弱中度混合动力合成系统机械部分的设计

南京工程学院 车辆工程系车辆工程系 本科毕业设计 论文 本科毕业设计 论文 题目 弱中度混合动力合成系统机械弱中度混合动力合成系统机械 部分的设计研究部分的设计研究 Graduation Design Thesis Study and Design of Mechanic Design for Slight middle Hybrid Electrical System By GU Jun Supervised by ZOU Zhengyao Department of Vehicle Engineering Nanjing Institute of Technology June 2010 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计 论文 I 摘摘 要要 针对混合动力汽车日趋步入日常生活舞台的大背景下 研究并设计了一套 行星齿轮功率分流式动力混合传动系统 以奥迪 A6 为原车型 根据不同车况 下本系统的动力传递路线得出了在不同转速下的调速特性 为满足行星齿轮的 扭矩平衡 设置了控制传动部分 实现基于发电机的系统调速 为确保原车的 动力性能 根据系统的结构选择了各行星排的主要参数 由于原车的传动比较 大 而变速器传动比较小 因此重新设计了减速器和差速器部分 根据以上设 计结果获得各零件的结构参数 采用 AutoCAD 作出二维零件图和总装图 在 此基础上 运用 UG 对结构进行了三维建模 并进行运动仿真模拟其动力传递 路线 进行可行性验证 由计算及仿真结果可知 本系统属于弱中度动力混合 采用行星齿轮结构可以实现无级变速 可以较好的替换现有的动力传动系统总 成 既可确保优良的动力性 又可在节能减排方面取得较强的优势 关键词关键词 汽车 混合动力 机械设计 动力传递 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计 论文 II ABSTRACT In the background of hybrid vehicles gradually into the daily life the study and design are conducted about the slight middle hybrid electrical system by planetary gear The Audi A6 is chosen as the original model and then the speed characteristics at different rotational speeds are obtained based on power transmission lines under different vehicle conditions in the system To keep the torque balance of Planetary Gear transmission control parts is installed in the system and a generator is used to change the system s speed To achieve the power performance of the original car the main parameters of each planetary line are selected according to the structure of the system The reducer and differential parts are redesigned as the original automobile s transmission is large while the gearbox s is small At present the structural parameters of different parts have been designed and calculated and some two dimensional drawings of some parts and total assembly drawing are drawn Three dimensional modeling on the structure is constructed by UG software and according to power transmission line the motion simulation is also done The system is a slight middle hybrid and it can attain continuously variable transmission by planetary gear mechanism It can replace the existing power transmission system and not only attain better power performance but also have excellence in saving energy Keywords automobile hybrid power mechanic design power transmission 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计 