張錢斌

(安徽機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程系，安徽 蕪湖 241000)

近些年，隨著低碳環(huán)保觀念深入人心，純電動汽車應(yīng)運而生并已成為世界范圍內(nèi)新能源汽車的重要構(gòu)成部分，引起了各個國家的廣泛關(guān)注和重視。對于純電動汽車而言，通過配置變速器，可有效提升其整體的運動性能。因此，本文重點對電動汽車動力保持型機械式自動兩檔變速器的仿真進行了研究，結(jié)果表明其具有良好的運動性能改善效果。

1 自動兩檔變速器的設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)框架

本課題對兩檔變速器仿真研究的主要目的在于實現(xiàn)純電動汽車的動力傳動系統(tǒng)的高效不中斷運行。除此以外，鑒于對純電動汽車的外形、結(jié)構(gòu)、總量以及設(shè)計成本等多項因素的考慮，提出了一種動力保持型兩檔變速器的設(shè)計方案，如圖1所示，這一變速器主要由單排行星齒輪體系、膜片彈簧離合器和相適應(yīng)的制動器三大部分構(gòu)成，以此來實現(xiàn)汽車檔位的變換，與此同時，變速器中也囊括了差速器和減速器，從而為汽車的整體布置提供便利。純電動汽車的動力電機與變速器的輸入軸相連接，借助減速器中間軸的兩個中間齒輪實現(xiàn)動力有效傳導(dǎo)至差速器。自動兩檔變速器中的單排行星齒輪體系主要由行星齒輪、齒圈、太陽輪以及行星架構(gòu)成，其中，變速器的輸入軸和太陽輪相對穩(wěn)定，而變速器的輸出軸則與行星架相對穩(wěn)定[1]。

1-變速器輸入軸；2-離合器；3-制動器；4-行星齒輪系統(tǒng)；5-變速器輸出軸；6-主減速器中間軸；7-差速器

圖1動力保持型兩擋自動變速器結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

本課題所設(shè)計的兩檔變速器可自由切換于2個檔位之間，其中，一檔的功能在于驅(qū)動汽車的啟動和中低速運動，而二擋的功能在于驅(qū)動汽車的高速運動。動力保持型機械式兩檔變速器的工作流程主要劃分為3個環(huán)節(jié)，分別是一檔掛擋、二擋掛擋以及檔位切換。

當檔位為一檔時，制動器為接合狀態(tài)，而離合器則為不接合狀態(tài)，變速器的表殼和齒圈相互連接。此時，電機的驅(qū)動動力借助輸入軸傳輸至太陽輪，行星架和太陽輪之間便構(gòu)成了一個明確的傳動比，而且其數(shù)值要高于1。從太陽輪導(dǎo)入的動力通過行星架傳輸至變速器的導(dǎo)出軸，其后傳輸至車輛的驅(qū)動軸，以此來實現(xiàn)車輛前輪的驅(qū)動。

當檔位為二擋時，制動器為放松狀態(tài)，而離合器則為接合狀態(tài)，變速器的輸入軸和齒圈相互連接。此時，電機的驅(qū)動動力借助輸入軸傳輸至齒圈和太陽輪，鑒于變速器的輸入軸和太陽輪相對穩(wěn)定，因而單排行星齒輪體系會以一個一致的運動速度同步轉(zhuǎn)動，行星架和太陽輪之間的傳動比數(shù)值顯示為1，而這就等同于直接檔。電機的驅(qū)動力通過行星架導(dǎo)出并傳輸至變速器的輸出軸，其后傳輸至車輛的驅(qū)動軸，以此來實現(xiàn)車輛前輪的驅(qū)動。

當檔位從一檔變換為二擋時，制動器趨于放松，而離合器則趨于接合，而當檔位從二檔變換為二一擋時，制動器趨于接合，而離合器則趨于放松，以此來保證切檔過程中動力的高效保持。

2 電動汽車傳動系統(tǒng)的模型分析

2.1 運動學(xué)分析

依據(jù)運動學(xué)的相關(guān)原理知識可得，單排行星齒輪體系各個部件之間的關(guān)系表達式為[2]：

(1)rrwr=rpwp+rcwc，

rr=rp+rc

(2)rcwc=rpwp+rsws，

rc=rp+rs

其中，rr、rs、rc、rp分別代表單排行星齒輪體系中的齒圈、太陽輪、行星架以及齒輪的半徑，wr、ws、wc、wp分別代表齒圈、太陽輪、行星架以及齒輪的運動速度。在穩(wěn)定條件下，單排行星齒輪體系的運動學(xué)函數(shù)為：

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

其中，isp代表太陽輪與行星輪的齒輪數(shù)量比，ipr代表行星輪與齒圈的齒輪數(shù)量比。為了進一步簡化計算，將單排行星齒輪體系中的太陽輪和齒輪半徑rr、rs設(shè)定為齒輪體系的傳動比參數(shù)kg，此時三者的表達式為：

(4)isp=rp/rs，ipr=rr/rp，kg=rr/rs.

依據(jù)上述運動學(xué)方程可知，變速器在運作過程中的速比表達式為：

第一，當變速器處于第一檔時，此時，wr=0，ws≠0，即(5)ig=i1=ws/wc=1+kg.

