毕业设计（论文）-基于主减速器的混合动力汽车传动系设计【全套图纸】.doc

基于主减速器的混合动力汽车传动系设计全套图纸，加1538937061 绪论1.1 混合动力电动汽车的现状与展望随着能源问题的紧迫和对环境保护要求的不断提高，汽车能源动力技术的发展已经呈现了多重混合化的特点，主要表现在内燃发动机混合化、动力传动系统混合化和燃料电池系统混合化3个方面。在内燃机子系统范围内，先进内燃机技术的发展在燃料、燃烧方式和输出功率上呈现了混合化特征。内燃机的混合化是连接现有汽车节能环保技术与新能源汽车技术之间的桥梁。汽车的传动方式已经在机械传动基础上呈现了电传动与机械传动混合化的特征。汽车动力传动系统的混合化使得车辆使用多种能源成为可能。除传统石油能源外，还可以通过电网对车辆充电，电能被保存在电池中，通过电传动系统驱动车辆行驶。燃料电池作为未来汽车发展的方向之一受到各国政府和各大汽车制造厂商的极大重视，纯燃料电池动力系统1存在价格昂贵、使用寿命短等缺点，混合动力系统则可以有效改善这两方面性能。基于混合动力这一概念，世界各国竞相研究新一代的交通工具，其中最为注目的是各种混合动力汽车(hybrid electric vehicle，HEV )。 混合动力电动汽车与纯电动汽车相比，不必添置投资巨大的地面充电设施，不必大规模改造现有工装设备，可满足日益严格的环保法规要求，并且油耗大大降低。 世界各大汽车公司均将电动汽车的电动动力方案由纯电动转向了混合动力。 预计未来10年，在世界新生产的汽车中将有40% 的是混合动力电动汽车。 研究表明，混合电动汽车不只是为弥补以电池为储能装置的纯电动汽车一次充电续驶里程不足的缺陷，而且在节能、动力性、成本等方面提供了更广泛的发展和协调空间，而其环保性能上满足超低污染车(ULEV ) 2 的要求，有着广阔的市场前景。混合动力电动汽车(HEV)将内燃机3、电动机与一定容量的蓄电池通过控制系统相组合，电动机可补充提供车辆起步、加速时所需转矩，又可以存储吸收内燃机富余功率和车辆制动能量，使发动机工作在最佳状态，从而大幅度降低油耗，减少污染物排放。混合动力汽车虽然没有实现零排放，但其动力性、经济性和排放等综合指标能满足当前苛刻要求，可缓解汽车需求与环境污染及石油短缺的矛盾。所以从90年代以来，全球刮起了研究混合动力的风暴。日本丰田率先将混合动力车商品化，于1997年推出Prius。随后，多家日本汽车公司实现了多款混合动力的商品化。在美国，为了开发新一代汽车，由美国政府促进，于1993年9月29日发起了新一代汽车伙伴计划即PNGV，目标是开发低油耗的混合动力汽车。目前电动汽车发展所面临的最严重的问题来自电池技术方面。 主要表现为:电池能量密度较汽油低;电池组过重;一次充电的续驶里程只有100 km 左右，动力性能无法达到内燃机汽车的水平;电池组价格昂贵且循环寿命有限。 要促进电动汽车的发展，除进一步解决电池的问题外，另一种有效的方法就是研制混合动力电动汽车。混合动力电动汽车主要分为串联式、并联式和混联式4。 它们的优点是:电池数量少，可减轻整车自身质量;可以提高续驶里程;虽然发动机会有排放产生，但工作在最佳工况附近，大大减少了汽车变工况(特别是低速、怠速) 时的排放，同时可回收制动能量，使混合动力电动汽车成为较低排放的节能汽车;可借助发动机输出的动力直接带动车内空调、暖风、真空助力器、动力转向等汽车电器附件，无需再消耗电池组内有限的电能，保证了乘员的舒适性。 在某些对汽车排放严格限制的区域(如商业区、旅游区和居民区等) ，混合动力电动汽车可以关闭发动机，用纯电力驱动，成为零排放的电动汽车。丰田是全世界最早正式批量生产的混合动力车的制造者5，自从1997年开始，Prius就开始在日本销售，2000年起便在北美、欧洲及世界各地公开发售。目前，Prius已经在中国上市。2001 年，丰田又在日本推出了Estima混合动力小货车、使用混合动力的皇冠豪华小轿车和Dyna混合动力轻型货车。丰田商业化的车型已经达到5 款，2005年11月30日，丰田汽车正式宣布，丰田混合动力汽车累计已经超过了50 万辆，到2005年10月末，全球已经接近销售了51.3万辆。在实现低排放的前提下，为提高车辆的动力性，丰田汽车在2003年把新一代的混合动力系统Hybrid SynergyDrive引入到了第二代的Prius上面。在2005年，把这套系统的使用范围扩展到了对动力性能要求更高的SUV 车型上雷克萨斯的RX400h 和Highlander混合动力车。本田自1999年11月开始在日本销售搭载本田IMA ( Integrated Motor Assist)系统的家用混合动力轿车insight，同年12月在美国上市。作为量产汽油轿车，insight达到了世界最低油耗水平。此后，本田共推出了3款混合动力产品。2001年12月，在本田的主力车型Civic上搭载混合动力技术的Civic Hybrid开始在日本销售(2002年3月在美国上市) 。