论文 III 目目 录录 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 课题的来源及意义 1 1 2 无级变速器与混合动力系统结合的优点 2 1 3 混合动力的分类形式 3 1 4 国内外混合动力的发展和趋势 5 1 5 本课题的研究意义和目的 8 第二章第二章 技术实现技术实现 2 1 整车基本结构参数及原车性能指标 10 2 2 弱中度混合动力传动系统特性分析及匹配 10 2 2 1 系统结构及工作原理 11 2 2 2 系统的工况分析 13 2 3 弱中度混合动力传动系统调速特性 16 2 3 1 转速平衡 16 2 3 2 扭矩平衡 16 2 4 中低速和中高速档的设定 18 第三章第三章 变速机构的设计变速机构的设计 3 1 行星齿轮主要参数的选择 20 3 1 1 行星排齿数的选择 20 3 1 2 齿轮的主要参数选择 22 3 2 齿轮传动强度的校核计算 28 3 2 1 齿轮传动的受力分析 28 3 2 2 齿面接触强度校核计算 29 3 3 齿根弯曲强度的校核计算 30 3 3 1 齿根应力 30 F 3 3 2 许用齿根应力 30 Fp 3 3 3 齿根弯曲强度条件 31 3 4 传动轴的设计 31 3 4 1 传动轴的直径 d 的估算 31 3 4 2 传动轴的刚度校核 31 第四章第四章 主减速器的设计主减速器的设计 4 1 主减速器传动比的确定 32 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计 论文 IV 4 2 主减速器主要参数的选择 33 4 2 1 形式选择 33 4 2 2 齿轮主要参数的选择 33 4 3 校核齿面接触疲劳强度 34 第五章第五章 差速器的设计差速器的设计 5 1 差速器结构的形式选择 36 5 2 差速器齿轮的主要参数选择 36 5 3 差速器齿轮强度计算 37 第六章第六章 结结 论论 6 1 论文总结 38 6 2 设计体会 39 致致 谢谢 40 参考文献参考文献 41 附录附录 A 英文资料 43 附录附录 B 英文翻译 43 附录附录 C 参 数 表 55 附录附录 D 动力参数计算表 56 附件 附件 毕业论文光盘数据 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计 论文 1 第一章第一章 绪绪 论论 1 11 1 课题的来源及意义课题的来源及意义 原汽车工业蓬勃发展的百年历史记载了人类文明飞跃发展的光辉历程 然 而 汽车保有量的不断增长在促进世界经济飞速发展和给人们提供便利的同时 又将能源和环境问题推倒了日益严重的处境 能源 环境和安全成为 21 世纪 世界汽车工业发展的三大主题 1 6 传统汽车消耗的能量几乎完全依赖于石油 的制成品 图 1 1 为传统汽车能量消耗构成 7 从图中可以看出 仅有 15 的 燃油能量被有效地用来驱动车辆和必要的附件 其余大部分被白白损失掉 而 根据已探明的世界石油总存储量估计 8 全世界的石油资源仅能供人类充分使 用 43 年左右 考虑到随着石油资源的逐渐匮乏 产量的逐渐降低 开采成本 的逐渐升高 实际的石油资源有效使用年限将会更短 图 1 1 汽车能量消耗构成 同时 环境问题也日趋严重 主要表现为空气污染 据环境部门统计 目前 大气污染的 42 来源于交通运输 随着人们生活水平的提高 汽车保有量会迅 速增加 这一比例也会相应提高 预计 2010 年汽车尾气排放将占空气污染源 的 64 由于大气状况严重恶化引起的一系列异常的自然现象 比如 光化学 烟雾 酸雨以及厄尔尼诺 城市热岛效应等严重破坏和影响到人类赖以生存的 地球生态系统 特别是 全球范围内 温室气体 CO2的排放量引起人们的极大 关注 IPCC 技术报告显示 在过去的几百年内 地球表面平均气温上升了 0 3 至 0 6 若对 CO2气体排放不加限制的话 到 21 世纪末 地球表面平 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计 论文 2 均气温将再上升 2 海平面将再上升大约 50cm 严重威胁到人类有限的陆地 生存空间 为了适应这一形势的要求 世界各国政府 尤其是大的汽车公司均在开发 新型清洁节能汽车 清洁节能汽车技术发展包括清洁节能内燃机汽车技术 电 动汽车技术 混合动力汽车技术以及燃料电池汽车技术等 对清洁节能汽车驱动系统效率进行分析 以原油作为最初燃料 对汽油汽 车 电动汽车 混合动力汽车 燃料电池汽车的能量传递效率分析结果如图 1 2 所示 可以看出 电动汽车驱动系 油箱到车轮 具有最高的效率 80 但其发展应用在很大程度上决定于动力电池的发展和技术突破 混合动力汽车 综合效率虽略低于燃料电池汽车 但价格便宜 安全性高 无论现在还是将来 均可与燃料电池汽车相抗衡 成为清洁汽车技术领域的一个重要组成部分 专 家普遍评价 混合动力汽车是 21 世纪初期汽车产业界的一场革命 只有混合 动力汽车才能满足新世纪对汽车的环保和节能要求 图 1 2 清洁节能汽车效率特性分析 1 21 2 无级变速器与混合动力系统结合的优点无级变速器与混合动力系统结合的优点 混合动力车辆的动力传动系统是保证混合动力车辆各项性能指针的关键 目前动力传动系统的变速方式有手动变速或自动变速两种 手动变速具有较高 的传动效率 生产制造简单 成本低的特点 在国内仍然占据着绝大部分市场 但驾驶操作复杂 对驾驶技术要求较高 采用手动变速的混合动力车辆的性能 