第20卷第3期北华大学学报(自然科学版)Vol.20No.32019年5月JOURNAL OF BEIHUA UNIVERSITY(Natural Science)May 2019文章编号:1009-4822(2019)03-0402-06DOI :10.11713/j.issn.1009-4822.2019.03.026纯电动汽车两挡变速器优化设计高惠东,褚亚旭,吕金贺(北华大学土木与交通学院,吉林吉林㊀132013)摘要:基于动力参数匹配,优化设计纯电动汽车的传动比是提升其动力性能的关键一环.以某纯电动汽车为研究对象,对其驱动电机进行参数匹配.以整车动力性最优为目标,运用遗传算法优化设计变速器传动比;选取齿轮参数,建立齿轮轴系的三维模型,利用RecurDyn 对其进行动力学仿真.仿真结果表明,齿轮参数的选取满足传动比优化结果.关键词:纯电动汽车;传动比;遗传优化;RecurDyn 中图分类号:U463.21文献标志码:A收稿日期:2019-03-06基金项目:吉林省教育厅科学技术研究项目(JJKH20170030KJ).作者简介:高惠东(1995-),男,硕士研究生,主要从事多体动力学仿真研究,E-mail:741493093@;通信作者:褚亚旭(1964-),男,博士,教授,硕士生导师,主要从事液力传动与控制研究,E-mail:cyx_1964@.Transmission Ratio Optimization for Electric VehicleGao Huidong,Chu Yaxu,Lv Jinhe(College of Civil Engineering &Transportation of Beihua University ,Jilin 132013,China )Abstract :Based on the matching of power parameters,optimizing the transmission ratio of pure electric vehicle is the key to improving its power performance.Taking a pure electric vehicle as the research object,the parameters of driving motor are matched.Aiming at the optimal power performance of the vehicle,the transmission ratio is optimized by genetic algorithm,and the three-dimensional model of the gear shafting is established by choosing the gear parameters,which is simulated by RecurDyn.The simulation results show that the selection of gearparameters satisfies the optimization results of transmission ratio.Key words :electric vehicles;transmission ratio;genetic optimization;RecurDyn面对日益严重的环境污染以及石油危机问题,各国不断制定更加严格的排放标准,这使得对保护环境具有重大意义的纯电动汽车成为未来汽车的主要发展方向.受核心部件限制,纯电动汽车动力性能与燃油汽车相差较大.基于动力参数匹配,优化设计纯电动汽车的传动比,是提升其动力性能的关键一环.目前,纯电动汽车变速器优化研究已经取得了一些成果.