（机械工程专业论文）微型电动汽车自动变速器的研究与仿真分析.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着国际原油价格不断的攀升和世界环境危机不断的加重，汽车市 场受到了前所未有的打击。与此同时，各国纷纷加大了电动汽车的研发力度。而 随着自动变速器的日益进步和人们对舒适感的不断追求，自动变速器被越来越多 的应用到了电动汽车领域。 本文涉及的变速器是一款应用于微型电动汽车的2 前进挡自动变速器，其中 一档为低速档，爬坡等特殊路况下使用一档，二档为直接档，正常行驶时使用二 档。本变速器采用单行星轮系和同步器并存的结构，结合了手动变速器和自动变 速器各自的优点，大大提高了电动汽车的性能。 首先，根据本变速器所应用车型的整车参数以及电机与变速器的匹配原则， 对整个变速器的各部件进行选型和参数设计。设计内容包括档数，变速器传动比、 中心距、齿轮的齿数、模数、压力角、螺旋角、齿宽、轴的直径、键的尺寸在内 的所有参数，以便更好的匹配电机，使汽车能够发挥其最优越的性能。 然后，根据以上变速器的设计参数，用u g 三维建模软件对整个变速器进行 建模，建模内容包括太阳轮，行星轮，齿圈，行星架，同步器，并对整个变速器 简易模型进行装配。建模的目的在于为接下来的运动学仿真打下基础。 用u g 软件装配完毕后，将模型整体导入a d a m s 动力学仿真分析软件对整 个变速器的两个档位分别进行运动学仿真分析，并根据仿真分析结果判断整个变 速器结构的合理性以及各部件之间是否存在干涉。 最后，将建模好的输入轴和齿轮对导入a n s y s 分析软件中，对关键部件输 入轴和行星轮系齿轮对进行静力学分析，分析输入轴的扭转应力和齿轮的接触应 力，并将分析结果与实际材料的许用应力相比较，判断所设计的部件是否满足强 度条件。 通过对整个变速器的设计，建模，运动学仿真，静力学分析，可以为本课题 提供前期的理论基础，以便更深入的研究开发。 关键词：电动汽车，变速器，设计，u g ，a d a m s ，a n s y s a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ei n t e r n a t i o n a lc r u d eo i lp r i c e sr i s i n ga n dt h ew o r l d e n v i r o n m e n t a lc r i s i sa g g r a v a t i n g ，t h ea u t om a r k e th a sb e e nh i t h e r t ou n k n o w n a t t a c k e d a tt h es a m et i m e ，t h ew o r l dh a v et oi n c r e a s et h es t r e n g t ho fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o fe l e c t r i ca u t o m o b i l e w i t ht h ea u t o m a t i ct r a n s m i s s i o np r o g r e s sa n dp e o p l e s c o n s t a n tp u r s u i to fc o m f o r t ，a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o ni sm o r ea n dm o r ea p p l i e dt ot h e f i e l do fe l e c t r i ca u t o m o b i l e t h et r a n s m i s s i o n d e a l e dw i t hi nt h ea r t i c l ei sa p p l i c a t e di nm i c r oe l e c t r i c a u t o m o b i l e ，w h i c hh a s2f o r w a r dg e a r s t h ef i r s tg e a ri st h el o ws p e e dg e a r , w h i c h w a su s e dw h i l ec l i m b i n ga n do t h e rs p e c i a lc o n d i t i o n s ；w h i l et h es e c o n dg e a ri st h e d i r e c tg e a r , w h i c hw a su s e dw h i l et h ev e h i c l er u n sn o r m a l l y t h et r a n s m i s s i o nu s e sa s i n g l ep l a n e t a r yg e a r t r a i na n das y n c h r o n i z e ra si t sc o e x i s t i n gs t r u c t u r e ，w h i c h c o m b i n et h ea