混合动力汽车课程论文g.doc

鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 I 页 目目 录录 1 1 绪绪 论论 1 1 11 1 设计任务及选题背景设计任务及选题背景 1 1 21 2 混合动力汽车概述混合动力汽车概述 2 1 31 3 混合动力汽车国内外研究发展现状混合动力汽车国内外研究发展现状 3 1 3 11 3 1 国外发展现状国外发展现状 3 1 3 21 3 2 国内发展现状国内发展现状 4 1 41 4 混合动力汽车原理混合动力汽车原理 4 3 2 13 2 1 选择减速器的形式选择减速器的形式 17 3 2 23 2 2 齿轮种类的选择齿轮种类的选择 17 3 2 33 2 3 汽车驱动桥的最小离地间隙汽车驱动桥的最小离地间隙 19 3 2 43 2 4 主减速器主 从动锥齿轮的支承方案主减速器主 从动锥齿轮的支承方案 19 3 2 53 2 5 从动锥齿轮的支承从动锥齿轮的支承 20 3 33 3 主减速器齿轮设计计算主减速器齿轮设计计算 21 3 3 13 3 1 主减速器齿轮计算载荷的确定主减速器齿轮计算载荷的确定 21 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 II 页 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 1 页 1 1 绪绪 论论 1 11 1 设计任务及选题背景设计任务及选题背景 汽车作为商品在世界各处都有广泛的市场 又因其生产批量大而给企业带来丰厚 的利润 汽车品种的多样性可满足各种生产 生活活动的需要 而且有良好的社会效 益 汽车工业的发展 带动了许多相关的企业 事业 包括钢铁 石油 橡胶 塑料 机床 道路 汽车销售 售后服务 运输 交通管理 金融业 教育 科研等的发展 汽车也好似衡量人们生活水平的重要标准之一 购买汽车以及因此而形成的日常消费 能促进货币回笼 近百年来 汽车工业之所以常胜不衰 主要得益与市场和科学技术 的不断进步 使汽车能逐渐完善并满足使用者的需求 现在不仅在生产活动中 在日 常生活中人们也离不开汽车 对于经济发达国家 选择汽车工业作为国民经济的支柱 产业是完全正确的 然而 汽车推动工业发展以及给人们生活带来便利的同时 也带 来了 能源消耗 环境污染 两大问题 目前 世界上 46 以上的石油被汽车所消耗 已探明的石油资源只够人们充分使用到 2040 2050 年 而且城市污染 50 以上也来源 于汽车 为了满足人类的可持续发展的需要 许多国家都开始了新一代汽车的研制 节能 环保 新能源等字眼已经越来越紧密的和汽车联系在一起了 为了解决环境污染和石 油资源危机的问题 研制更节能 更环保 使用替代能源的新一代交通工具 成为当 今各国汽车工业界的当务之急 当前普遍使用的燃油发动机汽车存在着多种问题 统计表明在占 80 以上的道路 条件下 一辆普通轿车仅利用了其动力潜能的 40 在市区还会跌至 25 更为严重 的是污染环境 纯电动汽车或零排放燃料汽车无疑是我们的最终目标 但目前的电池 技术较落后 电动汽车暂时还无法取代燃油发动机汽车 在这种情况下 一种两全其 美的方案应运而生 即开发所谓的混合动力装置的汽车 这种汽车就是将内燃机与辅 助动力单元组合在一辆汽车上 这种混合动力装置发挥了燃油发动机持续工作时间长 动力性好的特点 又可以发挥电动机无污染 低噪声的优点 二者取长补短 汽车的 热效率可以提高 10 废气排放可降低 30 2 混合动力汽车针对不同的道路环境 实施不同的供能方案 能大大降低排放污染程度 目前最有实用性价值并已有商业化 运转的模式 只有混合动力汽车 汽车行业专家们一致认为 混合动力车将是世界汽 车行业今后较长时间内主要发展方向 因此 越是在交通日益拥挤的大城市使用混合 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 2 页 动力汽车 就越能够显示出它的节能 环保 适应能力广的优越性 3 1 21 2 混合动力汽车概述混合动力汽车概述 1881 年就出现了电动汽车 它比内燃机汽车还早一些 但内燃机汽车后来居上 在性能 机动性 车辆的重量等指标远远地超过了电动汽车 电动汽车在 20 世纪 20 年代达到了鼎盛时期后就一蹶不振 成为 电瓶车 式的辅助车辆 在 20 世纪初蒸汽汽车 电动汽车 和内燃机汽车基本是三足鼎立 在汽车保有量 中 蒸汽汽车占 40 电动汽车 38 而内燃机汽车仅占 22 美国是最早使用电动 汽车作为运输车辆的国家之一 1915 年美国电动汽车的产量曾经达到过年产 5000 辆的 最高峰 有很多电动汽车一直到第二次世界大战期间仍在使用 但到 20 世纪 60 年代 电动汽车的保有量仅占汽车总量的 2 随着现代水利发电 核能发电 风力发电和太 阳能的利用 为人们提供了巨大的能源 因此 各国和各大汽车公司都重视了电动汽 车的研究 开发和试制 从 20 世纪 70 年代起 新一代电动汽车脱颖而出 出现了各 种各样高性能的电动汽车 混合动力表示有多种动力参与汽车驱动 一般指燃油发动机和电机这两种动力 混合动力电动汽车是电动汽车研制中的后起之秀 却在纯电动汽车之前成功实现了产 业化 它综合了传统汽车引擎驱动电机驱动的优点 既能充分发挥燃料发动机持续工 作时间长 动力性能好 又可以发挥电动机无污染 低噪声的好处 并且 混合动力 汽车可以在运行过程中维持电量的均衡 不像纯电动汽车要配备专用的充电器等配套 设备 