（动力机械及工程专业论文）电驱动机械式自动变速系统emt结构设计.pdf

摘要 电动汽车以其节能环保的特点在业界迅猛发展，这种车型必将改变现有能 源结构。混合动力电动汽车作为电动汽车的一个分支，在保留传统发动机的基 础上，充分发挥电机的优势，大大改善了车辆燃油经济性和排放性。混合动力 电动汽车具有纯电动汽车所不具有的价格优势和续航优势，因此混合动力系统 的研究任重道远。作为混合动力系统关键技术之一的动力耦合系统一直被研究， 但缺少自动变速器技术基础的国内研究对此少有突破。论文提出的电驱动自动 变速器通过电机和变速器集成技术，利用电机快速精准调速性能有效解决了并 联混合动力系统动力耦合难题。 论文通过混合动力电驱动模块设计需求及相关理论论证，提出电驱动机械 式自动变速器的电驱动集成模块方案。在明确了电驱动机械式自动变速器 ( e l e c t r i c d r i v em e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ，e m t ) 定义的基础上，重点介绍了e m t 的结构特点，即从结构上采用电机和变速器一体化集成设计。系统遵循动力总 成的理念，把系统按照总成进行集成，减少各部件分散设计所带来的联接和定 位误差，同时将系统的纵向尺寸大幅度减少，解决了并联混合动力系统不易纵 向布置的结构难题。 论文基于虚拟样机技术，采用虚拟样机与物理样机相结合的设计方法，进 行e m t 相关零部件的特性分析及性能参数匹配，在充分标定仿真样机参数的基 础上进行产品样机的结构设计。样机台架试验及装车试验均证明该系统能完全 满足所面向车型的动力性及各项功能要求，为产品设计提供了具体的理论研究 路线及实践基础。 关键词：电驱动，自动变速，结构集成，主动同步 a b s t r a c t t h ee l e c t r i cv e h i c l ei n d u s t r yh a sb e e nd e v e l o p e dr e m a r k a b l yd u et ot h ei n h e r e n t c h a r a c t e r i s t i co fe n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，w h i c hw o u l dc o n t r i b u t e t ot h en e c e s s i t yo ft h ec u r r e n te n e r g ys t r u c t u r ec h a n g e s b e i n ga so n eo ft h eb r a n c hi n t h ef i e l do ft h ee l e c t r i cv e h i c l e ，t h ea d v a n t a g e so fm o t o rh a v eb e e nd e v e l o p e da n d a p p l i e dt ot h eh y b r i de l e c t r i cv e h i c l es u f f i c i e n t l yb a s e do nt h ep r e s e r v a t i o no ft h e t r a d i t i o n a li n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e ，w h i c hi m p r o v et h ev e h i c l ef u e le c o n o m ya n d e m i s s i o ns i g n i f i c i a n t l ya sar e s u l t d u et ot h ei r r e p l a c e a b l ea d v a n t a g e so fc o s td e c r e a s ea n dd r i v i n gd i s t a n c e i n c r e a s ec o m p a r e dw i t ht h ep u r ee l e c t r i cv e h i c l e ，t h e r ei st h en e c e s s i t yt oc a r r yt h e h e a v yr e s p o n s i b i l i t yo fh y b r i dp o w e rs y s t e mr e s e a r c hi nl o n gt e r mr u n a l t h o u g ht h e p o w e rc o u p l i n gs y s t e mi st h ek e y t ot h eh y b r i ds y s t e m ，t h e r ei sf e wb r e a k t h r o u g hh a s b e e na c h i e v e db e c a u s eo ft h ei n s u f f i c i e n tr e s e a r c hf o u n d a t i o no fo ft h ea u t o t r a n s m i