（机械设计及理论专业论文）并联式混合动力汽车动力合成装置的研究.pdf

摘要 论文题目：并联式混合动力汽车动力合成装置的研究 学科名称：机械设计及理论 研究生：白钰枝 指导教师：崔亚辉教授 签名： 签名： 摘要 1 纽：盘 趣堑 混合动力电动汽车关键技术的核心是动力驱动技术。本文以并联式混合动力电动汽车 的动力合成装置为研究对象，进行了运动学、动力学性能以及参数匹配原则的深入研究， 为其运动学、动力学参数的设计及整车控制提供了理论依据。 本文研究的动力合成装置由差动轮系组成。因此论文首先分析了一般差动轮系的传动 比、作用于构件上的转矩、传递的功率及效率等一般共性问题，并由此得到差动轮系的转 速输出特性和转矩输出特性，从而得出了差动轮系作为动力合成装置使用时应满足的参数 条件。 其次通过建立综合等效力学模型的方法，得出了系统结构参数和两输入构件输入速比 对系统综合等效转动惯量及综合等效刚度的影响趋势，为动力合成装置的设计、h e v 的 动力匹配提供了一定的理论依据。进一步通过对模型动力学分析得出了系统的构件加速度 与结构参数及输入构件速比之间的关系，以利于能够进行动力合成装置输出构件加速时间 的计算。 在上述分析研究的基础上，针对混合动力电动汽车的三种工作模式，对动力合成装置 进行了详细的动力学分析，得出了系统在相应模式下的响应，并对各种模式的响应结果进 行了比较和分析，由此可得出混合驱动模式下双动力结合的最佳转速范围。对动力合成装 置的参数选择、设计提供了一定的依据，特别是为整车控制策略的制定提供了参数基础数 据。 关键词：混合动力电动汽车：动力合成装置：差动轮系：动力学 本课题得到了陕西省科技厅自然基金项目“并联式车用混合动力系统的匹配与控制策略研 究( 2 0 0 3 e 2 2 6 ) ”的资助。 a b s t r a c t t l t l e ：r e s e a r c h0 fp h e vp o w e rs y n t h e s i z e r m a j o r ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y n a m e ：y u z h ib a i s i g n a t m ：丕丝生绝 s u p e r v i s o r ：p r o f - y a h u ic u is i g n a t u r e ：趁丛 a b s t r a c t t h ec o r et e c h n o l o g yo fh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) i sp o w e t r a i nt e c h n o l o g y i nt h i s t h e s i s ，as e r i e so fi m p o r t a n tp r o b l e m ss u c ha sk i n e m a t i c s ，d y n a m i c sa n dt h ed e s i g np r i n c i p l eo f t h ek e yp a r a m e t e ra b o u tt h ep o w e rs y n t h e s i z e rw h i c hi st h er e s e a r c ho b j e c ta r ei n v e s t i g a t e d s y s t e m a t i c a l l y , a n dt h ea n a l y t i c a lr e s u l t sc a nb eh e l p f i l lf o rt h ee s t a b l i s h m e n to ft h ed e s i g n s t a n d a r da n df o rv e h i c l ec o n t r 0 1 t h ep o w e rs y n t h e r s i z e rd i s c u s s e di nt h i sp a p e ri sc o m p o s e do fd i f f e r e n t i a lg e a rt r a i n h e n c eb a s e do nt h er e q u i r e dp e r f o r m a n c ea n dt h et h e o r e t i c a la n a l y s i so f t h ep o w e rs y n t h e s i z e r , s u c ha ss p e e dr a t i o ，t o r q u e ，p o w e ra n dt r a n s m i s s i o ne f f i c i a n c y t h ek e yp a r a m e t e ro ft h ep o w e r s y n t h e s i z e ro f t h ep a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( p