电动汽车离合系统的设计与分析报告

1、. . . . 毕业设计说明书学生：黄海学 号：20080827 学 院：交通运输与物流学院 专业年级：2008交通运输2班题 目：电动汽车离合系统的设计与分析 指导教师：占国评阅教师：邓海英2012年06月40 / 45摘 要作为当前最具可行性的环保节能型汽车，电动汽车成为汽车行业研究的热点，其传动系统作为关键的组成部分也受到各大汽车厂家和研究机构的重视。自动变速功能的实现可以改善车辆的乘坐舒适性和通过性，并减轻驾驶员的疲劳强度，因此自动变速系统与电动汽车的结合成为目前研究的热点。对于质量较轻的电动汽车，简单紧凑的换挡机构可以降低整车重量并解决布置困难等问题，基于此本文提出一种由离心式离合器

2、与行星齿轮机构相结合的新型自动换挡机构。首先，介绍了离心式离合器的结构与工作原理，对离心式离合器的特性与工作过程进行了分析。详述了基于离心式离合器的电动汽车自动换挡机构的结构与工作原理，并引入换挡品质来衡量自动换挡机构的好坏。 其次，通过行星齿轮机构与换挡过程的数学模型的建立，推导出基于离心式离合器的电动汽车自动换挡机构换挡品质的计算方法。关键词 电动汽车；自动换挡；离心式离合器；换挡品质Electric Automobile Clutch System Design and AnalysisAbstract: As the most feasible environmental protec

3、tion method, electric vehicle becomes one of the research hotspots in automotive industry. Its transmission system which is the key part of the vehicle gets more and more attention by various auto makers and research institutions. Automatic transmissionhas a series of advantages such as the improvem

4、ent of the comfortable and crossing ability, to ease the tiredness of driver and so on, so the combination of automatic shift and electric vehicle become the research points at present. For miniature low-speed electric cars, simple and compact complex shift institution can reduce vehicle weight and

5、solve problems such as Therefore, a new auto shift institution which is combined centrifugal clutch with planetary gears is researched. Firstly, this paper introduced the structures and working principles of centrifugal clutch, analyzed the working characteristics and working process. The structure

6、and working principles of automatic shift institutions based on centrifugal clutch are described in detail. Two evaluation indicators of the shift quality were analyzed which could evaluate the auto shift institution. Secondly, mathematical models of planetary gears and shift process were built. ded

7、ucing the calculation formulas about shift quality, the influence of the original centrifugal clutch to the dynamic performance and the shift quality were analyzed, the result showed the original centrifugal clutch should be improved.Keywords: Electric vehicle; Automatic transmission; Centrifugal cl

8、utch; Shift quality目 录1 绪论11.1 研究背景11.2 离合器的发展21.3 本文研究的目的与意义41.4 本文的研究容42 离心式离合器的电动汽车自动换挡机构52.1 离心式离合器52.1.1 离心式离合器的结构与工作原理52.1.2 离心式离合器的设计分析72.1.3 离心式离合器的结合过程分析92.1.4 catia离心式离合器的结构图102.2 离心式离合器在电动汽车自动换挡机构中的工作原理152.2.1 电动汽车自动换挡机构的结构152.2.2 电动汽车自动换挡机构的工作原理162.3 换挡品质172.4 本章小结213 离心式离合器对换挡品质的影响分析213

9、.1 自动换挡过程理论模型的推导213.1.1 行星齿轮机构数学模型的建立213.1.2 换挡过程数学模型的建立243.2 离心式离合器的性能分析273.3 本章小结354 结论354.1 全文总结354.2 展望35致37参考文献381 绪论1.1 研究背景随着科学技术的进步和经济的发展，作为人们日常生活中不可缺少的代步和运输工具，汽车发挥了巨大的作用，对我们生活产生了深远影响。目前，由于汽车工业的发展带来石油资源需求的急剧增加，对环境严重的污染越来越严重，以有限的石油资源和破坏环境为基础的发展模式越来越不被人们所认同，节能和环保成为汽车工业发展的新目标，特别是各国政府都积极支持电动汽车的研

10、究，汽车企业也在积极参与电动汽车的研究。电动汽车有效避开了能源紧缺和环境污染的双重危机，被认为是汽车工业发展的明日之星。电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，且满足道路安全法规对汽车各项要求的车辆。电动汽车是以车载储能装置为能量源，以电机通过传动系统驱动车辆行驶。电动汽车与燃机汽车相比，有其自身的许多特点，电动汽车的价格比燃机汽车高，决定了电动汽车的初期投入大、费用支出多，但是电动汽车的维修保养费用低，随着使用年限的延长，其使用费用支出会逐渐降低，甚至会低于燃机汽车使用成本。能量转换效率高，操纵简便，系统结构简化，方便车辆的布置。电动汽车可实现制动能量回收，减速停车时的动能通过再生

