一种混联式混合动力汽车的关键部件设计毕业论文.doc

目 录 I 一种混联式混合动力汽车的关键部件设计毕业论文一种混联式混合动力汽车的关键部件设计毕业论文 目 录 摘 要 I Abstract II 第 1 章 绪 论 1 1 1 课题背景及研究的目的和意义 1 1 2 混合动力汽车概述 2 1 2 1 混合动力汽车的定义及特点 2 1 2 2 本文涉及的混合动力汽车类型及特点 3 第 2 章 传动系统及动力耦合系统设计 5 2 1 设计思路 5 2 2 传动系统方案设计 6 2 2 1 行星齿轮机构与动力源连接方案 6 2 2 3 传动动系统工作模式分析 8 2 3 本章小结 14 第 3 章 关键部件参数匹配设计 15 3 1 整车基本参数和设计要求 15 3 1 1 原型车的结构参数及技术参数 15 3 1 2 设计要求 16 3 2 动力系统参数设计 16 3 2 1 动力源总功率的初步确定 17 3 2 2 发动机参数设计 19 3 2 3 电机参数设计 20 3 2 4 电池组参数设计 22 3 3 传动系统参数设计 24 3 3 1 传动系统最小传动比 25 3 3 2 传动系统最大传动比 25 3 3 3 CVT 与主减速器总传动比 26 3 3 4 传动系统速比的最终确定 26 佳木斯大学工学学士学位论文 II 3 4 匹配结果 26 3 5 本章小结 27 第 4 章 行星机构设计与建模 29 4 1 计算齿轮的主要参数 29 4 1 1 配齿计算 29 4 1 2 装配条件 29 4 1 3 初步计算齿轮的主要参数 30 4 2 齿轮强度计算及校核 31 4 2 1 齿轮副强度计算 31ac 4 2 2 齿轮副强度计算 33bc 4 3 行星齿轮机构三维建模 34 4 3 1 渐开线几何分析 34 4 3 2 输入基本参数和关系式 35 4 3 3 其它构件的建模 37 4 4 本章小结 40 第 5 章 混合动力汽车创新设计 41 5 1 混联式双电机驱动 41 5 2 加装辅助太阳能电池板 42 5 3 利用气体燃料代替汽油或柴油燃料 43 5 4 本章小结 43 结 论 45 参考文献 47 附录 I 49 附录 II 57 致 谢 68 第 1 章 绪 论 1 第第 1 章章 绪绪 论论 1 1 课课题题背背景景及及研研究究的的目目的的和和意意义义 汽车集成了第二次工业革命以来的大量技术 涉及机械 冶金 金属加工 化工 石油 橡胶 塑料 电子 电器 仪器表等各个领域 汽车产业是很高产 业关联度的产业 汽车工业对附属产业及其相关产业的拉动效应为 1 7 11 几乎 无出石油地决定一个国家的工业化程度 1 随着人口的增长 人们生活水平和工业化程度的不断提高 汽车保有量也不 断增长 到 2012 年我国汽车产销双双突破 1900 万辆 超越美国跃居汽车产销量 世界第一 预计到 2020 年中国的汽车保有量将超过 2 亿辆 2 汽车已经成为人们日常生活中不可去少的一部分 汽车在给人们生活带来极 大便利 促进社会迅速发展的同时 也带来了严峻的能源短缺和环境污染问题 严重威胁着人们的生活质量和生存状态 1 能源问题 近年来我国石油对外依赖度逐年增加 仅 2009 年我国石油消耗量已达到 3 88 亿吨 照此计算下去 即便我国的静态石油储备量仍然有 100 亿吨 也只能 够开采几十年 到 2035 年左右中国本土的石油将开采殆尽 更何况我国石油消 耗将逐年增加 预计到 2020 年 我国一年最少需要 4 5 亿吨原油 其中汽车用油 将占到用油量的 55 4 3 2 环境问题 石油的大量消耗 伴随而来的是严重的环境污染问题 汽车带来的污染物主 要是汽车尾气的排放 尾气中一氧化碳是温室气体之一 尾气中的碳氢化合物等 在太阳紫外线的照射下发生化学反应 形成浅蓝色烟雾 不仅污染空气 而且严 重影响市民身体健康 今年年初 北京 天津等各大城市均出现雾霾天气 并 5 持续时间长达半月之久 能见度极低 市民上呼吸道感染病例激增 均是由于汽 车尾气中的 PM2 5 引起的 汽车造成的能源和环境问题已引起各国政府的重视 各国纷纷颁布严格的法 佳木斯大学工学学士学位论文 2 规限制汽车排放污染 同时出台相关政策鼓励和资助新能源汽车的研发和推广 由此看来 改变传统燃油汽车发展方向 走新能源汽车发展道路势在必行 包括 燃料电池电动汽车 纯电动汽车和混合动力电动汽车在内的电动汽车是替代燃油 汽车的最佳解决方案 目前 燃料电池电动汽车在开发低成本的燃料电池系统 稳定的整车控制系统和高效的燃料处理器等关键技术领域仍然没有取 得突破性 的进展 大批量投入市场需要很长一段时间 纯电动汽车存在动力电池动力性差 续驶里程短和成本高等问题 是其市场化推广举步维艰 于是混合动力汽车成为 目前解决问题最有效的方案 1 2 混混合合动动力力汽汽车车概概述述 1 2 1 混合动力汽车的定义及特点混合动力汽车的定义及特点 根据国际电工委员会 IEC 电动汽车技术分会及中国汽车协会对混合动力 汽车的定义 混合动力 电动 汽车 Hybrid Electric Vehicle HEV 是电动汽车 中的一种 是由两种或两种以上的储能器 转换器或能源作为驱动源 并能够至 少从可消耗的燃料和可在充电 能量储存装置两类车载储存的能量中获得驱动动力 的混合型电动汽车 