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純電動汽車兩擋減速器的四種技術(shù)路線

2021-09-14 09:37:20·  來源：旺材動力總成  
　
目前純電動車汽車兩擋變速器主要有同步器換擋、單離合器結(jié)構(gòu)、雙離合器結(jié)構(gòu)、行星齒輪結(jié)構(gòu)四種技術(shù)路線。同步器換擋結(jié)構(gòu)精簡小巧、技術(shù)成熟、傳動效率高，但換擋
目前純電動車汽車兩擋變速器主要有同步器換擋、單離合器結(jié)構(gòu)、雙離合器結(jié)構(gòu)、行星齒輪結(jié)構(gòu)四種技術(shù)路線。

同步器換擋結(jié)構(gòu)精簡小巧、技術(shù)成熟、傳動效率高，但換擋時存在動力中斷，目前只有混合動力的寶馬 i8 將其應(yīng)用在前軸純電驅(qū)動系統(tǒng)中，與后軸發(fā)動機驅(qū)動系統(tǒng)配合使用。

其他三種技術(shù)路徑可以解決換擋動力中斷的問題，其中單離合器結(jié)構(gòu)體積較大、質(zhì)量較重，適合應(yīng)用在大型純電動汽車上面，目前 GKN 公司推出了該類產(chǎn)品，但還未有具體車型使用此技術(shù)。雙離合器的制造和研發(fā)難度較低，在混合動力變速器中應(yīng)用較多，但是在工作中散熱性較差，故障率較高。目前還沒有廠家推出純電動車的雙離合結(jié)構(gòu)變速器產(chǎn)品。行星齒輪結(jié)構(gòu)有結(jié)構(gòu)緊湊、抗沖擊能力強、傳動比大、傳動效率高的優(yōu)點，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造和安裝也較困難。

目前舍費勒采用此技術(shù)，并已應(yīng)用于長安 CS75 PHEV 和長城 P8 等混動車型上，另外保時捷自主研發(fā)的行星齒輪結(jié)構(gòu)變速器也已應(yīng)用于其純電動汽車 Taycan 上。綜合來看，行星齒輪結(jié)構(gòu)具有其他結(jié)構(gòu)沒有的諸多優(yōu)點，隨著技術(shù)的發(fā)展和大規(guī)模量產(chǎn)，其制造難度大和成本高的問題也有望解決，且目前已應(yīng)用于具體車型上，有望在未來成為技術(shù)主流。
表3：不同技術(shù)路線的兩擋變速器對比
①同步器換擋（AMT)
目前電動汽車的 AMT 變速器都是將變速器、主減速器和差速器進行一體化設(shè)計，如圖 11 所示，同步器換擋的兩擋變速器由輸入軸、中間軸、輸出軸、差速器、一擋齒輪組、二擋齒輪組、主減速齒輪組和同步器組成。其中輸入軸與電機連接，軸上布置一擋和二擋的主動齒輪；中間軸布置一擋和二擋的從動齒輪，以及主減速主動齒輪；主減速從動齒輪與主減速主動齒輪嚙合，將中間軸輸出的速度進行固定比例的減速；差速器使左右車輪能在汽車拐彎時進行差速行駛；同步器布置于中間軸兩從動齒輪之間，有的結(jié)構(gòu)也將同步器布置在輸入軸上。通過控制同步器的左右移動讓不同擋位的從動齒輪與中間軸同步轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)不同擋位的切換，從而使變速器以不同傳動比輸出動力。
圖11：同步器換擋兩擋變速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