混合动力电动汽车 其动力系统包括内燃机和电池组 兼备了内燃机汽车和电动 汽车优点 按内燃机与电动机的连接方法可分为并联式 串联式和混联式 它将内燃机 电动机与一定容量的储能器件通过控制系统相结合 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 从而可大幅度降低 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 与传统内燃机汽车相比 主要优点是采用了高功率的能量储存装置 飞轮 超级电容 器或蓄电池 向汽车提供瞬时能量 可以提高效率 节省能源 降低排放 经济性和 排放性明显改善 技术经济可行性较强 较之纯电动汽车 其主要优点 续使里程和 动力性可达到内燃机汽车的水平 空调 真空助力 转向助力及其它辅助电器 借助 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 3 页 原动机动力 无需消耗电池组有限电能 从而保证了乘坐的舒适性 而且混合动力汽 车技术难度相对较小 成本相对较低 混合动力汽车介于传统汽车和动力汽车 燃料 电池汽车之间 是一种承前启后的 在经济和技术方面都趋于成熟的电动汽车产品 4 1 31 3 混合动力汽车国内外研究发展现状混合动力汽车国内外研究发展现状 混合动力汽车通过内燃机和发动机的有机结合 具备了内燃机汽车加油方便 续 使里程长和纯电动汽车污染少 效率高的特点 成为当今世界汽车界竞相开发的热点 丰田的 Prius 本田的 Insight 福特的 Prodigy 克莱斯勒的 ESX3 通用的 Precept141 日产的 Tino1151 等都具有代表性的车型 其中 Prius 和 Insight 已是成熟的 产品 并将继续扩大生产规模 其它车型也将在 2 3 年推向市场 5 我国也非常重视混合动力电动汽车的研制和开发 一些单位已进行了一些初步的 工作 并取得了一定的成绩 国家科技部已将其做为 十五 863 重大专项内容 1 3 11 3 1 国外发展现状国外发展现状 从上世纪 90 年代以来 日本 美国 欧洲各大汽车公司纷纷开始研制混合动力型 汽车 丰田汽车公司是目前走在 HEV 最前沿的汽车公司 也是世界上最早开始进行 HEV 研究的汽车公司之一 早在 1997 年 丰田就在世界上第一个推出名为 Prius 普瑞 斯 意为 先驱 的 HEV 引起全球的瞩目 与丰田 Corolla 大小相仿 采用汽油 发动机和电动马达混合装置 THS 发动机为新型汽油发动机 电池组为 250 个串联的 镍 氢电池 电池组总质量仅为 75 截止到现在 丰田 Prius 销售量已超过 12 万辆 成为全球首部产量 也是销量最大的 HEV 在 1999 年东京国际车展上 丰田汽车公 司又推出新开发的四轮驱动小型混合动力面包车 该车的油耗约为同等级小型箱式汽 车的二分之一 而排放仅为日本现行标准的十二分之一 是继之后的又一力作 这也 充分显示了丰田在发展方面的勇气和信心 丰田公司社长澳田宣称 丰田公司所有的 各型汽车均将采用混合动力技术 该公司计划到 2005 年 混合动力汽车达到年产 30 万辆 丰田的产品专家也宣称混合动力技术并非权宜之计 其技术寿命将与传统内燃 机一样长 国外专家认为在未来十年内 可能有的汽车将均采用混合动力技术 美国能源部与三大汽车公司在 1993 年签订了混合电动汽车开发合同 其中 通用 汽车公司投入了 1 48 亿美元 福特公司投入了 1 38 亿美元 克莱斯勒公司投入了 8480 万美元 进行为期五年的研制工作 启动下一代汽车合作伙伴 PNGV 项目 迄今已 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 4 页 开发出多种形式的混合动力电动汽车 福特公司在 2000 年推出了其开发的 Prodigy 混 合动力及家庭概念车 该车采用福特的 P2000LSR 混合动力系统 1 2L4 缸柴油发动机 和镍 氢复合电池 整车质量仅 1083 比当前的家用轿车轻约 450 百公里耗油仅 3 3 升 在 2002 年北美国际车展上 福特又推出 Escape 混合动力 SUV 概念车 获得 广泛的关注 该车为福特公司准备在 2003 年上市的混合动力的原型 非常省油 特别 适合城市内行驶 加速性能可与装备发动机型爱仕媲美 爱仕 HEV 在 2003 年上市时 福特公司也成为第一个宣布混合动力 SUV 生产计划的汽车厂家 福特公司预计 在未 来 10 年内 HEV 将占汽车市场的 10 20 克莱斯勒开发的 ESX3 通用的 Precept 和 Gen2 等均也接近或达到百公里油耗不超过 3 升的目标 欧洲各大汽车厂商争先恐后的推出了本公司研制的混合动力汽车 联合对技术进 行了研讨和综合评述 认为其技术成果有望使混合动力汽车的成本接近于传统汽车 混合动力汽车将是世纪初汽车产业的一场革命 只有混合动力电动汽车才能满足新世 纪初对汽车的环保与节能的要求 1 3 21 3 2 国内发展现状国内发展现状 我国在 八五 和 九五 期间 都有计划的开展了电动汽车的关键技术的攻关 和整车研制 在此基础之上也进行了混合动力电动汽车的若干技术领域的开发 在电 动汽车的关键技术特别是混合动力电动汽车方面 很多科研单位也进行了诸如混合方 式和控制策略的研究 参数匹配和性能预测的研究等前期工作 并积累了一定的技术 基础 当前 我国的 HEV 技术正朝高度集成的方向发展 重点放在高度自动化的控制系 统 