2004年12月，搭载可变气缸系统的V6发动机和IMA系统的Accord Hybrid开始在北美销售。到2005年4月止，本田生产的混合动力车型在全球的累计销量突破了10万辆，其中美国约8。9万辆、日本约5900辆、欧洲约3800辆、加拿大约1500辆。此外，本田还在混合动力车的开发上，通过研究新型发动机、镍氢蓄电池等追求动力高效化;通过开发新型轻质铝车身、树脂油箱等追求车辆的轻型化，使汽车达到每公升汽油可行驶35km的世界最高水平6，并且使汽车尾气排放达到世界最严格要求的标准。1993年，美国克林顿政府推出了新一代汽车伙伴计划即PNGV，要求联邦政府部门从1993 1995年度大量购买包括EV /HEV的替代燃油车。在2000年底特律国际汽车展上福特和通用汽车公司展示了其柴油复合动力概念车，同年2月22日，戴姆勒克莱斯勒在华盛顿国家博物馆公布了其PNGV复合动力概念车。PNGV 计划在2002 年被终止，原因是80MPG的目标很高，而研制的新车在成本上并未取得很好的成果，不能满足用户在价格上的要求，也就是说，在短时期内不具有市场价值。更重要的是，PNGV仍然局限于用石油作为基本能源。混合动力技术的先进性和现实性，加上节能、环保效果明显，采用混合动力汽车是现阶段解决环保和能源问题最为切实可行的方案。但是混合动力汽车将两套系统电池/电机和内燃机同时安装于一辆汽车上，不仅加大了汽车本身的重量，也提高了对整体工艺及控制等方面的要求7。除了纯电动汽车(BEV) ，混合动力的能量来源仍然是石油，这决定了混合动力不是电动汽车发展的最终形式。美国PNGV计划的废止和自由车项目计划的重点是发展燃料电池汽车正说明了这一点。但是，目前日本的几大公司的混合动力汽车的热销说明，混合动力汽车是传统汽车时代向燃料电池汽车时代的过渡车型技术，虽然不是长远之计，据估计，仍有20 年以上的较长市场周期。因此，可以充分利用现有内燃汽车的生产能力，推动传统汽车工业的改造发展。总之，混合动力汽车介于传统汽车和纯电动汽车、燃料电池汽车之间，承前启后的，在经济和技术方面都趋于成熟的电动汽车产品。目前，中国科学院专项研究电动汽车的电机及其电控系统8，清华大学研究车载充电器、电池管理系统及剩余电量指示计，保定风帆蓄电池厂等研究电动汽车用动力蓄电池。经过多年努力，中国的电动汽车有了一定的发展，清华大学和广东粤海汽车改装厂研制的风冷直流电机驱动的电动轻型客车EV6460N华南理工大学和广东云山汽车厂研制的风冷永磁直流电机驱动的电动轻型客车EV6600和EV6700在广东省汕头南澳岛试验运行。中国远望集团公司、北京理工大学、北京市电车公司与美国西屋公司合作研制开发出三相交流感应电机驱动的电动大客车YW6120DD，以上电动汽车均使用铅酸蓄电池。 电动汽车正面临第三次发展高潮，电动汽车技术得到全面发展，重点在动力驱动系统技术和能量存储技术两个方面。能量存储技术还没有实质性的突破9，而由于电力电子技术、微电子技术、控制技术和计算机网络技术的高度发达，电动汽车动力驱动系统技术面飞速发展，已经到达了商品化阶段，但是还需提高功率密度、效率以及降低成本。电动汽车技术是仍在发展中的技术，而且极具潜力10。但如果此技术没有像人们所期待的那样取得进一步的发展，可以想到，地球环境将受到重大的影响，这将会造成无法挽回的损失。一个世纪以来，人类不知自省，持续着所谓汽车社会的便利的方式，到下个世纪，人类必将会自食其果。由此，电动汽车的开发已经到了必须从能源、环境问题、废弃物的处理等全球的观点来考虑的时代。科技的发展是随着时代的要求而发生变化的，而且没有统一的规范，但是应该以上面提到的关系到人类生死存亡问题的解决为目标。在不久的将来，我们也期待更高性能的蓄电池、燃料电池、低公害高效率发动机的进一步开发。对纯电动汽车、混合动力汽车、低公害的燃油汽车加以灵活运用也将变得很有必要。此外，对包含其他交通设施的综合的交通运输系统的讨论也是很有必要的，所以电动汽车的作用也变得重要了。电动汽车技术可分为纯电动汽车(EV)、混合电动汽车(HEV)和燃料电池汽车技术(FCEV)三个技术流派11。目前已经实现商业化生产的技术是纯电动汽车和混合电动汽车。目前混合动力汽车主要采用镍氢电池技术，而锂电池具有能量密度高、容量大、无记忆性等优点，得到各汽车厂商和电池生产厂商的一致认可。 然而，高成本一直是阻碍锂电在新能源汽车上大规模商用的障碍，不过比亚迪不久前上市的F3DM双模电动车，其采用的磷酸铁锂方案则提供了理想的解决路径。比亚迪F3DM的成功，意味着成本问题制约锂动力电池发展的瓶颈有望被解决。目前锂电主要分为钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂，其中前两者由于安全性较差，一般用于小型电池；电动汽车上的应用还是比亚迪的磷酸铁锂方案。 Naotake Kumagai，等在对汽车的发动机和电机的结合装置中的对新发现的锂电池应用到我们的混合动力电动汽车上的想法，使我们认识到一个新的混合动力电动汽车制造时代的到来，并且文中提到的对制动装置的改进是我们现在应该研究的方向。