h e v ) h a sb e e ng o t t e no u t t h ei n f l u e n c eo fs t r u c t u r ep a r a m e t e ra n dt h es p e e dr a t i ob e t w e e nt h et w oi n p u tc o m p o n e n t o ne q u i v a l e n ti n e r t i aa n dt h ee q u i v a l e n ts t i f f n e s si sd e d u c e db ye s t a b l i s h i n ge q u i v a l e n t m e c h a n i c a lm o d e lw h i c hi st h eb a s i so fp o w e rm a t c h i n g t h er e l a t i o nb e t w e e na n g u l a r a c c e l e r a t i o n , t h e 姗t l l r ep a r a m e t e ra n ds p e e dr a t i oh a sb e a na l s og o t , w h i c hi sh e l p f u lf o r c a l c u l a t i n go fa c c e l e r a t i n gt i m et oc o n t r o lh e v b a s e do nf u r t h e rr e s e a r c ho ft h ee s t a b l i s h e d d y n 枷ce q u a t i o n , t h er e l a t i o nb e t w e e na n g l ea e c e l e r o m e t e r , s p e e dr a t i o a n ds t r u c t u r e p a r a m e t e ri so b t a i n e d t h ed y n a m i cr e s p o n s e so ft h ep o w e rs y n t h e s i z e rh a v eb e e ns y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d a c c o r d i n gt ot h ea b o v er e s e a r c ha n dr e s p o n s e so ft h ep o w e rs y n t h e s i z e rh a v eb e e nr e s e a r c h e d u n d e rt h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n tw o r k i n gs t a t e s a tt h es a m et i m e ，t h er e q u i r e dt i m ew h i c ht h e s y s t e mc o m e si n t os t e a d ys t a t eh a sb e e na l s og o t b e s i d e s ，t h er e s u l to fe v e r y k i n dr e s p o n s eh a s b e e na n a l y z e da n di tc a nb et h eb a s i so fp a r a m e t e rc h o i c e sa n ds t r u c t u r ed e s i g n ，e s p e c i a l l yo f e s t a b l i s h i n gc o n t r o ls t r a t e g y k e y w o r d s ：p a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ；p o w e rs y n t h e s i z e r ；d i f f e r e n t i a lg e a rc h a i n ； d y n a m i c a la n a l y s i s 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：噍圭：抠冲，月) 钼 学位论文使用授权声明 本人j 鱼羟：丛在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：遗呈! ：超导师签名：爱缝丝触7 年岁月彳日 第1 章绪论 1 绪论 1 1 研究背景 汽车发明一百多年来，为人类文明做出了巨大贡献，创造了难以计算的直接或间接经 济利益。但是随着世界汽车保有量的急剧增长，人们越来越认识到传统的内燃机汽车对人 类环境带来的危害。人们对生存环境的要求越来越高，降低汽车有害排放的呼声与日俱增。 