d v a n t a g e so ft h em a n u a lt r a n s m i s s i o na n dt h ea u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n m e a n w h i l e ，i ti m p r o v e st h ee l e c t r i cv e h i c l ep e r f o r m a n c eg r e a t l y f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h em a t c h i n gp r i n c i p l eo f t h em o t o ra n dt h et r a n s m i s s i o n a n dv e h i c l ep a r a m e t e r s ，s e l e c ta n dd e s i g ne a c hp a r to ft h et r a n s m i s s i o n t h ed e s i g n c o n t e n ti n c l u d e st h en u m b e ro ft h eg e a r , t r a n s m i s s i o nr a t i o ，c e n t e rd i s t a n c e ，n u m b e ro f t e e t h ，m o d u l u s ，p r e s s u r ea n g l e ，s p i r a la n g l e ，t o o t hw i d t h ，t h ed i a m e t e r o ft h es h a f t ，t h e s i z eo ft h es p l i n e ，w h i c hc a nm a t c ht h em o t o rp e r f e c t l ya n dh e l pt h ec a rt op l a yi t s s u p e r i o rp e r f o r m a n c e s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h ea b o v ed e s i g np a r a m e t e r so ft h et r a n s m i s s i o n ，b u i l d t h ew h o l em o d e lb yu c tt h em o d e l i n gi n c l u d e ss u nw h e e l ，p l a n e t a r yw h e e l ，r i n gg e a r , p l a n e t a r y f r a m e ，s y n c h r o n i z e r , a n d t h e na s s e m b l et h e s i m p l e m o d e lo ft h e t r a n s m i s s i o n t h ea i m so ft h em o d e l i n gi s t o l a yt h e f o u n d a t i o nf o rt h en e x t k i n e m a t i c ss i m u l a t i o n a f t e ra s s e m b l i n gt h em o d e lb yu g , i m p o r tt h ew h o l em o d e li n t oa d a m s d y n a m i c ss i m u l a t i o na n a l y s i ss o f t w a r e ，a n dt h e ns i m u l a t ea n da n a l y st h et w og e a r so f t h et r a n s m i s s i o n a f t e rt h a t ，j u d g ew h e t h e rt h ew h o l et r a n s m i s s i o ns t r u c t u r e i s r e a s o n a b l ea c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s l a s t l y , i m p o r tt h em o d e lo ft h e s h a f ta n dg e a ri n t ot h ea n a l y s i ss o f t w a r eo f a n s y s ，a n dt h e na n a l y s t h es h a f ta n dt h ep l a n e t a r yg e a rb ya n s y s a n a l y st h e t o r s i o n a ls t r e s so ft h es h a fa n dt h ec o n t a c ts t r e s so ft h eg e a r , a n dt h e nc o m p