s s i o ni nc h i n a t h ee l e c t r i c - d r i v em e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o np r e s e n t e di nt h e t h e s i ss o l v e st h ei n t r a c t a b l ep r o b l e mo fp o w e rc o u p l i n ga p p l i e do nt h ep a r a l l e lh y b r i d s y s t e mi nv i r t u eo ft h em o t o r & t r a n s m i s s i o ni n t e g r a t e dt e c h n o l o g ya n dt h er a p i da n d a c c u r a t em o t o rs p e e da d j u s t m e n tc h a r a c t e r i s t i c e l e c t r i c d r i v em e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ( e m t ) h a sb e e np u tf o r w a r dt os o l v e t h ee l e c t r i cd r i v ei n t e g r a t e dm o d u l es o l u t i o n s t h ee m ts t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i ch a s b e e na n a l y z e di ns p e c i a l i t yb a s e do nt h ee x p l i c i td e f i n i t i o no fe m t , w h i c hi st os a y t h a te m th i g h l yi n t e g r a t e st h em o t o ra n dt h et r a n s m i s s i o nt o g e t h e ra c c o r d i n gt o s y s t e mp o w e ri n t e g r a t i o nd e s i g n t h e o r yt oa v o i dt h ep r o p a g a t i o ne r r o r s o ft h e c o n n e c t i o na n dt h ep o s i t i o nt h r o u g ht h ep a r t sd e l e t i o n m e a n w h i l e ，t h ei o n 西t u d i n a l d i m e n s i o ni sa l s or e d u c e ds o a st oi n t r o d u c et h ep o s s i b i l i t yt ol o c a t et h ep a r a l l e l h y b r i ds y s t e mf o r ea n da f ti ns t r u c t u r e t h es t r u c t u r a ld e s i g no ft h ep r o t o t y p ei sb a s e do nv i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y w h i c hc o m b i n e dt h eu s eo fv i r t u a lp r o t o t y p i n ga n dp h y s i c a lp r o t o t y p i n gd e s i g n a n d t h ee m t - r e l a t e dp a r t so ft h ec h a r a c t e r i z a t i o na n dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sh a v eb e e n m a t c ht h ep a r a m e t e r si nt h ef u l lc a l i b r a t i o no ft h es i m u l a t i o np r o t o t y p ep r o d u c t s p r o t o t y p eb e n c ha n dl o a d i n gt e s t sh a v ep r o v e dt h a tt h es y s t e mc a nf u l l ym e e tt h e d y n a m i cm o d e l sa n dt h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so fp r o d u c td e s i g nt h e o r ya n