环境保护的迫切性和石油储量日见短缺的压力，迫使人们重新考虑未来汽车的动力问题。 经过对各种新燃料、新能源和新动力的探索，电动汽车成为最主要的选择之一“1 。 电动汽车包括纯电动汽车( e l e c t r i cv e h i c l e 简称e v ) 、混合电动汽车( h y b r i de l e c t r i c v e h i c l e 简称h e y ) 和燃料电池汽车( f u e lc e l lv e h i c l e 简称f c v ) 三种形式n 1 ”，是理想的 零排放或低排放车辆。 纯电动汽车由于关键部件之一的电池能量密度、寿命、价格等方面的问题，使得其性 价比无法与传统的内燃机汽车相抗衡，在发展中受到了技术上的制约，产业化前景并不看 好。燃料电池汽车具有高效率、低排放、低噪音、甲醇燃料来源广泛并可再生等重大优势， 已成为世界各大汽车集团新世纪激烈竞争的焦点，被喻为2 1 世纪改变人类生活的十大高 科技之首，但产业化仍需较长时间“1 。上世纪的能源危机以及上述两类汽车在技术方面的 难题使得融合了内燃机汽车和电动汽车优点的混合动力电动汽车异军突起，在世界范围内 成为新型汽车开发的热点。2 0 世纪9 0 年代以来，世界许多著名汽车生产厂商已将研究的 重点转向了可实施性较强的混合动力电动汽车，以求掌握未来汽车行业的主动权。进入 2 l 世纪后，各国加快了h e v 的概念产品化的进程，相继推出了不同形式的产品。 混合动力电动汽车是指采用了两种动力装置( 内燃机和电动机) ，通过储能装置( 蓄电 池等) 和控制系统对能量的调节，能实现最佳的能量分配，达到整车的低排放、低油耗和 高性能的混合动力汽车，融合了燃油汽车和电动汽车的优点，是最具有市场价值的低排放 和低油耗汽车“”。 混合动力电动汽车具有两个动力源。当汽车爬坡或加速时，如图1 - 1 所示，两个动 力源联合输出动力，蓄电池输出电能通过电机进行助力；当汽车在下坡或制动时，发电机 发电可以对再生或制动能量进行回收，以电能形式储存在蓄电池中；当汽车较长时间怠速 停车时，可以通过控制发动机熄火，实现怠速启停，节省燃油。由于辅助动力的助力作用， 在保证汽车相同的动力性能 条件下，可相应减小混合动力 电动汽车发动机的功率及排 量需求，减少汽车燃油消耗： 同时通过再生及制动能量的 回收，以及避免汽车在油耗较 高的怠速工况区运行( 怠速启 爬坡加速再生制动怠速启停 图卜1 运动工况简图 f i g l 一1t h es k e t c ho f w o r k i n gs t a t e s 西安理工大学硕士学位论文 停) ，进一步减少汽车燃油消耗；混合动力电动汽车通过控制辅助动力的功率及扭矩输出 大小，可以优化控制发动机的工作点，使整车的废气排放得到显著的改善，因此混合动力 电动汽车既具有良好的动力性、经济性，也有较低的废气排放水平 4 1 e 由于混合动力电动汽车有两个以上的动力源，其驱动系统从能源输入、原动机到机械 能的传递，组成方式多种多样，具体的结构设计也各不相同“1 。因此，它的驱动方式就有 多种形式。为了满足不同的使用要求，驱动系及传动系结构也多种多样。根据混合动力汽 车驱动桥的多少可把h e v 分为单轴驱动、双轴驱动或多轴驱动h e v 三种“1 。根据混合 动力电动汽车动力系统的特点及连接方式的不同，可分为串联式混合动力电动汽车s h e v ( s e r i e sh y b r i de l e c t r i cv e h i c l c ) 、并联式混合动力电动汽车p h e v ( p a r a l l e lh y b r i de l e c t r i c v e h i c l e ) 和混联式混合动力电动汽车c ( c o m b i n e dh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ) 。 串联式混合动力系统利用发动机和发电机提供电能以电力驱动，发动机是唯一的驱 动源，其结构简图如图1 - 2 所示。由于发动机与驱动车轮之间没有直接的机械连接，发动 机可以不受汽车行驶工况的影响，始终在最佳工作区稳定运行。汽车正常行驶时，发动机 带动发电机发电，电能被充入蓄电池，同 时，在控制器的调节下，蓄电池供给电动 机电能，是电动机运转，电动机通过变速 器或减速器驱动车轮前进；在汽车低负荷 运转时，发动机发出的功率超过驱动车辆 的需要，多余的电能向蓄电池充电；在汽 车高负荷运转时，电能来自两部分，即发 动机的发电机和蓄电池，发动机的最高输 出功率要受到电动机功率的限制。串联式 混合动力电动汽车特别适用于在市区低 速运行的工况，汽车在起步和低速时还可 图1 - 2 串联式h e v 驱动系统简图 f i g l 一2p o w e r t r a i ns k e t c ho f s h e v 以关闭发动机，只利用电池提供驱动功率，达到零排放要求”1 。 它的主要缺点是1 ) 发电机的功率必须能够克服汽车在行驶过程中的最大阻力，驱动 电动机的功率要求比较大，外形尺寸比较大，质量也较重。