很大程度上依赖于驾驶员的操作 不能通过传动系统速比的自动调节 实现混 合动力系统性能的最优化 从而限制了混合动力车辆应具有的性能优势的发挥 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计 论文 3 由液力变矩器和行星齿轮机构组成的传统液力机械自动变速 AT 对外部负 载有自动调节和适应能力 使车辆具有良好的乘坐舒适性和操作方便性能 但 传动效率较低 不能充分体现混合动力系统低油耗的特点 且结构复杂 制造 工艺要求高 生产设备投资大 国内目前尚不具备独立开发设计制造电液式 AT 的能力 11 机械自动变速 AMT 是将电子控制技术引入传统的手动机械变速 器中 使其具有自动变速功能的同时 又能充分发挥手动机械变速器传动效率 高 易于制造的长处 该系统的改造投入少 价格低廉 易于实现 有利于批 量化生产 12 但难于消除了挡位变化冲击 不能充分体现混合动力系统低油耗 的特点 机械无级自动变速 CVT 消除了挡位的概念 实现了真正意义上的 无级调速 从而使汽车调速更加平稳和迅速 具有更好的燃料经济性 动力性 和低的排放污染 混合动力系统采用机械无级自动变速 在低速小加速度行驶 过程中 可根据发动机 传动系统 电机及电池性能 按照动力性 经济性和 排放性能综合最佳的原则 利用电机的转矩和 CVT 的速比调节 提高发动机工 作转速和输出转矩 降低车辆排放和油耗 在高速大加速度行驶过程中 可利 用 CVT 的速比调节和电机驱动作用 降低发动机输出转矩和工作转速需求 从 而进一步降低车辆排放和油耗 在混合动力工作模式切换过程中 可利用 CVT 的速比调节作用 实现两个动力源之间的平顺切换 提高换挡平顺性及驾驶舒 适性 在回收汽车减速或制动的动能时 通过自动控制无级传动系统的速比 可使发电机在高效区工作 并输出较大的充电电流 提高能量回收率 再进一 步降低油耗 因此开展 CVT 混合动力系统的研究 不仅有深刻的学术意义 同 时对于提高我国混合动力汽车技术水准具有重要的现实意义 本文以长安传统 轿车为对象 进行 CVT 混合动力汽车关键部件匹配研究 随后研究其混合动力 系统综合能量控制性能 为研制装备 CVT 的轻度混合动力汽车提供理论依据及 试验基础 1 3 混合动力的分类形式混合动力的分类形式 混合动力汽车按照动力传动系统采用的机械连接结构形式 主要可分为 串联式混合动力汽车 如图 1 3 a 并联式混合动力汽车 如图 1 3 b 以及串并混联式混合动力汽车 如图 1 3 c 14 按照发动机 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计 论文 4 与电机的功率大小和基于任务的分类方法可以分为 15 轻度混合型 功率混合 型 和能量混合型轻度混合方式中选用了较小功率的驱动电机 主要依靠内燃 机运行 电动机辅助动力的范围有限 因此所需要的电池能量也较低 在所有 混合动力汽车中轻度混合方式是最廉价的 增加的成本最少 但只能适当地提 高燃油经济性和改善排放 图 1 3 按传动系统连接形式的混合动力汽车的分类 功率混合方式采用驱动电机的功率比轻度混合方式要大 虽然电池的能量仍然 较低 但电池组提供的电功率却较要高 20 40kW 相对的成本也要比轻度 混合方式高得多 功率混合方式能提高 50 的燃油经济性 与轻度混合方式相 比在改善排放上的潜力更大 能量混合型的混合程度是三种混合方式中最高的 不仅要求车载电池有较大的功率 而且要有较高的能量 而轻度混合型和功率 混合型中电池的能量都是比较低的 能量混合型中的驱动电机是主要的原动力 因此需要车载电池能够提供足够的电能 最高至 70KW 独立驱动汽车行驶大约 70 英里 这种分类方法并不关注混合动力汽车内部的连接方式 而更注意混合动力 汽车是如何完成任务的 这样分类方法更能体现出混合动力汽车本质特征 1 41 4 国内外混合动力的发展状况和趋势国内外混合动力的发展状况和趋势 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计 论文 5 国外混合动力车辆开发较为成功的是日本的本田 Honda 和丰田 Toyota 两大公司 本田汽车公司独立研制开发的 新一代 Civic 混合动力车 采用本 田独特的轻度混合动力系统 HIS 图 1 4 20 21 将 1 3L 正时 可调 智慧化 VTEC 的发动机作为 主要动力 采取了 10kW 无刷永磁 起动机和发电机一体化 IMAI SA 或 ISG 的设计 盘式电机取代了传统发动机的飞 图 1 4 本田 HIS 型混合动 力系统 轮 既可以作为发电机也可以作为电动机来起动发动机或给发动机助力 在 ISG 电机后 装备了 5 速 MT CVT 或 4 速 AT 自 1997 年本田公司上市的 Insight 混合动力汽车 同样采用 Civic 的 ISG 结构 配备了 2 种变速器 5 速 MT 和 CVT 实现了小型化以及世界最高水平的环保性能 1997 年 12 月 丰田汽车公司首先在日本市场上推出了世界上第一款批量 生产的混合动力汽车 PRIUS 该车型采用丰田 THS 结构 如图 1 5 属 于混联型混合汽车 它的动力传动系统由动力分配装置 行星排 发电机 电动机和减速器等组成 图 1 7 发动机的动力由动力分配装置分为两部分 一个动力输出轴与电动机和车轮连接 另一个输出轴与发电机相连 这样 发 动机从两条路线传递动力 即机械路线和电气路线 动力分配装置采用行星齿 轮机构 行星齿轮架的转轴直接与发动机连接 通过行星齿轮把动力传给内齿圈 