帶高低擋電動汽車變速裝置的設計與開發(fā)*

夏致斌 歐陽波儀 張銀平

（1.湖南汽車工程職業(yè)學院；2.株洲聯(lián)動齒輪工業(yè)有限公司）

目前，小型電動汽車多采用固定速比的1擋減速器，這種傳動方式結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低，但是對牽引電機提出了較高的要求。牽引電機既要在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)提供較高的瞬時轉(zhuǎn)矩，又要在恒功率區(qū)提供較高的運行速度，滿足汽車的加速性能要求和最高車速的設計要求。同時，為了保證汽車的最高車速，減速器速比往往選擇得比較小，使牽引電機長期處于高轉(zhuǎn)矩與大電流的工作狀態(tài)，電機效率比較低，從而浪費電池能量而使續(xù)駛里程減小[1]。為了拓展市場，文章研制了一款四輪驅(qū)動帶高低擋變速裝置的電動汽車。

1 新型高低擋變速電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)整體設計

目前大多數(shù)電動汽車不帶變速器，只用一個固定的減速器，因此結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。由于電動汽車在起步和爬坡時扭矩大，電機電流比正常工作時的電流大幾倍乃至幾十倍，影響到電機和蓄電池的使用壽命，并且縮短了續(xù)駛里程。電機在高速時才能達到恒功率輸出，爬坡時扭矩大且速度低，電機輸出功率反而減小，因此爬坡能力差。為了克服上述缺點，目前采用汽車變速器改裝，在驅(qū)動裝置前加裝一個單獨的變速器，起動和爬坡時采用低擋，減小了沖擊電流，增加了驅(qū)動力矩，提高了爬坡性能。由于增加了單獨的變速器，驅(qū)動裝置成本提高將近1倍；而且汽車變速器多擋變速，不僅操作復雜，還影響了電機無級變速性能的發(fā)揮。目前大多數(shù)電動車只能在較好的路面上行駛。

適應復雜路況的四驅(qū)車大致有2種形式：一種是采用常規(guī)的減速箱+分動箱+前后驅(qū)動橋；另一種前后橋各安裝了一套電動減速器。前一種T形安置，但結(jié)構(gòu)復雜，成本高。后一種采用了2套同樣的平行安置的電動驅(qū)動裝置，操作方便，但大大增加了成本，而且在四輪驅(qū)動時2套裝置同時工作，很難做到同步，會產(chǎn)生相互干涉，不僅影響平穩(wěn)性，而且會造成機件損壞和能源浪費。

目前大多數(shù)電動汽車驅(qū)動裝置電機是平行安置的，裝有差速器，但差速器不能限滑或鎖止。新型高低擋變速電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)集成了2擋變速、4×4驅(qū)動及差速鎖等功能，如圖1所示。

新型高低擋變速電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)由驅(qū)動橋箱體、箱蓋及輸出轉(zhuǎn)角箱組成。在驅(qū)動橋箱體內(nèi)安裝有高擋輸入齒輪、輸入齒輪軸、二軸高擋從動齒輪、低擋從動齒輪、同步器、二軸主動齒輪、三軸、三軸從動齒輪、輸出大齒輪及差速器；在差速器一端內(nèi)有聯(lián)接齒輪、離合環(huán)和差速鎖操作機構(gòu)；轉(zhuǎn)角箱內(nèi)有主動錐齒輪、主動軸被動錐齒輪和輸出軸。輸入齒輪軸上的花鍵與電機聯(lián)接，輸入齒輪軸上的小齒輪與低擋從動齒輪相嚙合，高擋輸入齒輪通過鍵固定在輸入齒輪軸上，并與高擋從動齒輪嚙合，其特征在于：變速器和驅(qū)動箱體合一，變速部分由輸入齒輪軸、二軸及2對主從動齒輪組成，然后經(jīng)二軸主動齒輪、三軸及輸出大齒輪傳至差速器。

采用間齒式套齒離合裝置或者同步器，保證高低速擋位能在汽車正常行進中自由切換，通過電動或手動方式使汽車能獲得滿足其行車狀態(tài)的擋位，在汽車起步和爬坡時使用低速擋，正常行駛時使用高速擋位。

2 2擋變速器速比設計

電動汽車傳動系統(tǒng)參數(shù)的選擇與匹配是否合理直接影響整車性能的發(fā)揮。在電機和蓄電池確定之后，選擇不同的傳動比，整車將具有不同的經(jīng)濟性和動力性，為此，必須對2擋自動變速器的速比進行優(yōu)化設計。

電動汽車傳動系的速比優(yōu)化是一個多目標和多變量的優(yōu)化問題，其中優(yōu)化目標包括動力性和經(jīng)濟性[1]。

采用交流驅(qū)動系統(tǒng)需要考慮2個主要的動力及阻力平衡點：一是常規(guī)車速行駛的轉(zhuǎn)矩平衡點；二是最高車速下的轉(zhuǎn)矩平衡點[2]。