d p r o v i d e sas p e c i f i cl i n eo f r e s e a r c ha n dp r a c t i c a lf o u n d a t i o n k e y w o r d s ：e l e c t r i c d i r v e ，a u t o t r a n s m i s s i o n ，s t r u c t u r ei n t e g r a t i o n ，a c t i v e s y n c h r o n i z a t i o n i i i 武汉理t 大学硕七学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的技术背景及意义 随着新能源汽车的发展，各种纯电动及混合动力动力系统运用于样车及部 分量产车上。在电池性能瓶颈的制约下，新能源汽车动力总成效率及控制问题 成为研发的热点和难点。一个高效的动力总成能更好更充分的利用可贵的车载 电能，延长纯电动及混合动力汽车的纯电动里程；而一个既满足电机性能要求 又满足发动机性能要求的动力耦合变速系统则能更好的保护动力电池组的正常 使用，避免电池过放电，提高其使用寿命窿1 。 纯电动汽车及混合动力汽车都不可避免的面对电机自身性能能否满足单独 驱动车辆及混合驱动车辆的问题。在2 0 1 0 年9 月9 同举行的“中国变速器技术 研讨会”上，专家认为单纯电机并不能满足车用动力总成的要求。虽然电机有 低速转矩大，工作转速范围宽的特点，但吉孚动力工业研究( 德国) 有限公司 总经理r o l fl a u f s 在演讲中指出：“现在的电动车依然需要变速器将动力传递到 车轮上，虽然变速器在一定程度上被简化了，但电动车对传动系统的要求反而 更高，在未来电动车领域，变速器仍大有作为。” 从目前电动车的发展情况来看，影响电动车进入市场的最大障碍是电池性 能的局限性协1 。尽管电池技术经历了从铅酸电池到镍氢电池再到锂电池的一系列 技术进步，但目前电池无论是能量密度，还是单体容量、价格，都达不到大规 模商业化的要求，主要是电池均衡性制约h 1 。每个研发电动车的企业都在竭尽全 力降低电池成本和增加车辆单次充电的续航罩程。 通过改进传动系统提高传动效率，被证明可以有效提升能量利用率，在同 样行驶里程情况下，可以减少电池数量、降低成本，也可以在电池不变的情况 下，延长电动车的续驶能力，提高整车性价比1 。 电机虽然拥有很宽的工作转速范围，但和发动机一样，电机也有最佳工作 转速区间，高于或低于这一区l 日j 效率就会下降。该变速器会议还通过台架试验 研究报告指出，一台5 0 k w 电机在刚启动时效率仅有6 0 7 0 。随着速度提高 效率逐步提高，在3 3 0 0 6 0 0 0 转分区间，效率能够达到8 5 以上。而在接近极 限转速9 0 0 0 转分时，效率又降到7 0 左右。如图1 1 所示。可以看出，合理利 武汉理工大学硕士学位论文 用变速器，让电机工作在最佳转速区，对于提高效率十分有意义。 ti m e 【撕” 、 i t 嗵潞 、0 馨 7 c 彰 霹 蕊 、 、 ， x f、 、i 蕊擘、 l ? l 。1葛 汁 l 甲【 石、 、j ；三剿蓼 鬏 、，j 、j 磅 、一_ 1 、一“_ 一 h = 二二 ， 一 i 一_ 。二；_ 二 01 0 0 02 。3 0 0 04 0 0 05 c f o o6 。7 蚴8 0 0 09 0 0 01 0 8 0 0 j s 鲥 钟j n 。 图1 1 某5 0 k w 电机效率曲线 可见，电动车如果能够通过使用适合的变速器，并对标定加以优化让效率 提高，就意味着在同样行驶里程时，电池用量更少，车辆自重更轻，行驶性能 更高，车辆成本更低。 此外，在近期s a e 自动变速器论坛中，德国大陆公司传动部门做了一项专 门针对电动车变速器的道路试验。在一辆高尔夫v i 车型上使用带多级( 7 档) 变速器及带单级减速器的电机，进行新欧洲循环道路试验，在同等运行指标下， 首先分别得出带变速器以及不带变速器所需电机最大功率，然后根据带多级变 速器的最大功率电机再配备不同档位的变速器进行道路试验，试验中共选用了 一到七，七种档位的变速器。试验结果如图1 2 ，1 3 所示。 图i 2 ，1 3 中显示，在同等路况达到同等指标的前提下，有档位的变速驱 动系统所使用的电机功率小，无档位直驱系统使用的电机功率大；而在有档位 驱动系统中，变速器档位越多，对于电池组电能消耗越少。该研究同时指出， 使用适当档位的变速器能提高电机使用效率、减小驱动电机尺寸以及提高电机 低速高转矩区的性能。 武汉理工大学硕士学位论文 图1 2 不同档位电机所需功率对比分析图 r - 犷育1 0 爹_ e n e r g yc o n s u m p t | o ni k w w lo o k r n l ip o w e re e 【k w 图1 3 不同档位所需电量分析图 各项试验及应用实际均表明，纯电机系统不能在效率最优的条件下驱动车 辆，因而纯电动汽车及混合动力汽车都应该配以适合的变速系统及变速耦合系 统以满足整车驱动需求。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外发展现状 1 2 1 国外发展现状 国外研究纯电动及混合动力用变速系统以及动力耦合系统已经有很多年的 经验。