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公交车 中度 混合 动力 系统 底盘

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汽车技术汽车技术并联混合动力轿车传动比初选方法钟再敏马勇（同济大学）【摘要】通过分析，对混合动力汽车传动比的选择给出了初步结论：从动力性角度出发，当动力源工作在最大功率点时，恰当选择传动系统的总传动比，使得汽车能够达到最高设计车速，选择此时传动比为最小传动比；综合考虑最大爬坡度、附着率及汽车最低稳定车速3方面的问题确定最大传动比；最大和最小传动比之间的中间挡位应按照等比级数分配传动比的原则进行分配。主题词： 并联混合动力汽车传动比动力性中图分类号： U469.7文献标识码： A文章编号： 10003703（2010）09002404The Method of Drive Ratio Configuration for Parallel Hybrid CarZhong Zaimin, Ma Yong（Tongji Universityy）【Abstract】A primary conclusion is given for the selection of drive ratio of hybrid car based on analysis: from thedynamic point of view, when the power source operates at the maximum power point, selecting appropriately the overalldrive ratio of the driveline, which enables the vehicle to obtain the maximum design speed, the drive ratio selected at thismoment is the minimum drive ratio; define the maximum drive ratio based on the maximum gradient, adhesion rate andthe minimum vehicle stable speed; the intermediate gear between the maximum and minimum drive ratio shall be assignedaccording to the principle of geometric sequence drive ratio assignment.Key words：Parallel hybrid vehicle, Drive ratio, Dynamics1前言汽车传动系统传动比的选定包括变速器挡位、各挡位齿数比以及主减速器齿数比。 对于以传统发动机作为动力源的汽车而言，传动系统传动比的选择有完整的理论和较成熟的实践经验，但是对并联式混合动力汽车而言，由于电机特性与发动机特性有较大差别，同时电机控制也较为灵活，因此在确定传动系统传动比时，传统经验就不完全适用。2并联式混合动力汽车结构简介及模型建立2.1结构简介并联式混合动力汽车结构如图1所示。 该并联式混合动力汽车基于机械式自动变速器 （AMT）平台，发动机和电机的动力在变速器前由离合器进行耦合。 离合器、变速器以及相应的自动执行机构组成AMT系统。图1并联混合动力汽车典型结构这种并联式混合动力结构能够实现发动机和电机分别驱动车辆，或通过扭矩耦合联合驱动车辆模式，有结构简单、扭矩分配灵活等特点。2.2模型建立本文采用传统发动机汽车和混合动力汽车各项表征动力性的指标比较来确定传动比的差别及选择方法，因此必须首先建立两个可用于比较的模型。车辆动力性由动力源的功率来表征。 选定的两个比较模型出发点就是两个模型的动力源最大功率相同，这样在保证动力性相同的基础上讨论传动系发动机变速器电池逆变器 电机/发电机 设计 计算 研究 设计 计算 研究 242010年第9期统的传动比分配问题才有意义。本文选择48 kW发动机作为传统汽车模型的动力源， 用37.5 kW发动机和10.5 kW电机联合作为混合动力汽车模型的动力源。