摘 要

作为新能源汽车的重要组成部分，近年来，纯电动汽车（Pure Electric Vehicle）越来越受到国家以及各汽车制造商的重视和关注，是我国战略新兴产业之一。目前，纯电动汽车主流的传动方式几乎都是驱动电机加单级减速器，但这种传动方式无法通过改变传动比来提升驱动电机的工作效率和改变输出转矩。本文通过研发设计一种适用于纯电动汽车的双速自动变速器，以此提高整车动力性和经济性。

针对现代电动汽车传动技术的发展现状，本文旨在设计一种满足电动汽车驱动要求的双速行星齿轮传动装置。重点对变速器的总体结构与参数、行星齿轮机构的强度校核等方面展开了研究工作，其主要内容如下：

（1）根据整车参数和设计要求，以北汽某微型纯电动汽车为原型，用车辆最高车速、最大爬坡度以及加速性能等指标对驱动电机的功率和转速进行匹配计算。

（2）根据两挡变速器速比选择的基本原理，确定两挡变速器一、二挡的速比上限和下限。同时，参考同类型纯电动汽车固定速比减速器的速比，进而确定一、二挡的速比值。

（3）分析了单排行星齿轮的各种传动方式，考虑到变速器的生产成本和便于装配，采用了NGW型行星齿轮传动方式。同时根据传动比条件、邻接条件、同心条件和安装条件确定行星齿轮机构各齿轮齿数，以及齿轮的基本参数。

（4）对两挡变速器中的行星齿轮机构中齿轮进行强度校核，包括理论计算和基于ANSYS商业软件的有限元应力分析，确保其满足强度要求。

关键词:纯电动汽车；两挡自动变速器；行星齿轮机构；强度校核

Abstract

As an important part of new energy vehicles, in recent years, pure electric vehicles (PEV) have received more and more attention and attention from the state and various automobile manufacturers. it is one of China's strategic emerging industries. At present, the mainstream transmission mode of pure electric vehicles is almost all drive motor plus single-stage reducer, but this transmission mode cannot improve the working efficiency of the drive motor and change the output torque by changing the transmission ratio. This paper develops and designs a two-speed automatic transmission suitable for pure electric vehicles to improve the power and economy of the vehicle.

For the Development of Modern electric vehicle drive technology, this paper aims to design a two-speed planetary gear drive electric vehicles to meet the requirements. Focusing on the overall structure and parameters of the transmission, the strength check of the planetary gear mechanism, etc., the main contents are as follows:

(1) According to the vehicle parameters and design requirements, a miniature electric vehicle of Beiqi is taken as the prototype, and the power and speed of the drive motor are matched and calculated by using the vehicle's maximum speed, maximum grade and acceleration performance.

(2) According to the basic principle of the two-speed transmission ratio selection, determine the upper and lower limits of the ratio of the first and second gears of the two-speed transmission. At the same time, refer to the ratio of the fixed speed ratio reducer of the same type of pure electric vehicle to determine the first and second gears ratio.

(3) The various transmission modes of the single-row planetary gears are analyzed. Considering the production cost of the transmission and the ease of assembly, the NGW planetary gear transmission is adopted. At the same time, according to the transmission ratio condition, the adjacency condition, the concentric condition and the installation condition, the number of teeth of each gear of the planetary gear mechanism and the basic parameters of the gear are determined.

(4) The strength check of the gears in the planetary gear mechanism, including theoretical calculations and finite element stress analysis based on ANSYS commercial software, ensures that it meets the strength requirements.

Key Words：pure electric vehicle; two speed automatic transmission; planetary gear mechanism; strength check

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1课题背景及研究意义 1

1.2纯电动汽车变速器研究现状 1

1.3本文主要研究内容 3

第二章 电动汽车传动系统参数匹配 4

2.1汽车基本参数及性能指标 4

2.2驱动电机的参数设计 4

2.3变速器的参数设计 8

2.4本章总结 9

第三章 自动变速器设计 10

3.1自动变速器的总体结构设计 10

3.2行星齿轮机构设计 12

3.2.1 行星齿轮机构配齿计算 12

3.2.2 行星齿轮机构齿轮尺寸的确定 13

3.3本章小结 14

第四章 变速器行星齿轮传动的强度校核 15

4.1齿面接触疲劳强度的校核计算 15

4.2齿根弯曲强度的校核计算 16

4.3齿轮的有限元应力分析 17

4.3.1 齿轮三维模型的建立 17

4.3.2 齿轮有限元模型建立 21

4.3.3 理论值与有限元结果对比 24

4.4本章小结 25

第五章 总结 26

参考文献 27

致 谢 28

绪论

• 1. 课题背景及研究意义

自从1886年发明了第一辆汽车后，随着人类科学技术的进步，传统汽车已经有了超过130年的发展历史。与此同时，汽车的巨大变革也为人类带来了极大的便利，提高了人们的生活质量,但是随着汽车工业的发展，它也给社会带来了很多不利影响，如交通事故、环境问题、能源危机等，其中环境与能源对人类的生存有着重要的意义，也是汽车行业发展的最大挑战^[1,2]。