并不是所有生产锂电池的公司都能生产汽车动力电池，目前上市公司中生产锂电池的很多，但只有生产汽车锂动力电池的上市公司才能从新能源汽车中受益。从锂电池的产业链看：初级锂资源(碳酸锂)正极材料+负极材料+隔膜+电解液锂电池。凡与这个产业链有关的上市公司，都将从新能源汽车中受益。 戴姆勒总裁蔡澈（Dieter Zetsche）博士已经明确表示，他们公司的发展预算即使在战后最严重的危机时刻也不会受到损失，电池技术的研究是戴姆勒研究的一个重点。最近，戴姆勒的研究主管部门在位于萨克森州东部德累斯顿小城东北的卡门茨花费了大量的时间进行研究。赢创集团，这家总部设在西部城市埃森的化学品公司，三年前也在卡门茨设立了一个锂电池科技子公司，这个锂电池科技子公司正是戴姆勒选定的电池供应商。锂电池技术拥有避免高能量电池发生火灾危险的特性，用陶瓷材料做成分离空间的分离薄膜，被证明是增强电池能量的关键12。戴姆勒计划到2011年生产一款电动版的小型车Smart，采用储备20千瓦时电能的锂电池，安装在一个合适的空间内，这款电池在实验室已经经过了3000次的充电实验和30万公里（18.7万英里）的路面试验，这款锂电池能够支持这款奔驰城市轿车至少行驶100公里（62英里），但是它的价格是多少呢？这款锂电池现在的成本至少是2万欧元（25000美元），使得这款Smart的市场前景等于零，但是戴姆勒的工程师希望能够将其价格降至目前的四分之一，电池大约控制在5000欧元（6250美元）。尽管如此，城市电动车的价格仍然比一款配备汽油发动机的Smart贵很多。在东京有一家生产锂钛电池的公司，这种电池非常耐用，但是其能量密度是60瓦时每公斤，如此，这款电池用在轿车上就太重了。戴姆勒的供应商锂电池科技公司正致力开发的锂锰镍钴的能量密度已经接近150瓦时每公斤。混合动力技术将伴随市场的成熟和大众接受程度的提高不断得到发展，从而成为车辆动力系统的主导技术。其发展过程将呈现功能模块化和多能源平台化13两大发展趋势。根据车辆对成本敏感、系统布置紧凑等特点，动力系统的混合化应从部件层次以模块的形式逐步实现。通过电机与部件的紧密结合，构成混合动力模块，通过部件模块的混合化逐渐实现整车动力系统的混合动力化。通过模块化的发展，将最终形成以串联构型和深混联构型为代表的混合动力系统平台14。在此平台上实现汽车能源技术的油电(汽油、柴油、酒精等) 、气电(天然气等) 、电电(电网电能等)多能源一体化。燃料电池汽车适应社会发展的需要，且在技术上是完全可行的。这就决定了燃料电池汽车是未来汽车发展的方向。燃料电池技术已经取得了很大的进步，耐久性和成本是目前面临的主要技术难题，如果这两个问题在未来十年内获得突破，将会迎来燃料电池汽车产业化的美好前景。相较于纯电动和燃料电池，混合动力技术和成本相对容易控制，如本田思域、丰田普锐斯能达到40%以上的节油程度，因而被认为是纯电动车和燃料电池车时代来临前的过渡阶段。铜铝铅CNMN.COM.CN锌锡镍，中国有色网，小金属,废旧金通常所说的纯电动汽车是指以蓄电池或燃料电池为动力行驶的用电动机驱动的汽车。铜铝铅CNMN.COM.CN锌锡镍，中国有色网，小金属,废旧金属。这种技术的优点是彻底摆脱了对石油的依赖，零排放，目前的技术缺陷是电池容量不够，难以支撑长时间行驶。铜铝铅CNMN.COM.CN锌锡镍，中国有色网，小金属,废旧金属。此外，电池的寿命、适应性、成本、污染性都是要克服的难题。铜铝铅CNMN.COM.CN锌锡镍，中国有色网，小金属,废旧金属。 燃料电池汽车被认为是清洁能源汽车的终极发展方面。铜铝铅CNMN.COM.CN锌锡镍，中国有色网，小金属,废旧金属。燃料电池也分很多种，目前公认最佳的办法是质子交换膜燃料电池。铜铝铅CNMN.COM.CN锌锡镍，中国有色网，小金属,废旧金属。这种技术的特点是以氢为燃料，通过电子的运动产生电能，储存并使用。铜铝铅CNMN.COM.CN锌锡镍，中国有色网，小金属,废旧金属。氢是大自然中取之不竭的成分之一，每一滴水都是由氧气和氢气构成，与此同时，氢燃料电池汽车的排放仅仅为水，是真正的清洁能源。铜铝铅CNMN.COM.CN锌锡镍，中国有色网，小金属,废旧金属。燃料电池目前最大的技术问题是成本居高不下。铜铝铅CNMN.COM.CN锌锡镍，中国有色网，小金属,废旧金属。混合动力电动汽车在现有技术的基础上达到了提高燃料经济性和减少排放的目的，因而极具发展前景。从目前的发展来看，汽车的排放法规日趋严格，同时电子技术的迅猛发展会进一步促进混合动力电动汽车的发展。2 串联式混合动力电动汽车传动系的特点分析2.1 传动系简介图 2.1 传动系简介2.1.1 传动系的组成和种类 传动系一般由离合器、变速器、万向传动装置、主减速器、差速器和半轴等组成12。传动系可按能量传递方式的不同，划分为机械传动、液力传动、液压传动、电传动等。 汽车的传动系统布置可以分为五类12：发动机前置后轮驱动(FR)、发动机前置前轮驱动(FF)、发动机中置后轮驱动(MR)、发动机后置后轮驱动(RR)和四轮驱动(4WD)。 