帶2擋變速功能的變速器既可滿足整車在較好路面上以最高車速120 km/h行駛的要求，也可滿足爬坡度30%的要求。

1擋傳動比：汽車最大爬坡度大于30%，因此利用汽車行駛方程式確定1擋及低擋爬坡能力[3]，即：

2擋傳動比（i2）為：i2=0.377rn/Ua

式中：T0——輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；

i1——1擋速比；

η——機械傳動效率，η=0.95；

r——驅(qū)動輪半徑，m；

G——整車重力，N；

α——爬坡角度，（°）；

f——滾動阻力系數(shù)，f=0.014；

CD——空氣阻力系數(shù)，CD=0.32；

A——迎風面積，m2；

Ua——行駛速度，km/h；

n——驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速，r/min。

通過計算得出：i1=10.5，i2=6.7。根據(jù)實際匹配，可實現(xiàn)2擋傳動比分別為6.7和10.5。

3 四輪驅(qū)動設計

四輪驅(qū)動汽車的傳動系統(tǒng)由離合器、變速器、傳動裝置、分動器、前后萬向傳動裝置及前后驅(qū)動橋等部件組成。汽車驅(qū)動輪的牽引力受到地面附著性能的影響，并且與汽車質(zhì)量的大小成正比。為了改善汽車的操縱性能，特別是為了提高在低摩擦因數(shù)路面行駛的動力性和穩(wěn)定性，采用了四輪驅(qū)動（4WD）系統(tǒng)，它可以充分利用4個輪胎及汽車質(zhì)量來產(chǎn)生牽引力。在4WD系統(tǒng)中，前后車輪之間的動力分配會直接影響汽車的行駛性能，理想的分配比在 30∶70～50∶50。

四輪驅(qū)動汽車不可避免地存在底盤傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜及傳動效率偏低等問題。由于全輪驅(qū)動（AWD）裝置的質(zhì)量較大，所以整車的裝備質(zhì)量比非全輪驅(qū)動汽車要大[4]。

本系統(tǒng)的轉(zhuǎn)角箱固定在底盤上，三軸軸端花鍵伸出箱體，與轉(zhuǎn)角箱內(nèi)主動錐齒輪聯(lián)接，主動錐齒輪裝在主動軸上，從動錐齒輪裝在輸出軸上，輸出軸通過錐齒輪副轉(zhuǎn)向呈90°向前驅(qū)輸出。

轉(zhuǎn)角箱是一個獨立的組合體，需要四驅(qū)功能時可選裝，并可在垂直方向選擇需要的角度。

電機直接安裝在箱體上，電機軸花鍵與輸入軸的花鍵相聯(lián)，與輸出方向平行。

采用“按需全輪驅(qū)動系統(tǒng)”，無須駕駛?cè)瞬倏v分動器上的操縱桿選擇兩輪驅(qū)動與四輪驅(qū)動。在干燥的路面上通常采用前輪驅(qū)動，一旦系統(tǒng)檢測到路面有打滑的趨勢，如路面有水、雪或泥漿等，汽車的動力自動傳遞給后輪，實現(xiàn)全輪驅(qū)動。該車能夠根據(jù)不同的路況（如瀝青、沙礫、積雪或積水），將后橋的輸出扭矩控制在0～2 230 N·m。同時，能夠?qū)崟r調(diào)整前橋與后橋的扭矩分配比率在100∶0～50∶50。上述功能的轉(zhuǎn)換不需要駕駛?cè)藚⑴c，因此能夠提供良好的牽引力和越野機動性。

4 差速裝置設計

差速器殼安裝在主減速器從動齒輪上，故在確定主減速器從動齒輪尺寸時，應考慮差速器的安裝。差速器殼的輪廓尺寸也受到從動齒輪及主動齒輪導向軸承支座的限制。差速器殼體的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有殼體厚度、殼體外部直徑、內(nèi)部直徑、長度及半軸直徑等。差速器殼體的內(nèi)部直徑主要由行星齒輪和半軸齒輪的直徑?jīng)Q定，差速器的外部直徑則由殼體厚度和內(nèi)部直徑?jīng)Q定。差速器殼沿驅(qū)動軸方向的長度與半軸齒輪、行星齒輪及半軸齒輪內(nèi)部花鍵的長度有關。殼體的厚度主要決定因素是差速器殼體強度，在滿足強度和足夠的安全系數(shù)條件下，殼體厚度應盡量減小，以減輕質(zhì)量，節(jié)約成本。同時差速器殼體的結(jié)構(gòu)參數(shù)還與半軸的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關，特別是與半軸的直徑關系最密切。如：半軸與差速器連接處的花鍵的齒數(shù)、模數(shù)及直徑直接決定了差速器殼沿驅(qū)動軸方向的長度[5]。

本系統(tǒng)設計的差速器，如圖2所示。差速器裝有帶4個行星齒輪的不對稱錐齒輪，主體裝于主被動齒輪前端，縮小了驅(qū)動橋的軸向尺寸，適合左右輪距較小的汽車使用；采用4個行星齒輪，提高了差速器的強度；主動齒輪跨式安裝，使齒輪強度和殼體強度提高1/3以上；主驅(qū)動橋還可裝齒套式差速鎖，輔助驅(qū)動橋還裝有齒套式二四驅(qū)動變換離合器，并可加裝齒套式差速鎖，它們的接合外齒和花鍵套的內(nèi)齒做成間齒（除去相鄰齒），使接合與分離容易，均可實現(xiàn)不停車操作。

5 結(jié)論

新型高低擋變速電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)，由于采用2擋變速，起步和爬坡時使用低速擋位及大減速比時，電機負荷減小，爬坡性能提高。經(jīng)實際道路試驗，采用2擋變速器使整車的能耗降低了6.8%，續(xù)駛里程延長了7.2%。該系統(tǒng)由驅(qū)動橋箱體和端蓋組成，在驅(qū)動橋箱體內(nèi)安裝有差速器和高低擋變速裝置，沒有單獨的變速箱。研發(fā)的差速器體積小、強度高、功能性強且性能穩(wěn)定。