和内太阳轮 齿圈的转轴直接 与电动机连接 把驱动力传给 车轮 太阳轮直接与发电机连 接 通过行星齿轮系把发动机 发电机 电动机 驱动轮连在 一起 采用电机无级调速系统 ECVT 将 CVT 纳入整车进行综合控 图 1 5 丰田 THS 混合动力系 统 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计 论文 6 制 20 22 PRIUS 的排放水平已经到达了 SULEV 超低排放水平 的标准 而当 它处于纯电力驱动模式时 它的排放为零 与此同时 它的燃油经济性也进一 步提升 在城市和高速两种工况下分别可以达到 4 7L 100km 和 5 5L 100km 而两者的综合油耗也只有 5 1L 100km 仅为同等排量内燃机汽车的 2 3 日产公司 Nissan 也继本田 Insight 混合动力轿车后于 2000 年推出了 TINO 混合动力轿车 23 25 一个电机位于离合器和 CVT 之间 另一电机通过 带传动在发动机的前部与发动机相连 起发电机和起动机的作用 斯巴鲁 Subaru Scrambler 混合动力轿车采用独特的双向离合器 使得系统在发动 机和电动机之间实现无缝切换 26 福特公司 Ford 率先推出了全球首款混合动力多功能越野车 SUV Escape 它采用了类似于丰田 PRIUS 的 THS 技术 配以 ECVT 使该车既比 传统的 SUV 车辆省油 又有良好的动力性能 27 28 福特 Ford 的 Prodigy 和戴母勒 克赖斯勒 Daimler Chrysler 的 ESX3 混合动力汽车也都是 ISG 形 式 29 30 其中 ESX3 采用 3 缸 1 5L 直喷式柴油发动机 配以 20kW ISG 电动机 变速器采用 5 速 AMT 使该车既具有自动变速器的舒适性 又具有手 动变速器的经济性 可达到每升汽油行驶 30km 的低油耗 2004 年 5 月底 美国通用汽车公司开始销售 全球首款 混合动力皮卡车 31 雪佛莱 Silverado 该车的主要设计目的是提高皮卡车高速公路工况的 油耗 因此采用了起动机和发电机一体化技术 ISA 在发动机怠速及制动时 均可进行能量回收 在怠速行驶中制动时 便会切断燃料供给 利用电机控制 振动 但是电机不能单独驱动车辆行驶 与通用汽车公司的大型皮卡车相比 燃油效率提高了 10 12 左右 其在高速公路上的燃油效率比目前通用汽车公 司销售的任意一款皮卡车都高 欧洲也在混合动力汽车开发和研制方面做了大量的投入 德国戴姆勒 克 赖斯勒在 2005 年底特律车展上 展出了油电混合动力的 S 级 奔驰 该系 统采用了 V8 柴油机和两台电机 车辆起动时由柴油机一侧的电机进行发电 行驶时变速器一侧的电机参与驱动 得到了 15 25 的燃效改善 使燃效达到了 14 46km L 左右 变速器方面使用了 7 檔自动变速器 7G Tronic 通过追 加新的阀门 能够实现 CVT 模式 该 CVT 模式并不使用金属带 而是利用 7G Tronic 所带的行星齿轮进行变速 具有低速与高速区 2 种 CVT 模式 据 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计 论文 7 称实现了与 Prius 系统相同的结构 雪铁龙公司 Citro n 推出新型 HEV Xsara 萨拉 并联混合动力轿车 变速器采用 AT 但考虑到整体结构 将液力变矩器替换为湿式离合器 32 该公司还推出了柴油混合动力型 C4 轿车 在发动机和和 ISG 电动机之间放置自动离合器 在 ISG 电动机后采用 AMT 使该车具有纯电动工况 能更有效的回收制动能量 另外 德国保时捷的 Cayenne 法国雷诺的 KANGOO 意大利依维柯的 Daily Ecodriver 德国奥迪的 Q7 德国大众的 Golf ECO Power 等混合动力车都即将上市 31 35 2004 年 10 月 1 日 韩国现代汽车公司在汉城举行的 未来型汽车开发 纪念仪式 上推出了韩国第一辆混合动力汽车 混合动力 CLICK 这种混合 动力车可交替使用汽油发动机和电动机 能大幅降低能源消耗 其耗油量为每 升 18 公里 最高时速为 161 公里 该公司又于 2005 年 4 月芝加哥汽车展 上展出了自己的混合动力概念车 Portico 它采用两个电动机分别驱动前后轮 并配以 6 速 AT 在国内 八五 和 九五 期间都有计划地开展了电动汽车的关键技术攻 关和整车研制 将混合动力电动汽车列入了 十五 和 十一五 计划 各大 汽车公司和科研院所均在进行混合动力车辆的研制开发 东风 一汽 奇瑞和 长安等汽车公司纷纷推出了自己开发的混合动力汽车 36 37 EQ7200HEV 混合动力轿车是东风汽车公司以 EQ7200 车型为基础 其驱 动系统采用康明斯 ISBe150 四缸共轨电控汽油机 以永磁同步 ISG 和驱动电 机 高性能镍氢电池作为辅助动力 形成新型双驱动系统的混联方案 并应用 了 AMT 自动变速器 CAN 总线光纤通讯 强电安全系统 智能仪表显示 停车 断油 制动能量回收等多项先进技术 该车型在 十五 期间通过产品的型式 认证 形成我国自主产权的混合动力轿车品牌 一汽集团与吉林大学等科研院 所自主研发的混合动力客车的动力总成采用双轴并联结构 装备一汽大柴全电 控欧 III 发动机 自主开发的机械式自动变速器 AMT 整车控制系统通过 CANBUS 车载网络系统 协调各总成工作 并对整车结构进行了集成与优化 实现了混合动力汽车的各种工作模式 