电动汽车两档变速器设计

1. 电动汽车两档变速器概述

1.1 课题背景

1.1.1 电动汽车的兴起

• 电动汽车以其零排放、低噪音和高效能的特点逐渐成为替代传统燃油车辆的重要选择之一。
• 我国汽车行业也将发展以及普及电动汽车作为主要工作，电动汽车的发展为缓解能源短缺和污染排放开拓了新的道路，具有重要的历史与现实意义。

1.1.2 单速变速器的局限性

• 传统的单速变速器虽然结构简单，但在提高车辆性能和能效方面存在一定的局限性。
• 特别是在高速行驶和爬坡等场景下，电动汽车可能无法充分发挥其动力性能，影响了其在市场上的竞争力。

1.2 发展现状

1.2.1 研发和实验阶段

• 许多汽车制造商和技术公司正在积极进行电动汽车两档变速器的研发和实验工作。
• 他们通过仿真模拟、试验验证等手段，探索不同的变速器结构和工作原理，以提高电动汽车的性能和能效。

1.2.2 应用案例

• 一些汽车制造商已经开始在其电动汽车产品中应用两档变速器技术。
• 这些产品通常包括高端或性能型电动汽车，旨在提供更好的加速性能和更高的能效。

1.2.3 性能优化

• 研究人员正在致力于优化电动汽车两档变速器的性能，包括提高传动效率、减小尺寸和重量、降低成本等方面。
• 通过优化设计和材料选择，可以进一步提升电动汽车的整体性能。

1.2.4 市场应用前景

• 随着电动汽车市场的持续增长和消费者对性能和能效的需求不断提高，电动汽车两档变速器有望在未来得到更广泛的应用。
• 特别是在高性能电动汽车、商用车辆和特殊应用领域，两档变速器的市场需求可能会进一步增加。

2. 基本设计方案

2.1 电动汽车基本参数

2.1.1 整车参数

• 本文以某汽车企业生产的一款电动汽车的汽车参数作为设计依据。
• 基本参数包括整车整备质量、最大满载质量、轴距、长、宽、高、空气阻力系数、机械效率、重力加速度、迎风面积、车轮滚动半径、旋转质量换算系数等。

2.1.2 性能要求参数

• GB/T 28382-2012 《纯电动乘用车 技术条件》规定了电动汽车动力性的评价指标，如最高车速、加速性能、爬坡性能。
• 具体要求包括最大爬坡度、0~50km/h的加速时间、30min最高车速、续驶里程等。

2.2 传动方案

2.2.1 传动系统布置

• 采用中央电机驱动，用驱动电机和电池替代内燃机和油箱，通过电机驱动左右两侧车轮。
• 该结构的操作方式与内燃机相同，技术成熟，安全可靠。

2.2.2 传动机构布置

• 以一档为例，动力传递路线为电机→输入轴→输入轴一档齿轮→输出轴一档齿轮→同步器→输出轴→主减速器→差速器→车轮。

2.3 驱动电机参数设计

2.3.1 驱动电机类型选择

• 现今纯电动汽车的驱动电机有以下几种：永磁同步电机(PMSM)、感应异步电机(IM)、开关磁阻电机(SRM)、直流无刷电机(BLDC)、轴向磁通电机、(AFM)轮毂电机等。
• 永磁同步电机采用永磁体作为励磁源，它的低速输出转矩大、效率高、维护方便，因此作为电动汽车驱动电机的优势明显。

2.4 变速器参数设计

2.4.1 传动比设计

• 在设计最大传动比时，首先要满足汽车最大爬坡度的要求。
• 在设计最小传动比时，要考虑到汽车以最高车速行驶时的要求。
• 选择主减速器比4.5，考虑到，选择，最大传动比为13.5，最小传动比为7.65。

2.4.2 变速器齿轮参数设计

• 初选中心距A=80mm。一档和二档传动齿轮均选取斜齿圆柱齿轮。
• 斜齿齿宽，齿宽系数取8.0。则一档齿轮齿宽20mm，二挡齿轮齿宽16mm。

2.4.3 变速器强度计算

• 齿轮损坏是变速器常见的故障之一，其形式多种多样。
• 变速器齿轮的强度计算往往考虑到抗弯强度计算和接触强度计算。

2.4.4 轴设计

• 轴的直径初选。第一轴和第二轴中部直径d≈0.45A=35.91mm，取36mm。
• 轴的强度计算先计算齿轮啮合的圆周力、径向力和轴向力。

2.4.5 同步器选择

• 同步器有常压式、惯性式和惯性增力式，得到广泛应用的是惯性式同步器。
• 惯性式同步器按结构分又有锁销式、滑块式、锁环式、多片式和多锥式。选择锁环式同步器执行换挡过程。

3. 有限元模拟仿真

3.1 分析结果

• 利用workbench模拟仿真汽车在一档工作时输入轴和输出轴的变形结果。
• 从图中可以看出输入轴和输出轴最大应力和最大变形量集中在在齿轮与轴的接合处以及轴的连接点。
• 输入轴最大变形量为0.061856mm，最大应力为134.91MPa；输出轴最大变形量0.015769mm，最大应力为150.94MPa。
• 这些地方由于长期使用以及负荷运转而导致变形。

3.2 优化措施

• 为了保证轴具有足够的使用寿命，可采取以下措施：
  • 采用表面强化处理，如碾压、喷丸、氮化、渗碳、淬火等方法，提高轴的承载能力。
  • 截面尺寸变化处尽量采用较大的过度圆角。
  • 定期的维护和保养也是降低变形风险的重要措施。
  • 增大轴的直径，用开卸载槽的方法降低应力集中程度。

3.3 发展趋势

• 随着电动汽车市场的不断发展和成熟，电动汽车两档变速器有望成为电动汽车技术的重要发展方向之一。
• 随着技术的不断进步和市场的逐步接受，电动汽车两档变速器有望在未来发挥更重要的作用，推动电动汽车行业的进一步发展和普及。

3.4 挑战与机遇

• 电动汽车两档变速器的发展仍面临一些挑战，如技术成熟度、成本控制、市场需求等。
• 同时，电动汽车两档变速器的发展也带来了一些机遇，如提高电动汽车性能和能效、拓展电动汽车应用领域等。

3.5 结论

• 电动汽车两档变速器设计是一个复杂的过程，需要综合考虑多种因素，如整车参数、性能要求、传动方案、驱动电机参数、变速器参数、有限元模拟仿真等。
• 通过合理的设计和优化，电动汽车两档变速器可以提高电动汽车的性能和能效，满足市场需求，推动电动汽车行业的进一步发展和普及。