电动汽车动力保持型机械式自动两挡变速器仿真的研究

张钱斌

(安徽机电职业技术学院 汽车工程系，安徽 芜湖 241000)

近些年，随着低碳环保观念深入人心，纯电动汽车应运而生并已成为世界范围内新能源汽车的重要构成部分，引起了各个国家的广泛关注和重视。对于纯电动汽车而言，通过配置变速器，可有效提升其整体的运动性能。因此，本文重点对电动汽车动力保持型机械式自动两档变速器的仿真进行了研究，结果表明其具有良好的运动性能改善效果。

1 自动两档变速器的设计

1.1 结构框架

本课题对两档变速器仿真研究的主要目的在于实现纯电动汽车的动力传动系统的高效不中断运行。除此以外，鉴于对纯电动汽车的外形、结构、总量以及设计成本等多项因素的考虑，提出了一种动力保持型两档变速器的设计方案，如图1所示，这一变速器主要由单排行星齿轮体系、膜片弹簧离合器和相适应的制动器三大部分构成，以此来实现汽车档位的变换，与此同时，变速器中也囊括了差速器和减速器，从而为汽车的整体布置提供便利。纯电动汽车的动力电机与变速器的输入轴相连接，借助减速器中间轴的两个中间齿轮实现动力有效传导至差速器。自动两档变速器中的单排行星齿轮体系主要由行星齿轮、齿圈、太阳轮以及行星架构成，其中，变速器的输入轴和太阳轮相对稳定，而变速器的输出轴则与行星架相对稳定[1]。

1-变速器输入轴；2-离合器；3-制动器；4-行星齿轮系统；5-变速器输出轴；6-主减速器中间轴；7-差速器

图1动力保持型两挡自动变速器结构

1.2 工作原理

本课题所设计的两档变速器可自由切换于2个档位之间，其中，一档的功能在于驱动汽车的启动和中低速运动，而二挡的功能在于驱动汽车的高速运动。动力保持型机械式两档变速器的工作流程主要划分为3个环节，分别是一档挂挡、二挡挂挡以及档位切换。

当档位为一档时，制动器为接合状态，而离合器则为不接合状态，变速器的表壳和齿圈相互连接。此时，电机的驱动动力借助输入轴传输至太阳轮，行星架和太阳轮之间便构成了一个明确的传动比，而且其数值要高于1。从太阳轮导入的动力通过行星架传输至变速器的导出轴，其后传输至车辆的驱动轴，以此来实现车辆前轮的驱动。

当档位为二挡时，制动器为放松状态，而离合器则为接合状态，变速器的输入轴和齿圈相互连接。此时，电机的驱动动力借助输入轴传输至齿圈和太阳轮，鉴于变速器的输入轴和太阳轮相对稳定，因而单排行星齿轮体系会以一个一致的运动速度同步转动，行星架和太阳轮之间的传动比数值显示为1，而这就等同于直接档。电机的驱动力通过行星架导出并传输至变速器的输出轴，其后传输至车辆的驱动轴，以此来实现车辆前轮的驱动。

当档位从一档变换为二挡时，制动器趋于放松，而离合器则趋于接合，而当档位从二档变换为二一挡时，制动器趋于接合，而离合器则趋于放松，以此来保证切档过程中动力的高效保持。

2 电动汽车传动系统的模型分析

2.1 运动学分析

依据运动学的相关原理知识可得，单排行星齿轮体系各个部件之间的关系表达式为[2]：

(1)rrwr=rpwp+rcwc，

rr=rp+rc

(2)rcwc=rpwp+rsws，

rc=rp+rs

其中，rr、rs、rc、rp分别代表单排行星齿轮体系中的齿圈、太阳轮、行星架以及齿轮的半径，wr、ws、wc、wp分别代表齿圈、太阳轮、行星架以及齿轮的运动速度。在稳定条件下，单排行星齿轮体系的运动学函数为：

(3)ws=(1-ispipr)wc+ispiprwr.

其中，isp代表太阳轮与行星轮的齿轮数量比，ipr代表行星轮与齿圈的齿轮数量比。为了进一步简化计算，将单排行星齿轮体系中的太阳轮和齿轮半径rr、rs设定为齿轮体系的传动比参数kg，此时三者的表达式为：

(4)isp=rp/rs，ipr=rr/rp，kg=rr/rs.