比如,朱虹燃等[1]将汽车的动力性作为约束条件,以整车经济性最优为目标,运用遗传进化算法对变速器传动比进行优化设计,取得了比较好的优化结果;刘振军等[2]对某款电动汽车进行参数匹配,在循环工况下以能量消耗最小为目标进行速比优化,根据优化结果设计变速器齿轮及轴的参数,并对变速器的齿轮轴系进行三维建模;王雪敏[3]对纯电动汽车传动系统进行参数匹配,以齿轮箱体积最小和齿轮传动重合度最大为目标,确定了齿轮箱的具体参数;赵广宣[4]建立了可随电机参数变化的电机效率模型,以电机过载系数和扩大恒功率区系数以及传动系速比作为优化变量,采用多目标优化联合遗传算法,对纯电动汽车的电机参数和传动系参数进行了整体优化匹配.前人在优化变速器传动比时,是将传动系的总传动比作为优化参数,但总传动比包括主减速器传动比和变速器传动比,在对传动比进行分配后,得出的传动比会发生变化,并不是最优解.基于此,本次研究将主减速器传动比和变速器一㊁二挡传动比3个变量作为优化参数,以使最后的优化结果更为准确;在确定齿轮参数后对变速器齿轮轴系进行动力学仿真.1㊀驱动电机参数匹配驱动电机是纯电动汽车的动力来源,基于整车参数对电机进行匹配是实现汽车动力性能目标的关键步骤,匹配的主要内容是确定电机的额定功率㊁峰值功率㊁基速和最高转速.本次设计基于某款纯电动汽车,其相关整车参数及动力性能指标见表1㊁表2.表1㊀电动汽车整车参数Tab.1㊀The parameters of electric vehicle 基本技术参数参数值整车质量/kg 1550长ˑ宽ˑ高/mm 4630ˑ1785ˑ1450迎风面积/m 2.25车轮滚动半径/m0.31风阻系数0.315传动效率0.92滚动阻力系数0.014质量转换系数1.04表2㊀汽车基本性能指标Tab.2㊀The performance indicators of vehicle基本性能指标设计值最高车速/(km㊃h -1)ȡ12030min 最高车速/(km㊃h -1)ȡ60最大爬坡度ȡ30%最大爬坡度时的稳定车速/(km㊃h -1)ȡ300~100km /h 加速时间/s ɤ15工况法续驶里程/km ȡ80匀速行驶里程/km ȡ1001.1㊀电机额定功率电机额定功率应满足汽车的最高车速行驶状况,设计时多采用最高设计车速的90%作为电机额定功率的下限值.计算公式为P e ȡ0.9u max 3600ηT (mgf +C D Au 2max21.15),式中:u max 为设计的最高车速;ηT 为传动系统的传动效率;f 为滚动阻力系数;C D 为风阻系数;A 为汽车的迎风面积.可以求得P e ȡ22.67kW .1.2㊀电机峰值功率电机峰值功率应同时满足最高车速㊁最大爬坡度以及加速时间的要求,所以分别计算3种行驶状况下的功率需求,取其中的最大值[5].最大爬坡度所需功率:P i ȡu i 3600ηT (mgf cos αmax +mg sin αmax +C D Au 2i21.15),式中:αmax 为最大爬坡度,αmax =arctan0.3=16.7ʎ;u i 为爬坡时的稳定车速.计算得到P i ȡ41.66kW .由于加速时间与各挡传动比有关,而传动比需要在电机选定后确认,所以在初选电机时,先以经验公式(1)计算选取满足加速时间所需功率P a :P a ȡu a 3600t a ηT (δm u a 2t a+mgf t a 1.5+C D Au 2a52.875t a ),式中:u a 为加速末速度;t a 为加速时间要求;δ为质量转换系数.根据设计要求和汽车整车参数计算可得,P a ȡ50.22kW .综合以上分析可知,峰值功率P e max ȡ50.22kW .304第3期高惠东,等:纯电动汽车两挡变速器优化设计1.3㊀电机基速和最高转速根据转速范围不同,电机分为低速电机(3000~6000r /min)㊁中速电机(6000~10000r /min)和高速表3㊀驱动电机参数Tab.3㊀The parameters of electric machine基本技术参数参数值额定功率/kW 30峰值功率/kW 60额定转速/(r㊃min -1)3000最高转速/(r㊃min -1)9000额定转矩/(N㊃m)96峰值转矩/(N㊃m)190电机(1000~15000r /min).