驾驶性能良好 长安公司采用轻度混合方案 使用额定功率为 10kW 的永磁无刷直流电机 配备手动变速器 实现了自动起停功能 功率补偿功能 以及高效大功率电能 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计 论文 8 输出功能 预计在 2008 年实现产业化 比亚迪也推出了自己的 Hybrid S 混 合动力轿车 它以福莱尔微型轿车 QC7081 底盘为基础设计而成 采用串联式 配置了 29 5kW 0 8 升 4 冲程汽油发动机以及 288V 20Ah 锂离子动力电池 组和 30kW 永磁无刷直流电动机 吉利集团旗下的上海华普汽车已与同济大学 汽车学院签署合作协议 预计 3 年内完成混合动力轿车商业化生产 丰田 Prius 混合动力轿车于 2006 年 1 月 在国内正式上市 大大促进了中国混合 动力技术的发展 国内诸多大学 如清华大学 吉林大学 同济大学 上海交 通大学 江苏理工大学和重庆大学等 都积极开展混合动力汽车的研究 为国 产混合动力技术的发展提供了理论保证 由此可见 混合动力汽车日益成为全球范围的研究热点 当前 混合动力 传动有三中发展趋势 一是混合度增大 电动工况增多 追求良好的排放和燃 油经济性能 二是 ISG 化 减小电机功率 轻度混合 追求有一定节能 环保 效果下的性价比 三是采用 CVT 无级自动变速 以提高能量利用率 并改善排 放和乘坐舒适性能 16 20 1 51 5 本课题的研究意义和目的本课题的研究意义和目的 本课题对混合动力系统的进行了研究 针对一款弱中度混合动力传动系统 开展了机械部分的设计计算 其研究意义如下 1 整个汽车行业的发展趋势 纵观整个汽车市场的发展 不难发现 虽 然混合动力汽车仍旧处在起步阶段 但是依据国家的宏观政策和企业的自身发 展需求以及消费者的购买心理 混合动力汽车都将作为新能源汽车的代表日趋 步入人们的生活舞台 2 国内混合动力车相比国外技术的差距 日本的混合动力车起步的较早 也最为成熟 尤以丰田的 THS 系统最为出色 目前国内较为成熟的几家汽车制 造企业所研制的系统在价格上比丰田略胜一筹 但是功能上实现不了丰田混合 动力车所具有的功能 例如无级变速和制动能量回收等 而本文所研究的行星 齿轮功率分流式混合动力传动系统能够在静止和怠速实现纯电动起步 在无级 调速过程中能够根据发电机和电动机的配合实现发动机的最佳动力性 最优经 济型等 在汽车减速制动时能够实现能量的回收 因此本系统具有非常好的性 能优势 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计 论文 9 3 项目的可行性 本系统在材质和工艺上能够完全自主生产 从而突破 国外的技术和价格垄断 实现国产汽车混合动力车的平民化 综上 可以看出本系统的开发能够实现国内混合动力的研究取得一定的进 步 对于混合动力汽车的后期研发提供一定的参考 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计 论文 10 第二章第二章 技术实现技术实现 2 12 1 整车基本结构参数及原车性能指针整车基本结构参数及原车性能指针 弱中度混合动力传动系统基于奥迪 A6 2 8 L 型轿车开发 考虑了电机 变 速器及电池组所增加的重量后 整车的基本结构参数及原车性能指针如表 2 1 所示 41 表 2 1 整车基本结构参数及性能指针 发动机型号ANQ排量 L 2 8 最大功率 kw 240kw 5400rpm 最大扭矩 N m 440N m 3000 rpm 前悬 mm 970轴距 mm 2850 后悬 mm 1066总高 mm 1475 基本尺寸 前轮距 mm 1540后轮距 mm 1569 品质总品质 m kg 2085整备品质 kg 1545 1 挡3 0392 挡1 999 3 挡1 4074 挡1 000 5 挡0 742倒挡4 096 原车变速器 速比 主减速器1 909 迎风面积 A m2 1 7 空气阻力系数 Cd 0 321 滚动0 308 设计参数 轮胎半径 r m 静力0 291 滚动阻力系数 f0 0 015 最高车速 vmax km h 1 226 最大爬坡度 is 30 起步连续换挡加速 100km h 1时间 s 8 6 120km h 1等速行 驶油耗量 L 100km 1 8 5性能指针 90km h 1等速行驶 油耗量 L 100km 1 6 7 2 22 2 弱中度混合动力传动系统特性分析及匹配弱中度混合动力传动系统特性分析及匹配 由汽车理论可知变速器速比直接影响动力源的工作区域 挡位无限的无级 变速器可以使发动机在任何条件下都运行在最经济工况下 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计 论文 11 2 2 12 2 1 系统结构及工作原理系统结构及工作原理 42 43 42 43 图 2 1 弱中度混合动力传动系统结构 1 制动器 2 制动器 3 离合器 4 齿轮对 5 齿轮对 6 齿轮对 7 齿轮对 8 单向离合器 9 齿轮对 1 主传动部分的运动分析主传动部分的运动分析 如图 2 2 所示 由 2 个行星排组成 分别为前行星排和后行星排 前行星 排的行星架为动力输入组件 后行星排的行星架为动力输出组件 前行星排内 齿圈和后行星排太阳轮相连接 前行星排太阳轮和后行星排内齿圈相连接 这 样该机构的自由度数为 2 必须由制动器 1 或 2 给出制动约束 也可以由某一 组件给出一个运动约束 