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      某純電動汽車兩擋變速器分析及優(yōu)化研究

      2021-10-25 03:36:34鄧才榮
      科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2021年30期
      關(guān)鍵詞:傳動比車速變速器

      鄧才榮 黨 波

      (西京學(xué)院,陜西 西安 710000)

      1 概述

      近幾年來,汽車的保有量在逐漸變大,隨之帶來的是汽車的燃料短缺問題變得明顯,全球面臨的能源和環(huán)境變得嚴(yán)峻突出。能源消耗帶來了環(huán)境污染的問題加重,各個國家都在努力尋找合理的控制和解決方案。中西各國汽車生產(chǎn)廠商在積極的投入許多的資本在純電動汽車方面,使得純電動汽車的開發(fā)和相關(guān)研究進(jìn)展加快,純電動汽車變速器將成為未來純電動汽車研究發(fā)展一大方向。

      2 變速器優(yōu)化研究的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用意義

      我們過去所使用的方法,更多是在車身結(jié)構(gòu)和發(fā)動機(jī)的改造,但是這些相對已經(jīng)較為成熟了,發(fā)展的空間到達(dá)了現(xiàn)有技術(shù)的瓶頸,彎道超車不如換道超車,思想在進(jìn)一步深化,我們試圖去尋找其他的解決方向和突破。要想電動汽車得以發(fā)展,一個重要問題是解決變速器這一核心組成部分之一,變速器的性能極大影響汽車的使用時經(jīng)濟(jì)性、動力性和乘坐的舒適度。本文選取以純電動汽車兩擋變速器作為研究對象,希望有新的突破來適應(yīng)未來發(fā)展的趨勢,也是本論文的研究意義所在。我們從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),變速器的功效能彌補(bǔ)電機(jī)的缺陷,在電機(jī)與驅(qū)動輪的間隙間留有一個間隙,用于安裝變速器,這樣一來可以合理的調(diào)配電機(jī)的工作高效區(qū)間,很大程度減少電池和電機(jī)的負(fù)擔(dān),并且也能使得汽車在遇到不同路況的時候能夠去適應(yīng)新的條件,從而提高行駛性能。這種配置方式結(jié)構(gòu)相應(yīng)簡單,費(fèi)用較低,所以,在電機(jī)和電池等技術(shù)還沒有突破時,裝載傳動裝置是非常必要的。

      在電動汽車?yán)锩嫜b載兩擋變速器,可以大大的發(fā)揮電機(jī)的功效,極大的降低電動汽車其他的技術(shù)的要求,而且它能有效地減少純電動汽車的成本,還可以降低電動機(jī)的體積和重量等參數(shù)。

      3 純電動汽車動力傳動系統(tǒng)的參數(shù)匹配優(yōu)化

      3.1 電動汽車動力系統(tǒng)的設(shè)計要求

      影響電動汽車的性能因素有很多,包括電動汽車的電池、電機(jī)的品質(zhì)等,但其中非常重要的一個方法是對傳動系統(tǒng)的進(jìn)行優(yōu)化。在純電動汽車的傳動系部件的參數(shù)設(shè)計中,對純電動汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性和續(xù)航里程中有很大的影響,其中包括電機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩等合理的匹配。參數(shù)的選擇不合理,所匹配出來的性能就會使得電動汽車最高車速偏離最高檔位上。所以,在進(jìn)行動力傳動系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化時,需要考慮從汽車的經(jīng)濟(jì)性對汽車傳動比進(jìn)行有效匹配,才能整車的性能有所提高。

      我國國家乘用汽車技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,在純電動汽車中明確的動力性要求。汽車在國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試中,每30 分鐘的最高車速不低于80km/h,并且10 秒內(nèi)加速不低于50km/h。對測驗(yàn)時的爬坡度要求最大爬坡度不能低于20%。并且,續(xù)航里程也不能低于80km。

      3.2 電動汽車驅(qū)動電機(jī)的參數(shù)確定

      純電動汽車使用的電動機(jī)較工業(yè)上所使用的電動機(jī)所處的環(huán)境有很大不同,所以對汽車使用的電動機(jī)技術(shù)條件要求更高。當(dāng)汽車在外界溫度和道路條件下發(fā)生變化時,它們可能會受到惡劣的工作條件的影響。純電動汽車的電機(jī)對過載能力、最高速度和工作效率都有非常高的要求。電機(jī)的安裝方式一種是不需要驅(qū)動輪,它本身擁有多個電機(jī)結(jié)構(gòu)。另一種是使用了變速器的單一電機(jī),主要是通過差速器的轉(zhuǎn)化驅(qū)動車輪。大部分電動汽車仍然會使用單電機(jī)結(jié)構(gòu),因?yàn)樽兯倨鹘o電動汽車性能帶來的改變是非常大的。目的是為了提高汽車的驅(qū)動電機(jī)和變速器相匹配度,電機(jī)參數(shù)則要根據(jù)汽車的性能要求來進(jìn)一步確定。