11、制动转化为电能并贮存在蓄电池中，停车时不必让电机空转，从而降低能源消耗，提高能源的使用效率。 汽车动力传动系统的任务是传递动力，并在动力的传递过程中改变传动比，以调节或变换动力输出装置的特性，同时通过变速来适应不同的驾驶要求。人工操作的手动变速器在换挡时转速变化突然，常使动力输出装置处于非稳定工况，影响汽车的动力性能、经济性能与乘坐舒适性。因此要保证动力输出装置在行驶过程中处于良好的工作状态，提高乘坐舒适性与操作简便性，需对自动变速系统与发动机结合的离合器研究。汽车离合器的种类很多，目前主要分为离合器分为电磁离合器、磁粉离合器、摩擦式离合器和液力偶合器。本文研究的是离心式离合器，离心离合器通过

12、摩擦力来传递扭矩，它的基本结构由三个元件组成：主动件、离心体和从动件。离心体滑装在主动件上，由原动机驱动主动件旋转加速而将其径向甩出。当主动件达到规定角速度时，甩出的离心体与从动件壁压紧，由摩擦力强制其进入运动状态而传递扭矩。离合器的从动件可以直接或通过皮带轮等机构与负载连接。离心离合器靠原动机本身的转速而实现两轴自动接合或断开的离心离合器,形成了它固有的一些特点:（1）离合器的接合取决于离心力,因此不能传递大于额定扭矩的负荷。如果从动端超载，离合器便打滑，所以它也具有安全离合器的功能。（2）离心离合器也不宜装在低速轴上使用，在低速时为了达到足够的离心力，就要增大结构尺寸，将使成本增加。（3）

13、因为离心力是随转速的增加而逐渐增加，所以使用离心离合器就相当于将负荷逐渐地加到原动机上，因而可以直接起动工作机械，而获得平稳起动的效果，若用电动机直接驱动，可以显著地减小启动电流。（4）当原动机未达到额定转速之前，离心体相对于从动件要打滑，从而产生摩擦热，消耗一部分能量，因此离心离合器不造于在频繁起动的场合使用，也不宜在起动过程太长的地方应用。1.2 离合器的发展在早期研发的离合器结构中，锥形离合器最为成功。它的原型设计曾装在1889年德国戴姆勒公司生产的钢制车轮的小汽车上。它是将发动机飞轮的孔做成锥体作为离合器的主动件。采用锥形离合器的方案一直延续到20世纪20年代中叶，对当时来说，锥形离合

14、器的制造比较简单，摩擦面容易修复。它的摩擦材料曾用过骆毛带、皮革带等。那时曾出现过蹄-鼓式离合器，其结构有利于在离心力作用下使蹄紧贴鼓面。蹄-鼓式离合器用的摩擦元件是木块、皮革带等，蹄-鼓式离合器的重量较锥形离合器轻。无论锥形离合器或蹄鼓式离合器，都容易造成分离不彻底甚至出现主、从动件根本无法分离的自锁现象。现今所用的盘式离合器的先驱是多片盘式离合器，它是直到1925年以后才出现的。多片离合器最主要的优点是，汽车起步时离合器的接合比较平顺，无冲击。早期的设计中，多片按成对布置设计，一个钢盘片对着一青铜盘片。采用纯粹的金属的摩擦副，把它们浸在油中工作，能达到更为满意的性能。浸在油中的盘片式离合器

15、，盘子直径不能太大，以避免在高速时把油甩掉。此外，油也容易把金属盘片粘住，不易分离。但毕竟还是优点大于缺点。因为在当时，许多其他离合器还在原创阶段，性能很不稳定。石棉基摩擦材料的引入和改进，使得盘片式离合器可以传递更大的转矩，能耐受更高的温度。此外，由于采用石棉基摩擦材料后可用较小的摩擦面积，因而可以减少摩擦片数，这是由多片离合器向单片离合器转变的关键。20世纪20年代末，直到进入30年代时，只有工程车辆、赛车和大功率的轿车上才使用多片离合器。早期的单片干式离合器由与锥形离合器相似的问题，即离合器接合时不够平顺。但是，由于单片干式离合器结构紧凑，散热良好，转动惯量小，所以以燃机为动力的汽车经常

16、采用它，尤其是成功地开发了价格便宜的冲压件离合器盖以后更是如此。实际上早在1920年就出现了单片干式离合器，这和前面提到的发明了石棉基的摩擦面片有关。但在那时相当一段时间，由于技术设计上的缺陷，造成了单片离合器在接合时不够平顺的问题。第一次世界大战后初期，单片离合器的从动盘金属片上是没有摩擦面片的，摩擦面片是贴附在主动件飞轮和压盘上的，弹簧布置在中央，通过杠杆放大后作用在压盘上。后来改用多个直径较小的弹簧，沿着圆周布置直接压在压盘上，成为现今最为通用的螺旋弹簧布置方法。这种布置在设计上带来了实实在在的好处，使压盘上的弹簧的工作压力分布更均匀，并减小了轴向尺寸。多年的实践经验和技术上的改进使人们