目前此種技術(shù)較為成熟，國內(nèi)使用此技術(shù)的廠家包括中科深江、江蘇金潤等，國外的生產(chǎn)廠家有 GKN、格特拉克。最大的缺點就是換擋時存在動力中斷。但是同步器換擋的兩擋變速器相較于單級減速器的結(jié)構(gòu)僅多出一套齒輪組、一套同步器及其執(zhí)行機構(gòu)，從結(jié)構(gòu)的簡易程度和成本考慮，為目前兩擋變速器的最優(yōu)方案。
②單離合器結(jié)構(gòu)
單離合器換擋的兩擋變速器具有兩個分開的離合器，分別控制兩個擋位的動力輸入。這種兩擋變速器由輸入軸、中間軸、差速器、一擋齒輪組、二擋齒輪組、兩個主減速齒輪組和兩個離合器組成，如圖 12 所示。
圖12：單離合兩擋變速器結(jié)構(gòu)示意圖
齒輪 1 分別做一擋和二擋的主動齒輪，一擋從動齒輪與中間軸 1 相接，中間軸與離合器 C1 內(nèi)轂連接，一擋主減速主動齒輪與離合器 C1 外轂連接。二擋從動齒輪與中間軸 2 相接，中間軸 2 與離合器 C1 內(nèi)轂連接，二擋主減速主動齒輪與離合器 C2 外轂連接。掛一擋時，離合器 C1 接合、C2 分離，實現(xiàn)一擋動力的傳輸。掛二擋時，離合器 C2 接合、C1 分離，實現(xiàn)二擋動力的傳輸。采用兩個單離合器進行換擋，離合器的分離與接合平順，可實現(xiàn)無動力中斷換擋，整車舒適性更好。但體積較大、質(zhì)量較重、成本較高，適用于大型電動汽車。
③雙離合器結(jié)構(gòu)
雙離合器換擋的兩擋變速器主要零部件為一個雙離合器機構(gòu)。發(fā)動機與雙離合器的外轂連接，一擋主動齒輪和外輸入軸連接，二擋齒輪和內(nèi)輸入軸連接。一二擋從動齒輪均固定在中間軸上。若汽車的 1 擋運行，此時離合器 C1 處于結(jié)合狀態(tài)，C2處于分離狀態(tài)。當汽車達到 1 擋升 2 擋的換擋點時，離合器 C1 開始分離，C2 開始結(jié)合，直到 C1 完全分離，C2 完全結(jié)合，換擋操作結(jié)束。同理，若 2 擋降為 1 擋，此時離合器C2 分離，C1 結(jié)合。
這種兩擋變速器在內(nèi)外輸入軸上分別只有一個擋位，所以沒有同步器，結(jié)構(gòu)相對簡單，重量較輕。
④行星齒輪結(jié)構(gòu)
其結(jié)構(gòu)主要包括太陽輪、行星輪、行星架、齒圈、離合器和制動器。其中，電機輸入軸與行星齒輪機構(gòu)的太陽輪連接，行星輪與太陽輪嚙合并與行星架相接，行星架同輸出軸連接。離合器的內(nèi)轂位于輸入軸，外轂與行星架連接；制動器一端連接箱體，一端連接齒圈，用于制動齒圈。當離合器打開，制動器關(guān)閉時，電機的動力傳遞到太陽輪，太陽輪帶動行星齒輪的轉(zhuǎn)動，但由于齒圈已被制動器固定，所以行星架被行星齒輪帶動旋轉(zhuǎn)，將動力傳遞到輸出軸，此時變速器處于 1 擋。當離合器關(guān)閉，制動器打開時，離合器將行星齒輪機構(gòu)的太陽輪和行星架連接為一個整體，行星輪系整體轉(zhuǎn)動帶動輸出軸，此時變速器處于 2 擋。傳動比為 1，也即 2 擋位直接擋。當離合器打開，制動器關(guān)閉時，電機反向旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)整車倒車行駛。

這種技術(shù)目前相對成熟，結(jié)構(gòu)緊湊、換擋平順，舍弗勒的兩擋變速器就采用此技術(shù)，但加工工藝復(fù)雜，成本較高。
圖13：雙離合兩擋變速器結(jié)構(gòu)示意圖
圖 14：行星齒輪兩擋變速器結(jié)構(gòu)示意圖
未來是否還會使用三擋或者四擋變速器？
增加變速器的擋位可以使純電動車擁有更強的爬坡能力、更低的能耗、更遠的續(xù)航能力， 中長期來看，部分高端純電動車變速器可能會往三擋或者四擋變速器方向發(fā)展。
在《純電動車用 4DCT&4AMT 技術(shù)分析》（郭軍敬.純電動車用 4DCT&4AMT 技術(shù)分析[J].汽車制造業(yè).2019(12):34-36.）這篇論文中，對純電動車用的 4 擋變速器展開了研究。
增加變速器擋位可以提升純電動車的爬坡能力。圖 15 顯示，同樣的功率下，不同坡度，車速明顯不同，而最大爬坡度對應(yīng)的車速與水平路面對應(yīng)的車速相差 4 倍左右，四擋變速器通過增加擋位設(shè)置，能進一步增加車輪與電機間的轉(zhuǎn)速比，提升電動車爬坡能力。
在爬坡能力或載重能力相同的條件下，相比于單級減速器，使用 4DCT 的純電動車百公里電耗會可下降 22%～26%，電機功率會下降 35%，如果帶電量不變，那么續(xù)航能力可提 升 20%以上。
在低速段急加速，4DCT 加速性能優(yōu)勢明顯，但到了中途急加速段，4DCT 升入更高擋位，加速性能處于劣勢。圖 16 反映了某純電動車搭載不同種類變速器的加速時間對比。從 0加速到 50km/h 和從 0 加速到 80km/h 時，電動車搭載 4 擋變速器所用時間更短。從 0 加速到 100km/h，從 50km/h 到 80km/h，從 50 km/h 到 100km/h，電動車搭載單級減速器所用時間更短，原因是 4 擋減速器在換擋時需要耗費時間。
圖15：電動車動力性能在不同坡度下的變化
圖 16：單級減速器與四擋 DCT 自動變速器的加速性能對比
 
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