电池及管理系统和多能源动力总成控制系统等方向赶超国外的先进技术水平 总 的来说 我国 HEV 的研究和开发已经度过了探索时期 其关键技术还有待于进一步改 进和创新 成本价格有待于降低 开发平台有待于重新构建 这样 才能满足替代传 统燃油轿车 客车的技术和市场的要求 发展 HEV 生产已是整个汽车产业的一个重要组成部分 HEV 正形成自己的实践 和理论基础 它集机械 电力 电子 化学 计算机等各学科的最新技术于一体 是 车辆电力驱动 智能控制 化学电源 计算机 新能源 新材料等工程技术最新成果 的继承产物 开发 HEV 对科学技术和国民经济发展将起巨大的带动作用 为国家带来 巨大的社会和经济效益 而混合动力系统作为最适合城市的用车 其产业化已成为发 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 5 页 展的必然趋势 1 41 4 混合动力汽车原理混合动力汽车原理 混合动力电动汽车 Hybrd Electric Vehicle 简称 HEV 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 实现最佳的能 量分配 达到整车的低排放 低油耗和高性能 HEV 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 混合动力电动汽车有两个动力源 当汽车爬坡或加速时 两个动力源联合输出动 力 蓄电池输出的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 可以相应减小混 合动力汽车发动机的功率及排量需求 减少了汽车燃油消耗 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 怠速启停 进一步减少了汽 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的大小 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 7 1 5 混合动力汽车设计目标 参照现有的一些混合动力汽车的参数以及目前所能达到的技术水平并尽可能地满足 用户的要求 确定本文所设计混合动力汽车的相关参数如下 表 1 1 表表 1 1 混合动力电动汽车相关参数混合动力电动汽车相关参数 类型 混合动力电动汽车 长 宽 高 mm 4895 1740 1670 轴距 mm 2850 轮距 前 后 mm 1450 1430 整备质量 Kg 1390 承载质量 Kg 825 油箱容积 L 64 发动机形式 四冲程 直列四缸 闭环多点电喷式 发动机位置 前置 汽缸数 4 每缸气门数 16 缸径 X 行程 mm mm 91 86 排气量 ml 2237 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 6 页 厂方耗油 L 100Km 90Km h 等速 5 0 电池规格 镍 氢 驱动方式 详细描述 发动机前置后轮驱动 驱动形式 后轮 轮胎规格 205 70R14 最高时速 km h 135 2 2 混合动力汽车动力传动系统设计方案混合动力汽车动力传动系统设计方案 2 1 传动系统方案设计 汽车传动系统的基本功用是将发动机发出的动力传递给驱动轮 使汽车正常行驶 传动系与发动机配合工作 保证汽车在不同工况条件下均能正常行驶 并具有良好的 动力性和经济性 因此 传动系应有减速 变速 倒车 中断动力 轮间差速和轴间 差速等功能 按结构和传动介质分 汽车传动系的形式有机械式 液力机械式 静液 式 电力式等 8 传动系的组成以及其在汽车上布置形式 取决于发动机的形式和性能 汽车总体 结构形式 汽车行驶系及传动系本身的结构形式等许多因素 目前广泛应用于与普通 双轴汽车上的机械式传动系的组成及布置形式一般如图 2 1 所示 发动机纵向安置在汽 车前部 并且以后轮为驱动轮 图中有标号的部分为传动系 发动机发出的动力依次 经过离合器 1 变速器 2 由万向节 3 和传动轴 8 组成的万向传动装置 以及安装在驱 动轮 4 的主减速器 7 差速器 5 和半轴 6 传到驱动轮 4 1 离合器 2 变速器 3 万向节 4 驱动桥 5 差速器 6 半轴 7 主减速器 8 传动轴 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 7 页 图 2 1 机械式传动系统的组成及布置示意图 混合动力电动汽车和传统汽车在传动系统上有着很大的相似之处 因此 相对纯 电动汽车来说 实现起来相对简单 这也是混合动力目前兴起的原因之一 混合动力 汽车的传动系统的发动机 电动机 发电机 变速器 离合器 动力合成装置 传动 轴 主减速器 动力电池组 驱动桥等组成 各个部分如何布置以及如何进行组合才 能使传动系统更加协调的工作是本章要解决的问题 2 2 传动系统的布置形式 传动系的布置形式主要取决于它与发动机在汽车上的相对位置 通常有以下几种 1 前置发动机后轮驱动 简称前置后驱动或 FR 这时 离合器 变速器与发动机多组合成一体 重型汽车 的变速器有时单独悬置 以便于维修 并置于汽车前部 驱动桥则经悬架与车架或车 箱的后部相连 在变速器与驱动桥之间装有万向节传动轴 这种布置形式使发动机通 风冷却好 车箱供暖方便 传动系及变速操纵杆系的布置较简单 整车轴荷分配易于 合理 起步加速及爬坡时的附着性好 轮胎磨损均匀 这种布置形式用于绝大多数的 载货汽车 部分客车 