为了使模型更具有普遍性和参考价值，对于汽车功率采用比功率的概念描述，即单位汽车总质量具有的发动机功率，用符号Pm表示汽车比功率：Pm=1 000Pem（1）本文中计算使用的参数均取自某一微型轿车，该车动力源具有48 kW的最大功率， 整备质量为910 kg，满载质量为1 250 kg。 采用的模型最大比功率为52.7 kW/t（通常比功率的计算采用整备质量）。本文采用的模型比功率在轿车中是比较小的，属于微型车范畴（表1）。表1常见轿车比功率混合动力汽车模型的发动机较轻， 但具有附加的驱动电机和电池质量， 因此整备质量一般会大于传统汽车， 其差别与具体部件的选型相关。 本文旨在讨论确定传动比的新思路和方法， 因此在进行各项动力性指标的对比计算时采用车辆满载质量，一方面以消除两个模型的整备质量差别， 另一方面保证模型的可比较性。比较两个模型动力源比功率特性以及扭矩特性如图2所示。（a）比功率特性（b）输出扭矩特性图2模型动力源比功率特性及输出扭矩特性在低速段时， 混合动力模型的功率比传统车模型略大，而输出扭矩远大于传统车模型；在高速段，两个动力源模型的输出扭矩几乎相等。电机本身具有额定功率和瞬时功率， 上面的计算使用电机的额定功率， 因此在不考虑电池容量前提下， 功率是可以持续输出的。 电机瞬时功率一般约为额定功率的3姨倍，即可以达到18 kW，在车辆行驶时电机瞬时功率在加速、 爬坡等工况下可以为车辆带来更好的动力，本文在传动比的选择上，仍保守地以额定功率作为计算基础。2.3混合动力模型动力源功率选择依据选择混合动力模型动力源发动机与电机的功率比为3.6:1，这样选择出于以下两点考虑：a.当电机无法提供动力时， 发动机可以单独驱动车辆完成跛行模式行驶过程。b.电机功率可以在适当挡位下完成起步和驱动车辆行驶，能够实现纯电动模式。本文模型使用微型车参数， 因此以上比例并不一定适合动力源功率较大的混合动力车型。3最小传动比的选择当动力源工作在最大功率点时， 恰当选择传动系统的总传动比能够使汽车达到最高设计车速，此时变速器的传动比为最小传动比。 因此， 本文中两个模型最小传动比的选择相同。本文模型设计最大车速为150 km/h， 根据参考车型数据，两种模型的最小传动比暂选为ig5=0.838，主减速器减速比i0=4.412。4最大传动比的选择确定最大传动比时，要考虑最大爬坡度、附着率以及汽车最低稳定车速3方面的问题。 附着率需要考虑到轮胎和路面的情况，这里不做讨论。4.1根据爬坡度计算汽车爬大坡时，车速很低，因此忽略空气阻力，汽车的最大传动比要满足：ig1G（f cos max+sin max）rTtqmaxi0T（2）式中，max为轿车的最大爬坡度，一般超过30%；r为车轮半径；Ttqmax为动力源最大扭矩；f为滚动阻力系数；i0为主减速比。考虑到爬坡是在比较低的车速下， 因此选取发动机转速在1 600 r/min时两种模型动力源能够提供的最大扭矩作为计算标准。 分别计算可得， 传统车型比功率/kWt-1车型比功率/kWt-1宝马325107雅阁2.484宝来1.8T84奥迪A6 1.8T75宝来1.870凯越1.663QQ1.156长安奔奔1.36340302010002 0004 0006 000转速/rmin-1电机混合动力发动机混合动力联合输出传统车发动机比功率/kWt-102 0004 0006 000150100500转速/rmin-1扭矩/Nm混合动力联合输出传统车发动机电机混合动力发动机 设计 计算 研究 设计 计算 研究 2010年第9期25汽车技术汽车技术车1挡传动比最小值ig1min为3.34； 混合动力模型ig1min为2.07； 如果混合动力模型电机不提供输出功率，那么相应的1挡传动比最小值ig1min为4.22。4.2根据最小车速计算为了保证汽车可以在较低速度爬行， 满足汽车在城市中堵车、泊车等工况需求，变速器1挡传动比应该能使汽车在一定低速下稳定行驶， 本文界定对于传统汽车以发动机转速900 r/min且离合器完全接合时汽车的行驶速度为最低车速。根据汽车理论，当最低车速为46 km/h时，相应1挡传动比为3.34.9，结合参考车型，将传统车模型的1挡传动比暂选为3.818；对于混合动力汽车，由于电机可以在极低车速下输出稳定扭矩， 并且本文采用的并联混合动力模型可以具有纯电动工作模式， 因此混合动力汽车模型最大传动比的选择可以不受最小车速条件的约束。