（光学工程专业论文）轻型电动汽车电机变速器集成驱动系统设计与开发.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：奚龌日期：翌么靠驻! 旦 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：页掺 导师( 签名) 日期劢牟聊了应 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 在轻型纯电动汽车、串联式混合动力、燃料电池电动汽车的研制过程中，驱 动系统的结构布置和参数以及参数之间的匹配合理性对电动汽车的动力性、经济 性、续驶里程等都有显著的影响。驱动系统是电动汽车的关键组成部分，它的特 性决定了电动汽车的动力特性，同时，它的效率对电动汽车效率影响也非常大。 对该系统的设计参数进行研究是提高电动汽车性能的重要手段之一。电动汽车驱 动系统的对电动汽车的动力性、续驶里程等都有显著的影响。 本文介绍了电动汽车的发展，各类驱动电机的特点和变速器的发展现状，介绍 了国内外对电动汽车驱动系统的研究重点和方向。 本文研究了电机变速器的集成方案，设计了电机变速器的布置形式，分析了 取消离合器及倒挡齿轮的可行性，并发现了对国内普遍介绍的无离合器a m t 的换 挡过程所存在的问题并提出了解决该问题的办法。研究了该无离合器a m t 的换挡 工作原理，设计了该变速器的基本结构。 本文介绍了轻型电动汽车电机和变速器的匹配原则，选择了感应电机作为驱 动电机，并分析了其工作特性，设计了电机和变速器的各个参数，并验证了参数 的合理性。 本文介绍了目前常见的各种变速器的换挡机构，设计出了由换挡电机驱动的 齿轮齿条机构和螺旋传动机构这两种换挡机构。根据驱动系统集成化的要求，选 用了螺旋传动机构作为换挡机构，并计算出了螺旋传动机构的详细参数，分析了 换挡品质，结果表明，该换挡机构具有良好的换挡品质。 本文简要介绍了三维建模技术、装配及其运动分析的基本知识，建立了电机 变速器集成驱动系统的三维模型，在装配后进行了空间及运动学仿真分析，验证 了该驱动系统结构尺寸关系的合理性及优势、传动比及换挡时间等参数的正确性 和可行性。 本文介绍了变速器轴的强度和刚度的传统验算理论，并对变速器输入轴和输出 轴进行了静力学和模态分析，校验了其在极限情况下的力学性能满足要求，在工 作时不会发生共振情况。并得到了前十阶的振型图，对轴的进一步优化设计奠定 了基础。 关键诃：驱动系统；参数匹配；变速器；换挡机构 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h el i g h to fp u r ee l e c t r i cv e h i c l e s ，s e r i e sh y b r i d , f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e d e v e l o p m e n tp r o c e s s ，t h ed r i v es y s t e mp a r a m e t e r sa n dt h es t r u c t u r a la r r a n g e m e n ta n d ar e a s o n a b l em a t c hb e t w e e nt h ep a r a m e t e r so ft h ep o w e rf o re l e c t r i cc a r s ，e c o n o m y , a n dd r i v i n gr a n g ea n ds oo nh a v eas i g n i f i c a n ti m p a c t e l e c t r i cv e h i c l ed r i v es y s t e mi s ak e yc o m p o n e n to fi t sc h a r a c t e r i s t i c sd e t e r m i n e st h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f e l e c t r i cv e h i c l e s ，w h i l et h ee f f i c i e n c yo fi t si m p a c to nt h ee f f i c i e n c yo fe l