驱动电机最高转速越大,汽车的动力性能越优良,但由于高速电机的制造工艺和精度要求更高,因此选用高速电机会增加成本;而且电机转速过高会使机械损失增大,从而降低传动效率,经济性变差.因此,在满足设计要求的前提下,电机转速的选取不应过大或过小;应注意的另一个参数是电机的扩大恒功率区系数β,一般取2~4[6].综合以上对电机额定功率㊁峰值功率㊁基速以及转速的计算和分析,经过筛选比较,最后选定的驱动电机型号为Y200L1-2,具体参数见表3.2㊀传动比优化设计选定电机参数后设计变速器,首先要确定变速器的挡位数量.由于电机具有良好的调速特性,因此与电机匹配的变速器多为单挡或两挡.如果电动汽车只设置1个挡位,要满足设计的动力性能(如加速时间㊁爬坡度等)对电机性能的要求会比较高;另外,增加挡位数量,可以提高电机在高效区工作的概率,使汽车动力性和经济性变得更好.所以,本次设计采用两挡变速器[7].确定挡位数量后,采用遗传算法对传动比进行优化设计.2.1㊀建立目标函数动力性是要改进的主要方面之一,所以本次研究以0~100km 加速时间为优化目标,变速器各挡传动比以及主减速器速比为优化参数.设变速器一挡传动比为i g 1,二挡传动比为i g 2,主减速器速比为i 0,则[x 1x 2㊀x 3]=[i g 1㊀i g 2㊀i 0].汽车的总传动比i 1=i g 1i 0,i 2=i g 2i 0.为了更好地发挥电机的经济性和动力性,换挡策略基于驱动电机的外特性曲线,见图1.图1驱动电机外特性曲线Fig.1The external characteristic curveof driving motor为了获得较大的加速度,应在保持节气门全开的同时,选择合适的换挡时机.最优的选择是由一挡起步,当车速达到额定转速对应的车速后,换成二挡.所以,汽车0~100km 加速时间的优化目标函数为t =13.6(ʏu nδmF t1-F t -F wd u +ʏ100u nδmF t2-F f -F wd u ),式中:u n 为额定转速时刻对应的车速,u n =0.377n e r /i 1;一挡驱动力F t1=T max ηT i 1/r ;二挡驱动力F t2=T r ηT i 2/r.由电机的外特性曲线及换挡规律可知,此时电机处于恒功率工作状态,所以T r =9550P e max /n ,n =i 2u /0.377r ;F f 和F w 为对应车速下的行驶阻力.2.2㊀建立约束函数1)一挡传动比约束条件.一挡传动比下限应满足爬坡度的要求,即T max i 1ηT r ȡmgf cos αmax +C D Au 2a21.15+mg sin αmax .(1)为了避免出现车轮打滑现象,在一挡驱动时,汽车产生的最大驱动力不能超过路面提供的最大附着力[8],即404北华大学学报(自然科学版)第20卷T max i 1ηTrɤF Z ϕ,(2)式中:F Z 为车轮承受的法向作用力;ϕ为地面附着系数,此处取0.75.由已知参数和式(1),(2)计算可得8.15ɤi 1ɤ20.20.2)二挡传动比约束条件.二挡驱动时,传动比上限应满足最高行驶车速的要求,即0.377n maxi 2r ȡu max .(3)同时,在电机的额定工况下,汽车以最高车速行驶时,应能克服行驶阻力,则二挡传动比下限约束为T e max i 2ηT r ȡmgf +C D Au 2max21.15.(4)由式(3),(4)计算可得2.44ɤi 2ɤ8.76.此外,为了避免换挡困难,纯电动汽车的两挡变速箱传动比还应满足[9]1.3ɤi 1/i 2ɤ1.7.综上所述,此次设计的约束函数为g(1):8.15ɤi 1ɤ20.20,g(2):2.44ɤi 2ɤ8.76,g(3):1.3ɤi 1/i 2ɤ1.7.图2遗传优化过程及优化结果Fig.2The process and results of geneticoptimization2.3㊀优化设计过程及结果在优化目标函数和约束函数确定后,采用遗传优化算法进行设计.