CR-CR结构新能源汽车变速箱离合器设计和校核

蔡有建 舒元林 骆德福

(福建中青汽车技术有限公司，福建 福州 350001)

1 新能源汽车多挡变速箱应用前景

随着新能源汽车实际运行数量的逐步攀升，目前主流的单个挡位减速箱的短板也逐步显现。相反，部分新能源汽车在采用两挡或多挡变速箱后，通过增加速比范围，根据不同工况进行速比的改变，在车辆起步时拥有更好的加速水平，在高速时降低电动机的转速，从而降低噪音和电能的消耗[1]。电机最高转速及功率要求的下降，可以明显降低电机及控制器成本；同时能耗的节约可以在续航里程不变前提下，减少装车的电池容量，降低整车成本，相对单个挡位减速箱，可达到较好的整车综合收益。随着补贴的下降和能耗等要求的提升，未来新能源汽车有望逐步大量采用多挡变速箱[2]。

新能源汽车多挡变速箱的应用也会对整车带来新的“挑战”，包括成本上升、重量增加、换挡执行系统额外损耗、换挡时期动力中断、售后服务工作增加等。新能源汽车变速箱设计中采用的技术方案必须能很好地解决这些潜在的问题。

2 新能源汽车变速箱机构的选择

新能源汽车驱动电机动力系统的特点，与传统内燃机相比，具有低速扭矩大、转速范围宽、扭矩变化快等特点，对与之相匹配的多挡变速箱结构提出了不同层面的要求，无法用传统的变速箱进行简单改造，来适应新能源汽车的使用要求[3]。

从早期新能源汽车推广过程总结的经验看，新能源汽车变速箱必须采用新的结构设计，来平衡整体成本、动力性、经济性、驾驶平顺性、可靠性等方面要求。新能源汽车变速箱挡位少，挡比大，叠加电机转速范围广的因素，由此带来的换挡转速差较大，换挡冲击大的问题较为突出，对变速箱的齿轮机构和换挡机构都提出了更高的要求[4]。对变速箱整体结构形式的选择，决定了变速箱的可靠性能否满足新能源汽车的使用要求。新能源汽车前期推广过程中采用传统手动变速箱改造而来的AMT，后期出现大量售后质量问题直接验证了这个分析。

中青汽车技术有限公司针对新能源汽车变速箱推广前期出现的问题，最终决定的技术方案采用双排CR-CR行星齿轮作为齿轮机构，湿式离合器作为换挡执行机构。行星齿轮机构相对于传统定轴式齿轮机构，具有承载力大、效率高、体积小、重量轻等优点，更适合于新能源汽车变速箱，特别是中重型新能源商用车上。双行星排结构简化了对换挡离合器结构的技术要求，可实际简化为制动器，为引入压缩空气作为换挡执行机构技术方案提供了前提条件。压缩空气作为换挡执行机构，取代了液压机构，减少零件数量，大幅度降低了变速箱的成本。

湿式离合器方案的采用，允许换挡过程半联动输出扭矩，可实现无动力中断换挡，极大程度减少了换挡冲击，提供了变速箱可靠性的保证。本文对中青汽车技术有限公司一款采用双排CR-CR行星齿轮机构的新能源汽车变速箱运动进行分析，从而对换挡离合器进行设计校核。

3 CR-CR行星齿轮机构变速箱的湿式多片离合器设计与校核

3.1 离合器接合过程的理论分析

对离合器接合过程进行分析,可以取其从主动片和被动片的油膜接触开始到滑摩完全停止的过程。设离合器的主、从动部分的角速度为ωe、ωb，则其接合过程中ω随时间t的变化可用图1表示。当0ωb，主、从动部分在同步过程有转速差产生滑摩,并产生热量。在每一次接合过程中,随着摩擦力矩的增大,摩擦产生的热量增加,摩擦片表面温度也随之升高,其摩擦力矩的增长及温升过程可用图2表示。因此，离合器设计必须控制摩擦片的最大相对线速度Vmax，并配合有效的降温结构设计，迅速带走每次结合过程中产生的热量。

Ωe: 主动部分角速度 Ωb：从动部分角速度 t0：主从动部分结合时间

(a)摩擦力矩变化曲线 (b)温升变化曲线

新能源汽车动力系统转矩变化较快，由此带来对变速箱离合器的冲击也较大，在设计上必须保证足够扭矩容量，通常以离合器后备系数β来评估。

3.2 CR-CR行星齿轮机构变速箱的离合器工况分析

以中青汽车技术有限公司变速箱的换挡离合器为例，该变速箱采用CR-CR双排行星轮结构，其结构示意图见图3。其工作原理为：当构件5-离合器1接合，离合器2分离，为一挡输出；当构件7-离合器2接合，离合器1分离，为二挡输出。