e c t r i c v e h i c l e si sa l s ov e r yl a r g e d e s i g np a r a m e t e r so ft h es y s t e mt os t u d ya r et oi m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo fe l e c t r i cv e h i c l e si so n ei m p o r t a n tm e a r l $ e l e c t r i cv e h i c l ed r i v e s y s t e mf o re l e c t r i cv e h i c l e so fp o w e r , d r i v i n gr a n g ea n d s oh a v eas i g n i f i c a n ti m p a c t n i sa r t i c l ed e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cv e h i c l e s ，v a r i o u st y p e so fd r i v e m o t o ra n dt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed e v e l o p m e n ts t a t u s ，i n t r o d u c e dt h e d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a le l e c t r i cv e h i c l ed r i v es y s t e mo fr e s e a r c hp r i o r i t i e sa n d d i r e c t i o n s i 1 1 i i sp a p e rs t u d i e st h ei n t e g r a t i o no fe l e c t r i c a lt r a n s m i s s i o ns c h e m e ，t h ed e s i g n l a y o u to ft h em o t o rt r a n s m i s s i o n ，a n a l y s i s ，a n dr e v e r s eg e a rc l u t c hg e a rt oc a n c e lt h e f e a s i b i l i t yo f , a n df o u n dw i d e s p r e a di n t r o d u c t i o no fd o m e s t i cn o n - c l u t c hn 吣r s s h i f t i n gp r o c e s st h ep r o b l e m sa n dp r o p o s et os o l v et h ep r o b l e m t h i sp a p e rs t u d i e d t h es h i f tw i t h o u tt h ec l u t c h 棚s w o r k i n gp r i n c i p l e ，d e s i g nt h eb a s i cs t r u c t u r eo ft h e t r a n s m i s s i o n t i i i sa r t i c l ed e s c r i b e st h el i g h te l e c t r i cv e h i c l em o t o ra n dt r a n s m i s s i o nm a t c h i n g p r i n c i p l e ，i n d u c t i o nm o t o ri ss e l e c t e da st h ed r i v em o t o r , a n da n a l y z e si t so p e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i c s ，t h ed e s i g no ft h ev a r i o u sp a r a m e t e r so ft h em o t o ra n dt r