各种不同形式的动力耦合及变速系统均已进行市场推广。 其中，日本丰田公司的行星齿轮变速耦合系统最早于1 9 9 7 年推于市场，并 获得成功。较成熟的t h si i 系统如图1 4 ，1 5 所示。该系统是一个典型的混联 式混合动力系统，主要动力单元由一个大功率电机、发电机、发动机以及电能 较少的电池组组成n 1 。如图中所示，一个行星齿轮机构作为动力耦合装置将发动 机功率进行协调分配并分别输出，一方面，发动机可直接通过变速机构驱动车 辆；另一方面，发动机通过发电机提供电能供车辆使用砸掣。此时，通过发电机 产生的电能既能与电池组提供的电能一起驱动车辆，又能向电池组充电。通过 这种能量运用方式，装载t h si i 系统的车辆可以不借助外界充电来满足电池电 量要求。在行星齿轮式动力耦合系统的作用下，发动机可以不根据车速的变化 而变化，使其能长期工作在最佳转速范围附近，同时也能更好的驱动车辆并为 电池组充电。 图1 4t h si i 系统结构示意图图1 5t h si i 系统总成外形图 t h si i 系统中的变速机构总成主要包括动力耦合机构( 行星齿轮装置) ，发 电机，驱动电机以及主减速器。行星齿轮动力耦合装置的作用是使发动机能驱 动车辆的同时通过发电机发电。在运行过程中，发动机转矩通过行星架传递。 行星架旋转主轴直接与发动机相连，并通过行星轮向齿圈及太阳轮传递动力。 齿圈旋转轴与驱动电机相连( 并通过主减速器驱动车连) ，太阳轮与发电机相连。 4 武汉理t 大学硕士学位论文 整个动力系统最后通过前桥差速器将动力传递至左右前轮。 通过这种特殊的机电耦合变速机构，t h si i 系统能实现以下功能及运行模 式： 1 ) 在发动机频繁起动、怠速等低效率区时，驱动电机直接通过电池组中的 电能驱动车辆； 2 ) 在正常行驶时，可通过控制动力分配来优化整个动力系统的效率。发动 机既能通过发电机向驱动电机供电，又能用剩余的功率直接驱动车辆： 3 ) 当车辆加速需要额外功率时，发电机与电池组共同向驱动电机提供所需 电量； 4 ) 车辆减速或制动时，驱动电机进行制动能量回收，将能量储存于电池组； 5 ) 当电池组电量较低时，发电机向电池组充电； 6 ) 车辆驻车或车速较慢时，发动机能自动起停，由电机单独驱动。 近期，采埃孚也推出了其新型8 速混合动力变速系统方案0 l 。如图1 - 6 ，1 - 7 所示。该集成式结构主要由改进后的8 速a t 自动变速器( 图1 7 中8 p ) 、发动 机分离离合器( 图1 7 中k 0 ) 、集成启动元件( 图1 7 中i l e ) 及盘式驱动电机 ( 图1 7 中e m ) 组成。 系统虽然含有a t 自动变速器，但其突破性的取消了原a t 必不可少的液力 变矩器装置，使用结构更为紧凑的集成启动元件及扭转减震器来配合驱动电机 协调发动机起动，并且能达到相同甚至更好的发动机起动表现( 主要体现在舒 适性) ，电机低速大转矩特性在混合动力车中能更好的满足车辆起步及爬坡的动 力性要求。由原制动器改造而来的集成启动元件能完成液力变矩器实现车轮与 发动机转矩传递的要求，扭转减震器则能实现液力变矩器减弱载荷变化冲击的 要求。 其中，发动机分离离合器用于联接发动机与变速器之问的动力传递及实现 混合动力系统动力耦合功能。当纯电动行驶工况时，k 0 能迅速分离，驱动电机 通过a t 驱动车辆行驶。 由于系统取消了轴向尺寸较大的液力变矩器及干式离合器，与原a t 变速器 比较有很大的轴向使用空问，因而能根据车辆需求配以不同形式的驱动电机。 如低速大转矩、用于弱混的启动驱动电机、中低速大转矩的全混式混合动力驱 动电机等。 武汉理工大学硕士学位论文 图1 - 6z f 混合动力变速系统外形图 图1 7z f 混合动力变速系统结构图 这种完全集成式的混合动力变速系统因其紧凑的轴向结构、多元化的动力 耦合机构，能适用于各种混合动力车辆动力总成中。其在并联、串联、混联及 插电式混合动力系统中都能以模块的形式进行驱动系统集成。此外，通过电池 组能量的不同配置，纯电动行驶里程也能达到各种不同使用工况的要求。是一 种多元化的新能源动力耦合变速系统方案。 伊顿公司也推出了其适用于商用车、公众服务车及城市客车的混合动力变 速传动系统方案。如图1 8 ，1 - 9 所示。由于其使用对象的特殊性，伊顿公司为 了能在出现电力故障的情况下，系统仍然能正常工作，选择了单轴并联式的混 合动力系统作为其研发的基础。 该混合动力变速耦合系统主要由驱动电机及a m t 自动变速器组成。将电机 集成于自动离合器输出及e a t o nu l t r a s h i f t 自动变速器输入之间，形成可与发动 机直接混合的动力总成系统n 。这种集成结构能在车辆制动或减速期间回收制 动能量，并将能量储存在电池组或其他设备中。通过电机转矩与发动机转矩耦 合，可有效提高车辆性能，并在给定速度下在最佳燃油效率范围内运行发动机， 或只采用电力运行车辆n 刳。此外，在急需远程动力的应用场合下，该系统能实 现车载发电机组的功能。在故障模式下，系统中的运行级别能实现只使用电力 或只使用发动机的运行模式。 