前置后驱(FR) 最早期的汽车绝大部分采用FR布局，现在则主要应用在中、高级轿车中。FR的优点是：轴荷分配均匀，即整车的前后重量比较平衡，操控稳定性较好。缺点是：传动部件多、传动系统质量大，贯穿乘坐舱的传动轴占据了舱內的地台空间。 前置前驱(FF) FF是现代小、中型轿车普遍采用的布置方案。FF的优点是：降低了车厢地台，操控性有明显的转向不足特性，另外其抗侧滑的能力也比FR強。缺点是：上坡时驱动轮附著力会减小；前轮由于驱动兼转向，导致结构复杂、工作条件恶劣。 中置后驱(MR)发动机放置在前、后轴之间，同时采用后轮驱动，类似F1赛车的布置形式。还有一种“前中置发动机”，即发动机置于前轴之后、乘员之前，类似于FR，但能达到与MR一样的理想轴荷分配，从而提高操控性。MR的优点是：轴荷分配均匀，具有很中性的操控特性。缺点是：发动机占去了座舱的空间，降低了空间利用率和实用性，因此MR大都是追求操控表现的跑车。 后置后驱(RR)早期广泛应用在微型车上，现在多应用在大客车上，轿车上已很少用，但保时捷911的“甩尾”则是因RR出名的。RR的优点是：结构紧湊，沒有沉重的传动轴，也沒有复杂的前轮转向兼驱动结构。缺点是：后轴荷较大，在操控性方面会产生与FF相反的转向过度傾向。 四轮驱动(4WD)无论上面的哪种布局有，都可以采用四轮驱动，以前越野车上应用的最多，但随著限滑差速器技术的发展和应用，四驱系统已能精确地调配扭矩在各轮之间分配，所以高性能跑车出于提高操控性考虑也越来越多采用四轮驱动。4WD的优点是：四个车轮均有动力，地面附著率最大，通过性和动力性好。2.1.2 传动系的功用 汽车发动机所发出的动力靠传动系传递到驱动车轮。传动系具有减速、变速、倒车、中断动力、轮间差速和轴间差速等功能，与发动机配合工作，能保证汽车在各种工况条件下的正常行驶，并具有良好的动力性和经济性。 图 2.2 传动系它的首要任务就是与汽车发动机协同工作，以保证汽车能在不同使用条件下正常行驶，並具有良好的动力性和燃油经济性，为此，汽车传动系都具备以下的功能： （1）减速和变速我们知道，只有当作用在驱动轮上的牵引力足以克服外界对汽车的阻力时，汽车才能起步和正常行驶。由实验得知，即使汽车在平直得沥青路面上以低速匀速行驶，也需要克服数值約相当于1.5汽车总重力得滚动阻力。以东风EQ1090E型汽车为例，该车满载总质量为9290kg（总重力为91135N），其最小滚动阻力約为1367N。若要求满载汽车能在坡度为30的道路上匀速上坡行驶，则所要克服的上坡阻力即达2734N。东风EQ1090E型汽车的6100Q-1发动机所能产生的最大扭距为353Nm（1200-1400rpm）。假设将这以扭距直接如数传给驱动轮，则驱动轮可能得到的牵引力仅为784N。显然，在此情况下，汽车不仅不能爬坡，即使在平直的良好路面上也不可能匀速行驶。 另一方面，6100Q1发动机在发出最大功率99.3kW时的曲轴转速为3000rpm。假如将发动机与驱动轮直接连接，则对应这一曲轴转速的汽车速度将达510km/h。这样高的车速既不实用，也不可能实现（因为相应的牵引力太小，汽车根本无法启动）7。为解决这些矛盾，必须使传动系具有减速增距作用（简称减速作用），亦即使驱动轮的转速降低为发动机转速的若干分之一，相应地驱动轮所得到的扭距则增大到发动机扭距的若干倍。汽车的使用条件，诸如汽车的实际装载量、道路坡度、路面状况，以及道路宽度和曲率、交通情况所允许的车速等等，都在很大范围內不断变化。这就要求汽车牵引力和速度也有相当大的变化范围。对活塞式內燃机来说，在其整个转速范围內，扭距的变化范围不大，而功率的及燃油消耗率的变化却很大，因而保证发动机功率较大而燃油消耗率较低的曲轴转速范围，即有利转速范围很窄。为了使发动机能保持在有利转速范围內工作，而汽车牵引力和速度有能在足夠大的范围內变化，应当使传动系传动比（所谓传动比就是驱动轮扭距与发动机扭距之比以及发动机转速与驱动轮转速之比）能在最大值与最小值之间变化，即传动系应起变速作用。 （2）实现汽车倒驶 汽车在某些情况下，需要倒向行驶。然而，內燃机是不能反向旋转的，故与內燃机共同工作的传动系必须保证在发动机选择方向不变的情况下，能夠使驱动轮反向旋转。一般结构措施是在变速器內加设倒档（具有中间齿轮的减速齿轮副）。 （3）必要时中断传动 內燃机只能在无负荷情况下起动，而且启动后的转速必须保持在最低稳定转速上，否则即可能熄火，所以在汽车起步之前，必须将发动机与驱动轮之间的传动路线切断，以便起动发动机。发动机进入正常怠速运转后，再逐渐地恢复传动系的传动能力，即从零开始逐渐对发动机曲轴载入，同时加大节气门开度，以保证发动机不致熄灭，且汽车能平稳起步。刚学驾驶车的朋友应该有比较深的认识吧，起动时忘踩离合或者离合放得太快就会“死火”。此外，在变换传动系传动比档位（换档）以及对汽车进行制动之前，都有必要暂时中断动力传递。