a n s m i s s i o n , a n dv a l i d a t e st h ea r g u m e n ti sr e a s o n a b l e 砸sa r t i c l ed e s c r i b e sav a r i e t yo fc u r r e n tt r a n s m i s s i o ns h i f tc o m m o ni n s t i t u t i o n s ， d e s i g n e db ys h i f t i n gt h em o t o r - d r i v e nr a c ka n dp i n i o nd r i v em e c h a n i s mb o d ya n d s c r e w st h et w os h i f t i n gb o d i e s i n t e g r a t e dd r i v es y s t e ma c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t s o fs e l e c t e di n s t i t u t i o n ss c r e wt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s ma sas h i f t , a n dc a l c u l a t e dt h e 武汉理工大学硕士学位论文 p a r a m e t e r so fs c r e wd r i v em e c h a n i s mi nd e t a i l ，a n a l y z e st h es h i f tq u a l i t y , t h er e s u l t s s h o wt h a tt h es h i f t i n gm e c h a n i s mh a sag o o ds h i f tq u a l i t y t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n g , a s s e m b l ya n dm o v e m e n t a n a l y s i so ft h eb a s i ck n o w l e d g et ob u i l dam o t o rd r i v es y s t e mg e a r b o xi n t e g r a t e d t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l ，i nt h ea s s e m b l ya f t e rt h ea n a l y s i so ft h es p a t i a la n d k i n e m a t i c s s i m u l a t i o nt ov e r i f yt h es i z eo ft h ed r i v es y s t e m ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n s t r u c t u r er e a s o n a b l ea n da d v a n t a g e s ，t r a n s m i s s i o nr a t i oa n dt i m ep a r a m e t e r ss h i f tt h e c o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t y t h i sa r t i c l ed e s c r i b e st h et r a n s m i s s i o ns h a f ts t r e n g t ha n ds t i f f n e s so fat r a d i t i o n a l c h e c k i n gt h e o r y , a n dt h et r a n s m i s s i o ni n p u ts h a f ta n do u t p u ts h a f tw e 坨s t a t i ca n d m o d a la n a l y s i s ；v a l i d a t i o nc a s ei nt h el i m i