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4171公交车弱中度混合动力系统底盘,公交车,中度,混合,动力,系统,底盘
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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 专业：机械设计制造及其自动化（汽车技术）机械设计制造及其自动化（汽车技术）班 级： 汽车汽车 061 学 号： 201060713 学生姓名： 顾顾 钧钧 指导教师： 邹邹 政政 耀耀 副教授副教授 起迄日期： 2010.32010.6 设计地点： 工工程程实实践践中中心心 Graduation Design (Thesis)Study and Design of Mechanic Design for Slightmiddle Hybrid Electrical System ByGU JunSupervised byZOU ZhengyaoDepartment of Vehicle EngineeringNanjing Institute of TechnologyJune, 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）IIABSTRACT 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 systems 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 automobiles transmission is large, while the gearboxs 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.11.2 无级变速器与混合动力系统结合的优点.21.3 混合动力的分类形式.31.4 国内外混合动力的发展和趋势.51.5 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.102.2 弱中度混合动力传动系统特性分析及匹配.102.2.1 系统结构及工作原理.112.2.2 系统的工况分析.132.3 弱中度混合动力传动系统调速特性.162.3.1 转速平衡.162.3.2 扭矩平衡.162.4 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.203.1.1 行星排齿数的选择.203.1.2 齿轮的主要参数选择.223.2 齿轮传动强度的校核计算.283.2.1 齿轮传动的受力分析.283.2.2 齿面接触强度校核计算.293.3 齿根弯曲强度的校核计算.303.3.1 齿根应力.30F3.3.2 许用齿根应力.30Fp3.3.3 齿根弯曲强度条件.313.4 传动轴的设计.313.4.1 传动轴的直径 d 的估算.313.4.2 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）IV4.2 主减速器主要参数的选择.334.2.1 形式选择.334.2.2 齿轮主要参数的选择.334.3 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.365.2 差速器齿轮的主要参数选择.365.3 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.386.2 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（2040kW），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2930。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 1525%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）93、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）15451 挡3.0392 挡1.9993 挡1.4074 挡1.0005 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, kmh-1）226最大爬坡度（is, %）30起步连续换挡加速100kmh-1时间（s）8.6120kmh-1等速行驶油耗量（L100km-1）8.5性能指针90kmh-1等速行驶油耗量（L100km-1） 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）11.1 系统结构及工作原理系统结构及工作原理42-4342-43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、121tn2tn1 jn2jn和，速比的变化范围为：，则系统的传动关系如下44：1qn2qngimingimaxgi 0)1 (11111jqtnnn（2.1） 0)1 (22222jqtnnn（2.2） 21qtnn （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 12qtnn（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12gjjnni mingi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 2maxgi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。