器驱动源可以是内燃机 燃料电池 蓄电池 超级电容 液压 蓄能器等 本文所涉及的混合动力汽车时采用发动机和电机 电池作为动力源的混 合动力电动汽车 电动机与发动机相比 具有安静 清洁 效率高等特点 混合动力汽车将传 统的发动机驱动与电力驱动结合起来 融合了两者的优势 具有以下特点 1 与相同类型的传统燃油汽车相比 混合动力汽车采用较小功率的发动机 降低了有害气体的排放 也降低了发动机的噪音 2 与纯电动汽车相比 混合动力汽车的电机功率和车载动力电池组的容量 较小 减小了电机 电池组的质量和体积 减少了车辆自身的重量 降低了成本 同时克服了纯电动汽车续驶里程短的缺陷 3 相对于传统燃料汽车和纯电动汽车而言 混合动力汽车的动力传动系 统一般具有实现动力合成与分解功能的动力耦合系统 采用的控制系统越先进 第 1 章 绪 论 3 动力耦合系统越复杂 基于上述特点 尽管混合动力汽车并不是零排放车辆 而且结构较为复杂 但混合动力汽车正在成为实用的先进动力汽车 在不远的将来将成为燃料电池电 动汽车代替传统燃料汽车的重要过渡选择 是实现低排放车辆商品化的可行性方 案 被普遍认为是目前具开发和推广前景的新型清洁交通工具 1 2 2 本文涉及的混合动力汽车类型及特点本文涉及的混合动力汽车类型及特点 根据分类依据的不同 混合动力汽车可划分为多种不同类型 一般情况下我 们按照动力传动系统结构形式的不同将混合动力汽车划分为 串联式混合动力汽 车 并联式混合动力汽车 混联式混合动力汽车 复合式混合动力汽车 下面介 绍混联式混合动力汽车的结构形式及特点 PSHEV 在结构上上综合了 SHEV 和 PHEV 的特点 与 SHEV 相比增加了 机械动力传递路线 与 PHEV 相比增加了电能传输路线 如图 1 1 所示 图 1 1 混联式混合动力汽车动力传动系统结构框图 PSHEV 传动系统中机械联动的电机相当于并联式混合系统中的电动机 用 来驱动汽车和刹车制动时进行再生制动 电能联动路线的电机相当于串联式混合 结构中的发电机 用于吸收发动机盈余功 发动机的运行状态不受汽车行驶工况 的影响 具有良好的燃油经济性和排放性能 汽车最大功率为发动机和电动机的 功率之和 则可选择小排量的发动机和小功率的电动机 通过配备专用发动机 电 动机发电系统 减少了对电池以及外接电力的依赖 而且续驶里程与传统汽车相 佳木斯大学工学学士学位论文 4 当 是非常理想的混合动力方案 为保证各动力系统协调工作 需要先进的动力 传动系统和控制系统 使其结构复杂 控制元器件价格高昂 整车成本高 但随 着制造技术和控制技术的发展 现代混合动力汽车将更倾向于选择这种结构 第 2 章 传动系统及动力耦合系统设计 5 第第 2 章章 传动系统及动力耦合系统设计传动系统及动力耦合系统设计 2 1 设设计计思思路路 以具有两个自由度的行星齿轮机构作为动力合成与分解的动力耦合系统 可 通过调节内燃机和电机之间的转速 转矩关系 使发动机的工况调节变得更加灵 活 这种动力耦合系统被认为是目前最有生命力的一种结构 利用 CVT 连续 11 速比变化的特性 使汽车各种行驶工况下的发动机和电机均工作在最佳匹配工作 点 可使混合动力汽车的油耗减少 30 排放降低 50 显著提高汽车燃油经 济性和排放性 是目前最理想的混合动力汽车变速装置 因此 CVT 与行星 12 齿轮机构组成的动力传动系统对汽车的综合性能必将有很大的提高 图 2 1 CVT 变速器简图 基于此 这里我们选取 CVT 变速器 如图 2 1 为能实现相对齐全的工作模 式及工作模式间的灵活切换等诸多功能 必要时采用离合器和制动器等接合元件 实现 传动系统相应功能的实现措施为 1 用单级行星齿轮机构实现动力的合成与分解 倒档换向功能 2 通过改变离合器 制动器的接合状态实现发动机单独驱动 纯电机驱动 单自由度 两自由度混合驱动 发动机倒车 助力倒车等各种工作模式及工作模式 间的切换功能 佳木斯大学工学士学位论文 6 3 用单向离合器防止发动机曲轴反转 实现无发动机反拖的再生制动功能 4 传动系统传动比主要由 CVT 实现 使发动机和电机均尽可能工作在高 效工作区 同时电机通过行星机构辅助调速使发动机工作在最佳燃油经济性曲线 上 2 2 传动系统方案设计传动系统方案设计 2 2 1 行星齿轮机构与动力源连接方案行星齿轮机构与动力源连接方案 动力的合成与分解有单自由度和多自由两种方式 单自由度系统可实现电机 和发动机输出扭矩的叠加 提高汽车动力性 但输出转速必须与发动机和电机的 输入转速一致 使转速范围无法扩展 具有两自由度的行星齿轮机构则不受此限 制 其两自由度状态下的扭矩关联成比例 转速相互独立的特性能很好地用于输 出扭矩的控制 在输出扭矩一定条件下其输出转速可在一定范围内变化 同时可 实现零输出转速下不同扭矩输出 这一特性非常适用于车辆起步和换挡过渡 综 合这两种不同的合成方式的优点 可以以行星齿轮机构为基础 以离合元件为辅 设计动力传动系统 通过控制离合元件状态 在单自由度和两自由度之间切换 达到车辆行驶的最优效果 这是一种比较理想的结构方案 13 表 2 1 行星机构与动力源的不同连接方案 连接方案123456 发动机行星架行星架齿圈太阳轮齿圈太阳轮 电动机齿圈太阳轮行星架行星架太阳轮齿圈 为利用行星机构的两自由度特性 实现两自由度动力合成与分解功能 