to fi t sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e st om e e tt h e r e q u i r e m e n t sw i l ln o tb ea tw o r kr e s o n a n c es i t u a t i o n a n dg e tt h ef w s tt e nm o d e so f o r d e rm a p ，t of u r t h e ro p t i m i z et h ed e s i g no ft h es h a f to ft h ef o u n d a t i o n k e yw o r d s ：d r i v es y s t e m ；p a r a m e t e rm a t c h i n g ；t r a n s m i s s i o n ；s h i f ta c t u a t o r 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t 目录 第1 章绪论，1 1 1 研究背景。1 1 2 国内外电动汽车的发展现状2 1 3 电动汽车用驱动电机及变速器现状3 1 3 1 驱动电机3 1 3 2 自动变速器的发展。4 1 4 本文主要研究内容6 1 5 研究目的及意义。6 1 6 本章小结7 第2 章电机变速器集成方案的研究8 2 1 电机变速器的结构布置方案的研究8 2 2 自动变速器类型的确定1 0 2 3 变速器轻量化和小型化方案的研究1 2 2 3 1 取消离合器的可行性分析1 3 2 3 2 无离合器a m t 换挡的原理1 3 2 3 3 换挡过程的调速控制1 4 2 3 4 无离合器a m t 的优势1 5 2 4 自动变速器结构的确定15 2 4 1 变速器轴的布置方案1 5 2 4 2 取消倒挡齿轮的可行性分析1 6 2 5 自动变速器换挡系统类型的选择16 2 6 自动变速器挡位数的确定1 7 2 7 变速器及换挡执行机构的初步设计1 8 2 8 本章小结1 9 i v 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章电机变速器集成驱动系统参数设计2 0 3 1 电机和变速器的匹配原则2 0 3 2 驱动电机的选择及工作特性分析- 2 l 3 2 1 驱动电机的选择2 l 3 2 2 驱动电机的工作特性分析2 2 3 3 驱动电机参数的设计原则2 3 6 7 9 1 2 2 2 3 4 4 6 6 7 8 8 9 1 l l 3 3 3 4 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 - ， 武汉理工大学硕士学位论文 4 7 3 自动变速器换挡机构换挡品质结果分析4 6 4 8 本章小结4 6 第5 章电机变速器集成驱动系统建模及其运动仿真分析4 7 5 1 概述4 7 5 2c a t i a 软件介绍4 7 5 3 电机变速器集成驱动系统建模与装配4 8 5 3 1 自动变速器三维建模4 8 5 3 2 电机变速器集成驱动系统的虚拟装配5 0 5 4 电机变速器集成驱动系统配体间的空间分析5 4 5 5 变速器的运动仿真分析5 5 5 5 1 变速器运动过程的干涉分析5 5 5 5 2变速器传动比及换挡时间验证5 6 5 6 本章小结5 7 第6 章变速器轴的有限元分析5 8 6 1 有限元法的发展及其在轴系研究中的应用5 8 6 2 轴的强度和刚度计算理论5 8 6 3 变速器轴的有限元分析5 9 6 3 1 、输入轴的有限元分析l 6 0 6 3 2 输出轴的静力学分析6 2 6 4 输入轴和输出轴的模态分析6 5 6 5 本章小结6 7 第7 章全文总结与展望6 8 7 1 全文总结6 8 7 2 展望6 9 致谢7 0 参考文献7 1 v i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 汽车自从其发明以来就逐渐地深刻影响着人们的生产、生活方式，给人们 带来了极大的便利，目前，各个国家都非常重视汽车产业的发展，汽车产业是 一个带动性关联性很强的产业，纵观世界各国，各个发达国家无一不是汽车强 国。目前，内燃机汽车占据了绝大部分市场，但是内燃机汽车面临排放和石油 短缺这两个难以解决的问题，因此电动汽车被公认为是汽车的发展方向。 