也常为中高级和高级轿车所采用 采用这种布置的轿车通常具有中性转向或稍有不足转向特性 方向稳定性好 同 时轿车的后行李舱可布置得较宽敞 然而 汽车的轴距较长 传动轴较长或需分段并 加中间支承 汽车整备质量较大 传动轴还限制了轿车地板的降低 地板上需鼓起一 条传动轴通道 为此多采用下偏置双曲面齿轮的主减速器 早期的大客车多用货车底盘及发动机改装而成 延用了货车的前置后驱动布置 前置发动机也有利于冷却及方便维修 动力与传动系统的操纵机构简单等优点 但是 由于发动机罩突出地板之上 使车箱面积利用率差 车箱内噪声大 隔热 隔振较困 难 发动机油烟味也有可能进入车箱内而影响舒适性 轴荷分配也不够理想 前轴易 过载而使转向沉重 由于前悬的尺寸受到限制而加长后悬 使汽车的离去角过小 上 下坡时容易刮地 同时也使得在前悬处不易设置乘客用车门而实行公共汽车的单人管 理 驾驶员及乘务员为 1 人 当轴距较长时需采用多节传动轴 易于发生共振 地板也 较高 乘客上下车不方便等 鉴于上述缺点 现代大客车早以脱离货车底盘 实行专 门设计的独立发展方针 而改用后置或中置发动机后轮驱动的布置形式 2 前置发动机前轮驱动 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 8 页 简称前置前驱动或 FF 这种布置型式为微型 普通级和中级轿车所广泛采用 其 发动机 离合器 变速器及主减速器等连成 体 省去了传动轴 使传动系布置紧凑 相对于 FF 方案 汽车整备质量减小 8 当发动机横置时轴距可缩短 10 且主减速 器齿轮可由通常的螺旋锥齿轮或双曲面齿轮改为斜齿圆柱齿轮 其节省的费用可部分 抵消前驱动的等速万向节成本 只有不足转向特性和很好的方向稳定性 高速行驶的 安全性好 这种布置型式近年来在中级以上的轿车上采用的也日益增多 但在易滑路 面上尤其是爬坡时 由于驱动车轮的附着力较小 也会侧滑而失去操纵稳定性 后轮 轴荷小 特别在空载行车制动时会引起后轮抱死而侧滑 为避免这种情况发生 应加 装制动器液力调节装置或防抱死系统 ABS 侧滑也会发生在非常有效的发功机制动时 另外 尤其当发动机横置时 其布置空间很挤 维修时的接近件较差 由于后轮轴荷 较小 在不使后悬过长的情况下尽量加大行李舱的空间 3 后置发动机后轮驱动 简称后置后驱动或 RR 这种布置形式最宜为大客车采用 以减轻前轴负荷及减少 发动机的热 废气 振动和噪声对车箱的侵扰 增大车箱有效面积并在地板下布置大 的行李舱或大大降低地板高度 方便乘客上 下车 但变速及供油系统需远距离操纵 发动机的通风冷却条件差 散热器布置也较困难 发动机可纵置或横置于后桥之后 这种布置过去也常见于微型和小型轿车上 这时发动机多纵置且与离合器 变速 器 主减速器连成一体 而驱动车轮要配以独立悬架 轿车的轴距及整备质量与前置 前驱的类同 但后轴负荷过大 约为 58 导致汽车有过度转向及不足的方向稳定性 前置行李舱由于转向轮的影响 空间较小 且汽车难于变形 冬季前挡风玻璃引暖风 除霜也较困难 因此 在轿车上这种布置已为前置前驱动布置形式所取代 4 中置发动机后轮驱动 简称中置后轮驱动或 MR 现代大客车有的采用中置卧式发动机且后轮驱动的布 置方案 发动机布置在前 后轴之间的车箱地板之下 使车箱面积利用率很高 座椅 布置和车身外形设计均不受发动机的限制 前门也可以布置在前轮之前 以便于公共 汽车的单人管理 车厢内噪声小 传动轴短 但隔热较差 地板也难于降低 特别是 发动机受到布置限制而需要专门设计时 其冷却 保温 防尘 防污和维修条件都不 好 故仅适用于道路及气候条件好的地区行驶的车辆 发动机也要求有高的可靠性 5 前置发动机全轮驱动 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 9 页 简称前置全轮驱动 对于四轮汽车可用 4WD 表示 全轮驱动可使整车重力都 成为附着力加以利用 以提高汽车的牵引力和通过性 这种驱动形式不仅为越野汽车 所采用 而且自 20 世纪 70 年代末也开始用到轿车上 出现了常接合式四轮驱动轿车 以提高其对各种路面和地面的适应性 通过性和安全性 越野汽车采用的非常接合方 式全轮驱动 指的是在非越野行驶时可切断对前轮的动力传递 而仅由后轮或中 后 轮驱动 对于三轴和四轴越野汽车 采用贯通式驱动桥布置方案可简化结构 减少零 件种类 提高零 部件的通用程度 8 2 3 混合动力汽车传动系统方案的分析与选择 2 3 1 动力系统结构类型 混合动力电动汽车将原动机 电动机 能量储存装置 蓄电池 按某种方式组合在 一起 有串联式 并联式和混合式 3 种布置形式 分别为 图 2 2 串联式混合动力传动系统示意图 1 串联式驱动系统 Series Schedule 简称 SHEV a 结构特点 串联式驱动系统的示意图见图 2 2 带动发电机发电 其电能通过电 动机控制器直接输送到电动机 由电动机产生电磁力矩驱动汽车 在发动机与驱动桥 之间通过电实现动力传递 因此更像是电传动汽车 电池通过控制器串接在发电机和 电动机之间 其功能相当于发电机与电动机之间的 水库 起功率平衡作用 即 当发电机的发电功率大于电动机所需的功率时 如汽车减速滑行 低速行驶或短时停车 等工况 控制器控制发电机向电池充电 而当发电机发出的功率低于电动机所需的功 率时 如汽车起步 加速 高速行驶 爬坡等工况 电池则向电动机提供额外的电能 b 性能特点 发动机功率是以汽车某一速度下稳定运行工况所需的功率选定的 