发动 机和电机必须与行星齿轮机构的太阳轮 S 行星架 H 齿圈 R 三构件中两个不 同的构件相连接 则共有 6 种不同的连接方案 如表 2 1 所示 2 2 2 连接方案选择连接方案选择 当输出与行星架 H 相连时可实现纯电机减速增矩驱动 纯发动机减速增矩 驱动 两自由度混合驱动和行星机构作为一个整体旋转时的纯发动机 电机驱动 第 2 章 传动系统及动力耦合系统设计 7 电机助力 行车发电 有发动机反拖的再生制动多种工作模式 当输出与太阳轮 S 相连时可以实现无发动机反拖的再生制动状 纯电动行车 倒车和在行星架 H 制动情况下实现发动机倒车及电机助力倒车功能 但倒车时行星机构为增速传递 减小了发动机的动力传递 这里可利用电机的低转速大扭矩特性以及采用大的 CVT 速比来增加倒车驱动力 该方案可以比较好的地实现所需要的各种工作模式和相关性能要求 根据这 种连接方案设计新型的集成单级行星齿轮机构和 CVT 的混合动力传动系统主要 包括一个单排单级行星齿轮机构 发动机 电机转子和定子 通过 DC AC 逆变 器与电动机定子相连的电池组 制动器 B1 和 B2 离合器 C1 和 C2 单向离 合器 F CVT 和连接离合器和 CVT 的耦合输出轴组成 设计方案结构如图 2 2 所示 该结构形式可以实现以下功能 1 动力耦合功能 实现多个动力源的扭矩 转速及功率的合成及分解 形 成驱动车辆的动力 各动力源输出的动力不相互干涉 每个动力源可单独驱动车 辆 也可共同驱动车辆 必要的时候还可以把单个动力源输出的动力进行分解 如行车发电模式就是把发动机的动力分解成两部分 一部分驱动车辆行驶 另一 部分驱动电机为电池充电 9 图 2 2 传动系统设简图 2 再生制动功能 再生制动功能是混合动力汽车非常重要的一种节能途径 佳木斯大学工学士学位论文 8 在汽车减速 刹车时 利用汽车动能通过传动系统拖动电机转子在磁场中旋转产生 电流 实现制动能量回收 在再生制动的过程中动力耦合机构能够在保持驱动轮 与电机转子的机械连接的同时断开其与发动机的连接 以提高制动能量回收量 3 工作模式切换功能 混合动力汽车具有多种工作模式 要求车辆在不同 的行驶工况下采用动力性和经济性最佳的工作模式 动力耦合系统要能够实现不 同工作模式之间平顺无冲击的切换 4 其他辅助功能 动力耦合系统还应具有在起步时利用电机低速 大扭矩 特性的功能 利用电机直接进行倒车 实现车辆变速器倒挡功能 省去变速器倒 档机构 简化变速器机构 具有发动机反拖的再生制动功能 以及实现其他复杂 的动力传递和组合要求的功能 10 2 2 3 传动动系统工作模式分析传动动系统工作模式分析 与传统燃油汽车相比 混合动力汽车最大优点就是针对汽车不同工况动力性 要求采用不同的工作模式 实现减少燃油消耗和降低排放的目的 本文设计的这 种新型混合动力传动系统具有相对齐全的工作模式 能很好地满足汽车在行驶驱 动 倒车驱动 汽车起步 发动机起动 驻车发电 减速 制动等工况运行的要求 现以传动系统设计方案一为例对其工作模式进行分析 设计方案一中电机需要提 供扭矩约为发动机扭矩的 25 75 可以选用功率较小的电机作为辅助动力源 1 行驶驱动工况 根据汽车不同行驶状态 可选用单自由度直接传动模式 单自由度减速传动 模式 电机直接传动模式 电机减速传动模式和两自由度混合驱动模式 单自由 度直接传动模式时 离合器 C1 C2 都接合 电机转子连同整个行星排作为一个 整体随发动机输出轴一起旋转 根据汽车行车需求 控制电机的工作状态 当汽 车加速或负载较大时 电机处于驱动状态 实现电机和发动机的扭矩合成驱动 前后电机一同驱动 实现四轮驱动 提高汽车驱性能 当负载适中时 电机转子 处于空转状态 由发动机单独驱动汽车行驶 其模拟地盘动力传动如图 2 4 所示 当负载较小且电池组电量较低时 电机处于发电状态 发动机在驱动汽车行驶的 第 2 章 传动系统及动力耦合系统设计 9 同时带动电机发电 其动力传递路线如图 2 3 所示 图中离合器 制动器和单向离 合器涂黑表示元件为接合状态 否则为分离状态 下同 单自由度减速传动模式时 B2 和 C1 接合 行星机构起到减速增矩作用 扩大了汽车低速行驶范围 提高爬坡动力性 其动力传递路线如图 2 5 所示 汽车低速行驶且电量充足时可以使用电机直接传动模式 离合器 C2 接合 单向离合器 F 因齿圈具有反转趋势而锁止 其动力传递路线如图 2 6 所示 电 机单独驱动汽车行驶 可以充分发挥电机低速大扭矩特性 避免发动机在低负荷 低效率工况下工作 降低排放 提高发动机整体运行效率 14 电机减速传动模式时离合器 C1 接合 单向离合器 F 因齿圈有反转趋势而 锁止 行星机构起到减速增矩作用 可扩大汽车纯电动高效率行驶的低速范围 提高纯电动爬坡能力 其动力传递路线如图 2 7 所示 两自由度混合驱动模式适用于小负荷 高速行驶工况 其动力传递路线如动 模式图 2 8 所示 只有离合器 C1 接合 可实现电机和发动机的转速合成 地盘动 力传递路线如图 2 10 所示 电机可以作为电动机也可作为发电机工作 根据汽车 行驶要求实时调节电机扭矩 转速和 CVT 速比 使发动机和电机始终保持在高 效率工作状态 图 2 3 单自由度直接传动模式 图 2 4 只由发动机驱动动力传递简图 2 倒车驱动工况 佳木斯大学工学士学位论文 