电动汽车与普通内燃机汽车相比较，具有无污染、噪声低及节省石油资源 的特点1 1 2 j 。电动汽车的广泛普及能解决内燃机汽车存在的排放和石油短缺这两 个无法回避的社会问题l 甜。目前，电动汽车由于续驶里程、动力性等各个方面与 内燃机汽车存在较大差距而在城市里，由于交通拥堵，内燃机汽车平均车速 低，频繁的启动和制动，使得内燃机汽车油耗和排放都急剧的增大，而轻型电 动汽车作为城市的代步工具，对其动力性和续驶里程等要求低，正好适应了城 市道路拥堵的交通情况。 电机变速器驱动系统是电动汽车的关键系统，其地位等同于内燃机汽车的 发动机和变速器，它将汽车里存储的能量转变为机械能，经过变速器变速后， 传送到车轮上驱动汽车行驶。 目前，国内外对电动车电机变速器集成驱动系统的研究主要集中在新型电 动机的研发、电机驱动系统控制策略这两个方面1 4 j 。但是，目前市场上很少能见 到适用于电动汽车的自动变速器。目前电动汽车的变速传动系统主要有两种解 决办法：一种是电机直接与驱动桥连接，没有变速器，这就难以兼顾动力性和 经济性要求。一种是采用燃油汽车的自动变速装置。但由于电动机的动力特性 与发动机的差异性，其变速装置往往不需要像燃油汽车那样需要很多挡位，一 般只需要两个前进挡即可。另燃油汽车的自动变速器普遍需要液压系统，但液 压系统具有结构复杂、重量大、成本高、安装维护要求高、工作性能受温度变 化影响大、液压油泄露污染等缺点。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外电动汽车的发展现状 自1 8 3 4 年t h o m a sd a v e n p o r t 设计了第一辆电动车以来，电动车曾经辉煌过 一段时期。但是，随着石油开采技术的提高和内燃机技术是不断发展，燃油机 汽车的优势日益突出，电动车由于续驶里程动力性等因素的限制，就逐渐失去 了竞争力，淡出了市场。 直到2 0 世纪6 0 年代后，由于环境和能源等问题逐渐引起人们的注意，电 动汽车有重新引起世界各国的重视。特别是在2 0 0 0 8 年金融危机以来，电动汽 车在各国受到极大的重视，并被我国提升为战略性重点产业之一。 近几十年，世界各国政府和著名汽车企业都加大了对电动汽车的研究力度， 也取得了很大的突破和进步。 日本出于对能源危机和环境保护和占领电动汽车市场的考虑，特别重视对 电动汽车的研究和开发。自1 9 7 6 年起就已经成了电动汽车协会，从事电动汽车 的研发工作。目前日本是电动汽车发展最快的国家之一，特别是在混合动力汽 车的发展方面，日本处于领先的地位。1 9 9 7 年，丰田公司生产了第一批混合动 力汽车普锐斯，并于2 0 0 0 年7 月份出口北美，同年9 月在欧洲上市，目前在2 0 多个国家都有销售，销量已经突破1 0 0 万辆。 美国三大汽车公司也加大了对电动汽车的研发力度，并签订合作协议，共 同研究开发电动汽车上的动力电池。联合成立了先进电池联合体( u n i t e ds t a t e s a d v a n c e db a t t e r yc o n s o r t i u m ) ，后美国总统布什批准了用于对镍氢、钠硫、锂离 子和锂聚合物等高能量电池开发研究的经费2 2 6 亿美元。1 9 9 3 年，美国能源部、 商务部等多部门与通用、福特、克莱斯勒三大汽车公司联合成立了一个新的汽 车合作组织计划，就是人们所熟知的p n g v ( t h ep a r t n e r s h i pf o ran e wg e n e r a t i o n o fv e h i c l e ) 计划，该计划主要是研究混合动力电动车，并引起很多个的效仿，纷 纷制定新一代电动汽车的发展规划。近期奥巴马已经批准了2 4 亿美元的财政拨 款用于对锂电池的研发。 各国在研究电动车的同时，我国也不甘落后，制定了一系列发展电动汽车 的计划。“十五一期间，设立了“电动汽车重大科技专项 ，明确了“三纵三横” 的发展计划，其中燃料电池、混合动力和纯电动汽车即为三纵，动力电池及其 管理系统、多能源动力总成和驱动电机及其控制系统即为三横。2 0 0 1 年国家划 拨8 8 亿元用于以上项目的研究。国家在“十一五一期间成立了“8 6 3 一节能与 新能源汽车重大项目，拨款1 1 亿人民币，用于电动汽车和清洁替代燃料汽车的 2 武汉理工大学硕士学位论文 关键技术及整车的研发。在2 0 0 9 年我国推出了“十城千辆 电动汽车示范工程， 武汉位列其中，而且实行对推广使用单位购买新能源电动汽车进行补贴，最多 可以达到每辆6 0 万元。