由于不是经常在满负荷状态下 运转，因此效率较低。2 ) 发动机输出的机械能需经过两次能量转换变为驱动汽车的机械 能，能量转化损失大，机电能量转换效率较低，使燃油利用率比较低。3 ) 发动机一电动机 组与动力电池组之间的匹配要求比较严格，应能自动启动或关闭发动机一电动机组，以避 免动力电池组过放电，这就要求更大的电池容量。 并联式混合动力系统中有发动机和电动机两套驱动系统利用发动机和电机共同驱动 车轮，如图1 - 3 所示。车辆可以由发动机单独驱动、电力单独驱动或者一起协调工作共同 驱动。当发动机提供的功率大于驱动电动汽车所需要的功率或者制动能量回收时，电动机 工作在发电状态，将多余的能量充入蓄电池：当发动机提供的功率小于驱动电动汽车所需 2 第1 章绪论 要的功率时，电动机利用蓄电池提供的能量与发动机共同驱动，达到汽车所需要的功率； 汽车在起步和低速时，可以只利用电池提供驱动功率，电动机起“调峰”作用，因此并联 式混合动力系统可以在比较复杂的工况下使用，应用范围比较广。由于发动机与驱动车轮 之间机械连接，没有串联将机械能转换为电能的发电机，因此提高了能量转化效率。并联 系统结构紧凑，比较适用于轿车。但并联混合动力系统的传动系统较为复杂，工作模式较 多，控制系统复杂。 图1 3 并联式h e v 驱动系统简图 f i g l 一3p o w e r t m i ns k e t c ho f p h e v l - 4 混联式h e v 驱动系统简图 f i g l - 4p o w e r t r a i ns k e t c ho f c h e v 混联式( 串并联式) 混合动力电动汽车( 图1 - 4 ) 则综合了串联式和并联式混合动力电 动汽车的结构特点。混合动力电动汽车按照电机相对发动机的功率比大小可以分为助力型 ( 轻度混合) 、双模式型( 中度混合) 和续驶里程延长型。按行驶过程中电池电量的控制方式 可分为电量维持型混合动力系统和电量消耗型混合动力系统。混联式混合动力电动汽车与 串联式相比增加了机械动力的传递路线，与并联式相比增加了电力驱动路线。尽管它具有 串联式与并联式的优点，但其结构复杂，成本高，控制也更加困难。 在以上三种驱动类型中，串联式只有一个动力源，因此它是h e v 中最简单的一种。 并联式和混联式都有两种动力源，这两种在结构上都比串联式复杂，放其总体布置也就比 较困难，须装有复杂的能源动力总成控制系统，才能达到较高的经济性和超低污染的控制 目标。而能源动力总成控制离不开驱动系统的研究结果，因此本文将重点研究并联式驱动 系统中动力合成装置的机械特性。 与纯电动汽车相比，由于h e v 有原动机作为辅助动力，电池的数量和质量可减少， 因此汽车自身重量可以减小，而续驶里程和动力性仍可达到内燃机的水平；借助原动机的 动力，可带动空调、真空助力、转向助力及其它辅助电器，无需消耗电池组有限的电能， 从而保证了驾车和乘坐的舒适性“”。与内燃机汽车相比，h e v 可使原动机在最佳的工 况区域稳定运行，避免或减少了发动机变工况下的不良运行，使得发动机的排污和油耗大 为降低；在人口密集的商业区、居民区等地可用纯电动方式驱动车辆，实现零排放，此外， 由于有电动机提供动力，因此发动机可配备功率较小的类型，并可通过电动机回收汽车减 速和制动时的能量，进一步降低了汽车的能量消耗和排污“。 3 西安理工大学硕士学位论文 混合动力电动汽车是2 1 世纪初汽车产业界的一场革命，只有混合动力电动汽车才能 满足新世纪之初对汽车的环保与节能要求。对混合动力汽车关键技术的深入研究具有重要 的理论意义和工程价值，对汽车产业的开发也能起到积极的促进作用。 1 2 混合动力汽车的关键技术乜川“， h e v 是由发动机、电动机共同组合来驱动h e v 行驶。关于混合动力汽车的关键技术 的论述比较多。具有代表性的是： ( 1 ) 混合动力电动汽车的关键技术包括汽车技术、电器技术、电子技术、信息技术和化 学技术等”1 。现在电动汽车工程的主要问题是要将汽车工程、电器、电子工程以及化学工 程领域中最新的技术发展结合到电力汽车的设计中来，找到适合电力汽车的独特的设计方 法和制造技术，实现电动汽车能量的最优化利用9 。 ( 2 ) 混合动力电动汽车的关键技术应该包括：系统集成技术、蓄电池技术、电机控制技 术、车辆控制技术等。混合动力电动汽车的核心是混合动力驱动系统，其设计关键是系 统结构的选择、整车能量管理策略的开发和系统参数的确定1 7 1 1 8 1 0 尽管对混合动力电动汽车的关键技术说法不一，但共同点都集中在四个主要方面：电 源、动力驱动、电器电子和整车控制，其中动力驱动系统是核心。它涉及到发动机的选择、 电动机的选择、发动机与电动机的动力匹配、电动机和电动机的动力组合、多能源动力系 统的控制与管理等。 发动机的选择首先要考虑到h e v 预期的最高车速拍1 。根据有关数据和估算h e v 的 比功率，能够确定发动机的功率。此外还应该考虑发动机在h e v 布置方面的要求。h e v 用发动机的选择还应根据发动机功率和电动机功率的匹配关系，使h e v 在起步、爬坡、 加速时，避开发动机的怠速工况。