      在整個設(shè)計過程中,電動機(jī)的驅(qū)動功率要根據(jù)電動汽車要求的最高穩(wěn)定車速進(jìn)行選擇,電動汽車在水平良好路面時,其驅(qū)動電機(jī)的額定功率要高于最高穩(wěn)定車速勻速行駛的阻力功率。所以,在選擇電機(jī)時要對電機(jī)額定功率、峰值功率、基速和轉(zhuǎn)速這四個基本參數(shù)進(jìn)行分析計算。

      3.2.1 電機(jī)額定功率

      電動機(jī)的額定功率要符合汽車最高速度的駕駛條件的要求。在實(shí)際中,電動機(jī)額定功率的下限常常以最大轉(zhuǎn)速的90%進(jìn)行計算。我們設(shè)計最高車速為Umax,根據(jù)公式求得Pe22.67kw。

      其計算公式為:

      式中:f 為滾動阻力系數(shù);Nt為傳動系統(tǒng)的傳動效率;g 為重力加速度9.8m/s2。

      3.2.2 電機(jī)峰值功率

      峰值功率要符最大速度、最大坡度和加速時間三種條件下的,然后計算三種驅(qū)動條件下的功率,取值通常是它的最大值。其中αmax為最大爬坡度,計算得到Pe≥41.66kw。

      最大爬坡度所需功率公式為:

      式中:ui為爬坡時的穩(wěn)定車速;g 為重力加速度9.8m/s2。

      擋位的傳動比會影響加速時間,所以電機(jī)的選擇是在其后進(jìn)行選擇。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計算以及計要求和汽車整車參數(shù)計算可得,Pe≥50.22kW。

      加速時間所需的功率Pe公式為:

      式中:δ 為質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)。

      3.2.3 電機(jī)基速和最高轉(zhuǎn)速

      根據(jù)轉(zhuǎn)速不同可以分為低、中和高三個等級轉(zhuǎn)速電機(jī)。一般來說,對于驅(qū)動電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速和汽車的動力性成正比,轉(zhuǎn)速越高動力性越好。但是,電機(jī)的轉(zhuǎn)速不宜過高或者過低,過高時對電機(jī)的制造成本要求增加,對機(jī)器磨損也會相應(yīng)增加,最終的經(jīng)濟(jì)性也會變得更差。所以,保證設(shè)計要求情況下,重復(fù)考慮到傳動效率以及經(jīng)濟(jì)性,電動機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇應(yīng)該合理范圍。綜合上面闡述,選擇驅(qū)動電機(jī)型號為Y200L2-2,技術(shù)參數(shù)如表1。

      表1 驅(qū)動電機(jī)型號Y200L2-2 參數(shù)

      3.3 傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配

      由于路況和工況的變化性,所以純電動汽車的運(yùn)行需要多種的變速比。目前的技術(shù)條件的現(xiàn)狀,諸如電池和電機(jī)等性能不能達(dá)到理想的技術(shù)效果,所以還是需要變速器的加持。

      3.3.1 傳動比范圍確定:一擋變速器和二擋變速器應(yīng)該滿足以下原則,一擋傳動比的加速能力在0-100km/h,并且其最小值能夠在汽車最大爬坡度的要求下。其中一擋傳動比的最大值不會出現(xiàn)驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn);二擋傳動比的最大值要滿足驅(qū)動電機(jī)最高轉(zhuǎn)速可以到達(dá)最高車速。

      3.3.2 最小傳動比的確定:傳動系最小傳動比受轉(zhuǎn)速比以及車速影響,其關(guān)系式為:

      3.3.3 最大傳動比的確定:傳動系最大傳動受比峰值矩和爬坡度最大影響,其關(guān)系式為:

      由于道路條件不同要考慮到電動汽車的驅(qū)動車輪與路面的附著條件,當(dāng)汽車滿載水平道路時載荷為G1。其關(guān)系式為:

      式中,φ 為路面附著系數(shù)。

      總成傳動比要考慮動力約束,同時要考慮變速器的尺寸等大小,另外對于減速比大時帶來的噪音大、滑動等問題。傳動比的確定:通過分析最低擋的速度比應(yīng)該滿足汽車在電動機(jī)最大的最大輸出扭矩下的爬坡度,最低的車速最大以最低穩(wěn)定車速行駛;并且電動機(jī)的輸入軸的轉(zhuǎn)速也應(yīng)該盡量的減小,同時也要保證它的速度較高情況下的效率。在實(shí)際的計算時的取值,對于兩擋變速器的取值范圍也要適當(dāng)減小。