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 10 页 当汽车运行工况变化 电动机所需的驱动功率与发动机输出功率不一致时 由控制器 控制发电机向电池充电 吸收发电机富余的电能 或使电池向电动机放电 协助发电机供 电 电池充电和放电电流的大小由控制器根据电动机驱动功率的变化情况进行控制 这样的结构形式和控制方式 使串联式混合动力电动汽车具有如下性能特点 1 发动机工作状态不受汽车行驶工况的影响 始终在其最佳的工作区域内稳定运 行 因此 发动机具有良好的经济性和低的排放指标 2 由于有电池进行驱动功率 调峰 发动机的功率只需满足汽车在某一速度下 稳定运行工况所需的功率 因此可选择功率较小的发动机 3 发动机与驱动桥之间无机械连接 因此 对发动机的转速无任何要求 发动机 的选择范围较大 比如 可选用高速燃气轮机等效率高的原动机 4 发动机与电动机之间无机械连接 整车的结构布置自由度较大 5 发动机的输出需全部转化为电能再变为驱动汽车的机械能 需要功率足够大的 发电机和电动机 6 要起到良好的发电机输出功率平衡作用 又要避免电池出现过充电或过放电 就需要较大的电池容量 7 发电机将机械能量转变为电能 电动机将电能转变为机械能 电池的充电和放 电都有能量损失 因此 发动机输出的能量利用率比较低 串联式混合动力电动汽车 发动机能保持在最佳工作区域内稳定运行这一特点的优越性主要表现在低速 加速等 运行工况 而在汽车中 高速行驶时 由于其电传动效率低 抵消了发动机油耗低的 优点 因此 串联式混合动力电动汽车更适用于在市内低速运行的工况 在繁华的市 区 汽车在起步和低速时还可以关闭发动机 只利用电池进行功率输出 使汽车达到 零排放的要求 2 并联式驱动系统 Parallel Schedule 简称 PHEV 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 11 页 图 2 3 并联式混合动力驱动系统 a 结构特点 并联式驱动系统结构示意图见图 2 3 发动机通过机械传动装置与 驱动桥连接 电动机通过动力复合装置也与驱动桥相连 汽车可由发动机和电动机共 同驱动或各自单独驱动 并联式混合动力电动汽车的结构形式更像是附加了一个电动 机驱动系统的普通内燃机汽车 电动机起 调峰 作用 即 当汽车运行工况所需的 功率超过了发动机的功率时 电动机从电池取得电能产生电磁力矩 并向驱动桥提供 额外的驱动功率 有的并联式混合动力电动汽车也有发电机 但其主要作用是向电池 充电 以保持电池的荷电状态 SOC 即 当电池放电较多 其 SOC 的值较低时 控制器可控制发动机驱动发电机并向电池充电 使电池的 SOC 恢复到设定的值 以保 证混合驱动方式下的续驶里程 b 性能特点 并联式混合动力电动汽车其发动机功率也是以汽车某一速度下稳定 行驶工况所需的功率选定的 当汽车在低速或变速工况行驶时 需通过加速踏板和变 速器来调节发动机的功率输出 而在汽车高速行驶 发动机的输出功率低于汽车行驶 所需功率时 由控制器控制电动机协助驱动 这样的结构形式和控制方式 使并联式 混合动力电动汽车具有如下性能特点 1 发动机通过机械传动机构直接驱动汽车 无机 电能量转换损失 因此发动机 输出能量的利用率相对较高 当汽车的行驶工况使发动机在其最佳的工作范围内运行 时 并联式的 HEV 燃油经济性比串联式的高 2 有电动机进行 调峰 作用 发动机的功率也可适当减小 3 当电动机只是作为辅助驱动系统时 功率可以比较小 4 如果装备发电机 发电机的功率也可较小 5 由于有发电机补充电能 比较小的电池容量即可满足使用要求 6 由于并联式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 发动 机的排污比串联式的高 7 由于发动机与驱动桥之间直接机械连接 需要通过变速装置来适应汽车行驶工 况的变化 此外 发动机与电动机并联驱动 还需要动力复合装置 因此 并联式驱 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 12 页 动系统其传动机构较为复杂 并联式驱动系统最适合于汽车在中 高速稳定行驶的工 况 而在其它的行驶工况 由于发动机不在其最佳的工作区域内运行 发动机的油耗 和排污指标不如串联式 并联式混合动力电动汽车也可实现零排放控制 在繁华的市 区低速行驶时 可通过关闭发动机和使离合器分离 也可以使汽车以纯电动方式运行 但这样就需要功率足够大的电动机 所需的电池容量也相应要大 3 混联式驱动系统 图 2 4 混联式混合动力传动系统 混联式驱动系统是串联式与并联式的综合 其结构示意图见图 2 4 发动机发出的 功率一部分通过机械传动输送给驱动桥 另一部分则驱动发电机发电 发电机发出的 电能由控制器控制 输送给电动机或电池 电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置 传送给驱动桥 混联式驱动系统的控制策略是 在汽车低速行驶时 驱动系统主要以 串联方式工作 当汽车高速稳定行驶时 则以并联工作方式为主 混联式驱动系统的结构形式和控制方式充分发挥了串联式和并联式的优点 能够 使发动机 发电机 电动机等部件进行更多的优化匹配 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的控制目标 2 3 2 并联式 PHEV 动力传动系统结构分析 1 结构模型可分为 发动机轴动力组合式 发动机 电动 发电机 2 大动力总成 