17、逐渐趋向于首选单片干式摩擦离合器，因为它具有从动部分转动惯量小、散热性好、结构简单、调整方便、尺寸紧凑、分离彻底等优点，而且由于在结构上采取一定措施，已能做到接合盘式平顺，因此现在广泛采用于大、中、小车型中。如今单片干式离合器在结构设计方面相当完善。采用具有轴向弹性的从动盘，提高了离合器的接合平顺性。离合器从动盘总成中装有扭转减振器，防止了传动系统的扭转共振，减小了传动系统噪声和载荷。随着人们对汽车舒适性要求的提高，离合器已在原有基础上得到不断改进，乘用车上愈来愈多地采用具有双质量飞轮的扭转减振器，能更好地降低传动系的噪声。对于重型离合器，由于商用车趋于大型化，发动机功率不断加大，但离合器允许

18、加大尺寸的空间有限，离合器的使用条件日酷一日，增加离合器传递扭矩能力，提高使用寿命，简化操作，已成为重型离合器当前的发展趋势。为了提高离合器传递扭矩的能力，在重型汽车上可采用双片干式离合器。从理论上讲，在一样的径向尺寸下，双片离合器传递扭矩的能力和使用寿命是单片的2倍。但受到其他客观因素的影响，实际的效果要比理论值低一些。近年来湿式离合器在技术上不断改进，在国外某些重型车上又开始采用多片湿式离合器。与干式离合器相比，由于用油泵进行强制冷却的结果，摩擦表面温度较低(不超过93)，因此，起步时长时间打滑也不致烧损摩擦片。查阅国外资料获知，这种离合器的使用寿命可达干式离合器的5-6倍，但湿式离合器优

19、点的发挥是一定要在某温度围才能实现的，超过这一温度围将起负面效应。目前此技术尚不够完善。1.3 本文研究的目的与意义 随着科学技术的发展与人们生活水平的不断提高，带有离心式离合器自动变速系统的车辆以其方便舒适以与安全性，易于操作的特点将会受到人们的青睐。目前，国外学者对自动换挡系统中离合器结构参数对换挡品质的影响等基础性研究不多，特别是针对适用于城市工况的轻型电动汽车自动换挡机构的研究更少。对于轻型电动汽车，本来电池会占据很大的整车重量，如仍然使用传统车辆的自动换挡装置不但会增加整车重量，在动力传动系统的布置方面也比较困难，从而导致汽车价格过高，这样就决定了一辆汽车的性价比。基于我国目前离心式

20、离合器自动换挡机构的研发现状，适用于城市工况的轻型电动汽车离心式离合器自动换挡机构的基础性研究，对促进国产离心式离合器自动换挡机构的发展和提高我国汽车行业竞争力都具有重要的意义。1.4 本文的研究容 本文介绍了一种以离心式离合器与行星齿轮机构相结合的新型自动换挡机构。电动汽车的自动换挡机构直接影响着整车的动力性能与经济性能，在满足整车性能要求的前提下，自动换挡机构的好坏由换挡品质来评价。通过数学分析可知，离心式离合器的特性对换挡品质有直接影响，因此对其进行研究。本文的主要研究容如下:(1) 离合器发展现状，提出本文的研究目的与意义。（2）对离心式离合器的自动换挡机构的结构与工作原理进行了介绍，

21、明确了离心式离合器的工作特性与自动换挡的实现方式。引入换挡品质对自动换挡机构进行评价，分析了换挡品质的两个评价指标冲击度与滑摩功。(3) 通过建立行星齿轮机构与换挡过程的数学模型，分析离心式离合器是否可满足动力传动系统的安装要求，且其工作特性是否可以与电机相匹配，从而满足电动汽车的动力性能要求。以与汽车的换挡品质是不是在期待围里面。2 离心式离合器的电动汽车自动换挡机构随着科学技术的发展，自动变速系统以其操纵方便等优点越来越多的赢得了广大消费者的青睐，但传统的自动换挡机构结构复杂、造价高、重量大。因此本车采用一种新型自动换挡系统，此系统由离心式离合器与行星齿轮机构的相互作用完成两个挡位的切换，

22、由于结构简单紧凑，可以有效地扩大电动汽车蓄电池布置空间和乘坐空间，因此很适合用于小型电动汽车上。2.1 离心式离合器2.1.1 离心式离合器的结构与工作原理 离心式离合器的结构形式较多，根据离心体组件的形状可分为刚性闸块离心式离合器和以钢珠等散状物作为离心体的离心式离合器。散状物的离心体可以在离心力场中的自由表面随着离心力的变化而变化，它具有流体的某些特性。应用较多的刚性闸块式离心体是指离心体在离心力场中保持原来的形状，离心力只存在于接触体的公法线上。 刚性闸块离心体有自由闸块和弹簧闸块等形式。自由闸块离心式离合器在起动时，闸块便开始与壳体边打滑边接触，这个结合过程会造成摩擦发热，一般在其额定

