电动汽车两档自动变速器的设计与研究
摘要：本文基于某电动汽车原有固定档变速器，提出了两档自动变速器的结构方案，并根据动力性和经济性指标利用MATLAB软件对其传动比进行了优化设计，最后基于UG软件建立了两档变速器的三维模型。
关键词：两档自动变速器;传动比优化;三维建模
引言
环境污染和资源短缺近年来成为了以内燃机为动力的汽车目前所面临的两大技术问题，而电动汽车以可再生、清洁的电能作为动力，克服了传统汽车的这些缺点，成为了目前汽车生产商研究的热点。纯电动汽车以电动机作为动力源，具有良好的调速特性，电动机在低速时恒转矩和高速时恒功率的特性比较适合车辆的运行需求。鉴于研发成本的考虑，众多在内燃发动机汽车基础上改造的电动汽车，大都沿用了原有变速器的一个或两个档位来传动，不利于变速器的专用化。
山东某汽车公司生产的电动汽车采用固定速比减速器，只有一个档位，使得电动机常工作在低效率区域，既浪费能源，又提高了对牵引电机的要求，还使汽车的续驶里程减少。因此，对作为传动系统主体的变速器的研究成为改善电动汽车传动性能尤其是经济性能的主要部分。多档化能够降低对电机的要求，扩大电动机的工作区域，通过对传动系统的控制来保证牵引电机总是能够工作在理想的区域，从而提高整车的动力性、经济性等指标。随着生活水平的不断提高，人们对驾驶舒适感和容易度也提出了更高的要求，本文基于某电动汽车研究了一种两档无离合式自动变速器，对其传动比进行了以能量消耗最小为目标的优化，并在UG环境下对变速器进行了三维建模，为进一步的动力学仿真和试车运行提供了理论依据。
1.电动汽车两档自动变速器的设计方案
档位数的增加有利于增大利用电动机最大功率的机会，提高整车的动力性和经济性，但由于电动机具有良好的调速特性，因此电动汽车的档位数不宜过多，否则会增加整车的体积和重量，降低传动效率，故本文设计两档变速，低档对应整车的起步和爬坡，高档对应整车的最大车速，这样低速档的传动比可以选择的较大，整车的牵引力也较大，动力性较强。基于原有固定速比减速器的机械结构和安装空间，本设计增加了一根传动轴，采用传统的三轴式结构。主要由输入轴、输出轴、中间传动轴、高速档齿轮、低速档齿轮、主传动齿轮、同步器及差速器等组成，其结构如图1所示。
通过换挡拨叉与同步器的连接实现高低档位的切换，同时同步器用于减少换挡冲击和噪声，实现快速同步;主传动齿轮为常啮合齿轮，用于降速增扭;差速器连接驱动轴，实现扭矩的输出和分解。变速器实现换挡的条件就是输入输出端的转速能够达到同步，由于电机的控制性能优于发动机，通过控制电机的转速、转
矩可以实现同步换挡控制，因此在该变速驱动系统中去除离合器，通过电控单元的控制来实现无离合自动换挡过程。
图1 两档自动变速器的结构简图
整车分为四个档位，即1档、2档、N档、R档，档位分布如图2。
1.1空挡状态
同步器结合套处于中间位置，此时1、2档齿轮均处于空转状态，变速器处于空挡。
图2 档位布置
1.2一档（低速挡或起步档）实现
动力通过电动机经输入轴输入，同步器结合套在换挡力的作用下向左移动与一档空套齿轮结合，齿轮与输出轴固连成一体，实现动力输出。
1.3二档（高速档或直接档）实现
当同步器结合套在轴向换挡力的作用下经过空挡位滑向右侧时，结合套将输出轴二档空套齿轮与轴连成一体，动力即由该齿轮输出。
1.4倒档（R档）实现
档利用电动机的反转实现，其变速箱状态与一档相同，我们借鉴一些内燃汽车上的挡位设置方法，倒档与一档挡位位置相同，但倒档需要摁下电机反转开关，操纵时须压下。
2.传动比的参数选择和优化
传动比的选择要兼顾汽车动力性和经济性也就是续驶里程两个条件，为此我们以动力性要求作为约束条件，以整车的经济性即能量消耗为目标函数对传动比进行优化。
2.1根据动力性的要求，传动比的约束条件为：电动汽车低速档传动比必须满足汽车对起步和爬坡度的要求，即：
，其中
为最大爬坡度， 为总传动比的最小值， 为电动机的最大转矩。
电动机高速档传动比必须满足最高车速的要求：
， 为电动机的最高稳定转速， 为整车最高车速。根据整车的参数设置可得：
2.2为了提高整车的续驶里程，应尽量使电动机工作在等功率区和额定转速附近。我们以整车一个ECE循环工况的能量消耗作为优化目标，以道路的循环工况给定的车速为输入，经传动系统得到电机的需求功率，最终通过积分得到整车消耗的能量。数学计算模型如图3所示。
图3 电动汽车能耗计算流程
在整个循环工况中取N个采样时刻，以所消耗的能量为评价指标，以传动比为设计变量，建立的目标函数为：
，
其中J为循环工况所消耗的能量， 为电池的输出功率， 为采样时间。
选取在约束条件范围内的多组传动比，通过matlab仿真模型的分析可得到一个循环工况消耗的能量，通过能量的对比最终选择传动系统的传动比为：i1=8.2，i2=5.7。
3.换挡过程控制方法
在没有离合器的情况下要完成换挡操作，实现无离合器平顺换挡，要求控制系统对电机转速、转矩、车速和换挡执行机构之间的控制达到协调一致。
变速器实现挂档无冲击的关键在于使即将啮合的齿轮的轮轴具有相同的线速度并达到空载状态。在去掉离合器后，与传统换挡过程相比，该变速驱动系统可分为摘挡、电机同步和挂档三个阶段。
摘挡阶段电动变速机构转矩和转速的公式如下：
为车轮驱动转矩， 为地面阻力矩， 为电动机输出力矩， 为传动过程的力矩损失， 为电动机输出转速， 为主减速比， 为档位传动比， 为车轮转速。要实现平顺摘挡，必须使电动机在此过程中 =0，才能使啮合齿轮达到无载状态。电动机同步的要求：在两个档位切换的过程中，电动机需要在电控单元的控制下迅速调整转速以达到啮合要求。换挡时间很短，可以认为Δt趋近于0，而由于汽车本身的惯性，车轮转速基本维持不变。为了实现电机转速与车轮转速的重新匹配，电机的转速需要发生迅速变化，电动机的转速调整公式为：
， 为新档位的传动比。过大的转速差会造成齿轮的严重打齿现象，对于同步器而言允许齿轮结合分离的转速差为10-50r/min。因此调速过程中只要将齿轮啮合转速差调整到上述范围内就可以挂档。