10 汽车倒车时可以采用纯电动倒车模式 发动机倒车模式和助力倒车模式 倒 车车速低 驱动力大 大部分情况下都可采用纯电动倒车模式 此模式动力传动 路线与图 2 6 电机直接传动模式相同 当电池组电量不足时采用发动机倒车模式 如图 2 9 所示 制动器 B1 和离合器 C2 接合 利用了行星机构的换向特性 耦合输出轴随太阳轮反转 电机转子随太阳轮空转 当倒车坡度较大且电量充足 时采用助力倒车模式 实现电机和发动机的扭矩合成 3 汽车起步工况 汽车起步可以通过纯电动直接传动起步 纯电动减速传动起步和电力变矩起 步三种模式实现 纯电动直接传动起步模式动力传递路线与图 2 6 电机直接 图 2 5 单自由度减速传动模式 图 2 6 电机直接传动模式 传动模式相同 纯电动减速传动起步模式与 2 7 电机减速传动模式相同 此两种 起步模式均利用了电机低转速 大扭矩特性 底盘动力传递简图如图 2 10 所示 当电池组电量不足时采用电力变矩起步模式 动力传递路线如图 2 8 所示 电机 不仅充当了液力变矩器的作用 还将发动机起步时的盈余功转化为电能为电池组 充电 电力变矩起步开始时耦合输出轴与 CVT 转速为零 结束时汽车达到行驶 车速 4 发动机起动工况 第 2 章 传动系统及动力耦合系统设计 11 新型传动系统可以使用停车起动发动机模式 行车电机起动发动机模式 直 接拖起动发动机模式和增速拖起动发动机模式四种方式起动发动机 从而有更多 的机会避免发动机在恶劣工况下工作 停车状态下欲起动发动机时 接合制动器 B1 电机转子反转 通过行星机 构换向 齿圈带动发动机曲轴正转 此模式动力传递路线如图 2 11 所示 汽车 在纯电动行驶过程中欲起动发动机 接合离合器 C1 和 C2 电机在驱动 图 2 7 电机减速传动模式 图 2 8 两自由度混合传动模式 图 2 9 发动机倒车 助力模式 图 2 10 共同驱动底盘动力传动简图 汽车行驶的同时带动发动机曲轴至启动车速 即为行车电机起动发动机模式 佳木斯大学工学士学位论文 12 当电池组电量不足时 电机停止驱动 由汽车行驶惯性拖动发动机曲轴旋转 即 为直接拖起动发动机模式 传递路线如图 2 12 所示 电池组电量不足时也可以采 用增速拖起动发动机模式 如图 2 13 所示 接合离合器 C1 和制动器 B2 此模 式可在汽车较低车速行驶时依靠汽车行驶惯性将发动机曲轴拖至较高的启动转速 5 驻车发电工况 汽车驻车时若电池电量不足 可以运行发动机带动电机发电 为电池组充电 此时制动器 B1 接合 能量传递路线与图 2 11 底盘动力传递简图如图 2 14 所 示 停车起动发动机模式传递路线相反 6 汽车减速 制动工况 新型动力传动系统具有无发动机反拖的再生制动和有发动机反拖的再生制动 两种制动回馈工作模式 图 2 15 所示为无发动机反拖的再生制动模式动力传递 路线 离合器 C2 接合 耦合输出轴带动电机转子正向旋转 电机处于发电状态 并提供反向阻力距使汽车减速行驶 同时齿圈具有发转趋势使单向离合器 F 锁 止 防止发动机曲轴旋转 此模式可以避免由于发动机曲轴旋转造的能量消耗 既减少气缸磨损 又增加了再生制动能量回收量 当紧急刹车或电机提供的制动 力不能满足车辆制动要求时 可让汽车刹车制动器同时参与制动 图 2 11 停车起动发动机图 2 12 行车电机起动 直接拖起动发动机图 2 13 增速拖起动发动机 第 2 章 传动系统及动力耦合系统设计 13 图 2 14 驻车发电底盘动力传递简图 图 2 15 无发动机反拖的再生制动 图 2 16 有发动机反拖的再生制动 图 2 16 所示为有发动机反拖的再生制动模式动力传递路线 离合器 C1 C2 均接合 电机转子 发动机曲轴和行星机构作为一个整体随耦合输出轴旋转 电 机和发动机同时提供反向阻力距 底盘动力传递如图 2 17 所示 汽车在陡坡路面 上减速 制动时 可避免频繁使用刹车制动器 延长制动器摩擦片使用寿命 同样 汽车紧急刹车时 可让刹车制动器同时参与制动 佳木斯大学工学士学位论文 14 图 2 17 电机产生阻力矩并向蓄电池充电动力传递简图 2 3 本本章章小小结结 1 根据行星齿轮机构的差动动力耦合特性和机械无级变速器的连续速比 调节特性 提出了集行星齿轮机构与 CVT 于一体的混合动力传动系统设计思路 2 对单级行星齿轮机构可能连接方案进行了分析 确定了一种结构紧凑 能满足混合动力汽车多种工作模式需要的新型动力传动系统设计方案 3 针对新型混合动力传动系统设计方案 对其在汽车行驶驱动 倒车驱 动 汽车起步 发动机起动 驻车发电 减速 制动等工况下的工作模式进行了详 细分析 并分析了新型传动系统的耦合特性 全面地表达出各工作模式的动力传 递和传动构件间的动力学关系 第 3 章 关键部件参数匹配设计 15 第第 3 章章 关键部件参数匹配设计关键部件参数匹配设计 3 1 整整车车基基本本参参数数和和设设计计要要求求 3 1 1 原型车的结构参数及技术参数原型车的结构参数及技术参数 长安志翔原型车的主要结构和技术参数如表 3 1 所示 表 3 1 长安志翔原型轿车的主要结构及技术参数 名称项目数值单位 发动机型号JL475Q3 排量1 6L 最大功率 最大 功率 转矩 69 5600kw rpm 最大扭矩 最大 扭矩 转速 140 3500 