这种单轴并联式的模块化变速耦合系统通过与发动机的直接连接，整个系 统只包含一个电机和一个电机控制器，相较于串联式及混联式动力总成可靠性 更高、成本更低n 3 1 ；电机的低速高转矩特性能很好的与柴油发动机匹配，使发 动机工作转速内的效率更高，同等油量下的行驶里程更长；单轴耦合方式中， 武汉理工大学硕士学位论文 当一个动力系统出现故障时，电力及发动机系统能单独驱动车辆作为故障模式 继续行驶，能更好的满足城市公交车及商用车需求。 图1 8e a t o n 混合动力变速系统 外形图 礓囊图 i 滚湖 一e m n 黪j * * # 可 1 旷 。3 “， 甏懑 图1 - 9e a t o n 混合动力变速系统 原理图 伊顿公司的这种混合动力变速方案已广泛用于美国公用事业车及商用车， 并与北汽福田进行深入合作，将其应用于城市公交车。 1 2 2 国内发展现状 随着我国“十五 国家高新技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 将电动汽车以重 大专项列入，国内各大车企也在大力研发并推广其新能源汽车方案及产品n 4 1 5 l 。 一汽针对大型城市客车及小型轿车分别提出了其混合动力耦合系统的方 案，并已在部分车型上进行量产准备。如图1 1 0 ，1 1 l 所示。 其客车动力总成为一个双轴并联式混合动力系统。该动力耦合变速结构主 要由a m t 自动变速器及动力耦合齿轮箱组成。将动力耦合箱( 图1 1 0 中 p o w e r s p l ) 集成与自动离合器输出及a m t 变速器一轴输入之间同轴连接，耦合 箱的另一端与电机输出端连接，形成平行轴并联式机构n 引。通过耦合箱及自动 离合器的共同工作能实现发动机与电机动力的耦合及分离，a m t 自动变速器能 使发动机及电机工作时都处于高效率区，达到节能减排的效果。采用这种双轴 并联结构能有效减小轴向安装空间，并在一定程度上增大发动机及电机的功率， 使用车型更多。 武汉理工大学硕士学位论文 一圆墨重捌辫 乏豳砰i 薹曩瞄 甲 i 一曹 白 图1 1 0 客车混合动力系统原理图 图1 1 1轿车混合动力系统原理图 其轿车用混合动力总成为双轴式混联混合动力系统，如图1 1 1 所示。该动 力耦合变速结构由a m t 自动变速器、集成于变速器中的耦合机构以及发动机曲 轴带轮组成。集成于变速器中的耦合机构将变速器输出轴与电机轴相连，此外， 发动机输入端通过带轮与发电机相连。通过离合器的的分离及结合能实现电机 与发动机的单独工作及共同工作，发动机能通过a m t 自动变速器的作用运行在 高效区，但电机只能通过变速器二轴直接向车轮输出动力。这种混联式结构的 特点是能适当消除传统a m t 混合动力汽车的动力中断，当离合器分离，自动变 速器换档时，驱动电机能继续传递动力给车轮，使车辆在换档时获得一定驱动 力n 7 1 引。此外这种平行轴结构方式能更好的利用轿车发动机舱的有效空间，便于 动力总成布置。 东风电动研发的e q 6 1 1 0 h e v 混合动力公交车采用自主开发的动力总成系 统。如图1 1 2 ，1 , 1 3 所示。 该总成为垂直轴式并联混合动力结构。其动力耦合变速装置主要由6 档手 动变速器、机械干式离合器及伞齿轮耦合箱组成。 这种动力耦合变速器方式将伞齿轮耦合箱连接与变速器输入轴及离合器输 出端之间，耦合箱另一端直接与电机相连，即电机与变速器一轴处于常啮合状 态。此时，发动机与电机的转矩耦合在换档变速期间靠驾驶员来控制。其方案 中为了减少电动专用零部件的成本，取消了车辆的纯电动工况，发动机一直处 于工作状态。在离合器分离换档时，电机惯量与离合器从动盘惯量叠加，换档 冲击较明显；而换档完成后，电机助力可使车辆动力性更好。此外，并联混合 动力系统可充分回收制动及减速时的能量，因而无需外接充电即能满足电池组 的电量要求。 武汉理工大学硕士学位论文 图1 1 2 东风电动混合动力系统 原理图 图1 1 3 东风电动混合动力系统 结构图 由于变速器输出端要传递电机及发动机耦合后的转矩，系统中根据其采用 的开关磁阻电机低速大转矩的助力要求，设计了特殊的伞齿轮减速装置，以保 证电机与发动机的速度耦合；另外，在原车型的基础上，采用更大容量的变速 器，保证整车的可靠性。 玉柴也研制出了其y ch p t 混合动力系统。如图1 1 4 ，1 1 5 所示。 图1 1 4 玉柴混合动力系统外形图图1 1 5 玉柴混合动力系统原理图 玉柴混合动力系统采用单轴并联式强混合方案，整个变速耦合机构主要由 传统离合器机构以及整车厂自行配置的手动变速器组成。其集成方式为：发动 机与电机之间通过离合器机构进行连接，电机与变速器之间通过一个专利设计 的弹性片进行连接。该结构方案可以消除整车转矩波动对传动系统的冲击，可 通过离合器实现发动机与电机分离，提高能量回馈效率及纯电动工作模式，结 构简单可靠。 由于该系统现在只适用于手动变速器的集成，其主要节能措施是其专门开 9 武汉理工火学硕士学何论文 发的混合动力专用发动机。该发动机能实现“急起急停 、频繁起停的运行工况， 且低速转矩大，发动机惯量小。 此外，玉柴混合动力系统由于将电机与发动机通过离合器集成为模块提供 给整车厂，对于整车厂配置的手动变速器要进行结构更改才能与其系统进行连 接。单独购买的变速器需要拆卸离合器壳然后制作专用连接盘使其与电机端连 接。 