系统才会输出动力 假定前后行星齿轮传动结构参数 均为和 太阳轮 行星架和内齿圈的转速分别为 1 2 1t n 2t n 1 j n 2j n 和 速比的变化范围为 则系统的传动关系如下 44 1q n 2q n g i ming i maxg i 0 1 11111 jqt nnn 2 1 0 1 22222 jqt nnn 2 2 21qt nn 2 3 9 图 2 2 主传动结构 1 制动器 2 制动器 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计 论文 12 12qt nn 2 4 传动比 最小传动比为图 2 所示制动器 2 制动 数值为 最 12gjj nni ming i 大传动比为图 2 2 所示制动器 1 制动 数值为 如果制动器 1 和制动器 2 maxg i 释放 后行星排的内齿圈和太阳轮转速分别无级变化 该机构能实现从速比为 到的无级变化 ming i maxg i 本系统效率均保持在一个较高的范围 用啮合功率法进行计算 在考虑了 齿轮重合度和摩擦 轴承的摩擦力矩及润滑的液力损失后 根据资料 44 提供的 差动行星齿轮传动的效率公式 x baax ax xab p 1 1 2 5 计算得出单个行星排的效率在 98 以上 综合 4 个行星排机械效率在 95 以上 尽管发电机 电动机和蓄电池组成的结构效率会低一些 但是其传递的 功率占总功率的比例小于 5 所以对于系统的效率影响不大 对于该系统 合 理的选择行星齿轮传动装置的结构参数和输入输出构件 是避免循环功率 封 闭功率 的产生 提高系统传动效率的有效途径 本机构选择行星架作为输入 或输出组件 根据数据 42 介绍 封闭行星齿轮传动设计计算 的内容进行了是 否产生功率循环的校核 校核结果本机构不存在功率循环 验证了效率计算的 正确性 虽然上面论证了主传动部分在运动和效率上可行性 但是根据行星传动机 构扭矩平衡的规律是不行了 仍然假设主传动部分的两个行星传动装置结构参 数均为 齿数对应相同 太阳轮 内齿圈和行星架的扭矩分别为 1t T 和 其相互关系应符合下列关系才能达到平衡 2t T 1q T 2q T 1 j T 2j T 1 1 1t T 1q T 1 j T 1 1 2 6 1 1 2t T 2q T 2j T 2 1 2 7 对于本系统 有下列关系 1t T 2q T 2 8 1q T 2t T 2 9 所以本系统最终需要的关系是公式 2 7 表达的各组件的扭矩关系 而从 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计 论文 13 图 2 可以看出主传动行星排 2 的太阳轮与内齿圈扭矩关系为 1 显然这是不满足关系式 2 7 为此系统设置了控制传动部 2t T 2q T 2 分 即图 2 1 中除了图 2 2 的内容外均为控制传动部分 如图 2 3 所示 图中数 字表示内容与图 2 1 保持一致 图 2 3 控制传动部分结构 2 控制传动部分的运动分析 控制传动部分的运动分析 为实现主传动行星排 2 的扭矩关系符合公式 2 7 通过图 2 1 中的齿轮对 4 或者齿轮对 5 分流一部分主传动行星排 2 太阳轮本应得到的功率 然后通过 控制传动部分的回馈给主传动部分 如图 2 3 所示的 6 和 7 在低速时通过电在低速时通过电 机机 8 再输入一部分功率 再输入一部分功率 使主传动行星排 2 的太阳轮和内齿圈扭矩关系符合公 式 2 7 所表达的关系 使得系统力学上能达到平衡 同时在速比发生变化时 输出扭矩能相应发生变化 由于单排行星传动机构有 2 个自由度 如果控制传动部分输入功率由行星 架输入 内齿圈功率回馈给后行星排 2 的内齿圈 太阳轮输出功率给发电机 如图 2 4 所示 可以补偿主传动行星排 2 内齿圈扭矩的不足 图 2 4 单行星排控制传动部分结构 由公式 2 6 和 2 7 知 控制发电机的输入扭矩 就可以控制通过齿轮 对 7 回馈的扭矩的大小 达到主传动后行星排 2 的扭矩关系符合公式 2 7 的 目的 但是如果主传动部分行星齿轮结构参数取 2 2 左右时 则发电机的功率 要求比较大 所以设计了图 2 3 所示的结构 通过两级的行星排的功率回馈 过两级的行星排的功率回馈 使发电机所需功率最大不超过发动机最大功率的使发电机所需功率最大不超过发动机最大功率的 2 为获得在低挡起步后车 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计 论文 14 辆有较大的加速度 设置了电动机 通过单向离合器 8 向后行星排 2 内齿圈输 入功率 达到在同样减速比时 能使变速器输出扭矩更大的目的 二次牵引 根据数据 42 提供的指导思路 每个行星排以行星架作为输入或输出组件 保证每个组件绝对速度方向相同 在进行差动传动时就不会产生功率循环 2 2 22 2 2 系统的工况分析系统的工况分析 1 1 车辆起步工况 车辆起步工况 车辆起步时 如图 2 5 所示 制动器 15 和离合器 16 处于分离状态 制动器 5 接合 控制传动部分的发电机空载 空载使控制部分 的自由度也为 2 没有动力传递 主传动部分起作用 此时速比为最大 功率 能够正反双向传递 车辆在下长坡时所需要的发动机制动功能 在此工况下能 得以实现 图 2 5 车辆起步时功率的传递路线 2 2 中低速行驶工况 中低速行驶工况 车辆在中低速行驶时 如图 2 6 所示 制动器 15 5 和离合器 16 分离 单向离合器 4 起作用 控制传动部分的发电机根据需 