a r et h e r e s u l t so ft h ea n a l y s i sw i t ht h ea c t u a ls t r e s so ft h em a t e r i a l ，w h i c hc a nj u d g ew h e t h e r i i 武汉理工大学硕士学位论文 t h ep a r tm e e tt h es t r e n g t hc o n d i t i o n i tc a l lp r o v i d et h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h et o p i c ，s oa st ot h ed e e pr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tt h r o u g ht h ed e s i g n i n g ，m o d e lb u i l d i n g ，s i m u l a t i o n ，s t a t i ca n a l y s i s k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，t r a n s m i s s i o n ，d e s i g n , u g ，a d a m s ，a n s y s i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 电动汽车的发展概况 1 1 1 国外主要国家电动汽车发展情况 当前，普遍使用的汽油或柴油发动机汽车存在各种弊病，统计表明，8 0 以 上的普通轿车仅仅利用了动力潜能的4 0 ，这个数值在市区还会在上升1 5 ， 更为严重的是汽车尾气还有会给环境带来严重的污染。2 0 世纪9 0 年代以来，世 界各个国家对环保的呼声日益高涨。在这样的情况，电动汽车开始逐渐走入人 们的生活。同时各大汽车公司也加快了电动汽车开发的步伐，并取得了一定的 进步。 第一，日本是众所周知的汽车强国，其国内丰田和本田两家超级汽车公司 的市场占有率也是有目共睹的。然而由于其国土面积较小，资源有限，所以传 统动力汽车的发展也难免会因为资源受限而随之受限。基于以上原因，日本早 些年就开始着手于电动汽车的研发工作。作为过渡，日本混合动力汽车的相关 技术已经处于世界领先地位。1 9 9 7 年1 2 月，世界上第一款批量生产的混合动力 轿车p r i u s 在日本丰田汽车公司下线并开始在日本市场销售。随后，该车逐渐 打入欧洲和北美市场。到目前为止，p r u s 已经被世界2 0 多个国家所接受。相 关数据显示，在所有电动汽车的销售中，丰田汽车公司的市场占有率高达9 0 。 根据实际测试可知，p r i u s 要比同等类型油动力汽车节油3 0 到4 0 。 继p r l u s 混合动力轿车之后，丰田汽车公司又相继推出了e s t i m a 和 c r o w n 两款混合动力轿车。这两款混合动力汽车无论是在油耗还是性能上，都 要比p r i u s 更为成熟。随后，日本本田汽车公司开发的i n s i g h t 和c i v i c 混合动 力车型也开始投放市场。在中国，尤其是c i v i c 车型，如果你注意的话，你会发 现在任何一个城市的街道上都会有c i v i c 的踪迹。 第二，美国也是不可否认的汽车强国，然而其电动汽车的发展却比其老对 手日本逊色不少。归根结底，还是由于美国在电动汽车领域的研发力度不够， 在美国，整个电动汽车行业甚至还没有形成产业化，只有三大汽车公司在小批 武汉理工大学硕士学位论文 量的生产混合动力汽车，且其技术尚有待完善和成熟。所以，直到目前为止， 美国的电动汽车市场仍被日本占据眺l 。 近年来，美国似乎认识到了这一点，对混合动力电动汽车的重视程度也开 始逐渐提高。美国能源部与三大汽车公司签订合同，共同在混合动力汽车领域 投资，加快混合动力汽车的研发步伐。 1 1 2 我国电动汽车发展情况 中国是一个能源强国，并逐渐开始成为一个汽车强国，但其研发能力和技 术水平与国际顶级的汽车生产商相比还是有一定差距。出于节能和环保两大因 素考虑，与其他国家一样，中国也在加紧其混合动力汽车的研发力度。随着国 家对混合动力汽车的不断重视和研发资金投放，国内的混合动力汽车已经逐渐 开始产业化，技术也在逐渐走向成熟。 经过2 0 0 0 多位来自于2 0 0 多家汽车企业、高校和研究机构的技术人员4 年 多的不断努力，我国电动汽车已经取得重要进展。越来越多的混合动力轿车、 混合动力客车开始驶入各大城市的大街小巷。尤其是混合动力客车，已经在北 京、武汉等大城市公交线路上试运行超过1 4 万公里。这表明，国内的混合动力 汽车技术水平与其他汽车大国的距离开始逐渐缩小。 燃料电池汽车。“十五期间国家将其列为1 2 个重大研究专项之一。由于 国家的大力支持，燃料电池汽车已经得到了较大的提高，尤其是在燃料利用率、 行驶性能、操控性能等方面。今年来，我国自助研发的燃料电池汽车已经开始 越来越多的走进各种能源大会、汽车展和挑战赛的展厅，并同时得到了世界各 国的广泛认可和赞赏。在北京2 0 0 8 年奥运会上，我国的2 3 辆燃料电池轿车成 功运行7 6 万公里。