1 3 课题研究内容及研究方法 本文主要以武汉理工通宇新源动力有限公司新能源动力系统开发项目为基 础，设计一款可用于纯电动及各种混合度、混合形式的自动变速动力耦合系统， 并以其为集成模块进行纯电动总成系统及混合动力总成系统的结构设计。 动力系统模块设汁主要以虚拟样机技术为基础。主要研究方法为：先设计 功能原型样机，然后在原型样机的基础上设计产品样机。 1 ) 功能样机试制研究 经过需求分析及概念设计，首先通过理论手段进行相关关键零部件的结构 设计( e m t 系统中主要包括与传统变速器及电机不同结构处的改型设计) ，然后 利用虚拟样机与物理样机相结合的方法，验证模型参数的准确性及可行度，为 产品样机提供仿真基础。 多学科联合仿真，在联合仿真软件中构建虚拟样机模型，虚拟样机与控制 策略( 不同软件平台) 相结合进行虚拟样机仿真，按照所得出的特性要求设计 功能原型样机。 进行原型样机台架试验，测得的试验参数与仿真参数相比较，得到真实标 定的仿真输入参数，将参数重新输入虚拟样机，并相应优化样机模型，使虚拟 样机与物理样机所得数据一致，完成虚拟样机关键参数的标定。 根据原型样机结构特点及性能特性，进行模型关键零部件的优化设计，将 优化后的关键零部件集成为产品虚拟样机，设计结果用于产品样机的开发，并 为产品样机开发提供理论基础。 2 ) 产品样机设计开发 根据产品虚拟样机模型进行产品物理样机开发，进行相关台架试验及装车 试验。根据产品样机试验数据，进行产品样机优化，为产品定型提供合理技术 路线及理论研究基础。 l o 武汉理1 = 大学硕士学位论文 第2 章系统方案设计 由产品的设计需求进行多方面理论分析，提出结构设计方案，并对此方案 进行理论验证，说明其可行性。 2 1 设计需求分析 要求设计一款带纯电动驱动功能的自动变速耦合系统，并进行系统版本模 块化，当不连接发动机时能独立作为纯电动驱动系统，与发动机或车载发电机 组相连时能作为混合动力驱动系统1 。该动力系统主要面向城市客车及中型商 用车，要求达到原车的所有动力性指标并减小排放；由这种动力耦合系统组成 的纯电动及各种混合动力总成在不改变原有底盘的前提下，能正常安装，不影 响车辆通过性及稳定性；有自动变速功能，减少驾驶员疲劳心。 总体设计要求主要包括：布置安装、系统功能、系统可靠性及成本等因素。 2 1 1 系统布置分析 分别以现有常用城市客车及中型商用车底盘为参考进行动力总成布置分 析。 如今，普遍运用于公交车体系的城市客车底盘均大同小异，纵向长度1 2 米 左右居多。图2 1 为某客车厂1 2 米公交车底盘。图中分别标注出了后桥与传动 轴连接端面、传动轴与变速器连接端面、离合器壳与飞轮壳连接端面及发动机 曲轴带轮端面的位置。 由表2 1 中得出，原车动力总成总长度e g ( 变速器、离合器及发动机) 为 1 9 9 0 m m ，后桥传动轴为6 1 0 r a m ，经过相关传动轴长度查询，该种车辆传动轴最 短可为5 0 0 m m 。 因而，在传动轴最短、发动机曲轴带轮位置不变的情况下， 1 ) 若不改变原发动机，仅通过集成电驱动模块形成混合动力总成，则纯电 动驱动系统的轴向长度不能大于( 6 1 0 5 0 0 ) + 1 9 9 0 = 2 1 0 0 m m 用于混合动力的 电驱动集成模块轴向长度不能大于2 1 0 0 1 2 9 0 = 8 1 0 m m 。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 。l1 2 米公交车底盘结构布置图 表2 11 2 米公交车底盘总成布置尺寸 名称 abcd ee f 瑰 i 尺寸( 舳) 3 7 06 4 06 4 06 1 07 0 01 2 9 0 表中，a 原动力总成离地最小间隙； b 原动力总成最大宽度； c 原动力总成最大高度( 不含发动机) ； d e - 一原后桥传动轴长度； e l - 一原变速器轴向长度( 含离合器壳) ； 龟原发动机轴向长度( 含飞轮壳) 。 2 ) 若改变原发动机，则纯电动驱动系统和混合动力驱动系统轴向长度不大 于2 1 0 0 m m 即可满足安装要求。 宽度及高度方向大小要求均不能大于原车最大容许范围。 对于中型商用车，文中以某大型汽车厂适用车型最多的中型商用车底盘为 例进行尺寸校核。该底盘如图2 2 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 中型商用车底盘结构布置图 表2 2 中型商用车底盘总成布置尺寸 名称 mnh o p p q l 尺寸( 姗) 2 6 06 4 06 2 08 8 57 3 8 表中，m 原动力总成离地最小间隙； h 原动力总成最大宽度； n 原动力总成最大高度( 不含发动机) ； p q 原变速器轴向长度( 含离合器壳) ； o p 原发动机轴向长度( 含飞轮壳) 。 由表2 2 中分析得出，该车动力总成( 变速器、离合器及发动机) 长度为 1 6 2 3 m m ，由于商用车的前置后驱形式，传动轴在倾角范围许可内可进行适当缩 放，在原动力总成的基础上可减少传动轴长度4 1 0 m m ，即动力总成最大可为 2 0 3 3 m m 。 