图3 ZQ2P12变速箱结构示意图

基于成本和实用性的考虑，该款变速箱不设N挡和P挡。采用双排CR-CR行星齿轮机构实现2个挡位的设计，可以极大简化离合器和控制机构的要求，换挡离合器可以简化为制动器。具体换挡过程也较为简单，在一挡升二挡过程中，作用在离合器1上的活塞逐步卸除压力，在回位弹簧作用下，离合器1逐步松开，同时作用在离合器2上的活塞逐步增加压力，克服回位弹簧作用后推动离合器2开始结合；期间离合器1在松开过程中转速逐步升高，传递的转矩逐步下降，同时离合器2转速逐步降低，直到转速为零，转矩逐步升高，直到最大，完成挡位的切换。同理，在二挡降一挡过程中，离合器2逐步松开，同时离合器1开始结合；期间离合器2的转速逐步升高，传递的转矩逐步下降，同时离合器1转速逐步降低到零，转矩逐步升高到最大，完成挡位的切换。在换挡过程实现平稳、无动力中断，提升换挡舒适度同时减小冲击度，降低齿轮机构的冲击力。

为准确分析离合器1和离合器2在变速箱运行过程中所承受的最大扭矩和最大转速，表1对ZQ2P2变速箱的离合器各个构件做了定义。

表1 离合器构件定义

根据单行星的行星排运动特性，构件之间的运动关系为：

ω1太阳+a1×ω1齿圈-(1+a1)ω1H=0

(1)

ω2太阳+a2×ω2齿圈-(1+a2)ω2H=0

(2)

在CR-CR结构中，前排行星架和后排齿圈连成一体，后排行星架和前排齿圈连成一体，即：

ω1H=ω2齿圈

(3)

ω2H=ω1齿圈

(4)

在ZQ2P12变速箱，电机输出轴和第一排行星齿轮的太阳轮连成一体，电机输出转矩为变速箱输入，定义为M输入，转速为N输入，即：

ω1太阳=N输入

(5)

从图3可以看出，离合器1主动件和第一排行星齿轮的齿圈连成一体，离合器2主动件和第二排行星齿轮的太阳轮连成一体,变速箱的输出轴和第一排行星齿轮的行星架、第二排行星齿轮的齿圈连成一体，即：

N1=ω1齿圈

(6)

N2=ω2太阳

(7)

N输出=ω1H=ω2齿圈

(8)

由以上公式，得出在各个挡位下，离合器1和离合器2以及输出轴的转速，如表2所示。

表2 换挡离合器转速

根据力矩平衡条件(匀速转动)，在忽略内部摩擦力的条件下，行星排上的三个受力构件，即输入，离合器，输出的总力矩为0，即：

M入+M离合器-M出=0

(9)

根据能量守恒定律，得：

M入N输入=M出N输出

(10)

由以上公式，得出在各个挡位下，离合器1和离合器2以及输出轴的转矩如表3所示。

表3 换挡离合器转矩

3.3 中青ZQ2P12变速箱的换挡离合器校核

ZQ2P12变速箱设计最大输入转速为8000r/min，输入扭矩为1200N·m，适用于10～13m公交客车以及等同条件下的货车车型。为保证变速箱能稳定运行，主要针对变速箱在最大设计输入工况下，对换挡离合器的摩擦片之间的最大相对线速度Vmax，以及离合器后备系数β进行设计校核，结果如表4所示。

表4 CR-CR行星齿轮结构离合器的摩擦片传扭能力计算

4 结果与讨论

由以上校核计算结果可知，中青ZQ2P12变速箱离合器的摩擦片各项参数达到设计要求。实际路试和台架实验稳定运行结果显示，与校核的结果比较吻合。

本文建立了CR-CR行星齿轮结构离合器的摩擦片传扭能力计算数学模型，调整部分边界条件后，可以作为类似结构行星齿轮变速箱计算的参照，例如拉维娜行星齿轮结构等。随着新能源汽车变速箱产业的发展，后续会出现更多不同于传统燃油车变速箱、专门适用于新能源汽车的新型结构变速箱，中青ZQ2P12变速箱设计作为一个创新尝试，率先验证和推广，为后续新能源汽车变速箱研发提供一个新的思路。