在2 0 1 0 年世博会上，又有1 9 6 辆示范运行9 1 万公里的喜人 成绩。近期，科技部的发言人认为，在未来的5 到1 0 年期间，燃料电池轿车可 以进入商业销售阶段。 混合动力汽车。目前，我国的各大汽车集团，都在加紧进行混合动力动力 汽车和纯电动汽车的研发工作。一汽集团研发的h q 3 已经开始走进市场；东风 集团的混合动力公交车也已经开始完成其试运行阶段；长安汽车甚至投入资金 开始研发专门用于电动汽车的发动机并已经得到国家相关检测机构的认可。其 开发的c v 9 车型已经下线。奇瑞集团研发的“b s g ”混合动力汽车也已经进入 试运行阶段。 2 武汉理工大学硕士学位论文 纯电动汽车。燃料电池和充电站一直都是中国纯电动汽车行业发展的一个 瓶颈。为了解决这一问题，“八五”以后，国家将纯电动汽车的研究列为国家计 划发展项目之一，并设立了“电动汽车重大科技专项奖”，以推动纯电动汽车行 业的快速发展。目前，国内的纯电动汽车研发工作势头强劲，部分关键技术甚 至已经开始赶上并超过世界其他汽车强国的水平。而且，随着它的不断发展和 成熟，国内已经开始有了纯电动汽车领域的各项国家标准和企业标准，国内已 经具备了关键技术的研发能力。早在2 0 0 3 年，北京理工大学研发的纯电动汽车 就已经顺利通过国家的验收。在北京，越来越多的传统动力公交车已经被电动 公交车所取代1 3 5 1 。 1 2 变速器在电动汽车中的应用 1 2 1 变速器在电动汽车中的应用现状 现在电动公交车多采用一个两挡行星变速器或固定速比的一挡减速器，它 们都具有固有的缺陷。为了使电动客车更能发挥它的优越性，同时降低对牵引电 机和电池的要求，电动客车传动系统发展将趋于多挡化，从而使驱动电机的工作 区域扩大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相对几种自动变速系统( 如a t a 、m t 等) 而言，由于a m t 自动变速是在原有的固定轴式齿轮变速器的基础上加装电控系 统实现自动变速，同时a m t 自动变速的效率高价格低制造方便等，因此在奥运客 车上采用了三挡变速器3 s 2 1 0 a m t 来实现动力传动一体化进一步利用a m t 技 术将换挡操纵自动化，同时制订合理的换挡规律，从而进一步提高整车的性能和 和延长整车的续驶里程，使纯电动客车向商业化迈进。 1 2 2 电动汽车中电机与变速器的匹配 目前，对电动汽车的研究，主要集中在能源储存、驱动方式和控制策略方 面，而纯电动汽车电机与变速器的匹配，对电动汽车的动力性、经济性、续航 里程也有显著影响。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、轻量化及市 场化。本文与传统的设计方案有所不同，本文是在纯电动汽车的基础上，根据 电动汽车的整车参数，来对整个变速器进行研究设计。这样做的目的在于使电 武汉理工大学硕士学位论文 机和变速器更好的匹配，从而让整个电动汽车展现出其优越的性能。 1 3 变速器的作用及分类 1 3 1 变速器的作用 发动机的输出转速非常高，最大功率及最大扭矩在一定的转速区出现。为 了发挥发动机就必须有一套变速装置，来协调发动机的转速和车轮的实际行驶 速度。变速器的作用就是给汽车提供空挡、前进挡或前进挡档域以及倒档。变 速器应该足够的传动比，这样，在经过主减速器减速后，就可以将发动机输出 转矩提高。 具体的说，汽车变速器具有这样几个功能： 改变传动比，扩大驱动轮转矩和转速的变化范围，以适应经常变化的行 驶条件，同时使发动机在有利( 功率较高而油耗较低) 的工况下工作； 在发动机旋转方向不变情况下，使汽车能倒退行驶； 利用空挡，中断动力传递，以发动机能够起动、怠速，并便于变速器换 档或进行动力输出【3 酐。 1 3 2 变速器的分类 1 按换挡操纵方式的不同分类 按换挡操纵方式，变速器可分为手动式、自动式和手自动结合三种。 手动变速器( m t ) 手动变速器，也称手动挡，即用手拨动变速杆才能改变变速器内的齿轮啮 合位置，改变传动比，从而达到变速的目的。 自动变速器( a t ) 自动变速器，利用行星卤轮机构进行变速，它能根据油门踏板程度和车速 变化，自动地进行变速。而驾驶者只需操纵加速踏板控制车速即可。一般来讲， 汽车上常用的自动变速器有以下几种类型：液力自动变速器、液压传动自动变 速器、电力传动自动变速器、有级式机械自动变速器和无级式机械自动变速器 等。其中，最常见的是液力自动变速器。 手自一体变速器 手自一体变速器由德国保时捷车厂在9 1 l 车型上首先推出，称为t i p 一 4 武汉理工大学硕士学位论文 t r o n i c ，它可使高性能跑车不必受限于传统的自动挡束缚，让驾驶者也能享受手 动换挡的乐趣。此型车在其挡位上设有“+ 、“一 选择挡位。在d 挡时，可 自由变换降挡( 一) 或加挡( + ) ，如同手动挡一样。驾驶者可以在入弯前像手 动挡般的强迫降挡减速，出弯时可以低中挡加油出弯。现在的自动挡车的方向 盘上又增加了“+ 、“一”换挡按钮，驾驶者就能手不离开方向盘加减挡。 手动与自动主要有三方面的区别g 一是操控方式不同。手动档需要驾驶者配合离合器进行换档操作，自动档 则由变速箱根据设定的传动比来操作，不需要人工干预。 二是驾驶感觉不同。