目前，很多汽车厂商都在研究新型发动机，燃油耗油量、 有害气体排放及燃油效率方面的技术是目前发动机研究的主要目标“”。 电动机的选择主要考虑其驱动作用。它应能够使h e v 发动机保持平稳的运转，在 h e v 起步、爬坡、加速时，是发动机避开怠速和低效率的工况。 发动机与电动机的匹配问题。h e v 用的发动机和电动机配置，根据各个厂家选用的 车型及驱动类型的不同而不同。一般来说，h e v 上配置的发动机的功率略小于同级别的 内燃机汽车的发动机的功率。电动机的功率就更小一些。 h e v 的动力组合。动力组合分为电力式( 软组合) 动力组合和机械式( 硬组合) 动 力组合。前者一般用于串联式，它是将发动机和电动机共同组成发动机电动机组，将所发 出的电能供应驱动电动机或输入到动力电池组中，发动机动力是转换为电能的形式与动力 电池组进行“并网”，发动机与电动机之间不存在任何机械连接。而后者是将电动机的动 力与发动机的动力进行组合，根据组合的部位不同，还可以分为各种组合形式：发动机动 力组合式、动力组合器组合式、驱动轮动力组合式、动力组合器动力组合式和驱动轮动力 组合式等多种组合形式。前三种应用于并联式h e v ，后两种应用于混联式h e v 。 混合动力汽车的控制策略及结构决定了整车的行驶性能。控制策略不仅仅要实现整车 4 第1 章绪论 最佳的燃油经济性，同时还要兼顾发动机排放、蓄电池寿命、驾驶性能、各部件可靠性及 整车成本等多方面要求，并针对混合动力汽车各部件的特性和汽车的运行工况，使发动机、 电机、蓄电池和传动系统实现最佳匹配。 在h e v 的关键技术中，动力驱动系统是其中的核心。在混合动力汽车的研制过程中， 动力耦合器是事关成功与否的关键部件，虽然其他技术的发展是相对独立的，但整车控制 及能量管理策略要得到理想的结果，离不开动力驱动系统的研究。世界各国都对此进行大 量的研究，先后取得了不少成果，并成功地运用于所研制的h e v 中。本文将重点研究并联 式驱动系统的动力合成部分。 1 3p h e v 动力合成装置的的研究发展 从首先出现在欧洲的第一辆h e v 到现在，经过了十余年的发展，各国的h e v 研究 发展是不平衡的，日本丰田汽车公司是目前走在h e v 技术最前沿的汽车公司。混合动力 汽车的发展过程同时也是动力合成装置的发展过程。 早期的动力合成器有皮带轮与齿轮啮合两种结构。但由于皮带轮传动滑动损失较大， 齿轮传动又过于刚性，啮合冲击过大，目前基本上不采用这两种结构，取而代之的是各种轮 系 3 8 1 。在并联式h e v 动力合成装置中，逐渐形成了在1 2 1 节动力组合部分中介绍的三 种并联式动力组合形式。实际上，目前这三种动力组合形式也可归结为以下两种类型：即 1 ) 发动机动力组合式和驱动轮动力组合式属于通过定轴轮系进行的动力合成；2 ) 动力组 合器组合式属于通过行星轮系进行进行的合成。在第一种类型中，电动机的驱动力可以从 不同的部位，与发动机的动力相结合，这样就构成了不同的动力组合。第二种类型同理也 有各种不同的形式。 1 1 3 1 国外p h e v 动力合成装置的研究发展 就并联式混合动力合成器而言，目前，福特汽车公司的“奇迹”( p r o d i g y ) 牌、克莱斯 勒汽车公司的e s x 3 以及大众公司的g o l f 牌都是第一种类型的代表，其性能基本上接近 于内燃机汽车，节能环保效果不太明显，再生制动的能量回收效果也比较低。在第二类中， 福特汽车公司的p t h 牌动力组合器和华沙工业大学开发的动力组合器是这类组合式的代 表。 图1 5 为大众汽车公司的g o l f 牌发动机轴动力组合式p h e v 结构简图“1 。在发动机 输出轴上通过增速齿轮间接装罱电动发电机，电动发电机可作为发动机的启动机和作为 发电机发电。结构简单、改装较容易，实际上是在自动离合器之后装置增速器来带动一个 电动发电机。在混合动力驱动模式时，电动发电机的辅助动力是通过发电机输出轴组合 后，共同驱动p h e v 行驶。 图1 - 6 为华沙工业大学所开发的动力组合器组合式p h e v 的结构简图“1 。动力组合装 置采用单层行星齿轮机构，发动机通过离合器、轴制动器带动行星齿轮机构的太阳轮转动， 然后通过行星齿轮和行星齿轮架带动驱动桥驱动p h e v 行驶。 西安理工大学硕士学位论文 图1 - 5 发动机轴上通过增速齿轮箱装置电动机 图1 - 6 行星齿轮驱动系统 f i g l - 5e l e c t r i c - m o t o ri sl i n k e dt ot h ee n g i n es h a f tv i ag e a r c e f i 9 1 - 6p l a n e t a r yg e a r e ds y s t e m 1 3 2 国内p h e v 动力合成装置的研究发展 我国汽车工业水平相对落后，对h e v 的开发虽然起步较晚，但它牵涉到我国整个汽 车工业的发展战略问题，因此我国政府对h e v 的发展也给予了足够的重视。我国有关电 动汽车的研制开始于2 0 世纪9 0 年代。