4.3根据1挡加速性能计算在乘用车设计中， 最大传动比的选择更多是根据其加速性能最终确定的。 最大传动比除了满足起步要求外， 还要使车辆能够在低速时具有更好的加速能力，满足车辆实际使用需要。下面考察传统车不同的1挡传动比对其加速性能的影响。 汽车行驶方程式：a=dudt=1mFt-（Ff+Fw）（3）式中，Ft为驱动力；Ff为滚动阻力；Fw为空气阻力。将汽车理论中Ft、Ff和Fw的计算公式分别代入式（3）并分别取ig1值从2.54.5之间的一系列数值，针对两个模型计算可以得到图3所示曲线。图3两个模型不同1挡传动比下加速度特性从图3可以看出，在最大传动比的选取上，在保证加速度前提下，混合动力模型可以比传统车模型选的小一些。 仅从图上来看，传动比可以选到2.5以下。5传动系统挡数和各挡传动比的选择对于传统汽车， 增加挡位数可以改善汽车的动力性和经济性。 经过多年实践， 普通手动变速器轿车普遍采用5挡变速器，既能减小发动机排量，同时不会使传动系统过于复杂， 从而达到在保证动力性的前提下节省燃油的目的。本文的传统汽车模型也采取5挡变速器。 根据汽车理论，在分配中间各挡传动比时，主要原则是充分利用发动机提供的功率，提高汽车动力性。为方便讨论，再假设两个对比模型，如图4和图5所示，两种都具有3个挡位的传动系统，最大和最小传动比都相同，中间传动比不同。（a）功率外特性曲线（b）1挡（c）2挡（d）3挡图4ig1/ig2=ig2/ig3时不同挡位下发动机功率覆盖面积（a）功率外特性曲线（b）1挡（c）2挡（d）3挡图5ig1/ig2ig2/ig3时不同挡位下发动机功率覆盖面积汽车在全油门开度下加速时， 在1挡发动机达到最大功率输出时换入2挡可以保证1挡发动机功率得到充分发挥， 从而获得最大动力；2挡换入3挡也是如此。 每个挡位下发动机功率的覆盖面积和传动比分配方式有关系， 不同挡位积分得到的功率覆盖面积也有所不同。 这个覆盖面积越大意味着发动机在转速随车速和挡位变化时可以利用的功率越多，从而使汽车加速时间越短，动力050100150200ig1=3.818ig2=2.613ig3=0.8386040200车速/kmh-1功率/kW5040302010002 0004 0006 000发动机转速/rmin-1ig1功率/kW02 0004 0006 00050403020100ig2发动机转速/rmin-1功率/kW02 0004 0006 00050403020100ig3发动机转速/rmin-1功率/kW02 0004 0006 00050403020100发动机转速/rmin-1功率/kWig36040200050100150200ig1=3.818ig2=2.613ig3=0.838车速/kmh-1功率/kW02 0004 0006 00050403020100ig1发动机转速/rmin-1功率/kW02 0004 0006 00050403020100ig2功率/kW发动机转速/rmin-101020304050604.03.53.02.52.01.51.0传统车ig1=2.5传统车ig1=3.0传统车ig1=3.5传统车ig1=4.5传统车ig1=3.818混合动力车ig1=2.5混合动力车ig1=3.0混合动力车ig1=3.5混合动力车ig1=4.5车速/kmh-1加速度/ms-2设计 计算 研究 设计 计算 研究 262010年第9期性越好。 通过求覆盖面积极值，可以获得最佳中间传动比分配方式。发动机输出扭矩外特性曲线可以用三次或三次以上的多项式来表示。 本文使用的发动机模型外特性曲线是用四次多项式通过最小二乘法拟合获得，即：Ttq=a0+a1n+a2n2+a3n3+a4n4（4）设ig1=ig2q1，ig2=ig3q2,发动机输出最大功率处的转速为nm，则图4和图5中的2挡和3挡可利用功率曲线覆盖面积之和为：Q=nmnmq1乙pedn+nmnmq2乙pedn（5）代入公式并整理可以获得：Q=2（b1n6m+b2n5m+b3n4m+b4n3m+b5n2m）-b1n6m（q61+q62）-b2n5m（q51+q52）-b3n4m（q41+q42）-b4n3m（q31+q32）-b5n2m（q21+q22）（6）根据数学中的平均值不等式定理 （代数平均值大于或等于几何平均值， 等号成立的条件为各个元素相等）， 式 （6） 中qn1+qn22qn1qn2姨（其中，n=2,3,4,5,6）， 因 此Q取 最 大 值 的 条 件 为q1=q2=ig3/ig1姨，即每两个相邻挡位之间的传动比的比值相等，此时各挡传动比是按照等比级数分配。