純電動汽車兩擋行星齒輪自動變速器結構設計

鄭麗輝 張月忠

摘?要：以純電動汽車兩擋行星齒輪自動變速器為研究對象，通過分析2Z-X型行星齒輪機構的基本結構和傳動特性，結合實際需求選取合適的傳動方案，并建立三維模型體現該兩擋行星齒輪自動變速器的布置形式，以及制動器和離合器結構設計。

關鍵詞：兩擋行星齒輪自動變速器;基本結構;傳動方案

中圖分類號：U469文獻標識碼：A開放科學（資源服務）標識碼

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.06.009Open Science Identity（OSID）

基金項目：院級項目（QZYY1908）純電動汽車兩擋行星齒輪自動變速器設計與仿真分析

作者簡介：鄭麗輝（1988-），男，浙江衢州人，碩士研究生，主要從事新能源汽車動力系統方面的研究，E-mail：zhenglihui0339@126.com。

驅動電機低速恒轉矩、高速恒功率的工作特性可以滿足純電動汽車正常行駛的動力需求。因此，目前市面上的很多純電動汽車都是以驅動電機搭配固定速比減速器作為動力單元。但是，該動力單元在滿足動力性能的情況下不能使電機經常處于高效率的工作區域。這不僅提高了對驅動電機的性能要求，而且不利于節約能量，影響續駛里程。

純電動汽車采用兩擋行星齒輪自動變速器是兼顧車輛動力性、車載能源經濟性以及結構簡潔緊湊三重因素的有效解決方案[1-2]。

1?理論基礎

傳統汽車自動變速器往往采用并聯兩個以上行星排列以獲得多個前進擋擋位，常見的有辛普森式和拉維納式兩種類型。本課題的研究對象為純電動汽車用自動變速器，只需兩個前進擋，采用2Z-X型行星齒輪機構即可實現。2Z-X型行星齒輪機構具有結構簡單、制造容易、外形尺寸小、傳動效率高等特點。在結構合理的條件下，其傳動比范圍2.8～13，傳動效率0.97～0.99，基本結構如圖1所示[3]。

2Z-X型行星齒輪機構各部件的運動規律滿足以下方程

ω1+aω2-（1+a） ω3=0（1）

式中?ω1—太陽輪角速度（rad·S-1）;

ω2—齒圈角速度（rad·S-1）;

ω3—行星架角速度（rad·S-1）;

a—齒圈齒數Z2與太陽輪齒數Z1之比，即a=Z2/Z1>1。

2Z-X型行星齒輪機構中太陽輪、齒圈、行星架三者任一部件固定，其余兩部件分別作為主動件和從動件，即可實現不同速比和傳動方向的變換，具體傳動方案如表1所示。

除此之外，太陽輪、齒圈、行星架三者當中任意兩者剛性連接即可實現直接擋傳動，三者均處于自由狀態時可實現空擋。

2?方案擬定

通過分析2Z-X型行星齒輪機構的傳動方案，結合本課題研究對象的實際需求，擬定該純電動汽車兩擋行星齒輪自動變速器的1擋采用表1中方案1的形式，即齒圈與機架之間安裝制動器B用于固定齒圈，太陽輪輸入，行星架輸出。Ⅱ擋采用直接擋形式，即行星架與齒圈之間安裝離合器C，使兩者結合一體，太陽輪輸入，行星架輸出。倒擋與Ⅰ擋方案相同，利用電機反轉實現倒擋。空擋齒圈處于自由狀態[4-5]。具體擋位控制方案如表2所示。

各擋位動力傳遞路徑及傳動比：

（1）Ⅰ擋。

制動器B結合，齒圈與機架固定，離合器C不工作（分離狀態）。

動力傳遞路徑：電機→輸入軸→太陽輪→行星輪→行星架→輸出軸。

傳動比：此時ω2=0，代入（1）式，i1= ω1/ω3=1+a。

（2）Ⅱ擋。

離合器C結合，齒圈與行星架剛性結合，制動器B不工作（分離狀態）。

動力傳遞路徑：電機→輸入軸→太陽輪→行星輪、齒圈、行星架（三者整體轉動）→輸出軸。

傳動比：此時ω2=ω3，代入（1）式，i2=1。

（3）倒擋。

電機反轉，制動器B結合，齒圈與機架固定，離合器C不工作（分離狀態）。

動力傳遞路徑：電機（反轉）→輸入軸（反轉）→太陽輪（反轉）→行星輪（反轉）→行星架（反轉）→輸出軸（反轉）。

傳動比：此時ω2=0，代入（1）式可得： i1=ω1/ω3=1+a。

3?結構設計

本課題所設計的純電動汽車兩擋行星齒輪自動變速器基本結構如圖2所示，主要由2Z-X型行星齒輪機構、液壓多片制動器B、液壓多片離合器C組成。輸入軸與太陽輪一體，通過軸承支撐在前端蓋上，輸入軸與電機輸出軸通過花鍵配合。行星架與輸出軸一體，通過軸承支撐在后端蓋上，輸出軸與減速器輸入軸通過花鍵配合。前后端蓋之間通過螺栓連接。

齒圈與前端蓋之間布置液壓多片制動器B，其中鋼片與摩擦片交替排列，鋼片通過花鍵與前端蓋相連，摩擦片通過花鍵與齒圈相連，鋼片右側布置活塞和回位彈簧，高壓液壓油經電液伺服閥進入后端蓋油腔推動活塞左移，壓緊鋼片，完成制動器B制動動作。

齒圈與行星架之間布置液壓多片離合器C，其中鋼片與摩擦片交替排列，鋼片通過花鍵與齒圈相連，摩擦片通過花鍵與行星架相連，鋼片右側布置活塞和回位彈簧，高壓液壓油經電液伺服閥進入后端蓋油腔推動活塞左移，壓緊鋼片，完成離合器C結合動作。

4?結論

（1）分析了2Z-X型行星齒輪機構的基本結構和傳動特性。

（2）擬定了一種純電動汽車用兩擋行星齒輪自動變速器的傳動方案。

（3）建立三維模型，設計制動器和離合器的布置形式。

參考文獻：

[1] 姚福泰.?新能源汽車自動變速器熱潮來襲[J].?中國汽車報，2018（12）：33-36.

[2] 羅本進.?汽車自動變速器及其產業鏈發展[J].汽車觀察，2015（1）：25-28.

[3] 張策.機械原理與機械設計[M].北京：機械工業出版社，2019.

[4] 尹鵬飛.電動汽車兩檔自動變速器設計與仿真分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2015.

[5] 何李婷，吳占雨，吳國彬， 等.一種電動汽車用兩檔自動變速器傳動系統的方案設計[J].科技信息，2013（21）：18-19.