从1 9 9 6 年开始，广东省科委统一协调组织研制电 动汽车，并取得了可喜的进展。 图1 7 为我国研制的发动机轴动力组合式“1 。该组合器是在发动机飞轮齿圈处装置电 动发电机，由于空间较小，装置的电动发电机的功率也较小，电动发电机对p i - m v 的节 能和环保效果不太明显，特别是再生制 动的能量回收效果更低。 我国通过国家“八五”“九五”甚 至“十五”电动汽车的科技攻关，在 h e v 方面已经积累了一定的技术基础 和经验。在大力建设节约型社会的大背 景下，发展具有自主知识产权、节能环 保型电动汽车是我国汽车产业发展的 必然趋势，“十一五”期间混合动力汽 车将实现产业化、规模化，而混合动力 图卜7 电动机装在发动机飞轮齿圈处 f i g l 一7e l e c t r i c - m o t o ri sl i n k e dt ot h ef l y w h e e lr i n gg e a r 车的产业化规模和效益将受到来自科研水平、政策法规、产业配套、市场成熟度等各方面 的联合推动，这势必会推动我国h e v 动力合成器的发展。 目前，在混合动力汽车的动力组合装罱的研究开发中存在的问题是： ( 1 ) 对于并联式混合驱动汽车传动系统的运动学及动力学模型缺乏充分的研究，阻 碍了更多型式的h e v 驱动系统的开发； 6 第1 章绪论 ( 2 ) 由于并联式混合驱动汽车驱动系统的发动机运行工况要受汽车行驶工况的影响， 因此在汽车行驶工况变化较多、较大时，发动机就会比较多地在其不良工况下运行，因此， h e v 传动系统的运动及动力参数间的精确匹配是充分发挥电力驱动系统和a p u ( 辅助动 力单元) 各自最佳性能的关键所在，目前仍缺乏相关的设计准则指导； ( 3 ) 对于并联式混合驱动系统缺乏简洁准确的效率计算方法； ( 4 ) 对并联式h e v 动力总成控制系统的模型与控制策略的研究不够完善，到目前 为止国内主要的研究方向仍集中在总体参数的匹配方面，而混合动力系统的精确运转依赖 于优化控制系统的实现，所以，控制系统及其策略的开发式混合动力系统的最关键的技术 创新，需要进行全面、系统研究。 基于上述原因，本文就混合动力驱动系统传动方案、双动力源之自j 的动力合成动力学 特性进行分析，为整车控制提供理论基础。 1 4 本文的研究内容及意义 本文主要针对并联式混合动力电动汽车驱动系统中的动力合成装置进行研究。对动力 合成装置部分进行运动学、动力学以及参数匹配的原则方面的研究，完善其动力驱动理论， 以此对混合动力传动系统参数设计及匹配准则的建立提供一定的依据。主要包括以下工作 内容： 1 、对并联式h e v 驱动系统中动力组合的方式进行比较，确立动力组合装置的组合 方式。 2 、从一般差动轮系的运动学研究出发得到作为动力合成装置的差动轮系应满足的参 数匹配要求。 1 ) 讨论动力合成装置的转速输出特点、转矩输出特点，得出满足条件的参数特点； 2 ) 完成动力合成装置的灵敏度分析，从而确定作为动力合成装置的差动轮系其结构 参数应满足的要求，以利于进一步实现运动参数的优化及最佳传动方案的确定： 3 、通过建立动力合成装置的力学模型，分析动力合成装置的动力学问题。 1 1 计算综合转动惯量、综合刚度和综合转矩； 2 ) 求解动力合成装置的瞬态响应，确定影响加速度的因素和途径； 3 ) 动力合成装置加速性能的分析； 4 、针对动力合成装置在各种工作模式下的响应，确定其对激励的响应时间，以利于 对整车的控制提出理论上的依据。 本课题得到了陕西科技厅自然基金项目“并联式车用混合动力系统的匹配与控制策略研究( 2 0 0 3 e 2 2 6 ) ” 的资助。 7 西安理工大学硕士学位论文 2 合成方式的确定及行星传动的一般理论 2 1 动力合成方式的确定 p h e v 的发动机和电动机两大动力总成都是驱动动力装置，在p h e v 上可以实现发动 机驱动模式，电动机驱动模式和混合驱动模式。两大动力总成的功率可以叠加，因此可以 采用较小功率的发动机和电动机，使得整个动力总成的尺寸较小、质量轻、造价低。而电 动机和发动机的动力组合也是形式多样的。在前文绪论中讨论的两类动力合成器中，由于 行星轮系本身所具有的许多优点，本文将第二类组合器即行星齿轮构成的动力组合器作为 研究内容。又因为动力进行组合时，电动发电机的动力插入发动机系统的方位不同，形 成了不同的类型。最基本的两种类型是： ( 1 ) 将发动机输出轴和电动机输出轴通过离合器直接和动力组合装置相连接，然后 通过减( 变) 速器、驱动桥来驱动车轮前进。 ( 2 ) 将发动机输出的转速经过减( 变) 速器之后， 后经过驱动桥驱动车轮前进。 将这两种组合方式进行比较可知，第一种方式相 对于第二种而言，结构紧凑，容易进行控制。而且对 行星齿轮的加工而言，较小尺寸的齿轮加工精度容易 保证，因此，本文将动力组合器的组合方式确定为第 一种类型，如图2 1 所示。 