23、转速的70-80时，主从动盘开始完全结合并传递转矩。这种离合器的结合平稳性稍差，但结构简单闸块重量较轻。弹簧闸块离心式离合器是以离心力和回位弹簧的拉力自动控制的摩擦式离合器，这种离合器结合平稳，结构上可布置成有周向弹簧、径向弹簧、片簧、橡胶弹簧等不同形式。按其在静止状态时的离合情况可分为开式和闭式两种。开式只有当达到一定工作转速时，主从动部分才结合，闭式是达到一定转速时，主从动部分才分离。 根据主动件与从动件结合方式的不同，刚性闸块离心式离合器可分为径向结合离心式离合器和轴向结合离心式离合器。径向结合离心式离合器的特点是离心体与从动件周向壁接触，其作用力与离心力一样均沿径向作用，主动件通过摩擦

24、带动从动件转动，从而传递转矩。轴向结合离心式离合器相对来说应用较少，它主要是通过一些部机构(如铰杆)将离心力轴向输出，再通过摩擦力输出转矩。 径向结合刚性闸块式离心式离合器由于其结构简单质量轻，过载时可由主从盘之间的打滑产生保护等特点，被广泛应用于工程机械中，其具体结构如图2-1所示。1-主动轴 2-回位弹簧 3-离心块 4-离合器外壳体图2-1离心式离合器离心块由多片摩擦片组成并通过弹簧连接，必须具有较大的摩擦系数和耐摩指数，三个离心体滑装在主动盘上，分别由3根弹簧控制。主动盘由电动机带动，离心块在旋转过程中以离心体固定端为支点，活动端外但会受到弹簧的制约。当主动轴转速增大到离心块产生的离心

25、力超过弹簧的最大拉力并达到一定数值时，活动端开与从动盘表面贴合产生摩擦力带动从动盘转动，从而将动力通过从动盘向外输出:当主动轴转速较低，离心块所产生的离心力不足以克服弹簧的拉力时，离心块的活动端无法与从动盘表面贴合，因此不能带动从动盘转动，离合器处于为分离状态，不传递转矩。 依据原动机转速的变化实现主从动盘自动结合或分离的离心式离合器，形成了它固有的一些特点:(1)过载保护作用。离心式离合器的结合与分离取决于主动盘旋转产生的离心力。如果从动端负载大于离合器能够传递的转矩时，主从动盘便会出现打滑现象，从而限制了动力的传递。可以防止传动系统过载，使它具有过载保护的功能。(2)结合平稳。离心式离合器

26、主动盘的离心力是随原动机转速的增加而逐渐增加的，这就相当于将负载逐渐加到原动机上，从而达到平稳起动的效果。(3)无需专门的操纵机构。改变离心式离合器结合或分离状态的操纵力是来自其部，因而无需专门的操纵机构。(4)结构简单、尺寸紧凑。(5)不宜装在低速轴上使用。传递同样的转矩和功率时，转速越低所需离合器的尺寸和质量越大，造成机构臃肿并使制造成本增加，因此离心式离合器不宜用于转速过低的场合。离心式离合器由于其过载保护的作用、平稳启动的性能、紧凑简单的结构与其简单方便的工作特性，被广泛地应用于汽车、摩托车等机动车上。2.1.2 离心式离合器的设计分析 离心式离合器是一种不需要操纵机构的自动离合器，由

27、电动机带动离合器主动盘转动，固定在主动盘上的离心块在离心力的作用下克服回位弹簧的预紧力沿柱销甩出，当主动盘达到一定转速时与从动盘结合，从而达到传递转矩的目的。在运转过程中，每块离心块所产生的离心力可由下式表示 (2-1)式中，离心块的离心力/N离心块的质量/kg离心块的重量/N离心块质心位置的平均旋转半径/m离心块旋转角速度/(rad/s)离合器主动轴转速/(r/min) 因，则式(2-1)可简化为: （2-2） 离心式离合器的工作条件是:离心块受到的离心力大于回位弹簧的最大拉力。因此离心式离合器所能传递的转矩为： （2-3） 式中， 离合器传递的转矩/ z离心块的个数从动盘摩擦面半径/m摩擦

28、副摩擦系数回位弹簧径向最大拉力/N 离心块受到的径向拉力由弹簧刚度和离心块的和从动盘之间的径向位移决定，可由下式表示: (2-4)式中，回位弹簧刚度/(N/m)离心块与从动盘之间的径向位移/m 将式(2-4)代入(2-3)中可得离心式离合器工作特性为: (2-5)令 （2-6） （2-7）则式(2-5)可表示为: (2-8)令 (2-9)由式(2-8)可知当n时，离合器不传递转矩，当时，离合器开始工作，因此即为离心式离合器的结合转速。（时传递转矩）离心块从分离到结合与从动盘摩擦面的间隙应在0.51mm之间，否则会影响离合器的灵敏度。 离心块数量一般为23只，且3只的居多。离心块的摩擦材料主要有

29、石棉基、粉末冶金等，因石棉基的摩擦系数受工作温度、单位压力和滑摩速度的影响较大，而粉末冶金的摩擦系数虽然略小但其稳定性较高，因此一般采用粉末冶金作为摩擦材料，其摩擦系数为0.25。 2.1.3 离心式离合器的结合过程分析根据离心式离合器的工作特性可知其结合过程可以分为主从动盘完全结合、完全分离和滑摩阶段三个状态。三个状态中，滑摩状态是一个过渡阶段，通过摩擦力矩的逐渐增大来实现离合器的完全结合和完全分离两个状态的切换。完全结合和完全分离是相对稳定的状态，离心式离合器处于完全结合状态时，其作用只相当于传递转矩装置，主从动盘之间没有相对转动。离心式离合器的结合过程如图2-2所示:结合时间/S图2-2