      3.4 傳動系統(tǒng)齒輪傳動比計算

      通過分析最低擋的速度比應(yīng)該滿足汽車在電動機(jī)最大的最大輸出扭矩下的爬坡度,最低的車速最大以最低穩(wěn)定車速行駛;并且電動機(jī)的輸入軸的轉(zhuǎn)速也應(yīng)該盡量的減小,同時也要保證它的速度較高情況下的效率。對于檔位下的傳動比也有要求滿足一擋情況下爬坡的能力,這是為了保證汽車在低速情況下也能夠進(jìn)行有效的工作。汽車在爬坡傳動比的時候保證電機(jī)能夠以最大的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行工作,同時驅(qū)動輪與路面有足夠的著地能力。

      并且,在實(shí)際路況下導(dǎo)致驅(qū)動力不連續(xù)導(dǎo)致?lián)Q擋動力不足或者中斷,原因可能是兩個擋位間的傳動比沒有合理的匹配,最終影響駕駛體驗(yàn)。在進(jìn)行匹配時候要對經(jīng)濟(jì)性和動力性的考慮,也要對變速等結(jié)構(gòu)的尺寸等問題限制。最后在實(shí)際的計算取值,要對于兩擋變速器的取值范圍也要適當(dāng)減小。

      按照國家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)選用斜齒輪法向模數(shù)2.0mm;壓力角α 使用標(biāo)準(zhǔn)壓力角為20°;斜齒輪的螺旋角β 選擇會受齒輪的強(qiáng)度的影響,其角度越大,齒輪的強(qiáng)度和嚙合的重合度越高,性能更加平穩(wěn),產(chǎn)生的噪聲也會變小。但是在超過30°齒輪的抗彎強(qiáng)度會大幅度下降。因此在選擇時要合理選擇,在這里我們選擇21.3°;齒輪寬度輸入軸一擋齒輪分別為b1=19mm 和23mm,輸入軸二擋齒輪b1=39mm 和36mm;汽車中所使用的變速器齒輪都為標(biāo)準(zhǔn)h*a=1.0。

      3.4.1 各擋齒輪參數(shù)的計算

      根據(jù)前面確定的傳動比和中心距等參數(shù)齒數(shù)進(jìn)行計算,得出Z1=18,Z2=37,則實(shí)際的一擋傳動比ig1=2.052。其中一擋齒輪參數(shù)計算公式為:

      聯(lián)立方程

      為進(jìn)行有效的克服齒輪根切提高齒輪強(qiáng)度,我們需要對齒輪進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕俏灰啤?/p>

      計算端面嚙合角、中心距和端面壓力角:

      得A0=58.99mm,αt=21.325°,α't=21.40°。

      3.4.2 二擋齒輪參數(shù)的確定

      聯(lián)立方程可以求出實(shí)際的一擋傳動比Ig2=1.56。

      綜合上述分析和計算,得到一擋傳動比為2.052,二擋傳動比為1.56,主減速器傳動比為4.71。動力總成參數(shù)優(yōu)化如表2 所示。

      表2 動力總成參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

      4 研究總結(jié)

      全球環(huán)境下,電動汽車的發(fā)展是必然趨勢。但是,傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的汽車存在已經(jīng)相當(dāng)長時間了,發(fā)展也相當(dāng)成熟了。要使得電動汽車的性能能夠滿足人們的使用要求,需進(jìn)一步發(fā)展電動汽車的配套設(shè)施,使之更加全面、通用,更加貼近人民生活。然而,電機(jī)系統(tǒng)和變速器電動汽車重要部分,能影響到電動汽車整體性能。電機(jī)和電池發(fā)展由于技術(shù)的瓶頸,很難滿足現(xiàn)在電動汽車的技術(shù)要求。需要變速器的加持改善電機(jī)和電池整體性能表現(xiàn),才能滿足當(dāng)前電動汽車的動力性和經(jīng)濟(jì)性。在坡道低速行駛時,電動汽車使用大傳動比可降低在高負(fù)載后產(chǎn)生的負(fù)載電流,減少電機(jī)發(fā)熱。變數(shù)器優(yōu)化可以改善電機(jī)運(yùn)行工況,進(jìn)而減少電池深度放電,這樣一來電機(jī)和電池的可靠性和安全性也提高了。并且,對不同車型的性能要求就能降低,間接提高了電機(jī)的實(shí)用性問題。變速器優(yōu)化設(shè)計,提高電動汽車性能的同時減少了其他部件的技術(shù)要求,為了純電動汽車進(jìn)一步的發(fā)展提供理論依據(jù)。

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