要输出功率 从而控制通过单向离合器 2 输入控制传动部分的功率大小 电动 机其作用 在控制器的作用下输出适当的功率 13 为控制传动部分输出给发电 机的功率 调节其大小可以控制 17 输入到控制传动部分功率的大小 8 为电动 机输入给主传动部分的补偿功率 根据需要调节其输出功率 6 19 为控制传 动部分回馈给主传动部分的功率 其大小是由 9 的大小控制的 根据发动机的 转速 负荷和车速可以在中低速时速比无级变化 适应不同路面的情况 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计 论文 15 图 2 6 车辆在中低速行驶时功率的传递路线 3 3 中高速行驶工况时 中高速行驶工况时 车辆在中高速行驶时 如图 2 7 所示 制动器 5 15 分离 离合器 16 接合 单向离合器 2 不起作用 控制传动部分的发电机 根据需要输出功率 从而控制通过离合器 16 输入控制传动部分的功率大小 电 动机不起作用 13 为控制传动部分输出给发电机的功率 调节其大小可以控制 17 输入到控制传动部分功率的大小 6 19 为控制传动部分回馈给主传动部分 的功率 其大小是由 13 的大小控制的 同样也是根据发动机的转速 负荷和车 速可以在中高速时速比无级变化 适应不同路面的情况 图 2 7 车辆在中高速行驶时功率的传递路线 4 4 高速行驶工况时 高速行驶工况时 车辆在高速行驶时 如图 2 8 所示 此时不需要无 级变速 制动器 15 接合 制动器 5 分离 离合器 16 和单向离合器 2 处于分离 状态 控制传动部分的发电机空载 空载使控制部分的自由度也为 2 没有动 力传递 电动机也不输出动力 主传动部分起作用 此时速比为最小 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计 论文 16 图 2 8 车辆在高速行驶时功率的传递路线 6 6 在制动时 在制动时 电动机转变为发电机 用以回收制动能量 2 32 3 弱中度混合动力传动系统调速特性弱中度混合动力传动系统调速特性 2 3 12 3 1 转速平衡转速平衡 由单排三组件行星传动的转速特性方程及混合无级变速传动的传递关系 2 10 0 1 jqt naann 式中 分别为太阳轮 行星架和齿圈的转速 t n j n q n 行星排结构参数 设已知输入行星架转速 1 j n 前内齿圈转速 2111 j11q 1 tt nnnn 2 11 故输出行星架转 1 1 1 211211122222 ttjqtj nnnnnn 2 12 传动比 传动比 变速器的输入转速 输出转速 e n 1 j n 0 n 2j n 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计 论文 17 1121121 12111112121g 1 1 1 1 1 jt ttjjjj nn nnnnnni 2 13 因为 1 11 jt nn 1111 jq nn 当时 此时传动比最小0 1 q n 111 1 jt nn 1 1 1 1 1 21121ming i 2 14 当时 此时传动比最大0 1 t n 1 1 121maxg i 2 15 故速比范围故速比范围 21gminmaxg ii 2 16 根据数据 行星排结构参数根据数据 行星排结构参数取在取在 4 3 4 之间 传动效率最高 另外由于之间 传动效率最高 另外由于 变速器的速比范围一般情况下要小于变速器的速比范围一般情况下要小于 6 由于结构参数选为一致时无论对于研 由于结构参数选为一致时无论对于研 究计算还是生产制造均较为方便 所以初选究计算还是生产制造均较为方便 所以初选相同 为相同 为 2 15 2 3 22 3 2 扭矩平衡扭矩平衡 太阳轮 内齿圈和行星架的扭矩分别为 和 其 1t T 2t T 1q T 2q T 1 j T 2j T 相互关系应符合下列关系才能达到平衡 1 1 1t T 1q T 1 j T 1 1 1 1 2t T 2q T 2j T 2 2 对于本系统 有下列关系 1t T 2q T 1q T 2t T 1 1 系统的输出扭矩 系统的输出扭矩 2j T tq T g i 2 17 1 2q T 2j T 2 2 2 18 1 2q P 2q T 2q n 2j T 2q n 2 2 系统分配前的扭矩 1 1 2q T 1 t T tq T 1 2q P 2q T 2q n tq T 2q n 1 所以控制部分的输入功率 转移 P 2q P 2q P 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计 论文 18 2 2 控制部分的输入扭矩控制部分的输入扭矩 2 19 转移 T 3 P j n 转移3 Tj 设定速比齿轮传动速比 4 i 5 i 6 i 9 i 7 i K 后行星架输入转速 中低速时 中高速时 523 inn tj 413 inn jj 3 3 控制 控制 K K 后行星排 后行星排 K 后内齿圈扭矩 1 3 Tq 3 Tj 3 3 K 后内齿圈转速 K 前行星排行星架转速 3q n 4j n 3 715 411113 3333 1 1 1 ininn nn ttj tj K 后内齿圈功率 333qqq nTP K 后太阳轮扭矩 1 3 Tt 3 Tj 3 K 后太阳轮转速 71723 ininn tqt K 后太阳轮功率 3t P 33tt nT K 前行星架扭矩 1 2 20 4 Tj 3q T 3 