30、离合器结合过程 (1)消除间隙阶段第一阶段(OA段)，设A点对应的主动盘转速为，即OA段对应的主动盘转速为0。根据离心式离合器的结构可知，静止状态下其主动盘与从动盘之间存在一定的间隙，因此OA阶段属于间隙越来越小的阶段，在这个阶段，离合器主动盘和从动盘处于分离的状态，不传递转矩。离心力逐渐加大，离心快克服弹簧的拉力慢慢靠近从动盘，当主动盘转速达到时，主从动盘开始结合并传递转矩。为了使离合器尽快结合，从而提高工作效率，此阶段应尽可能在短时间完成，设计时的间隙应该在一个小的围里面。(2)滑摩阶段第二阶段(AB段)，设B点对应的主动盘转速为，即AB段对应的主动盘转速为。此阶段主从动盘之间产生滑摩，离

31、心式离合器从动盘转速从0上升到与主动盘同转速。此阶段与之间的转速差应尽量小些，使主从动盘快速结合，从而减小摩擦片的摩损，延长离合器的使用寿命。(3)同步阶段第三阶段(BC段)，此阶段为离心式离合器主从动盘转速从开始同步到完全结合的阶段，摩擦力矩为静摩擦力矩，离合器主从动部分转速相等并开始一同增长，到达了完全传递转矩的阶段。2.1.4 catia离心式离合器的结构图由前面所讲的离心式离合器的结构与工作原理，我们可以在catia软件中画出离心式离合器的各个组成部分的简单结构图：（1）电机中心轴图2-3电机中心轴（2）主动盘图2-4主动盘（3）回位弹簧图2-5回位弹簧（4）摩擦片图2-6摩擦片（5）

32、离合盖图2-7离合盖（6）从动盘图2-8从动盘由以上各部分可以通过catia软件把各部分装配起来，为了表达清楚部的结构我们先看一下没有装离合盖时的装配图：图2-9无盖装配图把离合盖装上时的完整离心式离合器的机构图为：图2-10完整装配图2.2 离心式离合器在电动汽车自动换挡机构中的工作原理2.2.1 电动汽车自动换挡机构的结构 利用离心式离合器自动结合与分离的特点，将其与行星齿轮机构相配合，实现电动汽车自动换挡。此换挡机构主要由五部分组成:行星齿轮机构、离心式离合器、电磁制动器、主减速器和差速器，如图2-3所示:1- 电机 2-齿圈支架 3-齿圈 4-行星齿枪 5-太阳轮 6-行星架 7-一级

33、主动齿轮 8-电磁制动器 9-单向轴承 10-离心式离合器从动盘 11-离心式离合器主动盘 12-连接套 13-电机中心轴 14-二级主动齿轮 15-二级从动齿轮16-一级从动齿转图2-3自动换档机构 电机输出轴上紧固连接着齿圈支架和离心式离合器主动盘，齿圈又与齿圈支架紧固相连，因此电机中心轴带动离心式离合器主动盘、齿圈支架、齿圈同速转动，电机输出的转矩全部转递到齿圈和离心式离合器主动盘上。连接套通过轴承安装在电机输出轴上，并与太阳轮、离心式离合器从动盘和电磁制动器动盘紧固相连。为防止连接套反转，在壳体上安装单向轴承使其径与连接套紧固连接，因此太阳轮、离心式离合器从动盘、电磁制动器动盘与连接套

34、运动状态一致，且由于单向轴承的作用，只能与电机保持同方向转动。电机输出的转矩通过齿圈和离心式离合器传递到行星架上，行星架与主减速器的一级主动齿轮紧固相连，电机输出的转矩通过行星架传递到主减速器与差速器上，进而传递到车轮上克服汽车的行驶阻力，使车辆能够正常行驶。2.2.2 电动汽车自动换挡机构的工作原理 电机转速较小时，即离心式离合器主动盘转速小于结合转速时，主动盘产生的离心力不足以克服弹簧对离心体的拉力，离心体保持收缩状态，不会带动从动盘一起转动，不传递转矩，因此电机输出的驱动力矩全部作用在齿圈上。电机中心轴通过齿圈支架带动齿圈与其同速旋转，齿圈通过行星齿轮带动行星架转动。行星齿轮与太阳轮外啮

35、合，因此行星齿轮的运动使太阳轮有向相反方向运动的趋势，但由于单向轴承对连接套的约束，使太阳轮、离心式离合器从动盘与连接套均保持静止。对于行星齿轮机构来说，齿圈与行星架分别为主动件与被动件，太阳轮为固定件，行星齿轮即公转又自转，整个轮系以一定的传动比传递作用在齿圈上的驱动力矩，即为本车的一挡传动比。 当电机转速增大到离心式离合器的结合转速时，即离合器的主动盘转速达到其结合转速时，离心体受到离心力的作用克服弹簧的拉力与从动盘结合，通过摩擦带动从动盘与主动盘一起转动，从动盘通过连接套带动太阳轮与其同速转动。此时离心式离合器主从动盘、太阳轮皆与电机运动状态一样，因此单向轴承不起作用。电机中心轴通过齿圈