以行星齿轮传动来进行动力组合，是由于它有许 再与电动机的动力进行组合，然 动 力 a 口 成 装 置 图2 - 1 组合方式结构简图 f i g2 1t h es k e t c ho f c o m b i n e dm o d e 多独特的优点：主要是结构紧凑、重量轻、体积小，而且只需要适当选择行星传动的类型 及配齿方案便可以用少数几个齿轮而得到很大的传动比；传动效率高，运动平稳、抗冲击 和振动的能力强，工作比较可靠。这种特点适用于动力合成。差动轮系是有2 个运动自由 度的差动轮系，将它的三个基本构件中两个基本构件作为动力输入，那么另一个基本构件 就可作为输出构件。由于行星轮系几乎可以用于一切功率和转速范围，因此目前它的应用 十分广泛，但作为动力合成器还需要满足动力耦合的几个要求： ( 1 ) 动力合成功能 动力组合装置至少要有2 个输入端，可以将发动机和电动机的动力分别输入并进行动 力合成。 ( 2 ) 输出不干涉功能 动力组合装置还必须有一个输出端，可以让发动机的动力、电动机的动力单独输出来 驱动h e v 行驶，或让发动机和电动机的混合动力共同输出来驱动h e v 行驶，彼此之间不 发生运动干扰，不影响传动效率。 ( 3 ) 辅助功能 动力组合装置最好能充分发挥电动机的低速大转矩的特点来启动h e v 。由于发动机 田 回 第2 章合成方式的确定及行星传动的一般理论 和电动机的功率和转速输出特性不同，动力组合装置需要满足多项复杂的动力传递、组合 要求。 为了选取合适的行星轮系作为动力合成装置，论文首先讨论轮系的一般特点。 2 2 一般差动轮系传动特点m ” 论文2 1 节中介绍了行星轮系的传动特点，本节将介绍差动轮系各构件间的传动比关 系、作用在轮系各构件上的转矩关系、轮系的功率关系以及其效率计算。 2 i2 1 传动比关系 图2 2 为差动轮系的结构简图。该轮系的三个基本构件分别为：a 、b 、c 。这三个基本 图2 - 2 差动轮系结构简图 f i 酩- 2t h es k e t c ho f d i f f e r e n t i a lg e a rw a i n h = l 。a b + 之x l i 。 ，1 6 = l - 如c 行。+ 瑶， ( 2 1 ) i 撑c2 - bx l i a + 匕l i 6 式中以。、，分别为基本构件a 、b 、c 的实际转速； 幺转化机构的相对传动比。 上述关系中出现6 个转化机构的传动比，这6 个传动比之间的关系根据传动比的概念 n 7 1 有以下关系 f 乞+ 之= 1 幺乞= 1 ( 2 2 ) i 乞袭= t 在差动轮系的研究中，将乞= k 称为轮系的结构参数，由上式可以看出：当足一定时， 其它五个传动比的值也是一定的。换句话说，六个传动比中，一旦确定任意一个传动比的 值，则所有的传动比就确定了。 根据以上的关系，还可以得出其它传动比与结构参数之间的关系： 程2 l 一去乇2 i 苌乞2 去磊。亡； 毪2 l k ( 2 3 ) 将式( 2 - 2 ) 中的各个等式经过变形组合，可以得出6 个传动比之间还存在以下的关 系： 簟。毪。艺2 1 ( 2 4 ) 【匕吃磊= 一1 。 并且存在幺= l 一 如果把式( 2 4 ) 看作两组，则从关系中看出，每组三个传动比之中必有且仅有一个 西安理工大学硕士学位论文 绝对值大于2 的减速传动比和至少一个绝对值小于1 的增速传动比，有且仅有一个负传动 比1 。 由传动比的关系可知，系统结构参数一旦确定，无论系统的具体结构如何，其各个构 件的相对传动比都只与结构参数有关。因此，动力合成装置首先要满足运动要求，可以通 过轮系的结构参数选取来进行。 2 2 2 转矩分析 忽略摩擦损失时，作用在图2 2 中三个基本构件a 、b 、c 上的转矩满足如下关系“： l + 瓦+ t2 0( 2 5 ) 【“+ 瓦n 6 + 疋。k = 0 上式中l 、瓦、t 作用于基本构件a 、b 、c 之间外转矩； 栉。、以6 、以。基本构件a 、b 、c 的转速。 整理式( 2 5 ) 可得 j 瓦2 吒。l( 2 6 ) k = 也 其中t a b = 足，则有以下关系 j 瓦2 崛( 2 7 )二， k = 晖一1 ) t o 当k = 0 时，瓦= 0 ，代入式( 2 4 ) 可得撑。= n 。 当k = 1 时，z = 0 ，代入式( 2 4 ) 可得，l 。= h 6 即侄：和侄t = - t b ， 上面两式可以理解为物理意义上的联轴器。 整理式( 2 6 ) ( 2 7 ) 可得 l ：瓦：= 1 ：( 一k ) ：( 足一1 ) ( 2 8 ) 由式( 2 8 ) 可看出：与差动轮系在运动学上有两个自由度不同，它的三个基本构件 间的转矩关系却是单自由度或者说是单自变量的；而当差动轮系特性参数k 确定之后， 作用在三个基本构件上的外转矩大小是成定比例关系的。因此，轮系三个基本构件上外转 矩的大小是不能随意施加的。三者之间的关系必须符合式( 2 8 ) ，否则，轮系将不能正常 驱动负载工作。 由式( 2 8 ) 还可以得出l 、瓦、中必有两个符号相同与第三个基本构件转矩符号 第2 章合成方式的确定及行星传动的一般理论 相反，目口必有两个同向与另一个反向。因此，差动轮系可以作为分流装置，也可以作为汇 流装置。在丰田p r i u s 上差动轮系就是作为分流装置。本文所要讨论的是将差动轮系作为 汇流装置的情况。 