mingimaxgi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： xbaaxaxxabp)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、1tT、和，其相互关系应符合下列关系才能达到平衡：2tT1qT2qT1 jT2jT：=1：（1+） 1tT1qT1 jT11（2.6）：=1：（1+） 2tT2qT2jT21（2.7）对于本系统，有下列关系：= 1tT2qT（2.8）= 1qT2tT（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2tT2qT2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 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.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 (jqtnaann式中：、 分别为太阳轮、行星架和齿圈的转速；tnjnqn行星排结构参数。设已知输入行星架转速1 jn前内齿圈转速： 2111 j11q/1ttnnnn（2.11）故输出行星架转： )1 (/)1 ()1/()(211211122222ttjqtjnnnnnn（2.12）传动比：传动比：变速器的输入转速=，输出转速=en1 jn0n2jn南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文）17 112112112111112121g/) 1()1 (/ )1 ()1/()1 (/jtttjjjjnnnnnnnni（2.13）因为=（1+11/jtnn1111/)jqnn当时，此时传动比最小01qn1111/jtnn； ）11)(1()1 (/ )1 (21121mingi（2.14）当时，此时传动比最大01tn )1/()1 (121maxgi（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 4/34 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 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1tT2tT1qT2qT1 jT2jT相互关系应符合下列关系才能达到平衡：=1：（1+） 1tT1qT1 jT11：=1：（1+） 2tT2qT2jT22对于本系统，有下列关系：= 1tT2qT= 1qT2tT1 1、 系统的输出扭矩：系统的输出扭矩： = 2jTtqTgi（2.17）=/（1+） 2qT2jT22(2.18)= =/（1+）2qP2qT2qn2jT2qn22系统分配前的扭矩：=/（1+） ，= = =/（1+）2qT1 tTtqT12qP2qT2qntqT2qn1所以控制部分的输入功率- 转移P2qP2qP南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文）182 2、 控制部分的输入扭矩控制部分的输入扭矩= (2.19)转移T3/Pjn转移3Tj设定速比齿轮传动速比：、 、，4i5i6i9i7iK 后行星架输入转速 （中低速时） ， （中高速时）523/inntj413/innjj 3 3、 控制（控制（K K）后行星排）后行星排K 后内齿圈扭矩 /(1+)3Tq3Tj33K 后内齿圈转速=K 前行星排行星架转速3qn4jn= 3715/4111133333/)1 ()1/1ininnnnttjtj（）（K 后内齿圈功率333qqqnTPK 后太阳轮扭矩/(1+) 3Tt3Tj3K 后太阳轮转速71723/ininntqtK 后太阳轮功率= =3tP33ttnTK 前行星架扭矩=/(1+) (2.20)4Tj3qT3Tj334 4、 控制（控制（K K）前行星排）前行星排K 前太阳轮扭矩=/ (1+)4tT4Tj4K 前太阳轮转速44444)1 (qjtnnnK 前内齿圈扭矩=/ (1+)4qT4Tj44K 前内齿圈转速= 624/innjq62112111)1 ()1 (innnttj（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)fT4tT9i4Tj49i发电机的转速=94/inntf 9621121114374435/4111134)1 ()1 (111)1iinnnininnttjttj）（）（）（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=fPfTfn发电机占控制传递的功率比=/(+)1fPfP3qP3tP控制轴转移功率占发动机最大功率的比例为=/900002转移P发电机占发动机最大功率的比例为12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0.4682.15 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 2000r/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）21.1 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；12gjjnni mingi最大传动比为图 3.1 所示制动器 1 制动，数值为； maxgi根据行星齿轮的基本公式： 0)1 (jqtnaann制动器 2 制动时，传动比最小，数值为，此时：mingi 0)1 (11111jqtnnn 0)1 (22222jqtnnn 21qtnn 12qtnn联立以上方程解得：； ）11)(1()1 (/ )1 (21121mingi（3-1）制动器 1 制动时，传动比最大，此时： 0)1 (11111jqtnnn 0)1 (22222jqtnnn 21qtnn 12qtnn联立以上方程解得： (3-2)1/()1 (121maxgi若=，则=1/，=。本系统选取结构参数一致，12mingimaxgi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，使其结构紧凑，经常在太阳轮 t 与内齿轮 q 之间，均9南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文）22匀地、对称地设置几个行星轮 j。为了使各个行星轮不产生相互碰撞，必须保证它们齿顶之间在其连心在线有一定的间隙，即两相临行星轮的顶圆半径之和应小于其中心距,CL (3-3)ajr2CL 所以按小齿轮进行齿根弯曲疲劳强度设计111FSaFaYY222FSaFaYY计算可得：=3.32ntm3202300588. 0198 . 086. 07 . 030cos108525 . 12模数取为=3.5nm中心距：a=162mm)(cos221zzmn螺旋角：=arccos=30.090)(221zzamn两分度圆的直径：d1=76.8mm1coszmnd2=246.6mm2coszmn齿宽：b2=0.876.8=60mm1ddb1= b2 +(5-10)mm取 b1=65mm b2=60mm4.3 校核齿面接触疲劳强度校核齿面接触疲劳强度1 1、齿面接触应力、齿面接触应力 （4-iibdKTZZZZEHH12211H南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文）375）式中： ZH节点系数，查机械设计45中图 6.19 得 ZH =2.44；重合度系数，取=0.8；ZZ螺旋角系数，取=0.97；ZZcos材料系数，查机械设计45中表 6.3 得=189.8。EZEZMPaK载荷系数， 初选 1.5；齿轮受到的转矩；1T计算所得：2.447H69.62169.62.87660108525 . 1223=1132.4Mpa 2 2、许用接触应力、许用接触应力H= KFN1/ SH （4-HlimH6）式中： 齿轮的接触疲劳强度极限，按齿面硬度查机械lim H2lim1lim,HH设计中图 6.8 得=1500MPa；1limH2limHKFN1、 KFN2弯曲疲劳强度，查机械设计45中图 6.6 得 KFN1 = KFN2=0.9；SH安全系数，取 SH =1；计算所得：= KFN1/ SH=1530 MPa 1H2H2limH=（+）/2=1530 MPaH1H2H3 3、 校核计算校核计算 满足要求。HH南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文）38第五章第五章 差速器的设计差速器的设计5.15.1 差速器结构的形式选择差速器结构的形式选择普通锥齿轮差速器结构简单工作平稳可靠所以用于一般使用条件的汽车驱动桥中，所以选择普通锥齿轮差速器。5.25.2 差速器齿轮的主要参数选择差速器齿轮的主要参数选择1 1、行星齿轮数、行星齿轮数 n=42 2、行星齿轮的球面半径、行星齿轮的球面半径bR （5-3dbbTKR 1）式中：行星齿轮球面半径系数 ，取 2.5； bK差速器计算转矩，=min，取=2149.5；dTdTcsceTT ,dTceT计算所得： mmRb3 .325 .21495 . 23所以，行星齿轮节距为 =（0.98-0.99）bR 0A0A=0.98R =0.98 32.3=31.7mm0Ab3 3、行星齿轮和半轴齿轮齿数、行星齿轮和半轴齿轮齿数21ZZ 、为了使齿轮有较高的强度，希望取较大的模数，但尺寸会增大，于是又要求行星齿轮 Z1 的齿数应取少些，但 Z1 一般不少于 10。半轴齿轮齿数 Z2 在1425 之间选用。大多数汽车的半轴齿轮与行星齿轮的齿数比 Z2/ Z1 在 1.52.0 的范围内。