1.1 选题背景及研究意义

解决能源危机和环境危害是现在汽车领域需要面对的巨大难题。纯电动汽车相比于传统汽车有着零排放、噪声小、污染小的显著优势，成为这一问题的一个有效解决方式，大力发展电动汽车是未来社会发展的重要路线。

在货运物流上，高效运输和清洁环境同样是一个急需调和的问题。随着法规变严，传统车难以符合相关法规要求，而混合动力、电动等轻型货运车辆给城市货运带来了新的解决方案。以零售商、服务供应商和商人等为用户群体的轻型物流运输车具有行走路线稳定、行走里程不多的特点。因此，将纯电动与轻型商用车结合在一起，可以实现零排放，且充电上的问题容易解决，在推广上比电动乘用车更有意义[1]。

过去有关纯电动汽车性能优化的研究大多集中在电池、能源管理策略和驱动控制上。市场上使用的纯电动汽车大多配置单速的减速箱，主要在动力性和经济性两者之间权衡。然而，现在越来越多的研究表明两速变速器在纯电动车上的应用可以提高纯电动汽车整车性能。因此，人们开始关注多速变速箱的应用，两速变速器逐渐成为纯电动汽车应用与发展的趋势。

1.2 国内外研究概况

1.2.1 自动变速器国内外研究状况

广义的自动变速器包括基于传统液力变矩器和行星齿轮机构的传统自动变速器AT、基于手动变速器的AMT、无级变速器CVT、双离合变速器DCT以及中间轴式自动变速器CAT。其中利用到行星齿轮机构的液力自动变速器结构紧凑、换挡平顺、乘坐舒适，能有效保护传动系统。

关于AT国外的研究状况，早在1906年Didier发明了第一款两速行星齿轮机构的两速变速器；1925年Rieseler第一款采用液力变矩器和行星齿轮机构的AT问世。目前，超过9档的AT开始广泛应用，比如2017年福特和通用联合推出的横置9速AT开始搭载在两者旗下大部分中端车上，2017年本田量产10速AT正式推出并搭载在旗下奥德赛和新一代雅阁等车辆上。

AT在我国起步晚，发展较缓慢，且大部分主要是外资或合资企业以技术许可的形式对国外开发的成熟产品进行本土生产。但在近些年，AT的研发设计生产也达到一个小高潮。2008年哈尔滨东安动力引进日本三菱的4AT和5AT自动变速器技术。同年9月华泰引进德国ZF的4AT和6AT技术。2017年浙江万里扬与德国吉孚合作推出6AT变速箱样机[2]。

近些年来，AT往紧凑轻量化、多档位化等方向发展。

1.2.2 纯电动汽车上应用变速器的国内外研究现状

目前大部分纯电动汽车仍配置的是单速变速箱，但越来越多的研究开始关注多速变速箱的应用对电动汽车性能提高的作用。

在国外的研究中，关于纯电动汽车是否应该使用多档变速器、多档变速器对汽车性能的影响有多大、纯电动汽车配备多少档位的变速器较合适等问题已有不少的成果。Aldo Sorniotti 等阐述了纯电动汽车中采用两速变速箱对能耗上同样有积极意义。理论上CVT能把这种效用最大化，但实际上CVT传动效率较低。从这个矛盾出发，该团队采取无间隙换挡变速箱结构的双速变速箱和连续可变变速箱两种不同的布局与传统单速减速箱布局在能耗和性能上进行基于仿真模型的比较。结果表明，采用双速变速箱系统比采用单速减速箱系统具有明显的优势，并且，尽管减少了电机损耗，但连续变速变速箱的典型低效率特性并不会降低车辆的能耗[3]。T.Hofman等人选取大众Lupo3L作为基本车型，并将其转化为纯电动汽车，建立数字仿真模型。在此基础上对汽车变速器参数对纯电动汽车的影响进行研究同样得出类似结论。不同的是，其还指出主减速器的传动比对纯电动汽车也有一定影响。主减速器的传动比越高，能耗越高。在主减速器传动比的设计中，有一个上限与下限，优化选择在下限，且电机转速越高，效率越高[4]。Zhou Xingxing、Walker P.D.的研究团队通过实验分析表明，双速电动汽车比单速电动汽车具有更好地经济性和动力性，但是电动汽车使用多档变速器带来的性能改善不如发动机驱动的汽车明显。而且由于多档位的变速器会增加变速箱的制造成本和整车质量，纯电动汽车只有应用两到三个传动比才能提高性能[5]。随后，该研究团队考虑到过去只关注给定齿轮传动比下的换挡控制优化，忽略传动比的最佳使用。因此其将换挡策略与齿轮传动比的优化结合在一起就提高电动车整体性能进行研究，发现纯电动汽车传动齿轮传动比和换挡时间对整机效率提高有很大影响，从经济性角度上看配备双速变速器的电动汽车综合性能优于只配备单速减速器的汽车[6]。Fang Y等人利用MATLAB以经济换挡方案作为换挡策略，在建立的机械能源Simulink模型上对两速、三速和四速变速箱的应用后电动汽车效率和性能进行比较，表明档位数增加可使电机所需转矩和转速减小，并提高效率。然而，效率提高幅度取决于行驶路线，一昧增加档位数只会增加成本。电动车多在简单路线上行驶，因此，两档变速器就足够了[7]。在此基础上，国外也有不少就两速行星齿轮变速器的设计。Shin J W等人采取典型的辛普森式结构设计了以多片式离合器作为执行机构的一款两速行星齿轮变速器，随后进行了变速器的加工，对此进行振动、噪声及功率传递效率等一系列必需实验，证明该变速器满足使用要求[8]。