2 2 3 功率分析 如不考虑损失，对于( 2 7 ) 式可以算得基本构件a 、b 、c 所传递的功率分别为只、只、 p ，则 只= 瓦x n 6 = ( 一幺) ( 瓦x h 。) 生= 一- c 只 ( 2 9 ) 以4 只= x h 。= ( 幺- 1 ) ( lx z 。) 竺= 一f ：只0 ( 2 1 0 ) 一4 比较( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 则有下列关系成立 只：b ：只= 1 ：( 一吃) ：( 一毪x 屯) ( 2 1 1 ) 只：只：只= 1 ：( 一匕) ：( 吒x 一1 ) ( 2 1 2 ) 有以上关系可以得出：有确定结构的差动轮系，其基本构件所传递的功率和构件的运 动有关系，功率关系中有两个自变量。 令式( 2 1 0 ) 中乞x = gg l o ， 旷- 称为差动轮系功率分配系数“”，则式( 2 1 2 ) 可变为 只：只：只= 1 ：( 可) ：( 口一1 ) ( 2 1 3 ) 从上式看出，三个基本构件间的功率关系也是成比例的，其传递的功率是单自由度的； 差动轮系在确定运动状态的情况下，仅有一个基本构件上的功率值可以由外界任意确定， 也就是说三者传递的功率不是随意组合的。 由轮系的转矩特点和功率特点得出的结果来看，两者都是单自由度的，而不象运动那 样具有两个自由度。因此，在动力合成装置的设计时，运动是可以通过两个输入进行组合 的，而传递的转矩和功率是不能随意施加的，这就是说动力合成装置在满足速度合成要求 的同时不一定能保证输出转矩的要求，具体的轮系所应能达到的要求需视h e v 具体情况 而定。 2 2 4 效率的讨论 行星齿轮机构传动的效率是评价传动性能优劣的重要指标之一。对于不同型式的行星 齿轮机构，其传动效率值玎也是不相同的；研究和确定行星齿轮机构的传动效率，对合理 选择传动型式和正确的设计和应用都有重要意义，特别是对评价行星齿轮的传动性能提供 西安理工大学硕士学位论文 依据。 谈到行星齿轮机构的传动效率就应分析它的传动损失。行星齿轮传动中的损失主要包 括啮合损失、轴承损失和液力损失( 即润滑油的搅动和飞溅损失) 等“” 1 4 1 。 对于行星齿轮机构的传动效率的计算方法，目前常见的有啮合功率法( 转化机构法) 1 7 1 1 8 j 2 1 1 、力矩法 1 8 1 、传动比法“”、行列式法总结其计算方法，原理上均属于啮合 效率法，对于本文要讨论的差动轮系，下面介绍一种在啮合效率法基础上建立的一种简易 计算传动效率的方法一结点功率法。 结点功率方法介绍： 在理想的系统中，按照能量守恒定律，输入机构的功率等于输出机构的功率，即 j p ，i - 川 如果系统有损耗，输入构件的功率等于输出构件的功率与损耗功率之和，即 i p ，i = l p o l + l zj 式中只功率损耗。 从结构的外部特征来看，可以将功率传递线路汇交于一个结点x ，因此，利用结点功 率法，对理想系统而言，基本构件为a 、b 、c 的差动轮系中，设a 为输入构件( 分流传 动) ，则在x 结点处有 只= 一( 只+ 只) ，且只= p 二 t - 呓， 分流传动时有 f 焉+ 最= 0 i 呓+ 只：o ( 2 1 4 ) 系统硐预耗时x 绪点能量也守但，即 置吁+ 忍= 0 ( 2 1 5 ) 【硭，7 ：+ 只= 0 当构件a 为功率输出构件( 汇流传动) 时，有 只+ = - ( 圪+ 呓) = 一只 ( 2 1 6 ) 只花+ 鼍：”( 2 1 7 ) 花+ 呓= 0 即j 磁一只“吁 ) 【屹- - h = 一只。叩三( 2 1 8 式中记、记、花、玎三均为差动轮的相对传动效率，计算方法可以参照文献“7 嘲“ 等公式计算。 存讨诊本立所棍到的作为h e v 用的动力合成棼詈莘动轮系来讲。分析时有如下界审： 1 2 第2 章合成方式的确定及行星传动的一般理论 由于该差动轮系属于中低速齿轮传动，不采用油池润滑，因此不计入液力损失； 由于该轮系行星轮及转臂的离心力而增加的轴承摩擦损失与啮合损失在全部功率 损失中所占比例较小，所以忽略不计； 只记入传动摩擦损失与轴承摩擦损失： 该轮系与其转化机构的各构件间相对角速度，齿廓间的啮合作用力以及摩擦系数相 同，因而，该机构与其转化机构的摩擦功率损失的大小基本相等； 流入某一结点的功率为正值，流出结点的功率为负值，且流出前一结点的功率恰为 流入下一结点的功率。 对于图2 - 2 ，若构件a 、c 为功率输入构件，构件b 为功率输出构件，则在总结x 出 的功率平衡方程为 j 只。心+ p 二= ( 2 1 9 ) 【。玎二+ 圪= 0 以及 p 二一只2 击” ( 2 2 0 ) 圪= 一只- l 忍 j 一口 将( 2 2 0 ) 代入式( 2 1 9 ) 得 即 只= 砖) 1 花只= 。 只2 嚼) 石1 只= 。 只弦+ ( 南忍= 。 只叩一a + ( 刍) 只= o g l 因此 b + 只= 百= 而- i + 石丽- q 只2 吾三褫兄 故轮系在这种情况下传动效率计算公式为 一l 彘l - | 锱 ( 2