汽车工业迅速发展的同时，伴随而来的是石油资源危机和愈发严重的环境污染问题，燃油汽车已经被认为是环境污染主要原因之一，减少汽车有害气体的排放量、开发新能源汽车是汽车未来发展的方向和趋势。为应对日益严峻的燃油供需矛盾和环境污染问题，世界主要汽车生产国全都加快了部署，将新能源汽车作为国家重要发展战略，加速推动技术研发、积累和产业化，同时大力发展和推动汽车节能技术的广泛应用。未来全球汽车产业的发展是朝向节能与新能源汽车的方向，对中国汽车产业尤为重要的转型升级战略时期即将到来，要充分抓住此次机遇，大力发展我国汽车产业 ^[3]。

到目前为止，国内多家汽车厂家相继公布了自家的发展规划，并尝试着推出不同类型的电动车。在这些产品中，绝大部分采用的是驱动电机加固定速比的单级减速器的动力传递方案。即使电机有着较宽的调速范围和较大的驱动扭矩等优点，但这种方案导致的电机系统成本高、难以进行高速弱磁控制、高温退磁等一系列问题仍然突出，对电动汽车的可靠性产生了严重的影响^[4]。

若驱动电机配以固定速比的减速器，在满足动力性的条件下，无法使电动机长时间在高效率的工况下工作。这不仅对驱动电机提出了更高和更严格的性能要求，且易于造成电能浪费，减少了续航里程。为了提高汽车的动力性和经济性，传统燃油汽车通常配有多个挡位的变速器，而纯电动汽车对于多挡位的变速器的依赖性就远远低于传统燃油汽车。一般来说，多挡位的自动变速器意味着结构复杂、体积大等问题，尤其是成本原因，这对于降低本就昂贵的纯电动汽车成本而言是极不友好的。理论上来说，纯电动车用双速自动变速器结构简单、造价低，且已经足够满足汽车对动力性的要求。除此之外，双速自动变速器可以调节电机的工作区域，使电机更多的工作在高效率区域。所以。相比于多挡位自动变速器，两挡自动变速器对于纯电动汽车更具有性价比。

纯电动汽车变速器研究现状

在过去的相当长一段时间中，传统燃油汽车得到飞速发展，即便纯电动汽车的诞生时间早于燃油汽车，但是直到上世纪90年代，丰田普锐斯的诞生，才意味着纯电动汽车真正大规模商用。这是由于动力电池、材料等关键技术得到了重点突破，使得纯电动汽车的性能进一步提高和造价进一步降低，利于大规模商用。

在纯电动汽车研发生产之初，因为驱动车辆行驶的动力来自于驱动电机，而电机相比于内燃机拥有较好的驱动特性，因此很多人认为纯电动汽车不需要配备变速系统，也没有必要单独研究适用于纯电动汽车的变速系统。但是，由于近些年来，纯电动汽车的大规模商用，不匹配变速系统的纯电动汽车的弊端逐渐显露出来，比如电能消耗率较高、续航里程低于设计续航里程等严重问题，需要尽早的设法解决。因此，越来越多的高校和企业将注意力转到了电动汽车驱动系统，希望通过变速驱动系统进一步提高纯电动汽车的能源利用率。

国外对于纯电动汽车传动系统的研究较早开始。早在1998年，Rord公司和GE公司联合开发了一款名为ETX的汽车，设计人员将这款车的驱动电机、两档变速器和差速器三部分设计成为一个整体，并被直接安装在后轴上，电机轴为空心轴，半轴直接穿过其中。英国桑德兰大学通过仿真模拟比较了各自安装有两档变速器和固定速比减速器的纯电动汽车。结果表明，两挡变速器可以降低纯电动汽车电能消耗，同时可以在一定程度上降低驱动结构的尺寸和重量^[5]。

德国达姆施特塔技术大学通过对高速感应电机和两挡变速器组成的驱动系统进行研究，并证明了此种驱动系统具有一定的优势，并且通过台架试验验证了此观点。最后指出，为纯电动汽车装配由感应电机和两挡变速器组成的驱动系统具有可行性 ^[6]。