在2 0 1 0 年上海世博会上我国各大企业向世博会提供了 大量的纯电动汽车以及混合动力汽车，体现了我国发展电动汽车取得了很大的 进步。图1 - 1 是纯电动汽车以及混合动力汽车的发展。 2 0 0 0 锥 2 0 1 0 年2 0 2 0 年 可应用 技术 垒台动力型混台动力汽率兰竺：黔 绷佣爨腺肩鬈鼍鬈厶油电池 动机 电力躯动 发动帆惯性飞轮 燃油电池 豢嚣欠豢鬻f 电缆f 乙醇f 缀气腰缩天然4 t i 电缆l 乙骣l 缀气 初麴l 打油，天然气，煤炭铰能 能源滋函滋匿滋函江搦圈 图1 - 1 纯电动汽车和混合动力汽车的发展 1 3 电动汽车用驱动电机及变速器现状 1 3 1 驱动电机 驱动电机就像传统汽车的内燃机，它是整个汽车的心脏，是汽车的动力源， 把电能转化为机械能的装置。所以驱动电机是电动汽车的关键技术之一，直接 影响电动汽车的动力性、续驶里程、经济性等各项评价指标渤。 电动汽车驱动电机常分为永磁直流无刷电机、感应电机、永磁同步电机和 开关磁阻电机。电动汽车对驱动电机要求很高，需要驱动电机能满足电动汽车 在各种使用条件和工况下的苛刻要求。由于电动汽车的行驶工况复杂多变，要 适应各种恶劣环境条件，又要承受来自路面和自身的颠簸振动，要能满足高速 运行，能频繁启动、制动回收能量、高效运行等工况。因此，分析以上内容， 可以得出电动汽车的驱动电机应满足的要求有以下几点p 刁： 3 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 具有低速一大转矩和高速一高功率特性，以满足汽车汽车起步和爬坡以 及匀速行驶的各种工况； ( 2 ) 具有较大的转速范围以覆盖恒转矩区和恒功率区； ( 3 ) 转矩响应特性要求快速； ( 4 ) 具有高的效率； ( 5 ) 较高的再生制动能量回收效率； ( 6 ) 电机及其控制系统结构坚固、能抵抗颠簸和振动冲击、为便于集成，还 需要结构紧凑、体积小、重量轻； f 7 ) 运行平稳，振动和转矩转速波动小，电气系统失效保障； ( 8 ) 成本低。 1 3 2 自动变速器的发展 1 9 0 8 年，福特t 型车最早采用多组齿轮的自动变速器，这种变速器具有两 个速比，它分成中央齿轮和周边齿轮，从发动机引入的转矩不同时，中央齿轮 可得到高低不一的转速和转矩，包括倒车挡的反向旋转1 8 j 。 从那以后，自动变速器一直保持着那种结构原理，但是速比随着材料科技 的进步与润滑油性能的提高变得更为多种多样。 在第二次世界大战前，一种3 个速比的自动变速器诞生在美国，在变速器 的d 的挡位上，车速可由油门踏板随意地改变，涡轮转换器取代了传统的离合 器。速度的变化是由液压泵通过制动踏板被踩下或抬起来改变的。但是这种自 动变速器在加速时会打滑，因此油耗比较高。后来，涡流转换器的锁止机构的 出现消除了这种缺陷。 以前的自动变速器虽然在不断进步，但是总克服不了一种缺陷，即车速的 反应与踏板的动作之间总有一定的延迟。后来2 0 世纪7 0 年代出现的电子控制 系统改善了这种缺陷o 随着液压控制技术的发展，到2 0 世纪末，驾驶员还可通过制动踏板直接控 制车速。1 9 9 9 年，z f 公司于推出了首台6 个速比的变速器。 就像发动机燃油喷射与点火装置的不断改进和变化一样，自动变速器也在 不断改进和完善，比如在操控方式上有“运动式一或“雪地行驶 等不同的方 式，“运动式一可使加速时变得动力充沛；“雪地行驶一可避免在雪地里起步时 打滑现象。后来还出现了“随机应变式 的操控方式，这种变速器可根据驾车 4 武汉理工大学硕士学位论文 者的不同习惯、作出相应的反应、使驾驶变得更加轻松自如。 1 9 9 7 年。智能化自动变速器出现在了标致2 0 6 与雷诺c l i o 车上，这两种车 采用了最先进的“模糊逻辑原理，这两种车为了充分发挥车辆的性能，降低 油耗，保证安全性，实现智能化控制，它们拥有9 种驾驶模式，汽车可以依据 驾车者的性格、路况、车的载荷以及周围环境等多种因素选择最适合的模式。 后来这种智能化自动变速器得到了广泛普及。 ， 近年，保时捷公司在汽车中安装了一组复杂的控制系统，这种控制系 统可以使驾驶者在自动与手动变速之间任意一种方式。例如，在需要频繁地变 换速度的市内，使用自动变速方式就很合适；而在高速公路或匀速巡航的地方， 则由手动控制可感受驾车中的多种乐趣。这种变速器已在高档车中得到了普及。 