4500 Nm rp m 发动机 最大转速6000rpm 3 67 2 05 1 31 0 96 0 78 各挡传动比 3 31 变 速 器 主减速器速比3 93 整车空载装备质量1450kg 质量满载装备质量1825kg 型号195 65R 15 滚动半径0 308 0 005m 自由半径0 3175m 车轮参数 自由半径0 29m 风阻系数 C0 32 迎风面积 A2 28m m 整 车 基 本 参 数 滚动阻力系数0 0135 佳木斯大学工学学士学位论文 16 最高车速160km h 0100km h 加 速 17s动力性 最大爬坡度30 NEDC 工况8 65 L 100k m UDDS 工况9 12 L 100k m 整 车 主 要 性 能 经济型 1015工况7 96 L 100k m 最高车速160km h 0100km h 加 速 17s混合驱动 最大爬坡度30 最高车速80km h 050km h 加 速 6s 动 力 性 纯电动 最大爬坡度30 经济性提高35 续驶里程纯电动 30km 3 1 2 设计要求设计要求 根据本论文设计目标 在满足原型轿车动力性情况下 将燃油经济性提高 整车基本参数不变 结合原型轿车性能和国家有关混合动力电动汽车的性 35 能标准制定设计要求如表 3 2 所示 3 2 动动力力系系统统参参数数设设计计 动力系统参数包括动力源总功率 发动机相关参数 电机相关参数和电池组 的相关参数 第 3 章 关键部件参数匹配设计 17 表 3 2 设计要求 最高车速160km h 0100km h 加速 17s 混合 驱动 最大爬坡度30 最高车速80km h 050km h 加速 6s 动 力 性纯电 动 最大爬坡度30 经济性提高35 续驶里程纯电动 30km 3 2 1 动力源总功率的初步确定动力源总功率的初步确定 混合动力汽车动力源总功率要满足整车动力性要求 汽车动力性包括汽车的 最高车速 的加速时间 T 和汽车的最大爬坡度 max u t uu 0max i 16 15 1 根据汽车行驶的最高车速确定动力源总功率 P 3 1max T 1 max 3600 u gfma max 3 76140 u ACD 1 式中 m 汽车质量 包括电池组 电机的质量 目前已量产的重度混合动力 a 电动汽车中电池组和电机所占的质量比重约为 5 根据原型车的空载 装 17 备质量 1450kg 计算约为 70 kg 则 计算 kgma1520 701450 g 重力加速度 取 10N kg f 滚动阻力系数 为 0 0135 C 风阻系数 为 0 32 D A 汽车迎风面积 为 2 28 2 m 传动效率 这里取 0 9 T 佳木斯大学工学学士学位论文 18 根据技术要求最高车速 把以上数据代入公式 3 1 计算得到 hkmu 160 max kwP37 48 1max 2 根据加速时间确定动力源总功率 汽车由起步加速的过程可用下面经验公式表示 18 3 2 x m m t t vv 式中 x 拟合系数 一般取值 0 5 左右 整个起步加速过成所用时间 m tsm 加速过程中 t 时刻时的车速 m vsm 则 t 时刻的加速度为 3 3 1 x mm m x m m t t t xv dt t t vd dt dv 由于汽车在起步加速的整个过程中 加速过程末时刻时需求功率最大 因此 动力源总功率只要大于加速过程末时刻时的需求功率 就能满足整个加速过程的 功率需求 据此根据 0100 km h 加速时间 T 17s 要求计算动力源总功率 3 761403600 sin 3600 cos 1 3 maxmax 3maxi D i a i a u AC u gm u gfm P 4 式中 汽车旋转质量系数 取值 1 055 2 2 0 2 2 11 1 r iiI mr I m TgfW 车轮的转动惯量 W I 2 kg m 飞轮的转动惯量 f I 2 kg m 时的加速度 hkmu dt du T 100 2 sm 根据式 3 3 可得 第 3 章 关键部件参数匹配设计 19 3 5 T xu T T T xu dt du t x Tt T 1 取拟合系数 x 0 5 2 17 817 0 17 6 3 1005 0 sm T xu dt du T t 则代入式 3 4 计算得 kwP41 57 2max 3 根据汽车的最大爬坡度确定动力源总功率 3 6 761403600 sin 3600 cos 1 maxmax 3maxi D i a i a T u AC u gm u gfm P 式中 为汽车最大爬坡度时的稳定车速 一般为 25 最大爬坡角度 i uhkm 为 7 163 0arctanarctan maxmax i 代入公式 3 6 计算得 kwP39 35 3max 根据上面三项动力性指标的计算结果 动力源总功率 P必须满足 total 19 3 7 max 3max2max1max PPPPtotal 一般汽车内的空调等附件消耗的功率为 1020 则 20 3 8 max 2 1 1 1 3max2max1max PPPPtotal kw89 68 15 63 则确定动力源总功率为 69kW P total 3 2 2 发动机参数设计发动机参数设计 发动机参数的设计主要是发动机功率的选择 