来自英国Sunderland大学的某团队，通过计算机仿真软件，建立了装配有不同变速系统的电动汽车模型，仿真结果表明，相比较于单级减速器，多挡位变速器对于提高动力性有更加显著的效果。但应当引起注意的是，电效率的提升并非与变速器挡位数的提升成正相关关系^[7]。

国内对于纯电动汽车传动系统的研究起步较晚，主要集中在大学和汽车研究所，而主要研究方向集中在纯电动汽车驱动系统参数匹配和优化上。周云山、周晶晶、蔡源春等设计的ATM基本机械结构，提出了电机转矩控制方法，通过 MATLAB 仿真软件建立了控制策略模型，并使用Cruise平台对某款车进行了联合仿真分析，完成了台架试验且进一步证实了仿真结果，仿真和试验结果共同表明，研发的变速器换挡时具有冲击度小、高品质等优点^[8]。重庆大学的周保华，对装配两挡AMT和单级减速器的纯电动汽车进行了对比研究，制定了变速器的换挡策略，并通过仿真模型优化了换挡策略^[9]。来自湖南大学的周晶晶发起了两挡自动变速器（2AMT）的设计与研究，分析了纯电动汽车的传动布置结构并对其作出相应解释，研究了纯电动汽车变速器完整的换挡过程，叙述了整个换挡过程并提出了换挡转矩的控制方法，以此进一步提高换挡品质；使用仿真软件对提出的换挡策略进行模拟仿真，研究变速器动态换挡的性能表现，以此判别控制策略是否合理^[10]。北京理工大学研发制造了一款配备于纯电动公交车的两挡变速器。该变速器的特点是采用单排行星齿轮机构，行星齿轮结构的太阳轮与变速箱的输入轴相连接，行星齿轮机构的行星架与变速箱的输出轴相连接，通过采用电控气动的方法进行换挡控制。

电动汽车作为新能源汽车的一种形式，由于其优异的环保性，正逐渐受到各国汽车厂家的青睐。在我国政府的大力扶持下，近年来我国电动汽车产业蓬勃发展，产量逐年提升。而电动汽车自动变速器具有提高汽车动力性、经济性的重要作用，在此方面任然需要投入更多研究。总而言之，作为电动汽车重要的组成部分，自动变速器也会步入产业化发展的道路。

本文主要研究内容

本文是在一款轻型纯电动汽车的基础上，根据其性能参数指标，以提高电机的驱动效率和整车动力性能为目标，设计开发的一种单排行星齿轮变速器，相比于固定速比的减速器，其差异性在于具有两个挡位，可以使驱动电机长时间处于高效率工作区域。主要研究内容：

1. 根据整车参数和设计目标，对驱动电机进行选型匹配，并对变速器的一挡速比和二挡速比进行约束分析，得出适当的传动比。
2. 根据设计要求，确定变速器的结构形式，采用行星齿轮传动，并设计了两个挡位，分别为高速挡、低速挡。按照传动比要求，确定各齿轮的基本参数。
3. 根据传动系统动力需求，对变速器行星齿轮机构进行强度校核，包括理论计算校核以及软件分析，确保满足强度要求。

电动汽车传动系统参数匹配

电动机、变速器等部分共同组成了电动汽车的传动系统。传动系统参数对汽车行驶的动力性、舒适性、平顺性等方面有显著的影响，因此，需要对传动系统中的电动机参数、变速器参数进行相适应的匹配，以达到设计目标。

汽车基本参数及性能指标

本文以北汽新能源的某款微型纯电动乘用车作为参考车辆，进行纯电动汽车两档自动变速器设计和仿真分析，车辆的主要参数和动力指标如表2.1和表2.2所示。

表2.1汽车主要参数

表2.2动力指标

驱动电机的参数设计

纯电动汽车与传统内燃机汽车不同，其电能来源于蓄电池，电动机运转以带动车轮旋转，驱动车辆。驱动电机的特性参数包括额定功率、额定转速、额定转矩等，搭配不同类型驱动电机的纯电动汽车的性能表现存在一定程度差异。

纯电动汽车驱动电机的选择的基本原则^[11]：

1.过载要求:在爬坡和加速工况时，驱动电机需要有2至3倍的过载性能；

2.最高转速：一般情况下，驱动电机的最高转速可以使汽车以4至5倍巡航车速行驶；

3.效率功率：驱动电机的功率外特性和转矩外特性优异，可以增加续航里程。此外，电机的功率密度也应该足够高；

4.可控性能：电机稳态精度高、工作可控性高、动态性能好。

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