在2 0 1 0 中国汽车变速器大会上，一种称之为“k r g i 锥环式无级变速器 出现在了人们面前，这是一种c v t 变速器，由德国g i f 吉孚公司带来。如图1 2 所示。 翻辈榭 麓蒲椽系统 逮比溺豁蓐茏 鞭入镶镭 平炎赢赍 输班镶簿 藏繁搬构 图1 2 锥环式无级变速器 k r g 锥环式无级变速箱由输入滚锥、输出滚锥和他们之间传递动力的锥环 组成，由于锥环的平面在两个滚锥上得到的截面圆的周长可以随着锥环在滚锥 上的位置的变化而变化，因此输入轴和输出轴的速比是由锥环在滚锥上的位置 直接决定的。当锥环在滚锥上的左右移动时，速比就会发生变化。 当速比不需要变化时，锥环平面与滚锥中心线呈垂直状态时，这时锥环能 够保持在固定的位置，变速箱能够以恒定的速比输出动力。当速比需要改变时， 使锥环倾斜，即锥环平面与滚锥中心线不再垂直，随着锥体的转动，锥环便会 5 武汉理工大学硕士学位论文 在锥体上相应的向左或向右移动，这时锥环的平面在两个滚锥上得到的截面圆 的周长就会不同，因此就得到另一个速比。这种移动不需要外力推动，是由于 “圆锥 的形状特性所决定的，锥环倾斜越大，即锥环平面与滚锥中心线的夹 角越小，其移动的速度也就越快，相应的速比变化也就越快。 如今，因为自动变速器可使汽车速比得到智能控制，使发动机工作在最佳 工况，提高燃油经济性，提高汽车的动力性，使汽车降低油耗和排放，因此自 武汉理工大学硕士学位论文 动机功率和转矩、传动系传动比以及它们之间的合理匹配等，都会显著影响电 动汽车的动力性、经济性、续驶里程等各项性能。 目前市场上很少能见到适用于电动汽车的自动变速器。大多数企业的解决 办法是电机直接与驱动桥连接，没有变速器，另一种是采用燃油汽车的自动变 速装置。但是前文已指出，这两种办法都有其自身的缺点。 因此，本文研究的轻型电动汽车电机变速器集成驱动系统是纯电动、串联 式混合动力、燃料电池等轻型电动汽车的共性关键技术之一，本文对这项技术 的研究将提高电动汽车的动力性和经济性，有助于电动汽车的发展和普及。 1 6 本章小结 本文介绍了研究背景，电动汽车的发展，各类驱动电机的特点和变速器的 发展现状。介绍了国内外对电动汽车驱动系统的研究重点和方向，指出了在电 机变速器集成驱动系统方面的技术空白。简要介绍了本文的研究内容、目的和 意义。 。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章电机变速器集成方案的研究 为了减轻驱动系统的重量，减小结构尺寸，降低成本，使该驱动系统适用 于轻型电动汽车，本文研究的电机变速器的集成方案主要有： ( 1 ) 电动汽车电机变速器的结构布置方案 ( 2 ) 自动变速器类型的选择 ( 3 ) 探讨取消离合器及倒挡齿轮的可行性 ( 4 ) 换挡系统类型的选择以及挡位数的确定 ( 5 ) 设计结构紧凑的换挡执行机构 2 1 电机变速器的结构布置方案的研究 电动汽车电机变速器有多种不同的组合形式，每一种组合形式都有其自身 的优缺点。电动汽车的基本形式一般有以下几种：传统前置后驱机械布置方案、 机电集成化布置方案、机电一体化布置方案和轮毂电动机布置方案，如图2 1 所 示。表2 - 1 对电动汽车电机变速器结构布置方案进行了对比分析。 i 毫动机堪3 熏逮4 传动5 疆动轮后备 i 控翻量z 电动机3 疆劝轮传动篇体 (a)(b) _ 控纠薯zf 乜动机3 量动轮 i 控簧z 轮段电机3 疆磅轮 ( c )( d ) 1 控制器2 一驱动桥3 一车轮4 一驱动电机5 变速器 图2 - 1 电动汽车电机变速器结构布置方案 8 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 1 电动汽车电机变速器结构布置方案优缺点 结 构前置后驱形式机电集成化形式机电一体化形式轮毂电机形式 类 ( a )( ” ( c ) ( d ) 型 将内燃机替换驱动电机与减速电动机前端盖安驱动电机装在轮 结为驱动电机，变器直接连接，减装驱动总成，电动毂中，由中央控制 构速器依然采用速器不能改变速 机的轴是空心的，器控制各车轮间 特传统变速器 比驱动桥的半轴从的同步或差速转 - 征 中穿过动 轴荷的分配合结构紧凑，效率结构紧凑，尺寸结构紧凑，效率 优理，可行性好 较高，安装方便，小，重量小，效率 高，转向灵活，路 点布置灵活较高，汽车能获得面附着力高 较好的动力性 缺结构复杂，尺寸对电机的调速范结构复杂，对电机单个电机功率小， 点大，重量大，传围要求较高，电转速及转矩调节非簧载质量大，平 动系统过于冗机不能在高效率范围要求高顺性不好，差动控 长，效率较低区间工作制策略复杂 机电集成化、机电一体化、轮毂电机等布置方案都有结构紧凑的特点，但 由于不能采用具有多个速比的变速器，只能采用单个速比的减速器，因此驱动 电机工作效率低，且不能同时满足动力性和经济性，降低续驶里程。