关于国内的研究，李宏标过普通齿轮变速器和行星齿轮变速器在汽车中实现变速的原理进行对比，指出行星齿轮变速器传动效率高，运动平稳、抗冲击和振动的能力较强，且可大大减少空间占有率，更有市场优势，且已经广泛应用到电力驱动的共享汽车[9]。刘俊杰针对一传统微型车用的手动挡五速变速器，保留整车参数不变的条件下完成了一款用于电动汽车上能实现自动换挡的四挡AMT自动变速器的设计[10]。在越来越多研究表明纯电动汽车应用两速变速器对提高汽车性能和经济性有积极意义的背景下，国内亦有不少关于这方面的研究。在纯电动汽车技术不断走向成熟时，为了使开发过程汽车各项性能提升，岳明应用MATLAB对电动汽车进行仿真分析，对比了单减速器和两速变速器的应用后性能差别。分析表明两速变速器能提高续航里程，并提出设定不同驾驶模式使整车兼顾动力性和经济性的方案[11]。周飞鲲以两档变速器作为变速器匹配原则，根据整车参数完成了纯电动汽车动力系统的参数匹配工作，利用全局优化的方法进行优化，并对整车控制策略进行了研究与开发。关于两速变速器传动比的确定，其中给出了较为系统的计算方法[12]。李中兴等人以某款单档减速器纯电动汽车为研究对象，将变速器两个档位的引入作为优化目标，通过GT-suite软件进行了动力性仿真。最后与原单档减速器纯电动汽车对比，结果表明这种优化设计在降电机体积重量，实现了电机Downsizing设计的同时，有效提升了汽车的动力性[13]。何李婷等人指出有常用的电动汽车两档变速器有AMT与DCT两种结构。但 AMT结构需要使用同步器，此时换挡冲击较大，而采用 DCT结构时，由于变速箱只有两个档位，此时双离合器结构会使成本增加很多。因此，基于行星齿轮系理论，拟定出一款两档电动汽车用2K-H行星齿轮变速器设计方案，其中执行机构中离合器用于连接输入轴和行星轮架，制动器用于制动齿圈。[14]尹鹏飞顺应电动汽车发展的趋势，以江淮汽车公司的一款纯电动乘用车作为参考，进行了两档自动变速器的结果分析和仿真分析。该两档自动变速器采用单排2Z-X（A）型行星齿轮结构，采用两个离合器分别控制行星齿轮机构的齿圈和变速器壳体实现空挡、直接档和高速挡功能，在直接档上利用反转电机完成倒挡功能。另外，文章对离合器的设计与变速器仿真测试也做了不少工作[15]。刘政根据汽车行驶性能要求，对汽车传动系统参数，尤其是变速器两档位所需满足的传动比进行确定的基础上，进行了行星齿轮机构两挡自动变速器的总体结构设计与三维建模。与传统设计不同的是，该款行星齿轮变速器的执行机构创新性的使用了蜗轮蜗杆式自动换挡机构，以此进行自动换挡。另外，该设计还把主减速器及差速器齿轮也安装在变速器壳体内[16]。黄旭本文以某汽车企业一款纯电动乘用车作为参考，根据国标对传动系统参数进行了综合匹配，设计了一款双联行星排结构的两档变速器，通过一锁止块带动带式制动器松紧完成直接档和高速挡的切换，同样利用了电机反转完成倒挡操作。此外，设计中还进行了主减速器、带式制动器及壳体等关键零部件的设计工作。最后还完成了壳体的轻量化优化[17]。