纯电动汽车两挡行星齿轮自动变速器结构设计

郑丽辉 张月忠

摘 要：以纯电动汽车两挡行星齿轮自动变速器为研究对象，通过分析2Z-X型行星齿轮机构的基本结构和传动特性，结合实际需求选取合适的传动方案，并建立三维模型体现该两挡行星齿轮自动变速器的布置形式，以及制动器和离合器结构设计。

关键词：两挡行星齿轮自动变速器;基本结构;传动方案

中图分类号：U469文献标识码：A开放科学（资源服务）标识码

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.06.009Open Science Identity（OSID）

基金项目：院级项目（QZYY1908）纯电动汽车两挡行星齿轮自动变速器设计与仿真分析

作者简介：郑丽辉（1988-），男，浙江衢州人，硕士研究生，主要从事新能源汽车动力系统方面的研究，E-mail：zhenglihui0339@126.com。

驱动电机低速恒转矩、高速恒功率的工作特性可以满足纯电动汽车正常行驶的动力需求。因此，目前市面上的很多纯电动汽车都是以驱动电机搭配固定速比减速器作为动力单元。但是，该动力单元在满足动力性能的情况下不能使电机经常处于高效率的工作区域。这不仅提高了对驱动电机的性能要求，而且不利于节约能量，影响续驶里程。

纯电动汽车采用两挡行星齿轮自动变速器是兼顾车辆动力性、车载能源经济性以及结构简洁紧凑三重因素的有效解决方案[1-2]。

1 理论基础

传统汽车自动变速器往往采用并联两个以上行星排列以获得多个前进挡挡位，常见的有辛普森式和拉维纳式两种类型。本课题的研究对象为纯电动汽车用自动变速器，只需两个前进挡，采用2Z-X型行星齿轮机构即可实现。2Z-X型行星齿轮机构具有结构简单、制造容易、外形尺寸小、传动效率高等特点。在结构合理的条件下，其传动比范围2.8～13，传动效率0.97～0.99，基本结构如图1所示[3]。

2Z-X型行星齿轮机构各部件的运动规律满足以下方程

ω1+aω2-（1+a） ω3=0（1）

式中 ω1—太阳轮角速度（rad·S-1）;

ω2—齿圈角速度（rad·S-1）;

ω3—行星架角速度（rad·S-1）;

a—齿圈齿数Z2与太阳轮齿数Z1之比，即a=Z2/Z1>1。

2Z-X型行星齿轮机构中太阳轮、齿圈、行星架三者任一部件固定，其余两部件分别作为主动件和从动件，即可实现不同速比和传动方向的变换，具体传动方案如表1所示。

除此之外，太阳轮、齿圈、行星架三者当中任意两者刚性连接即可实现直接挡传动，三者均处于自由状态时可实现空挡。

2 方案拟定

通过分析2Z-X型行星齿轮机构的传动方案，结合本课题研究对象的实际需求，拟定该纯电动汽车两挡行星齿轮自动变速器的1挡采用表1中方案1的形式，即齿圈与机架之间安装制动器B用于固定齿圈，太阳轮输入，行星架输出。Ⅱ挡采用直接挡形式，即行星架与齿圈之间安装离合器C，使两者结合一体，太阳轮输入，行星架输出。倒挡与Ⅰ挡方案相同，利用电机反转实现倒挡。空挡齿圈处于自由状态[4-5]。具体挡位控制方案如表2所示。

各挡位动力传递路径及传动比：

（1）Ⅰ挡。

制动器B结合，齿圈与机架固定，离合器C不工作（分离状态）。

动力传递路径：电机→输入轴→太阳轮→行星轮→行星架→输出轴。

传动比：此时ω2=0，代入（1）式，i1= ω1/ω3=1+a。

（2）Ⅱ挡。

离合器C结合，齿圈与行星架刚性结合，制动器B不工作（分离状态）。

动力传递路径：电机→输入轴→太阳轮→行星轮、齿圈、行星架（三者整体转动）→输出轴。

传动比：此时ω2=ω3，代入（1）式，i2=1。

（3）倒挡。

电机反转，制动器B结合，齿圈与机架固定，离合器C不工作（分离状态）。

动力传递路径：电机（反转）→输入轴（反转）→太阳轮（反转）→行星轮（反转）→行星架（反转）→输出轴（反转）。

传动比：此时ω2=0，代入（1）式可得： i1=ω1/ω3=1+a。

3 結构设计

本课题所设计的纯电动汽车两挡行星齿轮自动变速器基本结构如图2所示，主要由2Z-X型行星齿轮机构、液压多片制动器B、液压多片离合器C组成。输入轴与太阳轮一体，通过轴承支撑在前端盖上，输入轴与电机输出轴通过花键配合。行星架与输出轴一体，通过轴承支撑在后端盖上，输出轴与减速器输入轴通过花键配合。前后端盖之间通过螺栓连接。

齿圈与前端盖之间布置液压多片制动器B，其中钢片与摩擦片交替排列，钢片通过花键与前端盖相连，摩擦片通过花键与齿圈相连，钢片右侧布置活塞和回位弹簧，高压液压油经电液伺服阀进入后端盖油腔推动活塞左移，压紧钢片，完成制动器B制动动作。

齿圈与行星架之间布置液压多片离合器C，其中钢片与摩擦片交替排列，钢片通过花键与齿圈相连，摩擦片通过花键与行星架相连，钢片右侧布置活塞和回位弹簧，高压液压油经电液伺服阀进入后端盖油腔推动活塞左移，压紧钢片，完成离合器C结合动作。

4 结论

（1）分析了2Z-X型行星齿轮机构的基本结构和传动特性。

（2）拟定了一种纯电动汽车用两挡行星齿轮自动变速器的传动方案。

（3）建立三维模型，设计制动器和离合器的布置形式。

参考文献：

[1] 姚福泰. 新能源汽车自动变速器热潮来袭[J]. 中国汽车报，2018（12）：33-36.

[2] 罗本进. 汽车自动变速器及其产业链发展[J].汽车观察，2015（1）：25-28.

[3] 张策.机械原理与机械设计[M].北京：机械工业出版社，2019.

[4] 尹鹏飞.电动汽车两档自动变速器设计与仿真分析[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015.

[5] 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.