选择发动机功率的原则是 汽 车在发动机单独驱动工作模式下以经济巡航车速行驶时 发动机工作在万有特性 图上经济性最佳的区域 并能担负一定的附件功率消耗和充电功率等 汽车在平坦路面以经济巡航车速时的行驶阻力功率为 c u c P 佳木斯大学工学学士学位论文 20 3 9 761403600 1 3 c D c a T c u AC u gfm P 经济巡航车速取 80通过式 3 9 计算可得 也就是汽车在 c uhkm kwPc52 10 经济巡航车速下所需的最小功率 计算经济巡航功率时 还需要考虑经济巡航 c P 车速时的爬坡功率裕量 发动机附件 特别是空调 消耗的功率 2 1 i P acc P 和为电池充电的功率裕量 20 chr P 3 10 chraccicc PPPPP 式中 其中取 计算得到 c agi i v m P 3600 2 ikwpi76 6 一般为 acc Pkw5 按动力源总功率的计算 为 chr P 10kw9 6 则代入公式 3 10 得经济巡航功率 kwPc18 29 25 10 根据发动机万有特性曲线可知 该发动机在的转速范围内min 4000 1500r 工作时 巡航功率对应发动机的燃油经济性比较好 故可选kwPc18 29 25 10 用最大功率为 51的发动机 最大功率是转速为 最高稳kw1466QJLmin 5600r 定转速 最大扭矩为 最大扭矩对应转速为 min 6000rNm90min 4600r 3 2 3 电机参数设计电机参数设计 电机是混合动力电动汽车两大心脏之一 本车型选用两个电动机分别对前轮 和后轮进行驱动 其工作特性对汽车的性能有重要影响 1 电机峰值功率和额定功率的确定 电机的峰值功率应当满足以下几个条件 电机峰值功率加上发动机最大功率应满足动力源总功率要求 即 第 3 章 关键部件参数匹配设计 21 3 11 maxmaxetotalm PPP 由则电机峰值功率 51 69 max kwPkwP etotal kwPm18 max 满足 3 1 2 节设计要求中纯电动最高车速的要求hkmum 80 max P 3 1max T 1 max 3600 u gfma max 3 76140 u ACD 12 式中 为电机效率 取 0 9 e 计算得 kwPm52 10 1max 满足 3 1 2 节设计要求中纯电动加速时间 6 的要求hkm 50 0 3 13 3600761403600 1 2max dt duumAC u gfm P TaD T a e m 时的加速度 hkmuT 50 2 6 1574 1 6 6 3 505 0 sm T xv dt du T t 根据公式 3 13 计算得 14 33 2max m Pkw 满足 3 1 2 节设计要求中纯电动最大爬坡度要求 3 14 761403600 sin 3600 cos 1 3 maxmax 3maxi D i a i a T m u AC u gm u gfm P 纯电动爬坡稳定车速一般为 i uhkm 15 根据公式 3 14 计算得 kwPm17 21 3max 综合上述动力性要求和混合动力汽车用电机选用经验 最终确定电机峰值 功率 额定功率 kwPm35 max kwPm20 2 电机额定转速和最高转速的选择 电机的最高转速和额定转速对传动系统的尺寸 电动机的额定扭矩和最大转 佳木斯大学工学学士学位论文 22 矩都有影响 为电机最高转速与额定转速的比值 值越大 最高转速越低 对应的电机额定转矩越高 则对电机支撑要求就越高 而且需要较大的电子设备 势必增加尺寸和损耗 但是值又是车辆起步 加速和稳定运行所必需的 所以 值一般选择 6 4 21 根据确定的动力传动系统采用的是 CVT 其输入扭矩是有限制的 本文选取 CVT 输入轴上的阻力扭矩不大于 初步以 CVT 允许最大输入扭矩作 CVT TmN 140 为电机最大输出扭矩 根据公式 3 15 9550 max max mrm m NT P min 5 2387 rNmr 综合考虑以上因素 选择电机额定转速 最大转速min 2400rNmr min 9600 max rNm 3 电机额定扭矩和最大扭矩的确定 将电机的额定功率 峰值功率和额定转速分别代入式 3 15 可计算出电机的 额定扭矩和最大扭矩 额定扭矩 3 16 mr m mr N P T 9550 Nm58 79 最大扭矩 3 17 mr m m N P T max max 9550 Nm27 139 3 2 4 电池组参数设计电池组参数设计 混合动力汽车所用电池的最大特点是非完全充电和非完全放电 电池经常处 第 3 章 关键部件参数匹配设计 23 于放电或充电状态对电池的寿命造成很大的影响 但实验表明 上述因素对镍氢 电池寿命的影响并不大 镍氢电池具有良好的耐过充电特性和很好的使用安全性 尤其是充电效率几乎可以达到 100 非常利于混合动力汽车的制动能量回收 22 所以选用镍氢电池 电池参数主要由功率需求和能量需求两个因素决定 即设计 的电池组必须能够满足电机的最大功率需求 同时电池组容量应满足汽车纯电动 模式续驶里程对能量的需求 所以本文所涉及电池系统参数的设计主要包括电池 组电压 电池组功率和电池组容量 1 电池组功率设计 本设计中 传动系统只有一个电机 因此所设计的电池组的功率必须满足该 