【摘要】本文針對目前單級減速器純電動效率低，后半程加速慢等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款新型的同軸式行星輪系三檔變速器，并介紹了該變速器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，并對該行星輪系進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算和建模仿真驗(yàn)證；并針對整車參數(shù)要求對各檔速比進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和分配；制定了整車控制策略，并采用MATLAB/Simulink搭建整車仿真模型，通過NEDC循環(huán)工況進(jìn)行了分析驗(yàn)證。結(jié)果表明，在標(biāo)準(zhǔn)工況下三檔變速器比單級減速器電機(jī)工作效率更高，減少電能消耗7%；比單級減速器百公里加速時間減少了6%。

主題詞：純電動 三檔 設(shè)計(jì) 仿真

中圖分類號：U463.212

01、 引言

隨著環(huán)境問題和能源問題日益突出，傳統(tǒng)汽車對降低油耗，減少排放的舉措已經(jīng)捉襟見肘；除了大量開發(fā)小型化的發(fā)動機(jī)及排量外，新能源汽車研發(fā)也受到各大汽車廠商歡迎。特別是純電動汽車行駛具有噪聲低、零排放等優(yōu)點(diǎn)。目前搭載整車的純電動汽車普遍為單級減速器，僅有少數(shù)車型具有兩檔減速功能，如寶馬i8，榮威混動版，零部件商如格特拉克也推出2eDT系列的兩檔變速器。針對兩檔減速器的研究較多，主要結(jié)構(gòu)分為雙離合和采用同步器換擋兩種結(jié)構(gòu)[1-3]。研究結(jié)果表明采用兩檔的純電動汽車對整車效率、爬坡能力及加速性能均有明顯提高[4-7]。國內(nèi)對于純電動三檔專用變速器的研究相對較少，雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度相對于兩檔變速器有所增加，但電機(jī)性能會進(jìn)一步得到充分利用，經(jīng)濟(jì)性和動力性進(jìn)一步提高，對于未來電動汽車提高車速，增加續(xù)航里程，減小電機(jī)體積等具有重要作用。文獻(xiàn)8設(shè)計(jì)了一種P-AMT三檔變速器機(jī)構(gòu)，主要采用同步器進(jìn)行換擋并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[8]；文獻(xiàn)9設(shè)計(jì)了一種行星輪系的三檔變速器，主要對速比進(jìn)行了優(yōu)化，以及變速器總成的裝配設(shè)計(jì)[9]。本文采用行星輪系結(jié)構(gòu)了一款同軸式純電動三檔專用變速箱，并根據(jù)整車參數(shù)需求確定速比并制定相關(guān)換擋控制策略，針對NEDC循環(huán)工況與單級減速器同時進(jìn)行了仿真研究，對比了整車經(jīng)濟(jì)性和動力性。

02、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1所示，針對純電動設(shè)計(jì)的三檔變速器系統(tǒng)原理圖。該系統(tǒng)采用電機(jī)同軸式輸入輸出，結(jié)構(gòu)更加緊湊，降低整車布置空間需求。由電機(jī)經(jīng)過減速后傳遞給輸入齒圈，經(jīng)過三檔變速后再經(jīng)過中間軸，主減齒圈傳遞給半軸。三檔變速器采用行星輪系設(shè)計(jì)，內(nèi)含有三個離合器進(jìn)行控制。當(dāng)C1、C3結(jié)合，C2打開時，系統(tǒng)為一檔，電機(jī)動力經(jīng)過輸入齒圈，經(jīng)過同軸行星輪驅(qū)動輸出齒圈。當(dāng)C1、C2結(jié)合，C3打開時為二檔，電機(jī)動力經(jīng)過輸入齒圈帶動整個行星輪系轉(zhuǎn)動，獲得速比為1的傳動比。當(dāng)C2、C3結(jié)合，C1打開時，電機(jī)動力經(jīng)過行星架，由行星架和行星輪提供輸出齒圈動力。當(dāng)C1,C2，C3同時結(jié)合時，通過整車協(xié)調(diào)控制可以起到坡道輔助作用，降低整車成本。

三檔變速器離合器結(jié)合狀態(tài)如表1所示：

圖2中，可以看出多檔位變速箱能使車輛在低車速行駛下獲得最大功率和輸出扭矩；且高檔位也進(jìn)一步提高車輛最高車速。因此可以看出多檔位的變速器對降低電機(jī)性能需求是可行的。

03、行星輪系數(shù)學(xué)模型建立

根據(jù)檔位需求，本文三檔變速器采用結(jié)構(gòu)緊湊的行星輪系結(jié)構(gòu)，通過三個離合器進(jìn)行檔位實(shí)時切換；電機(jī)輸出端減速比和主減速比可以根據(jù)整車需求的最終速比和結(jié)構(gòu)尺寸可進(jìn)行分配減速比。
根據(jù)行星輪系速比計(jì)算公式，C1、C3閉合，行星輪一檔傳動速比為：

二檔傳動比輸入齒圈轉(zhuǎn)速等于輸出齒圈轉(zhuǎn)速，速比為1。三檔傳動速比為：

扭矩關(guān)系數(shù)學(xué)模型為：

根據(jù)鄰接條件和同心關(guān)系，初步設(shè)定相鄰檔位速比為1.6。負(fù)載為0時，確定各齒數(shù)值，進(jìn)行simulink仿真計(jì)算，調(diào)速結(jié)果如圖3所示：

由公式和仿真結(jié)果得出三檔變速器速比分別為1.52，1和0.625。電機(jī)輸入減速比和主減比再根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸和整車需求進(jìn)行減速比分配得出。

