否合理直接影响整车性能的发挥。在电机和蓄电池确定之后，选择不同的传动比，整车将具有不同的经济性和动力性，为此，必须对2挡自动变速器的速比进行优化设计。

电动汽车传动系的速比优化是一个多目标和多变量的优化问题，其中优化目标包括动力性和经济性[1]。

采用交流驱动系统需要考虑2个主要的动力及阻力平衡点：一是常规车速行驶的转矩平衡点；二是最高车速下的转矩平衡点[2]。

带2挡变速功能的变速器既可满足整车在较好路面上以最高车速120 km/h行驶的要求，也可满足爬坡度30%的要求。

1挡传动比：汽车最大爬坡度大于30%，因此利用汽车行驶方程式确定1挡及低挡爬坡能力[3]，即：

2挡传动比（i2）为：i2=0.377rn/Ua

式中：T0——输出转矩，N·m；

i1——1挡速比；

η——机械传动效率，η=0.95；

r——驱动轮半径，m；

G——整车重力，N；

α——爬坡角度，（°）；

f——滚动阻力系数，f=0.014；

CD——空气阻力系数，CD=0.32；

A——迎风面积，m2；

Ua——行驶速度，km/h；

n——驱动轮转速，r/min。

通过计算得出：i1=10.5，i2=6.7。根据实际匹配，可实现2挡传动比分别为6.7和10.5。

3 四轮驱动设计

四轮驱动汽车的传动系统由离合器、变速器、传动装置、分动器、前后万向传动装置及前后驱动桥等部件组成。汽车驱动轮的牵引力受到地面附着性能的影响，并且与汽车质量的大小成正比。为了改善汽车的操纵性能，特别是为了提高在低摩擦因数路面行驶的动力性和稳定性，采用了四轮驱动（4WD）系统，它可以充分利用4个轮胎及汽车质量来产生牵引力。在4WD系统中，前后车轮之间的动力分配会直接影响汽车的行驶性能，理想的分配比在 30∶70～50∶50。

四轮驱动汽车不可避免地存在底盘传动系统结构复杂及传动效率偏低等问题。由于全轮驱动（AWD）装置的质量较大，所以整车的装备质量比非全轮驱动汽车要大[4]。

本系统的转角箱固定在底盘上，三轴轴端花键伸出箱体，与转角箱内主动锥齿轮联接，主动锥齿轮装在主动轴上，从动锥齿轮装在输出轴上，输出轴通过锥齿轮副转向呈90°向前驱输出。

转角箱是一个独立的组合体，需要四驱功能时可选装，并可在垂直方向选择需要的角度。

电机直接安装在箱体上，电机轴花键与输入轴的花键相联，与输出方向平行。

采用“按需全轮驱动系统”，无须驾驶人操纵分动器上的操纵杆选择两轮驱动与四轮驱动。在干燥的路面上通常采用前轮驱动，一旦系统检测到路面有打滑的趋势，如路面有水、雪或泥浆等，汽车的动力自动传递给后轮，实现全轮驱动。该车能够根据不同的路况（如沥青、沙砾、积雪或积水），将后桥的输出扭矩控制在0～2 230 N·m。同时，能够实时调整前桥与后桥的扭矩分配比率在100∶0～50∶50。上述功能的转换不需要驾驶人参与，因此能够提供良好的牵引力和越野机动性。

4 差速装置设计

差速器壳安装在主减速器从动齿轮上，故在确定主减速器从动齿轮尺寸时，应考虑差速器的安装。差速器壳的轮廓尺寸也受到从动齿轮及主动齿轮导向轴承支座的限制。差速器壳体的结构参数主要有壳体厚度、壳体外部直径、内部直径、长度及半轴直径等。差速器壳体的内部直径主要由行星齿轮和半轴齿轮的直径决定，差速器的外部直径则由壳体厚度和内部直径决定。差速器壳沿驱动轴方向的长度与半轴齿轮、行星齿轮及半轴齿轮内部花键的长度有关。壳体的厚度主要决定因素是差速器壳体强度，在满足强度和足够的安全系数条件下，壳体厚度应尽量减小，以减轻质量，节约成本。同时差速器壳体的结构参数还与半轴的结构参数有关，特别是与半轴的直径关系最密切。如：半轴与差速器连接处的花键的齿数、模数及直径直接决定了差速器壳沿驱动轴方向的长度[5]。

本系统设计的差速器，如图2所示。差速器装有带4个行星齿轮的不对称锥齿轮，主体装于主被动齿轮前端，缩小了驱动桥的轴向尺寸，适合左右轮距较小的汽车使用；采用4个行星齿轮，提高了差速器的强度；主动齿轮跨式安装，使齿轮强度和壳体强度提高1/3以上；主驱动桥还可装齿套式差速锁，辅助驱动桥还装有齿套式二四驱动变换离合器，并可加装齿套式差速锁，它们的接合外齿和花键套的内齿做成间齿（除去相邻齿），使接合与分离容易，均可实现不停车操作。

5 结论

新型高低挡变速电动汽车驱动系统，由于采用2挡变速，起步和爬坡时使用低速挡位及大减速比时，电机负荷减小，爬坡性能提高。经实际道路试验，采用2挡变速器使整车的能耗降低了6.8%，续驶里程延长了7.2%。该系统由驱动桥箱体和端盖组成，在驱动桥箱体内安装有差速器和高低挡变速装置，没有单独的变速箱。研发的差速器体积小、强度高、功能性强且性能稳定。