动力合成器动力组 合式 发动机 驱动电动机 2 大动力总成 和驱动轮动力组合式 发动机 驱动电动 机 2 大动力总成 三种动力组合形式 10 2 驱动模式 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 13 页 a 发动机轴动力组合式 以发动机驱动为基本驱动模式 电动 发电机为辅助动力 电动 发电机只在发动起动 车辆加速 爬坡时起辅助作用 与发动机组合成混 合驱动模式 在混合驱动时 发动机与电动 发电机动力在发动机上组合 b 动力合成器动力组合式 以发动机驱动为基本驱动模式 驱动电动机为辅助驱动模式 可以独立驱动 PHEV 在混合驱动时 发动机与驱动电机的动力通过动力组合器组合 c 驱动轮动力组合式 以发动机为基本驱动模式 独立驱动后轮驱动轮 驱动电机为辅助驱动模式 能独立驱动前驱动轮 在混合驱动时 发动机驱动的后轮动力与驱动电动机驱动 的前论的动力进行组 合 成为混合 4 轮驱动模式 综上所述 并联式混合动力汽车传动系统具有发动机轴动力组合式 动力合成器 动力组合式和驱动轮动力组合式三种动力组合形式 其中动力合成器动力组合式应用 更为广泛 3 并联动力合成器动力组合式控制系统和驱动模式分析 操纵系统 混合动力传动系统的操纵系统仍然是加速踏板 制动踏板和变速杆等常规的操纵 装置 多能源动力控制块 混合动力传动系统有发动机驱动和电动发电机的两套独立的驱动系统并存 这 两套独立的驱动系统 是通过动力合成器来进行动力混合并协调运动 它相当一个无 级变速器 可以满足 发动机独立驱动时的传动要求 电动 发动机独立驱动的传动要求 发动机与电动 发电机混合驱动时的传动要求 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 14 页 汽车制动时 电动 发电机转换为发电机发电的传动要求 在任何一种传 动工况时发动机与电动 发电机的运动都不会发生干扰 在混合动力驱动模式时 发动 机与电动 发电机的动力经过动力合成器组合 最终与传递到差速器上的转速相同 在中央控制器控制下 发动机在冷态下 动力电池组向电动 发电机提供电能 电动 发电机带动车辆起步 当车辆超过一挡速度后 立即转为发动机驱动模式驱动车 辆行驶 在车辆换挡或制动时 中央控制器控制关闭发动机 用电动机驱动模式接替 发动机来驱动车辆行驶 在城市中还可以独立地用电动 发电机驱动车辆行驶 发动机 可以实现起动 关闭的控制模式 使得发动机始终保持低能耗 高效率的平稳运转 混合动力系统的中央控制系统 用多种集成控制模块对 自动变换的手动变速 器 进行驱动模式转换的控制 用电池管理系统对动力电池组进行管理 整车具有高 度的自动化 9 2 4 并联动力合成器式动力驱动模式 1 发动机驱动模式 在汽车以中高速行驶时 发动机驱动是混合动力汽车的主要驱动模式 发动机的 动力通过离合器 动力合成器 传动轴 主减速器 来带动车轮行驶 2 电动 发电机驱动模式 当混合动力汽车起步时 动力电池组向电动机提供电能 充分发挥电动机的低转 速 大转矩的特性 在城市或低速行驶时 发动机关闭 由电动机带动车辆行驶 在换 挡时 发动机的转矩中断 由驱动电动机工作来保持车辆所需要的驱动力 3 混合动力驱动模式 车辆在加速或爬坡时 在发动机节气门开度最大 发出最大动力的同时 动力电 池组向电动机供给电能并输出最大动力 在动力合成器的协调下 发动机和电动机以 混合驱动模式共同驱动车辆行驶 4 再生制动能量反馈回收 发动机制动时或者以脚制动器制动时由驱动轮使电机旋转 并作为发电机进行运 转 由此 运动的机械能转换为电能 并回收到混合动力汽车的车用蓄电池中 与此 同时 利用发电电阻对发动机制动及脚制动的减速进行助力 这种过程称为再生制动 能量反馈回收 2 2 5 传动系统总体布置 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 15 页 混合动力电动汽车总体布置见图 2 5 利用现有车辆的底盘 四缸发动机不变 位 于前桥附近 加装一个动力合成器和发动机相连 一个电动机驱动系统 固定在地板 下的汽车大梁处 位于副驾驶下方 电机控制器布置在汽车地板下左侧 电池和管理 系统及保险盒等固定在汽车货箱下 整车控制系统装在车厢内的主驾和副驾之间 发动机 7 发出的动力经过离合器 8 到动力合成器 10 它和电动机发出的动力经过 动力合成器合成后经过传动轴 12 传到主减速器 2 再经差速器传到驱动桥以驱动车 轮转动 1 动力电池组 2 主减速器 3 控制器 4 电流转换器 5 电动机 6 发动机 7 离合器 8 发电机 9 制动器 10 动力合成器 11 万向节 12 主传动轴 13 中间支承 14 中间传动轴 图 2 5 混合动力传动系统布置图 2 6 发动机主要性能指标的选择 混合动力电动汽车的参数 满载总质量 2215 空载总质量 含电机 电池 a m 质量 1390 空气阻力系数 CD 0 90 迎风面积 A 2 9 滚动阻力系数 fr 0 m 0 02 车轮半径 r 0 3215m 传动效率 0 9 无级调速速比范围为 0 798 5 124 T 动力性能指标如下 最大车速 120 km h 纯发动机驱动 最大车速 135 km h 混 合动力驱动 在车速为 70 km h 纯电动机驱动 最大爬坡度 imax 30 1 发动机最大功率和相应转速 根据所设计汽车应达到的最高车速 用下式估算发动机最大功率 543 21 67891011121314 