为使两个行星齿轮能同时与两个半轴齿轮啮合，两半轴齿轮的齿数和必须能被行星齿轮数整除，否则差速齿轮不能装配。 取121Z 2Z在 14-25 选用 ， 0 . 25 . 112ZZ要求两半轴齿轮齿数和能被行星齿轮数整除，Z 、Z 符合要求 12=22。2Z4 4、行星齿轮和半轴轮节锥角、行星齿轮和半轴轮节锥角21、及模数及模数nm （5-6 .282212arctan)arctan(211ZZ2） （5-4 .611218arctan)arctan(122ZZ南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文）393）锥齿轮大端端面模数为：nmm= （5-22011022SinZASinZA7 . 26 .28sin127 .3124）5 5、压力角、压力角汽车的差速齿轮大都采用30.22， 齿高系数为 0.8 的齿形。6 6、行星齿轮轴直径、行星齿轮轴直径 d d 及支撑长度及支撑长度 L L d= （5-dcdnrT 1 . 11035）式中:为差速器客传递的转矩（N.m） ；dT支撑面许用挤压应力,取； cMpac98r 为行星齿轮支撑面中点到锥顶的距离为半轴齿轮宽中心处平均值径的一d半，所以； 7 .2924 .5922Drd计算所得， d=mm3 .187 .292981 . 1103 .21493dL1 . 1=18.3 1.1=20.1mm5.35.3 差速器齿轮强度计算差速器齿轮强度计算差速器齿轮的计算受结构限制，而且承受的载荷较大，它不像主减速器齿轮那样经常处于啮合传动状态，只有当汽车转弯或左、右轮行驶不同的路程时，或一侧车轮打滑而滑转时，差速器齿轮才能有啮合传动的相对运动。因此，对于差速器齿轮主要进行弯曲强度计算。齿轮弯曲应力为)(MPaw （5-6）322102JndmbkkTkvmsw式中:n行星齿轮数，取为 4；J综合系数, 取为 0.24；b 半轴齿轮齿宽，=0.29 31.7=9；22bd 大端分度圆直径，=K； 22d2D南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文）40T半轴齿轮计算转矩 ，T=0.6T =0.6 2149.5=1289.7，d其中； 7 .1805 .2149143dT=1.0，=0.65，=1.15，按主减速器齿轮强度计算的有关数值选取vkskmk计算所得， Mpa=980Mpa91510224. 07 .18097 . 20 . 115. 165. 07 .128923ww差速器齿轮强度满足要求。南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文）41第六章第六章 结结 论论6.16.1 总结总结在长达几百年的汽车工业发展史上，中国的汽车企业发展一直处于落后状态。但自从进入 21 世纪以来，中国的民族汽车行业如雨后春笋般出现在祖国大地，中国人自己研制的汽车正越来越多的行驶在道路中。混合汽车渐渐步入人们的生活，这无疑为中国乃至世界的汽车企业开拓了新的市场。中国的民族企业需要赶超国外就一定要在新能源汽车行业站稳脚跟，不断研发出属于自己的新能源汽车。行星齿轮功率分流式弱中度混合动力系统的开发正是基于这一背景之下，该项目不仅局限于自己的研发，更不断参与市场的竞争，寻求更加优良的合作伙伴，以求实现技术的早日应用。在这半年多的时间里，我同时参加了第六届“挑战杯”大学生创业计划赛，将这一技术作为产品的推广区接受市场的检验，目前该项目已进入决赛，还将得到专家的进一步评定。下面就我在这半年的时间里所做的技术工作归结于下：1、主要工作及结论、主要工作及结论(1)通过数据的查找熟悉了混合动力传动系统及各国在本系统上的研究方向和已取得的成果。(2)选取奥迪 A6 为原车型参数进行设计，根据之前的结构进行了 UG 的三维建模和运动仿真，对系统在各工况下的动力传递路线及各行星排内齿轮的转速、受力情况进行了理论分析，通过理论计算得出了各齿轮的最大受力数据。(3)通过设计理论及受力参数的具体情况选择了行星排的主要参数，并进行可强度校核。(4)针对原车的动力性要求，对减速器和差速器进行了重新设计，选定了新的参数并进行了强度的校核。(5)利用 AutoCAD 软件进行了结构的二维设计，得出了总装配图和部分零件图。2、存在的问题、存在的问题(1)在对于系统的后期研究过程中发现对结构的稍加改进可以实现起步时的扭矩增加，以实现更优的动力性能，单由于时间仓促，未能在这一块多做研究。(2)由于个人的水平还不完善，对于整套系统的设计还欠缺生产的实际考虑。南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文）42(3)对于零件的校核不应该仅局限于理论计算，应该通过仿真等手段来实现更精确的强度校核，这一点还需要改进。 6.26.2 设计体会设计体会对本人来说本系统的研究并不是大学课本里所学习到的，是一套全新的有别于传动意义上的汽车传动系统，虽然整个变速系统仍旧采用齿轮，但是却是行星齿轮结构，而且通过行星齿轮的差动来实现无级调速。另外由于这套系统的设计不同于以往手动变速器的设计，因此在数据的参考方面较少，因此对于整套系统的工作过程的理解花费了一定的时间。