将挡位数扩展到5个挡， 应用平均值不等式定理同样可以得到相同的结论。 上述结论对混合动力汽车模型同样适用。6减少1个挡位的混合动力汽车与传统汽车动力性比较6.1选定模型传动系统参数对于传统汽车模型和混合动力汽车模型传动比的选择，经过前面的分析可以得到以下3个原则：a.两种模型最小传动比选择要相同。b.混合动力汽车模型的最大传动比可以选小一些，基本可以选到2.5以下，但要大于2.07（爬坡要求）。c.对于最大和最小传动比之间的中间挡位，两种模型都应按照等比级数分配传动比的原则进行分配，以充分利用动力源的功率。结合参考车型， 最终选定两个模型的传动比见表2。表2混合动力汽车模型最终选定的传动比从表2中可以看出，混合动力汽车模型的传动系统相当于传统车模型传动系统去掉了第1挡和倒挡。 除了车速极低的情况外，两种模型的传动比对发动机转速的调节能力相同，即对经济性能的影响相同。 在低速时，混合动力汽车模型的纯电动模式可以解决少了1个挡位后的低速爬行问题和倒车问题。6.2动力性能比较从图6中可以看出， 在不同挡位的动力源低速段两种模型功率输出特性几乎相同， 而高速段功率输出不同，并且与换挡时机有密切关系。为了能够统一标准进行比较， 本文比较两种模型全油门加速能力，即0100 km/h加速时间和加速到最大车速的时间，来说明动力性差异。图6两种模型功率外特性对比画出两种模型的加速度倒数与车速之间关系曲线如图7所示， 各条曲线与车速轴围成的面积中最小面积即为最快加速所需时间。根据公式：t=t0乙dt=v2v1乙1adu=A（7）分段计算两种模型从0100 km/h和加速到最大车速的加速时间 （理论上最大车速为150 km/h），其中将起步时间也计算在内， 最终获得对比数据如表3所列。（下转第32页）车速/kmh-1020406080 100 120 140 16050454035302520151050传统汽车混合动力汽车阻力功率功率/kW传动比传统汽车混合动力汽车ig13.8182.613ig22.6131.789ig31.7891.224ig41.2240.838ig50.838igR3.583 设计 计算 研究 设计 计算 研究 2010年第9期27汽车技术汽车技术（a）传统车模型（b）混合动力车模型图7两种模型加速度倒数及最小覆盖面积对比表3加速性能对比从表3可以看出， 混合动力汽车和传统汽车相比虽然少了1挡，但是动力性却仍然比原车好，又因为挡位数目有所减少， 从而可以在相同的行驶条件下减少换挡次数。前面的讨论都是针对全油门情况， 在车辆实际使用中，全油门工况较少，绝大多数时间发动机在部分节气门开度下以部分负荷特性工作。 由于电机扭矩调节不依附于节气门开度， 具有很大的灵活性， 因此可以根据发动机的最佳工作点对发动机输出功率进行调节。 在瞬时工况中（如起步或短时超车等）， 电机还能够爆发瞬时功率提供动力， 因此混合动力对发动机动力性方面缺陷的弥补将更加明显。在去掉传统汽车1挡和倒挡后， 混合动力汽车模型传动系统的挡位总数变为4个， 对于变速器齿轮轴结构的优化、 换挡执行机构的优化以及换挡控制都带来诸多好处， 如果就此深入研究将更好地推动混合动力技术的应用和推广。参考文献1余志生.汽车理论.北京.机械工业出版社，2006.2吴光强.汽车理论.北京： 人民交通出版社，2007.（责任编辑帘青）修改稿收到日期为2010年8月1日。3.02.52.01.51.00.50050100加速度倒数/s2m-1ig1=3.818ig2=2.613ig3=1.789ig4=1.224ig5=0.838车速/kmh-1车速/kmh-1传统汽车混合动力汽车加速时间/s换挡次数加速时间/s换挡次数010021.72320.0420150112.074102.663ig1=2.613i