为此，在发动机与变速器之间，可装设一个依靠摩擦来传动，且其主动和从动部分可在驾驶员操从下彻底分离，随后再柔和接合的机构离合器。同时，再汽车长时间停驻时，以及在发动机不停止运转情况下，使汽车暂时停驻，传动系应能较长时间中断传动状态。为此，变速器应设有空档，即所有各档齿轮都能自动保持在脱离传动位置的档位。（4）差速作用当汽车转弯行驶时，左右车轮在同一时间內滚过的距离不同，如果两侧驱动轮仅用以根刚性轴驱动，则二者角速度必然相同，因而在汽车转弯时必然产生车轮相对于地面滑动的现象。这将使转向困难，汽车的动力消耗增加，传动系內某些零件和轮胎加速磨损。所以，我们需要在驱动橋內装置具有差速作用的部件差速器，使左右两驱动轮可以以不同的角速度旋转。2.2 混合动力汽车传动系的结构特点分析混合动力电动汽车综合了内燃机汽车和电动汽车两者的特点，同时又具备了自身的一些新特点，它一方面可以利用传统汽车的技术成果和工业基础；另一方面，可以有效减少排放、降低油耗，是传统内燃机汽车向零排放电动汽车过渡的实用方案之一，已成为人们研究的热点。混合动力汽车动力传动系主要有串联、并联和混联3 种布置方案15，各有各的特点，适用于不同的地点和用途，其中并联布置方案由于在组成上更接近传统汽车动力传动系，技术开发难点少，非常适合于现有技术开发。并联式混合动力汽车传动系具有转速合成式、牵引力合成式和扭矩合成式3 种具体的结构方案，其中双轴扭矩合成式PHEV 应用更广泛。2.2.1混合动力汽车动力传动系布置方案由于混合动力汽车采用2 种动力源作为动力装置，它的各个组成部件、布置方式及控制策略的不同，因而形成了各式各样的结构型式。混合动力汽车的分类方法也有多种。根据动力源的数量及动力传递方式的不同，分为串联型、并联型和混联型；根据发动机和电机的功率比的大小，分为里程延长型、动力辅助型和双模式型；根据发动机运行模式的不同，分为发动机开关模式和发动机连续运行模式16；根据发动机和电动机是否布置在同一轴线上，分为单轴式和双轴式；根据蓄电池组的荷电状态SOC (State of charge) 的变化情况，又可分为荷电消耗型和荷电维持型16。本文根据动力源的数量及动力传递方式的不同，对混合动力汽车的结构类型及其特点进行分析。串联式HEV 动力传动系串联式HEV 动力传动系(Series Schedu le，又称SHEV ) 的结构组成如图2.3所示。由于串联式HEV 动力传动系中的发动机与汽车驱动轮之间无机械连接，具有独立于汽车行驶工况对发动机进行控制的优点，适用于市内常见的频繁起步、加速和低速运行工况，可以使发动机稳定于高效区或低排放区附近工作。该结构尤其适合于那些与驱动轮难于进行机械连接的高效发动机，比如燃气轮机、斯特林发动机等。但串联式HEV 动力传动系的综合效率较低，这是因为发动机输出的机械能由发电机转化为电能，再由电动机将电能转化为机械能用以驱动汽车，途经两次能量转换，中间必然会伴随着能量的损失。另外，它的三个动力总成(发动机、发电机、电动机) 也会给系统总布置带来困难并使成本增加。因此一般只有在两种情况下，才有可能选用串联式HEV 动力传动系布置方案2: （1）发动机仅用于增加电动车辆的续驶里程，而用于驱动汽车的绝大部分能量是来源于蓄电池，结果整个系统能量转化损失较小。（2）发电机和电动机的综合效率达到或超过传统车辆动力传动系的水平，研究人员希望能采用配备有磁能密度极高的永久磁铁作为电极的高速同步发电机和电动机来达到这一水平。这种系统主要用于城市大客车，在轿车中很少见。并联式HEV 动力传动系并联式HEV 动力传动系(Parallel Schedu le，又称PHEV ) 的结构组成如图2.4 所示。图2.3串联式HEV 动力传动系结构图 图2.4并联式HEV 动力传动系结构图在并联式HEV 动力传动系中，发动机与电动机可以分别独立地向汽车驱动轮提供动力，没有串联式HEV 动力传动系中的发电机，因此更像传统的汽车动力传动系，并具有了许多显著的优点15:（1） 由于发动机的机械能可直接输出到汽车驱动桥，中间没有能量的转换，与串联式布置相比，系统效率较高，燃油消耗也较少。（2）电动机同时又可作为发电机使用，系统仅有发动机和电动机2 个动力总成，整车质量和成本大大减小。（3） 假定汽车所要求的最大功率为P ，则每台动力总成的功率总和往往是在P 2P 之间，由于设备功率较小，所需的设备费用也较小。但由于发动机与车辆驱动轮间有直接的机械连接，发动机运行工况不可避免地要受到汽车具体行驶工况的影响，要维持发动机在最佳工作区工作，则控制系统和控制策略较复杂。混联式HEV 动力传动系典型的混联式HEV 动力传动系(Series2Parallel Com b ined Schedu le) 布置方案简图如图2.5所示13。在该系统上既装有电动机又装有发电机，具有了串、并联结构各自的特点。图2.5a 所示的开关式结构通过离合器的结合与脱离来实现串联分支与并联分支间的相互切换；离合器分离，切断了发动机和电动机与驱动轮的机械连接，系统以串联模式运行；离合器结合，发动机与驱动轮有了机械连接，系统以并联模式运行。