手动档强调人的主观能动性，能充分唤起驾驶者的驾 驶欲望和某种成就感。自动档则没有什么驾驶乐趣，讲究实用、省力。 三是油耗不同。相同品牌、排量的汽车，手动档车比自动档车省油1 0 左 右。 手动档的车有驾驶的乐趣，而自动档的车开起来轻松又愉快，所以现在越 来越多的车开始提供手自动变速器口7 】1 3 8 3 9 1 。 a t 也就是常说的自动档，m t 就是手动档。那么他们有什么区别呢? 简单 的说，a t 车换档全由车辆自己控制，m t 需要人工干预。所以自动档的车开起 来比较方便。自动档的汽车有很诱人的优点，首先是不用操所离合器。手动档 的汽车要开好，关键是油离的配合，弄不好还会造成车辆损坏，而自动档的车， 只要放到d 档，驾驶者就只需要考虑油门和刹车了。再有的好处就是上坡起步 不会失误，坡起一直是新手的难关，油离刹要全面的配合，常常让人手忙脚乱， 而自动档的车在松开刹车准备起步时，车辆也不会后溜。 当然，自动档也有缺点。首当其从的就是动力传输效率不高，手动变速箱 的机械效率大约在9 5 ，而自动变速箱只有可怜的8 8 左右。另一个缺点就是 制动功能，除了刹车有制动效果之外，引擎本身也有制动效果：松开油门时， 引擎的制动效果就开始发挥作用，如果从高档降入低档，制动效果更明显。 2 按传动比变化方式的不同分类 按传动比变化方式，变速器可分为有级式、无级式和综合式三种。 ( 1 ) 有级式变速器 有级式变速器也称为齿轮式变速器，具有结构简单、易于制造、工作可靠 和传动效率高等优点，应用最为广泛。它采用齿轮传动，具有若干个定值传动 比。轿车和轻、中型货车变速器多采用3 5 个前进挡和一个倒档；重型货车用 的变速器挡位较多，有的还装有副变速器。所谓变速器挡数，均指前进挡位数。 武汉理工大学硕士学位论文 按变速器所用齿轮轮系形式不同，有轴线固定式变速器( 普通齿轮变速器) 和 轴线旋转式变速器( 行星齿轮变速器) 两种。前者将若干对圆柱齿轮安装在固 定的平行轴上组成变速传动机构，机械变速器大多属于这种结构形式。后者采 用行星齿轮机构组成变速器传动机构，此种形式在自动变速器中应用。 ( 2 ) 无级变速器( c v t ) 无级变速器是由两组变速轮盘和一条传动带组成的。因此，其比传统自动 变速器结构简单，体积更小。另外，它可以自由改变传动比，从而实现全程无 级变速，使汽车的车速变化平稳，没有传统变速器换挡时那种“顿”的感觉。 ( 3 ) 综合式变速器 综合式变速器是指由液力变矩器和齿轮式有级变速器组成的液力机械式变 速器，其传动比可在最大值和最小值之间的几个间断范围内作无级变化，目前 应用较多。 6 武汉理工大学硕_ 上学位论文 第2 章变速器结构和原理 根据车的种类以及用户需求的不同，各种变速器的应用范围也有所不同。 从变速器的结构和原理的角度来讲，自动变速器和手动变速器各不相同。以下 将分别对其各自的结构和原理进行详细介绍。 2 1 手动变速器 2 1 1 手动变速器的结构 为了改变传动比，通过人为的手动控制拨叉来使变速器齿轮的啮合状态发 生改变，从而达到变速目的，这样的一种变速器叫做手动变速器。汽车的驱动 方式不同，变速器的外部形状也不尽相同，但其基本组成结构是基本相同的， 一般由动力传动机构、变速执行机构和减速输出机构三个部分组成。 作为变速器的核心部分，变速执行机构同时也肩负着实现变速器输出的任 务。它主要由变速轴、变速齿轮和拨叉机构三个部分组成。根据变速轴数目的 不同，手动变速器可分为两轴式和三轴式两种。 2 1 2 手动变速器的原理 为了帮助了解标准变速器的基本原理，本文依照图2 1 所显示的处于空挡状 态的简单两速变速器为例来进行分析。 离合器与发动机是通过输入轴连接起来的。输入轴与其上面的齿轮是一个整 体的，后者通过键套在前者上面。( 离合器的作用是连接动力源，变速器和发动 机的连接或者断开都是通过它来控制的。松开离合器踏板时，变速器与发动机 就直接连在一起，变速器随着发动机的转动而转动。输入轴和与其上面连接的 齿轮转速与发动机相同。而踩下离合器踏板时，变速器与发动机断开，此时虽 然汽车并不移动，但发动机仍在空转。 如图2 1 所示，副轴本身与其上面的所有齿轮作为一个整体旋转，因为副轴 和其上面的齿轮也连为一个整体的。输入轴与副轴直接通过其各自的啮合齿轮 连接起来，所以当输入轴转动时，副轴也会随着输入轴的转动而转动。因此， 一旦离合器接合，副轴就可以直接从发动机获得动力。 武汉理工大学硕士学位论文 输出轴是花键轴，它通过差速器直接与驱动轴相连，而差速器是连接到汽 车驱动轮上的。如果车轮转动，输出轴也将随之转动。 图2 1 手动变速器空挡图 如果发动机已关闭，但汽车还在滑行，输出轴仍可能在其上面的齿轮内部转 图2 - 2 手动变速器一挡图 武汉理工火学硕士学位论文 动，而套在输出轴上的齿轮和副轴则停止运动。 输出轴上有两个齿轮，轴环通过其上面的齿槽将两个齿轮中的一个连接到 输出轴上，并与输出轴一起转动。轴环也可以在输出轴上面左右滑动，从而选 择性地接合两个输出轴齿轮中的一个。轴环中的齿称为犬齿，它可与输出轴齿 轮侧面的孔相接合，从而形成啮合。 为了加深对手动变速器原理的认识，下面再来看一下简单的一挡齿轮，图 2 2 显示了当轴环换到一挡时如何结合右边的蓝色齿轮。 如图2 2 所示，副轴是通过发动机联接的输入轴转动的，而输出轴齿轮是通 过副轴转动的。