36、支架带动齿圈同速转动，因此太阳轮与齿圈皆与电机中心轴同速转动。对于行星齿轮机构来说，若三个元件中的任何两个连成一体转动，第三元件的转速必然与前两者转速相等，即行星架与电机中心轴同速，此时行星齿轮机构中所有元件之间都没有相对运动，从而形成直接挡传动，即为本车的二挡传动比。 倒挡时，电机反转，在电磁制动器的作用下，连接套带动太阳轮和离心式离合器停止转动。电机转速降低，离心式离合器处于分离状态，传动系统的运动状态与一挡时相似，但方向相反，汽车实现低速倒挡行驶。2.3 换挡品质 换挡品质是指换挡过程的平顺性，即希望换挡过程平稳无冲击地进行，从而改善驾驶员和乘客的乘坐舒适性。换挡操作时离合器的结合或分离

37、会产生一定的冲击，从车辆换挡过程的机械运动原理来讲，换挡冲击是由换挡过程中传动系统各个零部件的冲击造成的，它不仅影响换挡品质，还会减少传动系零部件的使用寿命。因此，改善车辆的换挡品质，不但可以改善汽车的乘坐舒适性，对提高零部件的可靠性和工作寿命也有着十分重要的意义。 离心式离合器摩擦元件的结合和分离是自动换挡的实现过程，如果离合器结合或分离这个过程所需的过渡时间过长，会使摩擦元件长时间处于滑摩状态，以致产生过大的热负荷，使摩擦元件的性能下降。因此，提升换挡品质对减少离合器摩擦片的摩损和热负荷，提高离合器工作可靠性和耐用性同样有着十分重要的意义。 为了提高挡位切换速度，需要尽可能的缩短换挡过渡时

38、间，从而减少摩擦材料的摩损和过量的热负荷，但是另一方面又要求换挡能够平稳过渡，不应有过高的瞬时加速度或减速度造成的零部件冲击。因此应对这两个方面进行折中，以满足车辆换挡品质的综合要求。(1)冲击度 冲击度是指车辆纵向加速度的变化率，它的大小即为换挡平顺性的客观评价指标，可以把道路条件引起的弹跳和颠簸等对加速度的影响排除在外。冲击特性可以理解为冲击度的变化历程，是评价车辆起步、换挡过程平顺性的重要指标。它能较好地反映起步、换挡过程的动力学本质和人体感受的冲击程度。 从根本上说，冲击是由于转矩的扰动引起的，经研究证实换挡操作时对平稳性影响比较大的是离合器结合分离时引起的转矩波动所产生的冲击，可以用

39、研究机械振动量的方法来研究冲击特性的评价方法。一般来说，振动量可以用振动幅值、频率、振动作用时间和振动方向等参数表征。由于从定义上讲，冲击度是车身纵向加速度的变化率，其方向问题已经明确，而且通常起步、换挡过程持续时间均较短，冲击特性属于低频信号，频率也可不作为评价指标提出。所以研究冲击特性可以从幅值和作用时间两个方面进行，幅值反映了冲击的程度，作用时间反映了冲击的持续时间和变化快慢。幅值是指冲击特性的最大值和最小值，是评定换挡过程冲击特性的主要指标，幅值越大则换挡冲击越大。作用时间是指冲击度从零上升(或下降)至最大值(或最小值)的时间。在一样的冲击幅值下，作用时间越短，换挡平顺性越差，反之则越

40、好。冲击度表示为车辆行驶过程中加速度随时间的变化率，其公式为: (2-10)式中:车辆纵向加速度/(m/)车速/(m/s) t时间/s 汽车在平路上的行驶方程式为: (2-11)式中，变速器输出转矩/滚动阻力/N空气阻力/N加速阻力/N主减速器传动比传动效率车轮半径/m满载质量/kg滚动阻力系数空气阻力系数 A迎风面积/汽车行驶速度/(m/s)汽车旋转质量换算系数 汽车在换挡过程中，滚动阻力和空气阻力变化很小，因此根据式(2-10) (2-11)可知换挡过程中的冲击度为: (2-12) 由式(2-12)可知冲击度的大小与主减速器传动比、传动效率和变速器输出转矩的变化率成正比，与车轮半径、汽车旋

41、转质量换算系数和整车质量成反比。在整车参数给定的情况下，主减速器传动比与各挡传动比的大小应根据电机特性、动力性能与经济性能的要求来选定。因此对于给定的车辆，其冲击度的大小主要取决于变速器输出转矩变化量的大小。换挡过程中，由于传动比的改变，电机输出的驱动力矩经过变速器的作用会发生突变，其变化量的大小取决于换挡前后两挡传动比的大小，当传动比给定时，若要单纯保证换挡平顺性，应延长换挡时间，使转矩随时间的变化量减小，从而减小冲击度。 对于车辆冲击度目前还没有国际标准，各国的检测方式和评判标准也不一致。德国推荐值，前联推荐值为，我国推荐值为。换挡过程中应使车辆冲击度尽可能保持一个较小的值，本文按照德国推