图2.5b 所示的分路式结构中，串联分支与并联分支都始终处于工作状态，而由行星齿轮传动在串联分支和并联分支间进行发动机输出能量的合理分配。此结构可通过发电机对串联分支实施各种各样的控制，同时又可通过并联分支来维持发动机与驱动轮间的机械连接，最终实现对发动机的转速控制。(a) 开关式结构 (b) 分路式结构图2.5混联式HEV 动力传动系结构图混联式HEV 布置方案综合了串、并联两种布置方案的优缺点，具有了最佳的综合性能，但系统组成庞大，传动系布置困难。另外，实现串、并联分支间合理的切换对控制系统和相关控制策略的设计也提出了更高的要求。综上所述，并联式HEV 布置方案由于在传动系组成及控制方面更接近于传统车辆传动系，并且所需的电机功率较小，电池组数量少，整车的价位也比较低。更可贵的是，并联式HEV 可采用传统汽车用内燃机，从而可把传统车用内燃机的最新研究成果应用到混合动力车辆上，节省了研发资金，目前这种结构的传动系应用比较广泛。并联式HEV 动力传动系，由于动力合成的实现方法具有多样性，相应地动力传动系结构也多种多样，通常又可归类为: 转速合成式、牵引力合成式和扭矩合成式三大类。2.2.2 并联式HEV 动力传动系结构分析 转速合成式PHEV 动力传动系转速合成式PHEV 动力传动系的动力合成装置为转速合成装置，其工作原理如图2.6 所示。如果用i1、i2 分别表示转速合成装置对应于1 输入、2 输入的机械传动比，则存在下述关系式T out = i 1 T in1 = i 21T in2 V out = V in1/ i1+ V in2/ i2 (2-1)式中T、V 扭矩和转速in、O u t输入和输出图2.6转速合成装置工作原理简图15此结构有两套结构机械变速器，内燃机和电动机各自与一套变速结构相联，然后通过齿轮进行复合。在此种结构中，可以通过变速机构调节内燃机、电动机之间的转速关系，使发动机的工况调节变得更灵活。此种结构目前是最有生命力的结构，主要采用行星差动系统的结构。行星齿轮动力复合机构，可以实现多个部件转速的复合，即各个部件间的转矩保持一定的比例关系。这种功率复合形式被称为速度复合。行星机构有两个自由度，通过不同离合器和制动器的作用，可以实现单自由度、固定传动比的传动。在此机构中发动机与行星架相联，通过行星齿轮将动力传递给外齿圈和太阳轮，齿圈轴与电动机和传动轴相联，太阳轮轴与发电机相联。动力分配装置将发动机大部分转矩直接传递到驱动轴上，将另一小部分转矩传给发电机，发电机发出的电能根据指令给电池充电或用于电动机以增加驱动力。通过对行星机构的变速比和受力分析可以得到 (2-2)式中Q太阳轮齿数与齿圈齿数之比(0 Q 1)ne、ng、nr、nm、nw 分别为发动机、发电机、齿圈、电机和驱动轴的转速T e、T g、T r、T m、T w 分别为发动机、发电机、齿圈、电机和驱动轴的转矩K 齿圈与驱动轴间的传动比这种结构可以通过调节发电机转速使发动机转速产生变化，此外，发动机的转矩与作用在齿圈上的转矩是成一定比例的，传到驱动轴上的转矩是从齿圈上得到的转矩和电动机发出的转矩(为负时代表制动能量回收) 的和，这种结构可以有非常灵活的控制策略，可实现对混合动力能量流的最优控制。这种结构目前应用最成功的是丰田公司prius 的驱动系统。 扭矩合成式PHEV 动力传动系扭矩合成式PHEV 动力传动系的动力合成装置为扭矩合成装置，其工作原理如图7 所示。如果用i1、i2 分别表示扭矩合成装置对应于1 输入、2 输入的机械传动比，则存在下述关系式17T out = i 1 T in1 = i 21T in2 V out = V in1/ i1+ V in2/ i2 (2-3)由于两动力总成通过扭矩合成装置(啮合齿轮传动、链传动、传动带及CV T 传动等) 直接驱动车辆，因此它们的输出特性总和应能满足车辆的牵引需求，否则，应在传动系中适当的位置布置变速箱。另外，由于所采用的扭矩合成装置结构以及传动轴数目的不同，扭矩合成式PHEV 动力传动系又具有以下几种典型的结构型式。A 单轴扭矩合成式PHEV 动力传动系如图2.8 所示，发动机通过主传动轴与变速器相联，电动机的转矩通过齿轮与内燃机的转矩在变速器前进行复合，传到驱动轴上的功率是两者之和。关系式如下T s = (T e + K T m ) Gns = ne = nm K (2-4) 式中T e、T m、T s 分别为发动机、电动机和变速器输入转矩ns、ne、nm 分别为变速器输入轴转速、发动机转速和电动机转速G、K 传动效率和传动比在此结构中，发动机、电动机和变速器输入轴之间的转速成一定的比例关系，随着路况和车速的变化，这些转速会随着变化。输出转矩的变化，可以通过(2-4) 式中的转矩关系，在发动机转矩保持恒定的条件下，通过调节电动机的转矩而获得。