轴环是套在输出轴上面的，它可以驱动输出轴上面的齿轮。同 时，未与轴环相连接的齿轮也在转动，但只是在输出轴上空转，并不会影响输 出轴的正常运转。 当变速器为空挡状态时( 如图2 1 所示) ，轴环位于输出轴的两个齿轮之间。 输出轴上的两个齿轮是以不同速率运转的，它们都通过其与副轴的速比来控制。 显然，在手动变速器中，上文中一直将其称之为轴环的同步器起着很关键 的作用，所以在此有必要着重讲解一下同步器的结构和原理。 同步器是利用摩擦原理实现的，如图2 3 所示，它主要由同步锁环、接合套、 定位滑块、卡簧等四个部分组成。它的作用是通过摩擦，在与犬齿接触前，使 轴环与齿轮发生接触。这样，在犬齿接合前，就可以使齿轮和轴环的速度达到 同步。从结构上来讲，这样做可以保证待啮合的接合套与接合齿轮的花键齿在 达到同步之前不可能接触，从而避免噪音和齿间冲击。 图2 - 3 同步器结构图 9 武汉理工大学硕士学位论文 同步器的种类有很多，其中锁环式惯性同步器是最常见的一种。如下图2 - 4 所示为同步器接合前后的状态，接合套、同步锁环和待接合齿轮的齿圈上均有 倒角( 锁止角) ，同步锁环的内锥面与待接合齿轮齿圈外锥面接触产生摩擦。锁 止角与锥面的角度和锥度各有不同，在设计之时应该适当选择，锥面摩擦使得 待啮合的齿套与齿圈接触并且迅速达到同步，同时又会产生一种锁止作用，防 止齿轮在同步前进行啮合。 当同步锁环内锥面与待接合齿轮齿圈外锥面接触后，齿轮受到摩擦力矩的 作用，转速迅速降低( 或升高) ，直至与同步锁环转速相等时，两者同步旋转， 这时在作用力的推动下，接合套不受阻碍地与同步锁环齿圈接合，并进一步与 待接合齿轮的齿圈接合，这时，整个换挡过程完成。 第一轴 接合齿圈镘环接台套 图2 4 同步器原理图 2 1 3 手动变速器的优缺点 手动变速器之所以一直到现在为止都倍受青睐，是因为它自身存在着许多 优点。 1 手动变速器具有技能省油、传动效率高的优点。手动挡比自动挡省油的常 识大家都知道，然而手动挡省油是需要有一定的前提的，它需要建立在驾驶员 拥有熟练驾驶技术的基础之上的，如果是在城市内开，且驾驶员的驾驶水平相 对不高的话，手动变速器就未必省油了。 2 操控感强，能够有效提高驾驶者的驾驶乐趣。对于一些爱车，喜欢开车的 人来讲，手动变速器无疑可以使驾驶者可以享受把握换挡时机的操控感，从而 让驾驶员感觉到人本身对车的控制感。 然而手动变速器有这么多优点的同时，也难免存在着自身的些许缺点，例 l o 武汉理工大学硕士学位论文 如： 1 从结构的角度来讲，手动变速器通常为多轴式的，所以整个轴的分布并非 同心，从这个角度来讲，手动变速器的结构和自动变速器相比较为分散，质心 也不集中，无论从轴的传力和还是受力的角度来讲，合理性都要逊于自动变速 器。 2 从驾驶感的角度来讲，手动变速器驾驶相比自动变速器较为复杂，尤其是 在道路交通不畅的情况下，容易使驾驶员产生疲劳驾驶的感觉。 2 2 自动变速器 2 2 1 自动变速器的结构 如图2 5 所示，自动变速器主要由行星轮系、变扭器、液压控制系统、电 子控制系统等几部分组成。 1 一变扭器：2 一液压控制系统；3 一输出轴 图2 5 自动变速器的组成 1 行星轮系：行星轮系可以使变速器实现不同的传动比，它是自动变速器 的主要组成部分，能够使变速器变换到不同的档位。 2 变扭器：变扭器是一种软连接，它被应用于自动变速器的汽车中，它与 发动机的飞轮相连，其作用与手动变速器的汽车中的离合器相似。它将发动机 与变速器的输入轴联接起来，将前者的动力传给后者。 武汉理工大学硕士学位论文 3 液压控制系统：液压控制系统是由液压管路和诸多阀门组成的控制系统， 根据来自于汽车的车速和节气门开度信号，液压控制系统可以实现自动换档。 2 2 2 自动变速器的原理 自动变速器是可以实现自动换挡的。它是通过汽车行驶中，汽车的实际行 驶速度和驾驶员踏下油门的位置来指挥自动换挡系统工作。自动换挡系统是通 过车速传感器和节气门位置传感器两个传感器反馈的信号来控制液压系统，改 变液压控制系统的液压管路流通方式，从而改变行星轮系的动力传递路线，继 而实现变速器的自动换挡1 3 9 1 1 4 0 l 。 通常意义上，自动变速器的换挡控制方式是通过机械方式，将车速信号和 节气门开度信号进行转换，来控制油压，以控制换挡阀门的位置，从而改变离 合器和制动器的油路。这样，工作液压油进入相应的执行元件，使离合器结合 或分离，制动器制动或松开，控制行星轮系的动力传递路线，从而实现自动变 速。 5 6 7 1 节气门位置传感器2 液力变矩器3 - 行星齿轮变速器4 - 车速传感器5 液压控制装 置6 一换挡阀7 - 电磁阀 图2 - 6 电液控自动变速器的工作过程示意图 而电液控自动变速器是在传统液力自动变速器基础上增设电子控制系统而 得来的一种自动变速器。它通过车速传感器和节气门位置传感器来监测汽车和 发动机的运行状态，接受驾驶员的指令，7 并将所获得的信息转换成电信号输入 到电控单元，并根据这些信号，通过电磁阀控制液压控制装置的换挡阀，使其 打开或关闭通往换挡离合器和制动器的油路，从而控制挡位的变换，以实现自 1 2 武汉理工火学硕士学位论文 动变速。其工作过程如图2 - 6 所示。 整个行星轮系由太阳轮、齿圈、行星架和行星轮共同组成。