设计中引用罚函数,将原始优化函数转换为无约束优化函数,使得优化过程简便易操作[10].在Matlab 软件中编写目标函数和约束函数的m 文件,随后直接调用软件中的遗传算法工具箱进行仿真计算.具体优化过程和结果见图2.由图2可见:变速器一挡最佳传动比为3.889,二挡最佳传动比为2.161,主减速器的最佳传动比为4.054,此时的0~100km 加速时间为13.7517s.在朱虹燃等[1]进行的优化设计中,汽车加速性能指标为0~80km /h 加速时间15s,可见,本文的设计结果优于前人,优化设计是合理的.3㊀变速器齿轮轴系三维建模及动力学仿真各挡传动比确定后,设计变速器的齿轮轴系.依据表4和表5选取齿轮模数,为2.5mm;分配齿数.取常啮合齿轮副的主动齿轮和被动齿轮齿数分别为z 1,z 2,一挡主㊁从动齿轮齿数分别为z 3,z 4,二挡主㊁从动齿轮齿数分别为z 5,z 6.根据优化设计的传动比㊁中心距,以及选取的其他齿轮参数,计算得到:z 1=16,z 2=44,z 3=25,z 4=35,z 5=34,z 6=26.504第3期高惠东,等:纯电动汽车两挡变速器优化设计表4㊀变速器用齿轮的法向模数Tab.4㊀The normal modulus of gears for transmission微型㊁普通型轿车中级轿车中型货车重型货车2.25~2.752.75~3.003.5~4.54.5~6.0表5㊀汽车变速器常用的齿轮模数(GB /T 1357 1987)Tab.5㊀Common gear modulus of transmission (GB /T 1357 1987)第一系列1 1.25 1.5 2.00 2.50 3.00 第二系列1.752.252.75(3.25)3.5图3变速器装配模型Fig.3The assembly model of transmission齿轮参数选定后,在Solidworks 中建立各齿轮和轴模型,对变速器进行装配.装配结果见图3.将变速器的三维模型转化为x_t 格式,导入多体动力学软件RecurDyn 中,建立齿轮接触动力学模型,通过对仿真模型施加转速与负载,获得齿轮在啮合过程的动态接触力幅值[11-12].再输入轴施加电机的峰值转矩190000N㊃mm(190N㊃m)仿真,可以得到各组齿轮副之间的接触力幅值,见图4~8.由图4~8可见:常啮合齿轮副之间的最大接触力为29.12kN,一挡齿轮副之间的最大接触力为15.24kN,二挡齿轮副之间的最大接触力为16.57kN.图4一挡输入转速和输出转速Fig.4The input and output speed of firstgear图5二挡输入转速和输出转速Fig.5The input and output speed of secondgear图6一挡啮合齿轮接触力Fig.6The contact force of firstgear 图7二挡啮合齿轮接触力Fig.7The contact force of second gear604北华大学学报(自然科学版)第20卷图8常啮合齿轮接触力Fig.8The contact force of constant meshing gear㊀㊀通过动力学仿真可见:在变速器一挡,输入转速为314rad /s(3000r /min)时,输出转速在81.5rad /s 上下波动,根据转速比计算变速器一挡的实际传动比为3.85;在变速器二挡,输入转速为942rad /s(9000r /min)时,输出转速在447.57rad /s 上下波动,计算二挡的实际传动比为2.10.由此可见,传动比与设计的最优传动比误差在5%以内,满足设计要求.4㊀小㊀㊀结本次研究基于某款纯电动汽车的整车参数和性能指标,对动力传动系统进行了参数匹配,建立了基于汽车0~100km 加速时间的目标函数,利用遗传优化算法对主减速器传动比㊁变速器一挡和二挡传动比进行设计,得到了较好的汽车动力性能.