42、荐值取冲击度指标的上限值为10。(2) 滑摩功 滑摩功是离合器主从动盘之间摩擦力矩所做的功。换挡时间过长，将造成离合器主从动部分长时间滑摩，过量的摩擦使离合器温度急剧升高，从而影响离合器的工作可靠性与使用寿命。 离合器开始结合时，主、从动盘的转速差最大，随着结合行程的逐渐增加，离合器传递的转矩也逐渐增大，主、从动盘的转速差逐渐减小，直到完全同步。离合器结合过程中，由于主从动盘摩擦副间隙很小，滑摩功转换的热能几乎全被离合器吸收，使温度升高，温度过高对摩擦材料影响很大，加速离合器的摩损和热失效。在实际应用中多数离合器的损坏是烧结、龟裂，以与由于受热变形使离合器产生严重摩损，材料性能产生变化，使摩擦

43、系数急剧降低而失效等。造成离合器温度升高的直接原因是滑摩功，因此在离合器主从动盘结合过程中必须控制滑摩功的大小。滑摩功越小，车辆的功率损失越小，离合器温度增加越慢，摩损越小;滑摩功越大，车辆的功率损失越大，离合器的温度上升越快，摩损越大，因此使用滑摩功作为摩擦元件热负荷客观评价指标，其数学表达式为: (2-13)式中，离合器传递的转矩/离合器主动盘角速度/(rad/s)离合器从动盘角速度/(rad/s)离合器主动盘转速/( r/min )离合器从动盘转速/( r/min ) 根据式(2-13)可知，离合器滑摩功的大小与三个因素相关:离合器传递的转矩，即离合器的摩擦力矩、离合器主从动盘转速差与滑

44、摩时间，因此要减小滑摩功应从以下三个方面考虑: (1)减小离合器的摩擦力矩 根据式(2-13 )可知，当其他参数不变时减小离合器的摩擦力矩可以减小换挡过程中的滑摩功，但在实际换挡过程中，减小离合器的摩擦力矩会使离合器从动盘的转速上升缓慢，导致滑摩时间变长，反而可能导致滑摩功的增加。 (2)减小主从动盘转速差 减小主从动盘的转速差可以缩短滑摩时间，从而有效地减小滑摩功。减小主从动盘转速差可以有两种方式，一是调节离合器结合前的电机转速，使离合器结合时转速差足够小，二是使离合器从动盘的转速尽快增长，这就需要加大离合器的摩擦力矩，借以加快离合器的结合速度，从而达到减小滑摩功的效果。 (3)减小滑摩时间

45、 在离合器结合前通过对电机转速的调节，使离合器主从动盘转速差尽可能小，而在离合器结合过程中，通过加快离合器的结合速度来提高离合器从动盘的转速，进一步减小转速差，从而尽快实现主从动盘转速的同步。 目前对滑摩功的大小还没有明确的标准，但为了保证离合器的使用寿命，单位滑摩功w应小于，单位滑摩功w即为离合器结合产生的滑摩功与摩擦面的比值，即: (2-14)式中，S单块离心块摩擦面面积/ 综上所述，要提高换挡品质，就要在保证冲击度小于限值的情况下，尽可能的加快离合器的结合速度以减小滑摩功。2.4 本章小结 本章介绍了离心式离合器的类型、结构与工作原理，对其工作过程与工作特性进行了分析，得到离心式离合器的

46、工作特性曲线与其结构参数对特性曲线的影响。利用离心式离合器自动结合和分离的特点，将其应用于自动换挡机构中，使其与行星齿轮机构相配合实现挡位的自动切换，并对此自动换挡机构的结构与作原理进行了介绍。引入换挡品质对自动换挡机构进行评价，通过对换挡品质的分析，明确换挡品质的影响因素。3 离心式离合器对换挡品质的影响分析 根据自动换挡机构的工作原理可知，离心式离合器是通过改变行星齿轮机构的运动状态，来实现自动换挡的。因此应将行星齿轮机构工作特性与离心式离合器特性相结合，对换挡过程进行分析，从而得到电动汽车自动换挡机构换挡品质的计算方法，并对设计的离心式离合器进行分析。 由于车辆行驶时动力传动系统的工作机

47、理较为复杂，为分析车辆换挡过程中影响换挡品质最主要的因素，在分析过程中忽略外部环境以与部环境对汽车系统的影响。3.1 自动换挡过程理论模型的推导自动换挡过程是通过离心式离合器改变行星齿轮机构的运动状态从而实现挡位的自动切换，因此应对行星齿轮机构进行分析，结合前面提到的离心式离合器的工作特性建立换挡过程的数学模型。 3.1.1 行星齿轮机构数学模型的建立根据本车动力传动系统的结构可知，电动汽车在行驶过程中的驱动力由电机通过行星架传递给主减速器，由于主减速比固定不变，因此行星架上的驱动力决定着换挡过程中汽车的行驶状态。本文将汽车在行驶过程中所受到的驱动力矩与阻力矩都转化到行星架上进行研究，便于我们