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 16 页 2 1 761403600 1 max 3 maxmax a D a ra T e V AC V gfm P 式中 Pemax 发动机最大功率 kw Vamax 纯发动机驱动要求汽车达到的最高速度 km h ma 汽车总质量 kg CD 空气阻力系数 货车取 0 80 1 00 g 重力加速度 2 sm fr 滚动阻力系数 货车取 0 02 A 汽车的正面投影面积 2 m 传动系效率 对驱动桥用单级主减速器的 4 2 汽车可取 90 T 按式 2 1 估算的 Pemax为发动机装有全部附件时测定得到的最大有效功率 约比发 动机外特性的最大功率值低 12 20 最后得到发动机的功率为 72kw 在此最大功 率下可选择的最高转速可取 4000 r min 16 2 发动机最大转矩 Temax及相应转速 nT 用下式计算确定 Temax 2 2 pee nPTpT 9549 maxmax 式中 Temax 为发动机最大转矩 N m 为转矩适应性系数 一般在 1 1 1 3 之间选取 Pemax 为发动机最大功率 kw np 为最大功率转速 r min 将 1 2 Pemax 75 kw np 4000 r min 代入式 2 2 得 Temax 223 45 N m 要求 np与 nT之间有一定差值 如果它们很接近 将导致直接挡的最低稳定车速偏 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 17 页 高 使汽车通过十字路口时换挡次数增多 并且上坡时的冲坡能力变坏 因此 要求 np nT在 1 4 2 0 之间选取 但混合动力汽车在低速时可采取电动机驱动 故可取此 比值为 1 2 因此 nT 4000 1 2 3400 r min 10 3 主减速器的计算 3 1 主减速比 i0的确定 对具有较大功率储备的轿车 尤其是赛车 在给定发动机最大功率 Pemax及其转速 np时 所选择的 i0应能保证汽车有尽可能的最高速 Vamax 这时 i0由下式确定 3 1 gha pr iV nr i max 0 377 0 式中 i0 汽车主减速器的主减速比 rr 车轮的滚动半径 m np 为最大功率转速 r min Vamax 纯发动机驱动要求汽车达到的最高速度 km h igh 汽车变速器最高挡传动比 代入数据计算得 5 4 798 0 135 40003215 0 377 0 0 i 3 2 主减速器结构方案分析 主减速器的结构形式主要是根据齿 轮类型 减速器形式不同而不同 主减 速器的齿轮主要有螺旋锥齿轮 双曲面 齿轮 圆柱齿轮和蜗轮蜗杆等形式 3 2 13 2 1 选择减速器的形式选择减速器的形式 单级主减速器具有结构简单 质量 及体积小 造价低等优点 因而广泛应 用于主传动比汽车 由于所设计 7 0 i 图图 3 1 单级主减速器单级主减速器 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 18 页 的汽车传动比为 i0 4 5 因此可采用单级主减速器 单级主减速器多采用一对弧齿锥齿 轮或双曲面齿轮传动 也有采用一对圆柱齿轮传动或蜗杆传动的 如图 3 1 所示 3 2 23 2 2 齿轮种类的选择齿轮种类的选择 根据所设计传动系统的结构 其为交错轴传动 则可供选择的结构有螺旋锥齿轮和准 双曲面齿轮 双曲面齿轮 结构 如图 3 2 所示 a 螺旋锥齿轮传动 b 双曲面齿轮传动 图图 3 2 主减速器齿轮传动形式主减速器齿轮传动形式 a 螺旋锥齿轮传动的特点 主 从动齿轮轴线垂直相交于一点 齿轮并不同时在全长上啮合 而是逐渐从一 端连续平稳地转向另一端 由于齿轮端面重叠的影响 至少有两对以上的齿轮同时啮 合 所以它工作平稳 能承受较大的负荷 制造也简单 在工作中噪声大 对啮合精 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 19 页 度很敏感 齿轮副锥顶稍有不吻合便会使工作条件急剧变坏 并伴随磨损增大和噪声 增大 为保齿轮副的正确啮合 必须将支承轴承预紧 提高支承刚度 增大壳体刚度 b 双曲面齿轮传动的特点 当双曲面齿轮与螺旋锥齿轮尺寸相同时 双曲面齿轮传动有更大的传动比 当传 动比一定 从动齿轮尺寸相同时 双曲面主动齿轮比相应的螺旋锥齿轮有较大的直径 较高的齿轮强度以及较大的主动齿轮轴和轴承刚度 主动齿轮尺寸相同时 双曲面从 动齿轮直径比相应的螺旋锥齿轮小 因而有较大的离地间隙 在工作过程中 双曲面 齿轮副不仅存在沿齿高方向的侧向滑动 而且还有沿齿长方向的纵向滑动 纵向滑动 可改善齿轮的磨合过程 使其具有更高的运转平稳性 由于存在偏移距 双曲面齿轮 副使其主动齿轮的大于从动齿轮的 这样同时啮合的齿数较多 重合度较大 不 1 2 仅提高了传动平稳性 而且使齿轮的弯曲强度提高约 30 双曲面齿轮传动的主动齿 轮直径及螺旋角都较大 所以相啮合齿轮的当量曲率半径较相应的螺旋锥齿轮为大 其结果使齿面的接触强度提高 双曲面齿轮传动的主动齿轮的变大 则不产生根切的 最小齿数可减少 故可选用较少的齿数 有利于增加传动比 由于主动齿轮较大 加 工时所需刀盘刀顶距较大 因而切削刃寿命较长 双曲面主动齿轮轴布置在从动齿轮 中心上方 便于实现多轴驱动桥的贯通 增大传动轴的离地高度 布置在从动齿轮中 心下方可降低万向传动轴的高度 有利于降低轿车车身高度 并可减小车身地板中部 凸起通道的高度 