其中，前三者 保持同心旋转，而行星轮与太阳轮和齿圈同时啮合，并支承在固定于行星架的 行星齿轮轴上。当行星轮系正常运转时，空套在行星架上的行星轮一方面要随 行星架一起绕着与之啮合的太阳轮做公转，另一方面又要沿着自己的中心做自 转，就像天上行星的运动那样，有公转且有自转，所以将其称之为行星轮。其 中，同心旋转的太阳轮、齿圈和行星架称为行星排的3 个基本元件。 因汽车性能及行驶状况不同，不同的变速器的档位数各不相同，通常具有 空挡、倒档和2 - 4 个不尽相同的前进挡。就这一点手动变速器和自动变速器都 是一样的。它们的不同之处在于手动变速器的挡位变换是通过驾驶员根据实际 需要拨动拨叉使同步器与不同的齿轮啮合来实现的，而自动变速器中的挡位变 换是汽车根据路面情况及车速情况将节气门和车速方面传来的信号反馈给控制 系统，从而改变油路流通方向来实现的。 简单的讲，变速齿轮机构由换挡执行元件和行星轮系两部分共同组成。以 下将对二者的结构和原理进行详述。 1 - 齿圈2 一行星轮3 - 行星架4 - 太阳轮 图2 7 行星轮系结构图 ( 一) 行星轮系的结构和工作原理 1 行星轮系的基本结构 行星轮系根据行星排个数的不同可以分为几个类型，有单行星排的和多行 武汉理工大学硕士学位论文 星排的。其中最简单的行星轮系称之为单行星轮系，它由1 个太阳轮、1 个齿圈、 1 个行星架和套在行星架上的的几个行星轮共同组成( 如图2 7 所示) 。 2 行星轮系的类型 按不同的方式，行星轮系可以分为不同的类型。 ( 1 ) 按照齿轮的啮合方式分类 根据齿轮的啮合方式不同，行星轮系可以分为内啮合式和外啮合式两种。 其中，内啮合式行星轮系结构紧凑，质量集中，传动效率高，因而在自动变速 器中被广为使用；而外啮合式的已逐渐被淘汰。 ( 2 ) 按照齿轮的排数分类 根据行星轮系中星轮排数目的不同，行星轮系可以分为单行星排和多行星 排两种。单行星排是最简单的行星轮系，指的是最常见的由1 个太阳轮、1 个齿 圈、1 个行星架和套在行星架上的的几个行星轮共同组成的行星轮系：多排行星 齿轮机构由几个单排行星轮系组成。不同的汽车对变速器的要求不尽相同，从 而对性星轮排数量的要求也不同，通常要根据实际情况来选择性星轮排的数量。 ( 3 ) 按照行星轮组数不同分类 同样的行星轮系，轮系中的行星轮的组数可以不同。根据行星轮系中行星 轮组数量的不同，行星轮系可以分为单行星轮式和双行星轮式两种。 单行星轮式即只有一组行星轮的最简单的行星轮系；双行星轮系在太阳轮 和齿圈之间有两组互相啮合的行星轮，其里面一组行星齿轮和太阳轮啮合，外 面一组行星齿轮和齿圈啮合。 3 行星齿轮机构的变速原理 单排行星轮系在没有任何约束的情况下是不能直接被用于变速传动的，因 为它有两个自由度，也就是说它没有固定的传动比。为了获得固定的传动比， 就必须将太阳轮、齿圈和行星架这三个基本元件中的一个加以固定( 即使其转 速为0 ，也称为制动) ，或使其运动受到一定的约束( 即让该构件以某一固定的 转速旋转) ，或将某两个基本元件互相连接在一起( 即两者转速相同) ，使行星 排变为只有一个自由度的机构，获得确定的传动化1 4 1 1 。 如图2 8 所示为行星轮系的传动简图。设太阳轮的齿数为z 。，齿圈齿数为 z 2 ，太阳轮、齿圈和行星架的转速分别为n l 、n 2 、1 1 3 ，并设齿圈与太阳轮的齿数 比为q ，即 a = z 2 z l 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 则行星轮系的一般运动规律可表达为： n i + q n 2 - ( 1 + 0 【) 1 - 1 3 = 0 由上式可以看出，在太阳轮、齿圈和行星架三个基本元件中，可选择一个 元件固定不动，而选择其余两个分别作为输入件和输出件，这样的情况下，整 个行星轮系就可以以一个确定的传动比进行运转。 5 1 太阳轮2 齿圈3 一行星架4 一行星齿轮5 - 行星齿轮轴 图2 8 行星轮系运动简图 ( 二) 换挡执行机构的结构与工作原理 行星齿轮变速器的换挡执行机构由离合器、制动器和单向超越离合器三种 不同的执行元件组成。它有三个基本作用，即连接、固定和锁止。所谓连接是 指将行星齿轮变速器的输入轴与行星排中的某个基本元件连接，以传递动力， 或将前一个行星排的某一个基本元件与后一个行星排的某个基本元件连接，以 约束这两个基本元件的运动；所谓固定是指将行星排的某一基本元件与自动变 速器的壳体连接，使之被固定住而不能旋转：所谓锁止是指把某个行星排的三 个基本元件中的两个连接在一起，从而将该行星排锁止，使某三个基本元件以 相同的转速一同旋转，产生直接传动。换挡执行机构各执行元件通过按一定规 律对行星齿轮机构的某些基本元件进行连接、固定或锁止，让行星齿轮机构获 得不同的传动比，从而实现挡位变换。 2 2 3 自动变速器的优缺点 相对于手动变速器，自动变速器有其自身的许多显著的优点： 1 操纵方便 自动变速器的换挡方式与手动变速器有所不同，它是通过汽车自身根据监 武汉理工大学硕士学位论文 测车速和节气门开度的两个传感器反馈的信号，借助电控、液控或者电液控来 实现自动换挡，这比普通机械变速器用拨叉拨动滑动齿轮实现换挡要简单轻松 得多。而且，自动变速器中的换挡齿轮组都是常啮合齿轮组，这样可以大大降 低换挡时的齿轮冲击，可以减少齿轮冲击给驾驶员带来的顿挫感。