图2.7扭矩合成装置工作原理图 图2.8单轴扭矩合成式PHEV 动力传动系结构图B 双轴扭矩合成式PHEV 动力传动系依据变速箱的具体位置不同，双轴扭矩合成式PHEV 动力传动系具有两种布置方案，分别如图2.9、图2.10所示。在图2.9 中，变速箱布置于动力元件和扭矩合成装置之间，变速箱的具体选择可以是多速、单一速比或CV T 传动，变速箱几种可行的组合方案确定的传动系特点，如表2-1 所列。图2.9双轴扭矩合成式PHEV 动力传动系之一 图2.10 双轴扭矩合成式PHEV 动力传动系之二表2-1双轴扭矩合成式PHEV 动力传动系之一中变速箱选择方案对比变速箱1变速箱2动力传动系特点多前进档变速箱多前进档变速箱提高了整车的加速能力和爬坡能力；提高了驱动系的总效率；传动系复杂，难于同时控制内燃机、电动机和变速箱。多前进档变速箱单前进档变速箱仍充分利用了牵引电机的恒功率特性并改善了内燃机的扭矩特性；提高了内燃机的效率，减小了电动机单独驱动汽车的车速范围，从而减少了电池组的放电量。单前进档变速箱单前进档变速箱驱动系的结构和控制都比较简单；汽车的行驶功率需求难于同时满足，因此其动力元件参数的选择应充分考虑汽车的动力性需求。在图2.10中，变速箱布置于扭矩合成装置与主减速器之间，变速箱的设置同等比例地提高了内燃机和电动机的输出扭矩，改善了汽车的动力性能，使系统采用小型内燃机和电动机为可能。C牵引力合成式PHEV 动力传动系牵引力合成式PHEV 动力传动系的具体结构如图2.11 所示。发动机和电动机之间无任何机械连接，它们通过各自的传动轴分别驱动车辆的前轮和后轮。图2.11牵引力合成式PHEV 动力传动系该动力传动系的一显著优点是: 汽车的驱动力由两个驱动轴承担，因此作用于每一驱动轴上的驱动力不会超出其轮胎地面附着极限；在标准的混合模式下，汽车主要由发动机驱动；在“零排放”模式下只使用电动机驱动；当汽车需要加速或爬坡，发动机和电动机同时驱动；该种结构的混合动力汽车的燃料经济性和动力性均超过了传统汽车，但由于电机驱动系统与内燃机驱动系统分离，结构不紧凑，给动力传动系的具体布置带来困难。2.3不同种类混合动力电动汽车传动系的比较串联式HEV 由于断开了原动机与后续驱动系统的机械连接，原动机与外界负载没有直接联系，可以在一个特定工况区域内相对稳定地运行。当车辆驱动功率较大时(如加速、高速、爬坡) ，由原动机和电池组联合提供动力；当车辆驱动功率较小时(如低速、滑行、零速) ，发电机组则给电池组充电以维持其能量状态的相对平衡；制动时电动机充当发电机使用，将回收能量储存在电池中。如果原动机选择合理，其最佳工况点附近的输出功率能够满足一定的需求，在频繁起步加速时可以使原动机在最佳工况点附近保持满负荷稳定运转，通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的，从而使复杂工况下的系统的性能有所提高。起步和低速时还可以关闭原动机，只利用电池进行功率输出，使原动机部分有效避免了怠速工况和低速运行工况，提高了原动机的排放性能和效率。串联式结构尤其适用于市内常见的频繁起步加速工况和低速运行工况。并联式结构中发动机和电动机是相互独立的，低速小功率运行时可以关闭发动机，利用电动机进行驱动；在中高速平稳运行工况，可以只利用发动机进行驱动；高速运行或加速时，可以利用动力复合装置对原动机和电动机的输出动力进行叠加。在市郊和城间运行时，汽车经常处于中高速平稳运行状态，而且对排放没有苛刻要求，并联式驱动系统可以关闭效率较低、需经常对电池进行管理的电驱动部分，只使用原动机进行驱动，从而使系统具有更好的燃油经济性。鉴于并联式结构适用于市郊和城间工况，在开发市郊和城间交通工具时并联式结构应受到重视。串联式布置和并联式布置在性能上各有优缺点。串联式布置断开了原动机和驱动系统的机械连接，为原动机的选用提供了广阔的空间，但其能量的转换过于频繁，必须解决转换过程中的能量损失问题。并联式布置保留了由内燃机直接驱动的传统驱动系统，整车的动力性能得到了保证，但其对内燃机工作点的优化相对困难，燃油经济性和排放性能的提高对能量管理系统提出了更高的要求。混联式是串联式与并联式的综合，混联式结构能够使发动机、发电机、电动机等部件进行更多的组合，从而在结构上保证了在更复杂的工况下使系统工作在最优状态，因此更容易实现排放和油耗目标。目前，混联式结构的研究重点是开发高性能动力复合装置、优化控制策略和降低整车成本。虽然混联式在理论上最容易实现性能最优，但它也存在明显的不足，即: 系统过于复杂，以及由此导致的可靠性难以保证；部件性能要求高，以及由此带来的设计加工困难重重；造价高，以及由此引发的市场化举步维艰。由于以上不足，混联式在研究、开发和应用中都受到很大的限制。