采用前置 后驱布置方案可采用多个速比的变速器，能同时满足动力性和经济性，还可使 电机工作在高效区域，但变速器和传动系统重量体积都很大，机械系统效率较 低。 综合考虑上述布置形式的优缺点，为了使电机变速器总体重量尺寸减小， 布置形式合理，并兼顾电动汽车的动力性和经济性，本文采用电机变速器集成 的布置方案，并根据驱动电机的转速可控可调的独特优势，拟取消离合器，只 保留同步器，使其结构紧凑，重量体积减小，提高传动效率。该布置形式能够 在低速下获得较高的输出转矩以及在高速下获得较大的功率，满足汽车的运行 工况，使驱动电机工作在高效区域，使整车的工作效率也较高，提高电动汽车 的动力性和经济性以及续驶里程。图2 2 为电动车用电机变速器布置方案图。 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( a )( b ) 1 一控制器2 一驱动桥3 一车轮4 一驱动电机5 一变速器 图2 2 电动车用电机变速器布置方案图 图2 - 2 ( a ) 为前置前驱的布置方案，汽车在高速行驶时有较好的操纵稳定性。 图2 - 2 ( b ) 为后置后驱的驱动方案，电机位于汽车后部，由于前载荷较低，因此操 纵稳定性较差：电机冷却条件差。 考虑到目前内燃机乘用车最普遍的布置形式是前置前驱的方案，因此本文 采用前置前驱的布置方案，即图2 2 中的方案( a ) 。 2 2 自动变速器类型的确定 变速器是汽车的核心组成部分，变速器的性能直接影响着汽车的平顺性、 操纵稳定性、传动效率以及汽车的能否在各个挡位下正常行驶，例如汽车的起 步、变速、倒车等各种工况。目前，自动变速器主要有液力自动变速器、机 械式自动变速器( a m t ) 、无级变速器( 呻和最新的双离合器式自动变速器 ( o c t ) 。 a t 自动变速器使得操纵简单，换挡时动力不中断，舒适性好，提高了行驶 速度、安全性和通过性。但缺点是液力变矩器的效率低，行星齿轮机构结构复 杂，制造工艺要求高，成本高，维修难度大等缺点。 无级变速器( c v t ) 可连续改变传动比，从而可使发动机与变速器的匹配达到 最佳，保证发动机运行在最佳工况下，提高整车的燃油经济性和动力性，在改 变传动比时动力不中断，因此加速性能好；由于传动比是连续逐渐变化的，因 此冲击小，可提高舒适性和换挡品质；并可控制发动机转速在较小范围内变化， 而使车速在较宽范围内变化，使发动机在较稳定的工况下工作，所以它是理想 的汽车传动装置嘲。由于传动带与带轮存在磨损，因此c v t 的传动带的寿命短， 效率低，另外c v r 能传递的转矩低，成本高n 们。c v t 如图2 3 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 3z f 公司的c t f 2 3 型c v t 机械式自动变g 器( a m t ) 是在传统手动变速器的基础上把手动换挡机构改 变为自动换挡机构而演变过来的。a m t 起步迅速平稳、换挡快捷冲击小，它既 保留了原手动换挡变速器( m d 传动效率高、结构简单、工作可靠、制造和维护 成本低的特点，目前市场上使用较为普遍。a m t 的缺点是换挡过程存在动力中 断、无法克服齿轮的单点啮合等问题。 双离合器式自动变速器( d ( 砷是一种新型变速器，它充分利用了机械式自动 变速器的优点，又实现动力换挡。该变速器的动力传递是通过两个离合器分别 连接两根输入轴，两个离合器分别在不同的速度接合，但是不能同时接合，对 于每个离合器，输入轴都要单独连到发动机上，如图2 4 所示。换挡过程中通过 离合器的滑磨控制使得发动机的动力持续传递到驱动轮，能够实现在不切断动 力的情况下换挡，提高换挡品质和舒适性、保证车辆的动力性与经济性n 1 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 4 双离合器式自动变速器 各种变速器都有各自的优缺点，如表2 2 所示。a m t 是在机械变速器的基 础上改造而成的，它具有结构紧凑、体积小、故障率低、传动效率高、成本低 等优点，另因为是在机械变速器的基础上改造而成的，因此对于生产机械变速 器的企业来