但是 双曲面齿轮传动也存在如下缺点 沿齿长的纵向滑动会使摩擦损失增加 降低传动效率 双曲面齿轮副传动效率约为 96 螺旋锥齿轮副的传动效率约为 99 齿面间大的压力和摩擦功 可能导致油膜破坏和齿面烧结咬死 即抗胶合能力 较低 双曲面主动齿轮具有较大的轴向力 使其轴承负荷增大 双曲面齿轮传动必须 采用可改善油膜强度和防刮伤添加剂的特种润滑油润滑 由于双曲面齿轮具有一系列的优点 因而 它比螺旋锥齿轮应用更广泛 一般情况下 当要求传动比大于 4 5 而轮廓尺寸又有限时 采用双曲面齿轮传动更 合理 如果保持主动齿轮轴径不变 则双曲面从动齿轮直径比螺旋锥齿轮小 由于减 速器传动比 i0 4 5 而且双曲面齿轮有上述很多优点 故选择双曲面齿轮传动 双曲 面齿轮分为弧齿双曲面齿轮和摆线双曲面齿轮 选择较简单的弧齿双曲面齿轮 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 20 页 3 2 33 2 3 汽车驱动桥的最小离地间隙汽车驱动桥的最小离地间隙 对于轿车汽车离地间隙可取在 120 230mm 之间 3 2 43 2 4 主减速器主 从动锥齿轮的支承方案主减速器主 从动锥齿轮的支承方案 主减速器中必须保证主 从动齿轮具有良好的啮合状况 才能使它们很好的工作 齿轮的正确啮合 除与齿轮的加工质量 装配调整及轴承 主减速器壳体的刚度有关 以外 还与齿轮的支承刚度密切相关 1 主动锥齿轮的支承 a 主动锥齿轮悬臂式 b 主动锥齿轮跨置式 c 从动锥齿轮 图 3 4 主减速器锥齿轮的支承形式 主动锥齿轮的支承形式可分为悬臂式支承和跨置式支承两种 a 悬臂式支承结构 图 3 4a 的特点是在锥齿轮大端一侧采用较长的轴颈 其上安 装两个圆锥滚子轴承 两轴承圆锥滚子的大端朝外 使作用在齿轮上离开锥顶的轴向 力由靠近齿轮的轴承承受 而反向轴向力则由另一轴承承受 为了尽可能地增加支承 刚度 支承距离 b 应大于 2 5 倍的悬臂长度 a 且应比齿轮节圆直径的 70 还大 另外 靠近齿轮的轴径应不小于尺寸 a 为了方便拆装 应使靠近齿轮的轴承的轴径比另一轴 承的支承轴径大些 b 跨置式支承结构 图 3 4b 的特点是在锥齿轮的两端均有轴承支承 这样可大大 增加支承刚度 又使轴承负荷减小 齿轮啮合条件改善 因此齿轮的承载能力高于悬 臂式 此外 由于齿轮大端一侧轴颈上的两个相对安装的圆锥滚子轴承之间的距离很 小 可以缩短主动齿轮轴的长度 使布置更紧凑 并可减小传动轴夹角 有利于整车 布置 但是跨置式支承主减速器壳体结构复杂 加工成本提高 另外 因主 从动齿 轮之间的空间很小 致使主动齿轮的导向轴承尺寸受到限制 有时甚至布置不下或使 齿轮拆装困难 跨置式支承中的导向轴承都为圆柱滚子轴承 并且内外圈可以分离或 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 21 页 根本不带内圈 它仅承受径向力 尺寸根据布置位置而定 是易损坏的一个轴承 本设计汽车采用主动锥齿轮悬臂式 3 2 53 2 5 从动锥齿轮的支承从动锥齿轮的支承 从动锥齿轮的支承 图 3 4c 其支承刚度与轴承的形式 支承间的距离及轴承之间 的分布比例有关 从动锥齿轮多用圆锥滚子轴承支承 为了增加支承刚度 两轴承的 圆锥滚子大端应向内 以减小尺寸 c d 为了使从动锥齿轮背面的差速器壳体处有足够 的位置设置加强肋以增强支承稳定性 c d 应不小于从动锥齿轮大端分度圆直径的 70 为了使载荷能尽量均匀分配在两轴承上 应尽量使尺寸 c 等于或大于尺寸 d 为 了限制从动锥齿轮因受轴向力作用而产生偏移 在从动锥齿轮的外缘背面加设辅助支 承 图 3 5 辅助支承与从动锥齿轮背面之间的间隙 应保证偏移量达到允许极限时能 制止从动锥齿轮继续变形 主 从动齿轮受载变形或移动的许用偏移量如 图 3 6 所 示 12 图 3 5 从动锥齿轮辅助支承 图 3 6 主 从动锥齿轮的许用偏移量 3 33 3 主减速器齿轮设计计算主减速器齿轮设计计算 3 3 13 3 1 主减速器齿轮计算载荷的确定主减速器齿轮计算载荷的确定 由于汽车行驶时传动系统的载荷不稳定 因此很难准确地确定主减速器齿轮的计 算载荷 通常是将发动机最大转矩 Temax配以传动系有关传动部分的最低挡传动比 iTL 时和驱动轮打滑时作用在主减速器从动齿轮上这两种情况下的转矩较小者作为载货汽 车主减速器从动齿轮的计算载荷 即 nkiTT TTLeje 0max 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 22 页 3 2 LBLB r j i rG T 2 3 3 式中 k0 超载系数 一般载货汽车取 k0 1 0 汽车传动系中变速器的最低挡传动比 TL i 传动系有关传动系部分的传动效率 可取 0 9 n 该车的驱动桥数目 G2 汽车满载时一个驱动桥给地面的最大负荷 本车为 10853 5N 轮胎对路面的附着系数 安装一般轮胎的公路用汽车取 0 85 rr 车轮的滚动半径 m LB 所计算的主减速器从动齿轮到驱动车轮间的传动效率 iLB 所计算的主减速器从动齿轮到驱动车轮间的传动比 将数据代入式 3 2 中 0 9 n 1 mNTe 45 223 max 1 0 k 124 5 TL i 得 mNTje 8 1053 1 9 01124 5 45 223 将数据代入式 3 3 中 0 85 rr 0 3215m LB 0 98 iLB 1 5 得 NG 5 10853 2 mNTj 7