04、整車設(shè)計(jì)要求

根據(jù)整車純電動性能指標(biāo)，可以列出如下表2。

4.1    電機(jī)及傳動比匹配計(jì)算

驅(qū)動電機(jī)的匹配計(jì)算主要根據(jù)車輛的動力要求，確定額定功率，最高功率，最高轉(zhuǎn)速和扭矩等。

4.1.1      電機(jī)額定功率

電機(jī)額定功率計(jì)算方法與發(fā)動機(jī)類似，以最高車速時對應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，再預(yù)留10%設(shè)計(jì)余量，可得出電機(jī)額定功率下限值，計(jì)算公式為[3]：

式（3）中

為電機(jī)額定功率（Kw），

為汽車最高速（Km/h），

為傳動系效率。

4.1.2      電機(jī)最高功率

電機(jī)的最高功率一般取決于汽車加速時間的要求。汽車加速時間越少，動力性就越好，電機(jī)最高功率就越大。百公里加速為汽車從原地開始加速，由最大加速強(qiáng)度經(jīng)過最優(yōu)換擋，達(dá)到設(shè)定的速度所需要的時間。加速時間計(jì)算式為[5]：

式中:加速行駛起始車速為0，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速對應(yīng)車速

, 加速行駛終止車速

, 單位為 km/h。

4.1.3      電機(jī)最高轉(zhuǎn)速

電機(jī)的轉(zhuǎn)速由電機(jī)壽命，成本及汽車最高行駛速度進(jìn)行決定，轉(zhuǎn)速一般超過6000轉(zhuǎn)/分成為高速電機(jī)，且價格昂貴、磨損大。因此本驅(qū)動電機(jī)在三檔傳動時最高轉(zhuǎn)速不超過6000轉(zhuǎn)/分。

4.1.4     電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩

電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩由汽車滿載時，以最低擋通過的最大爬坡度確定，爬坡度用坡度的角度值正切值的百分?jǐn)?shù)來表示。車輛爬坡度計(jì)算公式為：

式（8）中i為一擋傳動比，為最大爬坡度，u為爬坡速度。

4.1.5    傳動比約束條件與選取

一檔驅(qū)動需滿足爬坡等性能要求，根據(jù)公式：

式中

為一檔總傳動比；

 為電機(jī)最大扭矩。

三檔傳動時需要滿足汽車在最高車速下行駛，根據(jù)公式：

式中

為三檔總傳動比；

為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速。

根據(jù)整車參數(shù)計(jì)算要求，一檔至三檔最終速比分別選取10.64、7和4.375。

4.2    整車檔位控制策略

為盡可能提高電機(jī)工作效率，本文對電機(jī)劃分出三檔各自的高效扭矩區(qū)間，制定出綜合電機(jī)扭矩map圖[6-7] ,如圖4所示。車輛加速行駛時，整車模型根據(jù)當(dāng)前的整車扭矩需求和車速下，判斷出電機(jī)扭矩應(yīng)屬于哪個扭矩工作區(qū)間。當(dāng)超出某檔電機(jī)工作極限范圍后，變速器自動進(jìn)行換擋。若兩個相鄰檔位電機(jī)工作點(diǎn)均未超過工作極限范圍，再根據(jù)電機(jī)效率map圖進(jìn)行對比，采用效率較高的檔位進(jìn)行驅(qū)動行駛，并重新計(jì)算該檔位電機(jī)應(yīng)輸出的扭矩。車輛減速降檔時，系統(tǒng)采用延時換擋規(guī)律，車速一般在升檔車速上延遲5~10Km/h，提高檔位判斷正確性。

05、仿真及結(jié)果分析

根據(jù)整車參數(shù)和傳動系統(tǒng)計(jì)算參數(shù)，利用Matlab/simulink對三檔純電動驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真研究，本文主要針對驅(qū)動系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和動力性進(jìn)行仿真研究，并采用轎車NEDC循環(huán)工況進(jìn)行分析驗(yàn)證，NEDC循環(huán)工況如圖6所示。

根據(jù)NEDC循環(huán)工況仿真，分別對單速減速器和三檔變速器進(jìn)行電機(jī)工作點(diǎn)分析，仿真結(jié)果如圖7所示：

由圖7仿真結(jié)果，可以看出單級減速器工作點(diǎn)范圍較寬，整個工作范圍呈現(xiàn)出低速高扭，高速低扭的工作狀態(tài)；而三檔變速器工作范圍縮窄，最高轉(zhuǎn)速降低，輸出扭矩均衡且更多地分布在電機(jī)效率較高的工況，提高了整車傳動效率。圖8為NEDC工況電池SOC消耗對比曲線，仿真結(jié)果顯示采用三檔變速器的純電動汽車能耗節(jié)省顯著，節(jié)省了7%的電能消耗。

由圖9為百公里加速仿真試驗(yàn)結(jié)果，起始時刻為3s，仿真結(jié)果表明三檔百公里加速能夠滿足整車設(shè)計(jì)要求。與單級減速器相比，三檔變速器在后半程進(jìn)入三檔時有更好的加速性能，且百公里加速時間比單級減速器減小6%。

06

總結(jié)

（1）針對目前單級減速器純電動工作效率低，加速緩慢等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了新型同軸式三檔變速器，并對該行星輪系進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模和速比計(jì)算。

（2）根據(jù)整車要求確定了各檔總速比值，制定了純電動換擋控制策略并采用simulink進(jìn)行了仿真模型建立，根據(jù)轎車NEDC循環(huán)工況對純電動汽車進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性和動力性仿真。

（3）通過NEDC循環(huán)工況仿真驗(yàn)證，采用多檔的純電動汽車電機(jī)工作效率更高，經(jīng)濟(jì)性提高了7%,百公里加速時間減少了6%。

07、參考文獻(xiàn)

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