【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，設計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構特點和工作原理，并對該行星輪系進行了設計計算和建模仿真驗證；并針對整車參數要求對各檔速比進行設計計算和分配；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循環工況進行了分析驗證。結果表明，在標準工況下三檔變速器比單級減速器電機工作效率更高，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 設計 仿真

中圖分類號：U463.212

01

 引言

隨著環境問題和能源問題日益突出，傳統汽車對降低油耗，減少排放的舉措已經捉襟見肘；除了大量開發小型化的發動機及排量外，新能源汽車研發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、零排放等優點。目前搭載整車的純電動汽車普遍為單級減速器，僅有少數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，主要結構分為雙離合和采用同步器換擋兩種結構^[1-3]。研究結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]。國內對于純電動三檔專用變速器的研究相對較少，雖然結構復雜程度相對于兩檔變速器有所增加，但電機性能會進一步得到充分利用，經濟性和動力性進一步提高，對于未來電動汽車提高車速，增加續航里程，減小電機體積等具有重要作用。文獻8設計了一種P-AMT三檔變速器機構，主要采用同步器進行換擋并進行了結構設計研究^[8]；文獻9設計了一種行星輪系的三檔變速器，主要對速比進行了優化，以及變速器總成的裝配設計^[9]。本文采用行星輪系結構了一款同軸式純電動三檔專用變速箱，并根據整車參數需求確定速比并制定相關換擋控制策略，針對NEDC循環工況與單級減速器同時進行了仿真研究，對比了整車經濟性和動力性。

02

系統結構及工作原理

如圖1所示，針對純電動設計的三檔變速器系統原理圖。該系統采用電機同軸式輸入輸出，結構更加緊湊，降低整車布置空間需求。由電機經過減速后傳遞給輸入齒圈，經過三檔變速后再經過中間軸，主減齒圈傳遞給半軸。三檔變速器采用行星輪系設計，內含有三個離合器進行控制。當C1、C3結合，C2打開時，系統為一檔，電機動力經過輸入齒圈，經過同軸行星輪驅動輸出齒圈。當C1、C2結合，C3打開時為二檔，電機動力經過輸入齒圈帶動整個行星輪系轉動，獲得速比為1的傳動比。當C2、C3結合，C1打開時，電機動力經過行星架，由行星架和行星輪提供輸出齒圈動力。當C1,C2，C3同時結合時，通過整車協調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合狀態如表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性能需求是可行的。

03

行星輪系數學模型建立

根據檔位需求，本文三檔變速器采用結構緊湊的行星輪系結構，通過三個離合器進行檔位實時切換；電機輸出端減速比和主減速比可以根據整車需求的最終速比和結構尺寸可進行分配減速比。

根據行星輪系速比計算公式，C1、C3閉合，行星輪一檔傳動速比為：

二檔傳動比輸入齒圈轉速等于輸出齒圈轉速，速比為1。三檔傳動速比為：

扭矩關系數學模型為：

根據鄰接條件和同心關系，初步設定相鄰檔位速比為1.6。負載為0時，確定各齒數值，進行simulink仿真計算，調速結果如圖3所示：

由公式和仿真結果得出三檔變速器速比分別為1.52，1和0.625。電機輸入減速比和主減比再根據結構尺寸和整車需求進行減速比分配得出。

04

整車設計要求

根據整車純電動性能指標，可以列出如下表2。

4.1    電機及傳動比匹配計算

驅動電機的匹配計算主要根據車輛的動力要求，確定額定功率，最高功率，最高轉速和扭矩等。

4.1.1      電機額定功率

電機額定功率計算方法與發動機類似，以最高車速時對應的電機轉速，再預留10%設計余量，可得出電機額定功率下限值，計算公式為^[3]：

式（3）中 為電機額定功率（Kw）， 為汽車最高速（Km/h）， 為傳動系效率。

4.1.2      電機最高功率

電機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，由最大加速強度經過最優換擋，達到設定的速度所需要的時間。加速時間計算式為^[5]：

式中:加速行駛起始車速為0，電機額定轉速對應車速 , 加速行駛終止車速 , 單位為 km/h。

4.1.3      電機最高轉速

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

4.1.4     電機最大轉矩

電機最大轉矩由汽車滿載時，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數來表示。車輛爬坡度計算公式為：

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

一檔驅動需滿足爬坡等性能要求，根據公式：

式中為一檔總傳動比； 為電機最大扭矩。

三檔傳動時需要滿足汽車在最高車速下行駛，根據公式：

式中為三檔總傳動比；為電機最高轉速。

根據整車參數計算要求，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

為盡可能提高電機工作效率，本文對電機劃分出三檔各自的高效扭矩區間，制定出綜合電機扭矩map圖^[6-7] ,如圖4所示。車輛加速行駛時，整車模型根據當前的整車扭矩需求和車速下，判斷出電機扭矩應屬于哪個扭矩工作區間。當超出某檔電機工作極限范圍后，變速器自動進行換擋。若兩個相鄰檔位電機工作點均未超過工作極限范圍，再根據電機效率map圖進行對比，采用效率較高的檔位進行驅動行駛，并重新計算該檔位電機應輸出的扭矩。車輛減速降檔時，系統采用延時換擋規律，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

仿真及結果分析

根據整車參數和傳動系統計算參數，利用Matlab/simulink對三檔純電動驅動系統進行建模仿真研究，本文主要針對驅動系統的經濟性和動力性進行仿真研究，并采用轎車NEDC循環工況進行分析驗證，NEDC循環工況如圖6所示。

根據NEDC循環工況仿真，分別對單速減速器和三檔變速器進行電機工作點分析，仿真結果如圖7所示：

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

由圖9為百公里加速仿真試驗結果，起始時刻為3s，仿真結果表明三檔百公里加速能夠滿足整車設計要求。與單級減速器相比，三檔變速器在后半程進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

（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，設計了新型同軸式三檔變速器，并對該行星輪系進行了數學建模和速比計算。

（2）根據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進行了仿真模型建立，根據轎車NEDC循環工況對純電動汽車進行經濟性和動力性仿真。

（3）通過NEDC循環工況仿真驗證，采用多檔的純電動汽車電機工作效率更高，經濟性提高了7%,百公里加速時間減少了6%。

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參考文獻

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注：文章中引用數據和圖片來源網絡

文章來源：汽車動力總成