表2-2HEV 动力传动系统的多方面的比较13结构形式串联式并联式混联式特征以电力形式进行动力复合以机械形式对动力进行叠加两者兼有总体结构发动机与电动机无机械联接，结构简单发动机与电动机采用机械联接方式，结构复杂发动机、发电机、电动机通动力复合装置进行动力复合，结构尤其复杂，动力复合装置需完成不同形式的动力复合任务，设计加工水平要求高特殊部件为保证系统效率，必须采用高效发动机，要求发电机和电动机效率高，功率大，一般需配备较多的电池，以提高系统效率为核心可以选用较小的发动机和电机，电机可兼作发电机和电动机为实现最优控制，应选用自动变速器和一定数量的自动离合器，以实现两套系统的协调工作为目的； 进行复杂的能量管理和协调控制策略复杂复杂很复杂 整车成本必须兼有大功率发电机和电动机及其控制器；成本高可利用现有技术，通用性好，电机小;总成本高系统复杂，部件种类数量多，性能要求高；成本更高燃油经济性和传统汽车相比提高有限有较大提高更高排放污染很低，控制排放作用明显对控制排放有适当作用排放污染很低适用路况市内频繁起步加速工况市郊和城间及高速公路工况各种路况3 CS6120混合动力汽车传动系参数的设计3.1 发动机功率的选择混合动力汽车动力传动装置参数(包括发动机功率、电动机功率、传动系速比等) ，对车辆的动力性、燃油经济性和排放性能有显著影响12。现就并联混合动力汽车传动系(如图3.1 所示) 进行参数选择和匹配分析。发动机功率的选择对并联混合动力传动系的设计至关重要。发动机功率偏大，车辆燃油经济性和排放性能就差;发动机功率偏小，后备功率就小，电动机只有提供更多的驱动功率，才能满足一定的车辆行驶性能要求，这势必引起电动机和电池组容量取值的增大和车辆成本的增加。发动机功率参数的选择以满足车辆匀速行驶功率为依据，即略低于车辆以最高速度行驶时的功率需求为宜;另外，电池组数目增多，在车辆上布置困难，车重增加，仅依靠发动机的富裕功率难以维持电池组的额定电量，限制了车辆的续行里程。由于并联混合动力汽车通常都采用由发动机提供车辆平均行驶功率，由电动机提供峰值功率的控制策略，因此其功率值的选择主要应考虑车辆匀速行驶时的功率需求，通常按下式初选发动机最大功率7 （3-1）式中Pe，max 为发动机最大功率;为车辆匀速行驶的速度；Cd 为空气阻力系数；A 为迎风面积；m 为整车质量;为传动系效率；f 为滚动阻力系数。的具体取值应依据所设计车辆的动力性能要求而定。取= Vmax(最高车速km/h ) ，显然发动机的功率偏大，因为实际上车辆很少以最高车速行驶，尤其在我国更是如此。据文献，我国城市车辆的平均行驶车速Va仅在20 30 km/h 之间，取= Va ，则发动机的功率将偏小。因此结合我国车辆和路况实际现状，的取值为Va Vmax 。图3.1 并联混合动力汽车结构简图根据本设计cs6100的参数，如下表：表3-1 cs6100的参数总长10490mm总宽2500mm总高3200mm车厢内高2280mm轴距5000mm前轮距2020mm接近角9前悬2368mm最小离地间隙158mm后轮距1800mm离去角9后悬3122mm厂商最大总质量13000kg最高车速整备质量9230kg座位数45-47取=80km/h，高3.2m，宽2.5m，接近角9，前悬2.368m，质量为最大总质量，电池质量设为1000kg，所以质量为13000+1000=14000kg，传动系效率0.85，空气阻力系数0.6，滚动阻力系数在一般的沥青或混凝土路面上大致取0.019。所以迎风面积A=2.5*（3.2-2.368*tg9）=7.06m由公式3-1发动机最大功率7 P=*80 = 101.67kw由以上数据，本设计选择扬州柴油机有限责任公司生产的YZ4105ZLQ型柴油机，参数如下表表3-2YZ4105ZLQ型柴油机参数工作容积4.087最大转矩420Nm/1600r/min额定功率时转速2800r/min额定功率105kw缸径行程105118mm排放达标欧缸数4发动机总成净质量350kg外形尺寸847795839mm压缩比17：13.2 电动机参数的选择通常，适用于电动车辆使用的电动机外特性为:在额定转速N mr以下，电动机以恒扭矩模式工作，在N mr以上，以恒功率模式工作。相应参数选择包括:电动机额定功率Pmr 、电动机额定转速N mr 、电动机最大转速Nm，max 。3.2.1电动机额定转速和最高转速的选择电动机的最高转速对传动系的尺寸、电动机的额定扭矩都有影响。在电动机功率一定的前提下，其额定扭矩与最高转速间的关系如图3.3 所示。图中，y 坐标表示电动机的最高转速与额定转速的比值，也称电动机扩大恒功率区系数。由图3.3 知，随值增大，转速越低，对应的电动机额定转矩越高，因此对电机支撑要求就越高。另外，高扭矩需较大的电机电流和电子设备，增加了功率变换器矽钢片的尺寸和损耗，但大值又是车辆起步加速和稳定运行所必需的，所以电机传动轴额定扭矩的减小只能通过选用高速电机来解决。但这又影响传动比，所以必须协调考虑电机最高转速和传动系尺寸。另一方面，增大值也会使驱动轴扭矩和齿轮应力增大，选择时还要协调考虑值和齿轮应力。就目前来看，一般都倾向于选择中高速电机(最高转速在9000 15000 r/min 之间) ，扩大恒功率区系数一般选择在46 之间，相应地，电动机额定转速N = N (3-2)取N=14000r/min，=5，则