同时，在道 路拥挤的情况下行驶时，可以有效的避免驾驶员疲劳驾驶。 2 大大提高发动机和传动系的使用寿命 同样一部汽车，采用不同的变速器，其发动机和传动系统的使用寿命却有 所不同。根据实际数据显示，采用自动变速器的汽车的发动机寿命可提高8 5 ； 变速器的寿命提高更为明显，可提高到原来的1 2 倍；同时传动轴和驱动半轴的 寿命也有明显的提高，大约可以提高8 0 左右。 当然，之所以有这样的情况也是有一定原因的。采用自动变速器的汽车的 发动机与传动系之间的连接，是“软 连接在一定程度上是通过液体工作介质 连接的。这种液体工作介质能够起到一定的吸收、衰减和缓冲作用，可以大大 减少冲击和动载荷。汽车在起步、制动或换挡时，能减少发动机和传动系所承 受的冲击及动载荷，因而采用自动变速器可以提高部分零件的使用寿命。 3 使汽车适应不同的路况 采用自动变速器的汽车，在起步时，由于有液力变矩器，驱动轮上的驱动 扭矩并不是一下子加上去的；而是逐渐增加的，这样就可以防止过大的振动， 使汽车起步变的相对容易，更加平稳。举例来说：当汽车遇特殊路况，需要爬 坡时，发动机也不至于熄火，而是仍然能够以低速爬坡。因此，液力自动变速 器能够有效地提高汽车的通过性，使汽车可以适应不同的路况。 4 电子控制系统 随着自动变速器的发展，目前采用电液式自动变速器越来越多，电液式控 制系统是通过传感器反馈回来的信号来通过改变液压管路的方向，从而实现自 动换挡的，这样可以提高换挡的精确度，不会因为人为的操作失误而换错档。 5 具有良好的自适应性 通常情况下，多数装有液力自动变速器的汽车都采用液力变矩器。它能够 通过汽车驱动轮负荷的变化来调节车速，从而改变驱动轮的力矩。当行驶阻力 增大时，汽车会自动降低速度，实现低速大扭矩行驶；当行驶阻力减小时，汽 车减小驱动力矩，增加车速。这样一来，就可以大大减少汽车行驶过程中的换 挡次数，有利于提高汽车的各项综合性能。 综上所述，自动变速器不仅能够适应汽车的不同行驶要求，而且同时具备 1 6 武汉理工火学硕士学位论文 了诸多手动变速器所不具备的显著优点，这也是现如今如此多的汽车采用液力 自动变速器的原因。不过，与手动变速器相比，它也存在些许不足，例如结构 复杂，制造成本较高，维修费用高，传动效率相对较低等。 2 3 本文所研究的微型电动汽车自动变速器 2 3 1 本文所研究的微型电动汽车自动变速器的结构特点 变速器是汽车的核心组成部分，变速器的好与坏直接决定汽车的各项性能 指标。由于手动变速器效率高、节能省油的优点，加上制造和维修成本较自动 变速器都偏低，现代装备手动变速器的汽车仍然占有一定比例。随着社会的发 展和人们对汽车舒适性的要求越来越高，现代汽车自动变速器装备率越来越高 已经是一个不争的事实，尤其是当自动变速器一步步走向成熟，并且逐渐拥有 手动变速器部分优点的同时。 然而，自动变速器和手动变速器各自都存在着诸多优缺点。从结构的角度 来讲，自动变速器采用行星轮系结构，结构紧凑，质量集中；相对来讲，手动 变速器采用的是多轴式的结构，结构和质量较为分散。从节能的角度来讲，手 动变速器效率高，油耗少；相对来讲，自动变速器效率较低，油耗较高。从操 纵性的角度来讲，自动变速器操纵方便：相对来讲，手动变速器需要不停的换 挡，操纵较为复杂。 本文所研究的变速器恰恰摒弃了传统自动变速器和手动变速器的缺点，结 合了它们的优点。此变速器在传统自动变速器和手动变速器的基础上，从结构 上做了一些小的改变。它采用了自动变速器行星轮系的结构( 如图2 - 9 所示) ， 与传统自动变速器不同的是，此变速器是通过拨叉控制同步器的移动来实现的 换挡的。这样既保证了自动变速器结构紧凑，质量集中的优点，又保证了手动 变速器节能，操纵性好的优点。 整个变速器( 如图2 - 9 所示) 由行星轮系，同步器，拨叉等几个部分组成， 通过手动控制拨又，来控制的同步器的位置，从而间接的实现行星轮系不同传 动比的输出。行星轮系是自动变速器不可或缺的一部分，它主要由太阳轮，行 星轮，齿圈组成；同步器通常情况下在手动变速器中才可以见到，而此时将同 步器应用到自动变速器中也是此变速器的一个创新点，同步器主要由锁环，结 合套，定位滑块，卡环所组成；而拨又是我们最熟悉的，所有变速器的传动比 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 和传递路线的转换都是通过拨又来实现的。 1 太阳轮2 行星轮3 齿圈4 拨叉5 同步器5 0 1 锁环5 0 2 结合套5 0 3 定位滑 块5 0 4 卡环 图2 - 9 变速器结构图 2 3 2 微型电动汽车自动变速器的原理 文中研究的用于微型电动汽车的自动变速器( 如图2 - 9 所示) 是一个两前进 挡的变速器。一档是低速档，车辆遇特殊路况，如低速或爬坡时，可换至一档 行驶；二档是加速档，车辆正常行驶时，档位保持在二档。一档和二档之间是 通过手动控制拨叉，从而改变同步器的位置来实现档位的切换。也就是说，变 速器处在不同档位时，同步器的位置以及整个行星轮系的传动路线是不同的， 下面将对两种情况进行逐一分析。 当汽车遇到特殊路况，需要爬坡或者减速慢行时变速器将被切换至一档， 其结构原理图如图2 1 0 所示 当变速器拨叉处在一档位置时，同步套向左移动，将齿圈与变速器箱体联 武汉理工火学硕士