第二，當變速器處于第二檔時，此時，wr=ws=wc，即(6)ig=i2=ws/wc=1.

第三，當變速器處于換擋階段時，此時，wr≠0且ws≠wr，即(7)i2=1

2.2 參數(shù)篩選

為了篩選出科學(xué)的動力系統(tǒng)參數(shù)和變速器速比，本課題以當前較為常見的純電動汽車——日產(chǎn)LEAF為基礎(chǔ)，初步明確了汽車車型，以此來進行參數(shù)篩選[3]。根據(jù)相關(guān)資料顯示，純電動汽車的電機驅(qū)動最大值功率Pm，max須對以下條件滿足，即Pm，max≥max[Pm_vmax，Pm_imax，Pm_acc]，其中，Pm_vmax代表最大車速時的功率，Pm_imax代表最大爬坡度時的功率，Pm_acc代表加速階段的最大功率需求。通過計算可知，電氣的驅(qū)動最大值功率為Pm，max≥68.92kW，以此來明確電機的基礎(chǔ)參數(shù)。其中，電機峰值轉(zhuǎn)速為8500,電機額定轉(zhuǎn)速為3000,電機峰值轉(zhuǎn)矩為240,電機峰值功率為75,第一檔速比為2.75,第二檔速比為1.00,主減速器速比為4.47。

在進行變速器速比的篩選時，當純電動汽車處于最高速運行r·min-1時，其以最小傳動比檔位運動，而當車輛處于主打爬坡度時，則以最大傳動比檔位運動。

汽車的總體傳動比為：(8)：i=i0ig.

其中，ig和i0分別代表變速器和減速器的傳動比，最小傳動比檔位等同于直接檔，ig=i2=1，所以io可通過最大車速和最大爬坡度進行計算，即i0≤5.61，i0i1≥6.36。在進行速比篩選時，也加入單排行星齒輪體系指數(shù)Kg這一影響因素，當kg=1.75時對基礎(chǔ)參數(shù)和速比進行篩選。

至于電池參數(shù)方面，本課題采取了等速方法對電機的耗電量進行計算，即當汽車的驅(qū)動距離=200km，速度=60km/h，驅(qū)動時間=1.2×104s，所得的耗電量為18.89kW，以此為依據(jù)選擇的電池系統(tǒng)總量為24kW·h。在設(shè)計和實驗過程中，本課題應(yīng)用電控機械式切檔結(jié)構(gòu)，借助2個直流電機驅(qū)動，以完成所有的切檔指令。依據(jù)上述所有分析結(jié)果，為了為切檔控制器的研究提供便利，本課題簡化了傳動系統(tǒng)，并建構(gòu)起了完整的傳動系統(tǒng)動力學(xué)模型。

3 電動汽車自動兩檔變速器的平臺架構(gòu)

本課題架構(gòu)了一個純電動汽車機械式兩檔變速器的HIL仿真平臺，這一平臺通過應(yīng)用Simulink Real-Time工具系統(tǒng)，并以MATLAB/Simulink R2015b軟件為基礎(chǔ)，以實現(xiàn)TCP/IP通訊協(xié)議的連接，建構(gòu)了一個由上、下機位共同構(gòu)成的動態(tài)把控實驗系統(tǒng)?；谏蠙C位的運作環(huán)境，構(gòu)建了一個較為完善的純電動汽車仿真模型，并設(shè)定好采樣周期和各部分參數(shù)，其后將其載入下機位進行仿真實驗。純電動汽車仿真模型主要由信號輸入、汽車控制、汽車驅(qū)動電機、電池和變換器、動力保持型機械式兩檔變速器、變速器把控以及汽車縱向動力學(xué)這7大子系統(tǒng)模型構(gòu)成，其中，信號輸入子系統(tǒng)模型可依據(jù)車輛的實際行駛速度或者應(yīng)用各個汽車循環(huán)工況以把控行駛速度。純電動汽車仿真模型囊括1個Driver Model，即駕駛員模型，制動以及加速踏板的命令數(shù)值包括0和1，其所表征的乃是踏板處于不同的位置狀態(tài)。除此之外，在信號輸入子系統(tǒng)模型中提前設(shè)定了純電動汽車的全部行駛條件，例如，環(huán)境溫度和濕度、風力速度、道路坡度以及滾動阻力參數(shù)等等，同時動力保持型機械式兩檔變速器仿真模型應(yīng)用了SimDriveLine工具系統(tǒng)實施仿真，如圖2所示。

圖2動力保持型兩擋自動變速器的仿真模型

4 電動汽車自動兩檔變速器的仿真與研究結(jié)果

本課題對設(shè)計完成的變速器實施仿真實驗。具體來說就是，基于一致的仿真環(huán)境，對日產(chǎn)LEAF模型和動力保持型機械式兩檔變速器汽車模型進行仿真，其后對兩組仿真數(shù)據(jù)進行比較，實驗結(jié)果顯示如下：第一，動力保持型機械式兩擋變速器的動力性更佳，第二，兩檔變速器驅(qū)動電機的工作效能更好，第三，自動兩檔變速器的能源節(jié)省度更高，第四，自動兩檔變速器可有效解決以往電動汽車在換擋時出現(xiàn)的動力中斷難題，從而大大提升了純電動汽車的經(jīng)濟性能和動力性能。