1 3 武汉理i 大学硕士学位论文 因而，在传动轴最短、发动机风扇端面位置不变的情况下， 1 ) 若不改变原发动机，仅通过集成电驱动模块形成混合动力总成，则纯电 动驱动系统的轴向长度不能大于2 0 3 3 m m ；用于混合动力的电驱动集成模块轴向 长度不能大于2 0 3 3 8 8 5 = 11 4 8 m m 。 2 ) 若改变原发动机，则纯电动驱动系统和混合动力驱动系统轴向长度不大 于2 0 3 3 m m 即可满足安装要求。 宽度及高度方向大小要求均不能大于原车最大容许范围。此外，商用车因 其底盘上发动机与变速器连接处有一根横梁，设计动力总成时要避开该横梁以 免破坏底盘结构。 上述对两种车辆底盘布置分析可知，纯电动系统安装空间完全能满足要求 ( 基本都有大于2 0 0 0 m m 的安装预留空间) ；而当不改变原有发动机时，城市客 车安装电驱动混合动力集成模块的轴向空间仅有8 1 0 m m ，若改变原有发动机， 该轴向安装空间可适当增加( 需要根据混合度协调发动机与电机大小) ；相较而 言，中型商用车不改变原有发动机可保留约1 1 0 0 m m 的轴向安装空i e j j ，若改变 原发动机，则还能有更大的可调整性。 2 1 2 系统功能分析 该系统设计之初要求达到以下功能： 1 ) 纯电动系统要求使用自动变速装置后能有最佳的效率及最小的电耗；使 用该电驱动自动变速模块的混合动力系统要求在电机及变速装置的介入下，包 括发动机在内的所有动力源均能有最小的能牦，最低的排放以及工作在最佳的 效率区间心别； 2 ) 使用该系统的纯电动及混合动力总成能实现自动变速，驾驶员有较好的 驾驶体验，无需人为控制动力系统的耦合及分离心3 卫引； 3 ) 纯电动系统能在不改变原有车辆底盘的前提下进行正常安装；混合动力 电驱动变速模块能应用于多种车型及与多种发动机连接； 4 ) 混合形式多样化，除产品本身专用混合动力结构形式外，能根据特殊需 求集成为各种混合动力总成( 如串联、并联、混联等) ； 5 ) 混合度多样化，根据客户需求，能根据电机及电池组的不同匹配组成轻 混、中混、全混及插电式混合动力系统： 6 ) 模块化设计。所设计的电驱动自动变速机构能根据发动机及电机的简单 1 4 武汉理丁大学硕+ 学位论文 匹配进行版本化的应用方案选择，根据混合度不同灵活的以模块化的形式集成 于纯电动及混合动力系统中； 7 ) 方案简单可靠，研发周期短。 2 1 3 系统可靠性及成本分析 根据国内车用电机、车用变速器及动力耦合装置研发及使用现状，分别分 析几种机构的可靠性及成本。 1 ) 车用电机。目前，电动汽车上应用的电机主要有四大类：直流电机、交 流异步电机、永磁电机及开关磁阻电机心5 2 引。各种类型驱动电机的基本性能如下 表所示。 表2 - 3车用驱动电机基本性能比较 直流电机交流异步电永磁电机开关磁阻电 机机 j 。 功率密度低 中 同较高 负倚效率 8 0 、8 79 0 9 29 5 9 77 8 8 6 可控性最好好好好 可靠性 一般 好好 好 尺寸及质量 大、重一般、一般小、轻小、轻 电机成本适中适中同，低 控制器成本低较高同一般 国内生产水较高较高 一般 一般 平 综合性能差较好较好般 由表2 3 可以看出，目前国内电动汽车及混合动力汽车用驱动电机最有应用 基础及产业化条件的是交流异步电机，其次是永磁电机。 2 ) 车用变速器。当前，我国传统城市客车及中型商用车普遍应用的是手动 变速器( 三轴式机械变速器) 。而某些高档车辆采用a t 自乏f j 变速器及少量样车 采用a m t 变速器，但a t 油耗较m t 高得多，a m t 自动变速器也未能在这些车 辆上达到很好的效果。国内车厂选择m t 主要是为了其实用性，由于车辆的用 途，对于换档轻便性和噪声等要求相对较低。 在新能源汽车发展的基础上，国内多数厂商认为城市客车及商用车新能源 动力总成只有研制m 基于手动变速器的a m t 系统才能满足使用需求。而且，新 武汉理工大学硕十学何论文 能源车对成本更为敏感，使用基于手动箱改装成的a m t 成本低，更能满足整车 厂的要求。 此外，为使整个动力系统更安全可靠，采用机械集成化的手段，将电机及 变速器进行机械集成，形成体积小、可靠性高的混合动力自动变速模块是新能 源汽车对动力系统提出的新要求。 3 ) 动力耦合装置。国内外的动力耦合装置主要包括行星齿轮装置、离合器 装置、离合器加常啮合齿轮箱装置等。行星齿轮装置制造工艺复杂、成本高， 已被国内厂商认为不适合国产化需求；离合器加常啮合齿轮耦合箱装置由于存 在一对或几对齿轮的常啮合( 将变速器轴与电机轴常啮合) ，整个系统机械效率 较低、可靠性差。因而，单纯的离合器装置，其成本低、可靠性高、可移植性 好，更能满足市场需要。但其相对于结构尺寸的要求更高，只有充分集成的动 力模块才能满足整车安装要求。 2 2 结构方案设计 通过上述空间布置、系统功能、装置可靠性及成本分析，结合理论探索与 实际验证，研究出一种可行的新能源自动变速祸合装置电驱动机械式自动变 速系统( e l e c t r i c d r i v em e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ，简称e m t ) 。 2 2 1e m t 工作原理 1 ) 纯电动用e m t 工作原理 由于整车安装空间尺寸限制，采用无离合器的电机与变速器同轴直连方案。 结构如下图所示。图2 3 中为四档自动变速e m t 系统构成方式。 