电机的功率输出需求 并考虑电池放电效率 DC AC 逆变器的效率和电机效 86 率 则电池组功率可以用下面公式进行初步计算 3 19 ebACDC m B p P max 式中 为 DC AC 逆变器的效率 取 0 95 ACDC 为电池组放电效率 取 0 95 b 为电机效率 取 0 9 e 根据公式 3 19 计算得到初选电池组功率为 kwPB09 43 2 电池组电压设计 镍氢电池存在以下关系 17 maxbbB PNP 3 20 10004 0 2 max R U P b b bbB UNU 式中 为电池组功率 kw B P 为单体电池个数 b N 为单体电池最大功率 kw maxb P 为单体电池的额定电压 b UV 佳木斯大学工学学士学位论文 24 R 为单体电池等效内阻 0 为电池组电压 B UV 根据根据单体镍氢电池的放电特性 单体电池电压在 1 2 V 时的电池特平稳 即单体镍氢电池的额定电压 VUb2 1 单体电池等效内阻可以参考目前市场化的混合动力汽车配备的镍氢电池参 数 表 3 3 为几种混合动力汽车的电池参数 取 75 0025 0 0 R 表 3 3 几种混合动力汽车的镍氢电池参数 车型PriusEscapeCivicAccordCamryRX400hLexus450 Highlan der 功率 kW 21392013 833 844 835 344 8 单体电 池个数 160250120120204240240240 单体电 池内阻 0 0030 0030 0020 0030 0020 0020 0020 002 则 3 21 2 299 10000025 0 4 2 1 49 40 10004 2 0 2 R U P N b B b 取整 300 个 b N 如果以 6 个单体为一组 共计 50 组 电池组额定电压为 3 22 VUNU bbB 3602 1300 修正电池组功率 第 3 章 关键部件参数匹配设计 25 3 23 kw R UN P bb B 2 43 10004 2 2 3 电池组容量设计 电池组容量必须满足混合动力汽车纯电动续驶里程的要求 混合动力汽车续 驶里程所需能量的计算有等速法和工况法两种方法 本论文采用等速法进行计算 根据国标规定本论文参照的长安志翔原型车属 M1 类车 根据国家标准 GB T 18386 2005 要求 试验续驶里程的纯电动车速为 60 23 hkm 电池组的总能量应满足 3 24 alowhigheB m B u S SOCSOC P W 1 式中 为电池组总能量 kw h B W 汽车以纯电动行驶时电机的需求功率 kw m Phkmua 60 纯电动续驶里程 根据 3 1 2 节设计要求 S 30km S 分别为电池和电机的效率 均按 0 9 计算 B e 分别为电池组最大 最小 SOC 值 一般镍氢电池 high SOC low SOC 组 SOC 的范围为 0 20 8 由式 3 12 计算得 kwPe1 6 带入 3 24 可计算得 kwhWB28 6 电池能量与容量的关系式 3 25 1000 BBB CUW B B B U W C 1000 则 AhCB44 17 考虑汽车附件要消耗一部分电量 最后选取电池组容量为 AhCB20 3 3 传传动动系系统统参参数数设设计计 在汽车传动系统参数设计中 传动系统速比的确定非常关键 关系到动力源 的工作状态 对动力源的工作效率有很大影响 速比的选择应兼顾汽车动力性要 佳木斯大学工学学士学位论文 26 求和经济性要求 3 3 1 传动系统最小传动比传动系统最小传动比 混合动力汽车传动系统的最小传动比应满足汽车的最高行驶车速的要求 通 常汽车最高车速时发动机处在最高稳定转速状态 即 21 3 26 max max min 377 0 u Nr i e 式中 为发动机最高稳定转速 即 6000 maxe Nmin r 为车轮滚动半径 r 0 308m r 另外 为保证发动机在最高行驶车速范围内能发挥出最大功率 传动系的 最小传动比还应满足 3 27 max min 377 0 v Nr i ep 式中 为发动机最大功率点对应的转速 为 5600 ep Nmin r 经计算 选定 35 4 min i 3 3 2 传动系统最大传动比传动系统最大传动比 混合动力汽车在起动和低速行驶时一般采用纯电动驱动 而当电池组 SOC 过低时 只能由发动机单独驱动 所以传动系统最大传动比应分别满足电机和发 动机各自单独驱动时的最大爬坡度要求来设计 1 根据纯电动最大爬坡度为 30 计算传动系统最大传动比 3 28 em T fmgr i max maxmax max sin cos 由 根据公式 3 28 计算可得 NmTm27 139 max 22 11 max i 2 根据发动机单独驱动时最大爬坡度为 30 计算传动系统最大传动比 第 3 章 关键部件参数匹配设计 27 3 29 Te T fmgr i max maxmax max sin cos 由 根据公式 3 29 计算可得 NmTe90 max 36 17 max i 3 3 3 CVT 与主减速器总传动比与主减速器总传动比 根据输入轴上的阻力扭矩 的限制条件 CVT 与主减速器总传NmTCVT140 动比应满足 3 30 TCVT CVT