对变速器的齿轮轴系进行三维建模与动力学仿真,分析了变速器各挡输入输出的转速数据关系,验证了设计的准确性,并得到了最大输入转矩下的接触力幅值.对于变速器的设计,齿轮轴系的强度校核是非常重要的,所以未来将基于静力学分析软件对齿轮轴系进行疲劳与强度分析.参考文献:[1]朱虹燃,王玉林,张鲁邹.纯电动汽车两挡自动变速器的传动比优化[J].农业装备与车辆工程,2014,52(1):43-45,54.[2]刘振军,崔荣宾,赵江灵,等.纯电动汽车两档变速器的研究与设计[J].重庆理工大学学报(自然科学),2014,28(2):7-10,15.[3]王雪敏.纯电动汽车专用两档自动变速器参数匹配设计及优化[D].重庆:重庆大学,2016.[4]赵广宣.纯电动汽车动力传动系统匹配与整体优化研究[D].镇江:江苏大学,2017,52(1):43-45,54.[5]王望予.汽车设计[M].4版.北京:机械工业出版社,2007.[6]查鸿山,宗志坚,刘忠途,等.纯电动汽车动力匹配计算与仿真[J].中山大学学报(自然科学版),2010,49(5):47-51.[7]杨程.基于混沌粒子群算法的某款纯电动汽车动力系统参数优化[D].西安:长安大学,2016.[8]何波,彭忆强,任洪涛,等.基于动力性与经济性的两挡纯电动汽车传动比优化[J].西华大学学报(自然科学版),2017,36(3):8-15.[9]李智勇,黄滔,陈少淼,等.约束优化进化算法综述[J].软件学报,2017,28(6):1529-1546.[10]赵广宣.纯电动汽车动力传动系统匹配与整体优化研究[D].镇江:江苏大学,2017.[11]周涛,魏蒙林,熊全胜,等.基于RecurDyn 的多体动力学仿真[J].CAD /CAM 与制造业信息化,2004(8):44-45.[12]李启海,李超.基于RecurDyn 的直齿锥齿轮多体动力学仿真分析[J].中国水运(下半月),2017,17(7):91-93.ʌ责任编辑:郭㊀伟ɔ704第3期高惠东,等:纯电动汽车两挡变速器优化设计。
纯电动汽车两档自动变速器传动系统的热分析开题报告1. 研究背景和意义随着环境保护意识的不断提高和能源问题的日益凸显，纯电动汽车作为一种新型的动力驱动方式，受到了越来越多的关注。
与传统汽车相比，纯电动汽车采用的是电动驱动系统，具有零排放、低噪音、高效率等优点。
然而，在纯电动汽车的发展过程中，还存在着许多技术难题，其中包括电池能量密度、充电时间、续航里程、电动机效率等问题。
其中，纯电动汽车的传动系统也是一个关键技术领域，因为传动系统的设计、制造和性能直接影响到车辆的续航里程、加速性能、能量利用效率等方面。
纯电动汽车的传动系统通常采用单速传动方式，即车速与电动机转速之间的比例关系是一定的，这种传动模式的优点是结构简单、体积小、效率高，但是在高速行驶和加速过程中存在着一定的缺陷，比如加速能力受限、能量利用率不高等。
因此，采用自动变速器传动系统是一个提升纯电动汽车动力性能的重要手段。
自动变速器传动系统可以根据车速和负载情况自动调节电动机的转速和扭矩输出，从而提高车辆的驾驶性能、续航里程和能量利用率。
然而，自动变速器传动系统的设计、制造和优化也是一个复杂的问题，需要充分考虑系统的热力学特性、传动效率、噪音振动等因素。
因此，对纯电动汽车的自动变速器传动系统进行热分析研究，不仅可以深入理解其传动机理和热力学特性，还可以为传动系统的设计和性能优化提供重要参考。
2. 研究问题和内容本文将针对纯电动汽车的两档自动变速器传动系统进行热分析，旨在探究传动系统在不同条件下的热特性和热力学效率，为传动系统的设计和优化提供参考。
具体研究问题和内容包括：（1）两档自动变速器传动系统的结构和原理分析，包括齿轮传动结构、离合器控制系统、换挡逻辑等方面。
（2）传动系统的热力学特性分析，包括传动损失分析、热传导和辐射传热分析等方面。
（3）传动系统的运行状态模拟和仿真，基于MATLAB和Simulink 等软件对传动系统的性能和效率进行分析和评价。