通过一个交流异步电机与传统三轴机械式变速器( 加入自动换档执行机构) 相连接组成e m t 电驱动机械式自动变速器总成模块。其中，为使机构轴向尺寸 空问更小，电机直接与变速器相连，并且采用齿式离合器( 即啮合套) 进行各 档位的结合与分离，相较于传统同步器式变速器轴向尺寸更短。 结构中，去掉了传统机械式变速器的离合器机构及同步器机构，利用电机 快速、精确响应的特点，主动调节一轴转速，使待啮合齿圈与啮合套同步，实 现更精确、容量更大的同步效果，换档更快、更平稳，动力中断时间更短。 调速换档原理如图2 4 所示。图中所示为e m t 系统从一档起步到进二档( 直 1 6 武汉理下入学硕士学位论文 接档) 的整个升档过程一、二轴转速示意图。 轴转德 币m 图2 - 3 四档e m t 结构示意图 图2 4e m t 换档过程原理示意图 其中，一轴转速v 。； 二轴转速- - - v 。： 车辆速度v m ； 变速器一档速比- - - a l ： 变速器二档速比a 2 = l ( 直接档) 。 武汉理工大学硕七学位论文 车辆起步时，变速器处于空档状态。t o 时刻，车辆静止v v 。h = 0 ，电机给予 微小转速即v 伽。不大于2 0 r p m ，形成变速器二轴一档待啮合齿圈与变速器二轴一 档啮合套的适当速差，通过换档执行机构的作用，齿式离合器相啮合，啮合时 由于齿问滑磨接触，轴转速有微小波动( 如图2 4 中a 处所示) 。变速器二轴一 档齿轮与变速器经花键毂连接，转矩通过变速器一轴，经中间轴传递给变速器 二轴，进而通过车轮输出。 变速器换入一档后，电机通过变速器驱动车辆，车速v ，c h 变大。此时( t 0 t 1 ) 变速器一轴转速v 。及二轴转速v 啪均上升，且v 伽产( a l a 2 ) v t w o = a l v t w o 。 当车辆运行至时间t l 时，到达一档换二档的换档点， v 。e = v 2 = a l v 。w o = a l v 1 。电机此时变为自由模式，不对外输出力矩，尽量消 除齿式离合器间的静摩擦阻力，然后通过执行机构的作用退回空档位置。此时 变速器二轴转速v 。w o 在v 1 v l 之问，在t l t 2 期间v t w 0 变化很小( 5 0 r p m 以内) ， 变速器一轴转速v o n e - v 2 由电机输出负力矩迅速拉低并调速至v o 。= v 1 = v 。w o ， 同时在t 2 时刻执行机构动作，变速器从空档位置丌始进档( 图2 4 中t 2 t 3 时间 段) ，进档时，由于齿式离合器接触时齿间滑磨，轴端转速有一定波动( 图2 4 中b 所示) ，到t 3 时刻止，变速器一换二档动作完成。此时，二档为直接档， v o 。e _ v = v l ”。电机转矩直接通过变速器一轴传递给变速器二轴输出，机械效 率最高。 由上述描述可知，该变速装置的主要原理是利用电机主动调速的功能来取 代原有机械式同步器的摩擦同步，达到顺利换档的效果。在整个过程中，电机 的高度可控性能发挥了至关重要作用，如起步时的电机转动、退空档时电机自 由模式( 无力矩输出) 、换档过程中的主动调速、换档完成后的车辆加速度平稳 过渡等。而该机构顺利换档最重要的保障是电机的主动调速功能，由于此时电 机与变速器一轴直连，换挡时变速器一轴惯量大，传统同步器不能达到这样的 同步容量，因而主动调速是实现这种变速装置的理论基础。 2 ) 基于e m t 的混合动力系统工作原理 以基于e m t 的3 档并联式混合动力为例，分析其工作原理。主要介绍该系 统从起步到升至直接档( 3 档) 过程。如图2 5 所示为其升档过程原理图示意。 武汉理下大学硕士学位论文 芒 仨 裂 簿 。i 。：c 一一。 一1 二_ 一。 7 ：； n7 1 i l 档工作 严一 1 一_ 。挂， 一。 i 。i 谚蕊 图2 5 基于e m t 混合动力系统原理示意图 时间s 基于e m t 的混合动力总成换档变速器换档过程与纯电动用e m t 基本相同， 主要加入了发动机的动力耦合过程。 起步时，动力耦合装置处于分离状态( 图中以离合器为例) ，发动机怠速， e m t 进一档，电机单独驱动车辆；当达到换档点时，e m t 进行一档进二档过程， 进档完成后，电机继续为车辆提供动力，当电机转速达到发动机怠速点时，离 合器接合，接合过程中，电机依然驱动车辆运行；离合器接合后，发动机与电 机共同驱动车辆( 根据控制策略而定) ；当达到换档点时，离合器分离，同时变 速器退空档，其后e m t 进行从二档升三档过程，e m t 换档完成后，电机驱动车 辆继续行驶；当发动机转速降到与电机转速相同时，离合器接合，发动机与电 机共同驱动车辆，离合器接合过程中，电机依然向车辆提供动力。 该混合动力自动变速器总成的优点是，在离合器接合过程中，车辆依然有 电机提供动力，换档动力中断时间相较于传统e m t 更短，可提供更长的时间供 发动机进行转速转矩调节，使离合器接合过程更平稳，换档更舒适。 。 2 2 2e m t 结构方案 如图2 3 所示，e m t 机构主要由异步交流电机、三轴式变速器、转速编码 器、换档执行机构及档位传感器构成。 为实现该电驱动变速机构的高度集成，整个结构由四部分壳体构成，包括 1 9 武汉理j l = 大学硕