48、分析。图3-1为行星齿轮机构示意图，令齿圈按箭头所指方向转动。齿圈与行星齿轮为啮合，所以两者的旋转方向一样，即行星齿轮也顺时针转动。位于行星齿轮机构中心的是太阳轮，太阳轮与行星齿轮为外啮合，两个外齿轮啮合旋转方向相反。行星齿轮绕行星架支承轴自转，在某些工况下，还会围绕太阳轮的中心轴线公转。1太阳轮 2齿圈 3行星架 4行星齿轮图3-1行星齿轮机构令齿圈与太阳轮的齿数比为: (3-1)式中，太阳轮分度圆半径/m齿圈分度圆半径/m太阳轮齿数齿圈齿数根据图3-1可得行星齿轮机构各零部件半径的关系为: (3-2)式中，行星架半径/m行星齿轮分度圆半径/m 图3-2为行星齿轮受力图，根据力平衡可知:一太

49、阳轮对行星齿轮的力 一齿圈对行星齿轮的力 一行星架对行星齿轮的力图3-2 行星齿轮受力由于作用力与反作用力可知： (3-3) (3-4) 由此可知，太阳轮、齿圈、行星架之间的转矩关系为: (3-5) (3-6) (3-7)式中，太阳轮转矩/Nm齿圈转矩/Nm行星架转矩/Nm 根据能量守恒定律求得太阳轮、齿圈、行星架之间的转矩关系为: (3-8)式中，太阳轮转速/(r/min)齿圈转速/(r/min)行星架转速/(r/min)由此可知行星齿轮机构太阳轮、齿圈与行星架的运动关系为: (3-9)根据本车自动换挡机构的工作原理可知，齿圈与电机同速运动，因此: (3-10)式中，电机转速/(r/min)

50、由式(3-9), (3-10)可知太阳轮转速、行星架转速与电机转速的关系为: (3-11) 3.1.2 换挡过程数学模型的建立（1）以一挡行驶时电动汽车以一挡行驶时离心式离合器主从动盘处于分离状态，主动盘空转，由于单向轴承的作用，从动盘与太阳轮都处于静止状态，即: (3-12)将式(3-12)代入(3-11)可得一挡传动比为: (3-13)汽车以一挡行驶时，离心式离合器主从动盘分离，主动盘空转不传递转矩，因此电机输出的转矩全部传递给齿圈，由此可得: (3-14)式中，电机输出转矩/Nm此时太阳轮静止不传递转矩，因此由式(3-8), (3-14)可得转化到行星架上的驱动力矩为: (3-15) (

51、2)汽车换挡过程根据本车自动换挡系统的工作原理可知，离心式离合器主从动盘的滑摩阶段即为汽车挡位的切换过程。离合器从动盘与太阳轮皆与连接套紧固相连，因此从动盘与太阳轮转速一样。在自动换挡过程中离心式离合器从动盘所受到的摩擦力矩全部转化为太阳轮的驱动力矩，根据式(2-8)离心式离合器的输出特性可知作用在太阳轮上的驱动力矩为: (3-16)式中，离心式离合器主动盘转速/由于离心式离合器主动盘转速与电机转速一样，因此太阳轮上的驱动力矩可以表示为: (3-17)根据式(3-7)可知，作用在行星架上的驱动力矩为: (3-18)由汽车的行驶方程可得: (3-19) 由离心式离合器结合过程分析可知，汽车在换挡

52、过程中，离心式离合器处于滑摩阶段，主动盘转速随电机转速从增加到，从动盘转速从0增加到,结合驾驶经验和驾驶规律可知，此阶段的设计时间应在0.50.8s之间，由于时间越短越好，本文取O.5s。由此可知，当主动盘转速为、从动盘转速为0时，开始换挡，经过O.5s的滑摩过程，主从动盘的转速同时达到，换挡完毕。由于此段时间极短，假设从动盘转速是线性变化的，则主动盘转速与从动盘转速的关系如下: (3-20)式中，离心式离合器从动盘转速/(r/min) t滑摩时间根据式(3-9), (3-20)可知电机转速与行星架转速的关系为: (3-21)车速与行星架转速的关系为: (3-22)由于汽车在换挡过程中的阻力变化很小，因此由式(3-19)(3-22)可得换挡过程中汽车的行驶方程为: （3-23）由式(3-23)可知，在整车参数给定的情况下，电动汽车在换挡过程中车速的变化只与离心式离合器特性曲线参数有关，因此离心式离合器的特性曲线参数是影响换挡过程中车速变化的主要因素。 根据式(2-12)可知，冲击度为换挡过程中汽车纵向加速度的变化量，因此由式(3-23)可得到基于离心式离合器的电动汽车自动换挡机构在换挡过程中冲击度随时间的变化关系: （3-24） 由