依据上述运动学方程可知，变速器在运作过程中的速比表达式为：

第一，当变速器处于第一档时，此时，wr=0，ws≠0，即(5)ig=i1=ws/wc=1+kg.

第二，当变速器处于第二档时，此时，wr=ws=wc，即(6)ig=i2=ws/wc=1.

第三，当变速器处于换挡阶段时，此时，wr≠0且ws≠wr，即(7)i2=1

2.2 参数筛选

为了筛选出科学的动力系统参数和变速器速比，本课题以当前较为常见的纯电动汽车——日产LEAF为基础，初步明确了汽车车型，以此来进行参数筛选[3]。根据相关资料显示，纯电动汽车的电机驱动最大值功率Pm，max须对以下条件满足，即Pm，max≥max[Pm_vmax，Pm_imax，Pm_acc]，其中，Pm_vmax代表最大车速时的功率，Pm_imax代表最大爬坡度时的功率，Pm_acc代表加速阶段的最大功率需求。通过计算可知，电气的驱动最大值功率为Pm，max≥68.92kW，以此来明确电机的基础参数。其中，电机峰值转速为8500,电机额定转速为3000,电机峰值转矩为240,电机峰值功率为75,第一档速比为2.75,第二档速比为1.00,主减速器速比为4.47。

在进行变速器速比的筛选时，当纯电动汽车处于最高速运行r·min-1时，其以最小传动比档位运动，而当车辆处于主打爬坡度时，则以最大传动比档位运动。

汽车的总体传动比为：(8)：i=i0ig.

其中，ig和i0分别代表变速器和减速器的传动比，最小传动比档位等同于直接档，ig=i2=1，所以io可通过最大车速和最大爬坡度进行计算，即i0≤5.61，i0i1≥6.36。在进行速比筛选时，也加入单排行星齿轮体系指数Kg这一影响因素，当kg=1.75时对基础参数和速比进行筛选。

至于电池参数方面，本课题采取了等速方法对电机的耗电量进行计算，即当汽车的驱动距离=200km，速度=60km/h，驱动时间=1.2×104s，所得的耗电量为18.89kW，以此为依据选择的电池系统总量为24kW·h。在设计和实验过程中，本课题应用电控机械式切档结构，借助2个直流电机驱动，以完成所有的切档指令。依据上述所有分析结果，为了为切档控制器的研究提供便利，本课题简化了传动系统，并建构起了完整的传动系统动力学模型。

3 电动汽车自动两档变速器的平台架构

本课题架构了一个纯电动汽车机械式两档变速器的HIL仿真平台，这一平台通过应用Simulink Real-Time工具系统，并以MATLAB/Simulink R2015b软件为基础，以实现TCP/IP通讯协议的连接，建构了一个由上、下机位共同构成的动态把控实验系统。基于上机位的运作环境，构建了一个较为完善的纯电动汽车仿真模型，并设定好采样周期和各部分参数，其后将其载入下机位进行仿真实验。纯电动汽车仿真模型主要由信号输入、汽车控制、汽车驱动电机、电池和变换器、动力保持型机械式两档变速器、变速器把控以及汽车纵向动力学这7大子系统模型构成，其中，信号输入子系统模型可依据车辆的实际行驶速度或者应用各个汽车循环工况以把控行驶速度。纯电动汽车仿真模型囊括1个Driver Model，即驾驶员模型，制动以及加速踏板的命令数值包括0和1，其所表征的乃是踏板处于不同的位置状态。除此之外，在信号输入子系统模型中提前设定了纯电动汽车的全部行驶条件，例如，环境温度和湿度、风力速度、道路坡度以及滚动阻力参数等等，同时动力保持型机械式两档变速器仿真模型应用了SimDriveLine工具系统实施仿真，如图2所示。

图2动力保持型两挡自动变速器的仿真模型

4 电动汽车自动两档变速器的仿真与研究结果

本课题对设计完成的变速器实施仿真实验。具体来说就是，基于一致的仿真环境，对日产LEAF模型和动力保持型机械式两档变速器汽车模型进行仿真，其后对两组仿真数据进行比较，实验结果显示如下：第一，动力保持型机械式两挡变速器的动力性更佳，第二，两档变速器驱动电机的工作效能更好，第三，自动两档变速器的能源节省度更高，第四，自动两档变速器可有效解决以往电动汽车在换挡时出现的动力中断难题，从而大大提升了纯电动汽车的经济性能和动力性能。