T fmgr ii sin cos maxmax max 计算得 16 11 max iiCVT 3 3 4 传动系统速比的最终确定传动系统速比的最终确定 本论文设计的传动系统包括 CVT 行星齿轮机构和主减速器 下面分别对 CVT 速比范围 行星齿轮机构特征参数 主减速器速比进行设计 这三个 0 i 速比参数的选择应遵循以下几点 1 乘用车一般采用单级主减速器 为保证汽车具有良好的通过性 单级 主减速器速比不宜过大 一般 7 0 i 24 2 行星齿轮机构特征参数的选取应保证发动机减速增矩后的 CVT 输 入扭矩 140 N m 一般 25 4 5 1 3 保证整个传动系统足够的速比变化范围 以避免 CVT 在其速比范围 两端的低传递效率区工作 根据限定条件 最终确定 8424 2 9 4 0 i 3 4 匹匹配配结结果果 匹配后的结果如表 3 4 所示 表 3 4 混合动力传动系统参数 佳木斯大学工学学士学位论文 28 项目参数 型号JL466Q1 CB10 排量1 0L 最大功率 最大功率 转速 kw rmp 51 5600 最大扭矩 最大扭矩 转速 Nm rmp 90 4600 发 动 机 最高转速6000 峰值功率 kw 35 额定功率 kw 20 额定转速 rpm 2400 最大转速 rpm 9600 最大转矩 Nm 139 27 电 动 机 额定转矩 Nm 79 58 额定功率 kw 43 2 额定电压 V 360 电 池 组电容 Ah 20 CVT 速比范围0 4422 432 主减速器速比4 9 传 动 系 统 行星机构特征参数2 8424 3 5 本本章章小小结结 1 结合原型轿车性能和国家有关混合动力电动汽车的性能标准制定了针 对提出的混合动力传动系统的设计要求 2 对混合动力传动系统系统的动力系统相关参数进行了匹配设计 包括 动力源总功率 发动机性能参数 电机性能参数和电池组系统参数等 3 对混合动力传动系统系统的传动系统相关参数进行了匹配设计 包括 传动系统最大传动比 传动系统最小传动比 CVT 速比 行星机构特征参数和 主减速器速比等参数 第 3 章 关键部件参数匹配设计 29 佳木斯大学工学学士学位论文 30 第第 4 章章 行星机构设计与建模行星机构设计与建模 4 1 计计算算齿齿轮轮的的主主要要参参数数 4 1 1 配齿计算配齿计算 现考虑到行星齿轮机构的尺寸 故选中心轮齿数为 22 26 a Z 根据型行星齿轮传动的传动比公式 2AXZ 4 1 p z z iii a b x ab b axp 111 4 2 1 p a i zb z p 式中 行星齿轮传动的特性参数 本文中 p8424 2 p 齿数 为 b Z c Z 4 3 ab ZpZ 4 4 c Z 2 ab ZZ 根据公式 4 1 4 3 4 4 得 8424 3 p i62 b Z20 c Z 为偶数 取齿数修正系数为 1 考虑安装条件为 ba ZZ 常数 4 5 C n ZZ p ab 经计算 常数 C 为 40 满足要求 4 1 2 装配条件装配条件 1 同轴条件 30 为保证太阳轮 行星轮 c 和齿圈 b 正确啮合 要求内啮合齿轮中心距 与外啮合齿轮中心距相等 cb a ca a 对于非变位齿轮有 第 4 章 行星机构设计与建模 31 4 6 2 2 abca ZZmZZm 满足条件 2 均布装配条件 相邻两个行星轮所夹的中心角 2 H p n 中心轮 相应转过角 角必须等于中心轮 转过个 整数 齿所对应 1 1 的中心角 即 4 7 1 2 a Z 4 8 a bH p Z Z i 1 1 将 代入 4 7 整理有 1 H 42 2 ba ZZ 满足均布装配条件 4 1 3 初步计算齿轮的主要参数初步计算齿轮的主要参数 1 计算齿轮主要参数 齿轮材料和热处理的选择 中心轮 和行星轮 均采用 渗碳淬火 inr TMC20 齿面硬度 根据 参考文献 26 据图 6 12 和图 6 27 取HRC62 58 和 中心轮 a 和行星轮 c 的加工精度 6 级 2 lim 1400mmN H 2 lim 340mmN F 内齿轮 b 采用 42 调质硬度 217259 据图 6 11 和 6 26 取MoCr HB 和 内齿轮的加工精度等级为 7 级 2 lim 780mmN H 2 lim 260mmN F 按照弯曲强度初算公式计算齿轮模数 m 为 4 9 3 lim 2 11 Fad FaFpFA m Z YKKKT Km 已知 小齿轮轮名义转矩22 a Z 2 lim 340mmN F 1 1 1 9549 nn P T p 佳木斯大学工学学士学位论文 32 取算式系数 按表 6 6 取使用系数 按表Nm41 46 24003 359549 1 12 m K5 1 a K 6 4 取综合系数 取接触强度计算的行星轮间载荷分布不均匀系数8 1 F K 由公式得 由图 6 22 查的齿形系数2 1 Hp K3 1 1 5 11 HpFp KK 由表 6 5 查的齿宽系数 则得齿轮模数 m 为67 2 1 Fa Y6 0 d 36 2 340226 0 67 23 18 15 141 46 1 12 3 2 m 取齿轮模数 3 mmm 分度圆直径 d 4 10 mmZmd mmZmd mmZmd cc bb aa 60203