Tj 3 3 4 4 控制 控制 K K 前行星排 前行星排 K 前太阳轮扭矩 1 4t T 4 Tj 4 K 前太阳轮转速 44444 1 qjt nnn K 前内齿圈扭矩 1 4q T 4 Tj 4 4 K 前内齿圈转速 624 inn jq 621 12111 1 1 i nnn ttj 2 21 5 5 发电机部分发电机部分 由式 2 20 和 2 21 可知 传递给发电机的扭矩 1 2 21 f T 4t T 9 i 4 Tj 4 9 i 发电机的转速 94 i nn tf 9 621 121114 37 44 35 41 11134 1 1 1 11 1 i i nnn i n i nn ttj t tj 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计 论文 19 2 22 分配给发电机的功率 f P f T f n 发电机占控制传递的功率比 1 f P f P 3q P 3t P 控制轴转移功率占发动机最大功率的比例为 90000 2 转移 P 发电机占发动机最大功率的比例为 1 2 根据系统提出的要求 根据系统提出的要求 发电机占发动机最大功率的比例不能超过发电机占发动机最大功率的比例不能超过 5 5 发电机的转速不能出现负值 即发电机不能反转 发电机的转速不能出现负值 即发电机不能反转 2 42 4 中低速和中高速檔的设定中低速和中高速檔的设定 由上述计算公式 根据 Excel 表对参数输入 见附录 最终得出关系曲线 图 图 2 9 中低速时发电机的输入转速与速比及发动机的转速的关 系 系统在中低速时 即通过齿轮对 5 来实现传动 此时发电机和发动机转速关 系 发电机的转速和变速器的传动比关系如下图 由上图可以看出 发动机的转速在 3000r min 以下时 以变速器变速为主 速比范围为 0 468 2 15 之间 高于该转速 以发动机自身的转速为调节的手段 发动机的转速在低于 2000r min 时 发电机的转速急剧下降 至 2000r min 时 发电机转速已近于 0 甚至趋向于负向转动 即发电机反转 由于转速在高于 2000r min 时 发电机反转 这是不符合系统设计要求的 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计 论文 20 因此设置两条传动路线 即设置中低速传动和中高速传动方案 其中中低速传 动经由齿轮对 5 来传动 中高速传动经由齿轮对 4 来传动 控制系统由于回馈的速度受主传动部分的约束 同时要求输出给发电机的 转速不能太低 所以设置了齿轮对 4 和离合器 3 如图 2 1 所示 用于在中高 速时提供输入给控制传动部分高的转速 使发电机能够执行控制的功能 当由齿轮对 5 如图 2 1 输入功率给控制传动系统时 此时发动机处于低 转速区 从图 2 9 可以看出发电机的输入转速从高速急剧下降 在发动机 2000 r min 时发电机的转速发生了方向的改变 这对于系统的效率及控制上是不利 的 这是通过接合离合器 3 来给控制系统输入功率 使得发电机仍然保持在一 个比较高的转速 达到可以在发动机中高速是可以调速的目的 分别由齿轮对 5 和离合器 3 输入控制系统的功率时 发电机的输入转速与发动机的输入转速 关系如图 2 10 所示 当由离合器 3 输入控制系统功率时 可以保证发电机的输 入转速比较高 而在发动机低速时 由于需要补偿的扭矩较大 用离合器 3 输 入功率会使得发电机所需功率较大 所以设计了在低速和高速两条不同的路径 从图中可以看出 其转换的工作区域应该在双箭头线的左侧 发电机的转速差 距不是太大 图 2 10 低速和高速时发电机的输入转速与发动机转速 关系 第三章第三章 变速机构的设计变速机构的设计 3 13 1 行星齿轮主要参数的选择行星齿轮主要参数的选择 选择齿轮的材料 20CrMnTi 调质后处理后表面渗碳 齿宽系数 1 初选 d 螺旋角 13 精度等级为 由转速中等 载荷中等初选精度为 7 级 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计 论文 21 3 1 13 1 1 行星排齿数的选择行星排齿数的选择 1 1 传动条件 传动条件 图 3 1 弱中度混合动力传动变速系统结构 1 制动器 2 制动器 3 离合器 4 齿轮对 5 齿轮对 6 齿轮对 7 齿轮对 8 单向离合器 9 齿轮对 传动比 最小传动比为图 3 1 所示制动器 2 制动 数值为 12gjj nni ming i 最大传动比为图 3 1 所示制动器 1 制动 数值为 maxg i 根据行星齿轮的基本公式 0 1 jqt naann 制动器 2 制动时 传动比最小 数值为 此时 ming i 0 1 11111 jqt nnn 0 1 22222 jqt nnn 21qt nn 12qt nn 联立以上方程解得 1 1 1 1 1 21121ming i 3 1 制动器 1 制动时 传动比最大 此时 0 1 11111 jqt nnn 0 1 22222 jqt nnn 21qt nn 12qt nn 联立以上方程解得 3 2 1 1 121maxg i 若 则 1 本系统选取结构参数一致 1 2 ming i maxg i 如果制动器 1 和制动器 2 均释放 则实现范围内的无级变速 所以 本行 星齿轮式无级变速器的速比范围是1 2 2 邻接条件 邻接条件 在设计行星齿轮传动时 为了进行功率分流 而提高其承载能力 同时也 是为了减少其结构尺寸 使其结构紧