但是在邹老师的帮助下和同组课题同学的帮助下，我们顺利理解了整套系统的工作原理和动力传递路线，在数据方面也得到了邹老师的大力帮助，包括以邹老师论文为主的一些重要数据，帮助我们顺利完成了此次的毕业设计，也因此对于大学所学的知识有了一次融会贯通的机会。此次的设计运用到了机械原理和机械设计、汽车构造、汽车设计、汽车理论，机械加工工艺、理论力学和材料力学等多门学科内容，对于设计方面遇到的问题各位任课老师也给予了很大的帮助。对于此次的设计，加深了我对于汽车行业新发展的理解，对于自己未来可能从事的职业有很大的帮助，因此以设计为毕业任务，却更受益于此次设计。南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文）43致致 谢谢本论文是在我的导师邹政耀讲师的悉心指导下完成的。非常感谢邹老师给我提供该课题及设计中遇到的问题给以耐心、透彻的解答和帮助。邹老师精深渊博的学识、豁达的性格、孜孜以求、忘我的工作热情都将使我终生受益。我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在此我要向我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意。在我的设计撰写过程中，汽车教研的许多老师给我提出了很多宝贵意见和建议，向他们表示深深的感谢。在多年的学习生活中，还得到了许多学院领导、系领导和老师的热情关心和帮助。我还要感谢我的同窗好友们以及所有关心过我的亲人、朋友们，谢谢他们对我的支持与鼓励。衷心地感谢在百忙之中评阅我的设计和参加答辩的各位老师！顾 钧二 O 一 O 年六月 于南京南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文）44参考文献参考文献1 方景瑞.国内外混合动力汽车技术J. 拖拉机与农用运输车，2005(5):1-3. 2 N.Higuchi. Seminar at University of Maryland Honda Insight TechnologyJ, April 21, 2000. 3 诸自强，黄毓琛，邹国棠等. 陈清泉院士论文选集：现代电动车、电机驱动及电力电子技术M. 北京：机械工业出版社，2005.9. 4 陈清泉，孙立清，电动汽车的现状和发展趋势J.科技导报，2005, Vol.23(4):24-28. 5 北京 2008 年奥运会申办委员会.奥运行动规划. (12/22/2002)/(01/06/2003) 6 吴光强，鞠丽娟，罗邦杰. 车辆混合传动系统开发现状与展望J.汽车工程，1997, 19(2):78-82. 7 广濑久士,丹下昭二. 电动车及混合动力车的现状与展望J.汽车工程， 2003, 25(2):204-209. 8 /feg/atv.shtml.2005-12-15.9 国务院发展研究副主任陈清泰， “中国汽车产业的潜力与外部发展环境问题”研讨会上的讲话，2004-1-5. 10 周凤起, 周大地主编. 中国中长期能源策略M. 北京：中国计划出版社，1999. 11 Jefferson C M， Barnard R H. Hybrid vehicle propulsion .Southampton，UK：WIT Press，2002.12 Maine Department of Environmental Protection Bureau of Air Quality. Zero Emission Vehicle Study.Technical Report，2001.13 刘钊, 黄宗益, 李庆.轿车用自动变速器的发展动态J.传动技术.2000（1）：18. 14 葛安林. 车辆自动变速理论与设计M.北京：机械工业出版社，1993. 15 Antoni Szumanowski 原著，陈清泉,孙逢春译. 混合电动车辆基础M.北京：北京理工大学出版社，2001. 16 AN F，DECICCO J，ROSS M.Assessing the fuel economy potential of light duty vehiclesR. SAE Paper No. 2001-01-FTT-31，2001.17 Hidehiro Oba, Akihiro Yamannaka，etc. Development of a Hybrid Powertrain System Using CVT in a Minivan.Toyota Technical Review.2002, 51 (2): 5257.18 Chunho Kim， Eok Nam Goong，etc. Fuel Economy Optimiztion for Parallel Hybrid Vehicle with CVT.SAE paper，1999-01-1148：337342.南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文）4519 Shuiwen Shen，Alex Serrarens，etc.Coordinated control of a mechanical hybrid driveline with a continuously variable transmission.JSAE Review.JSAE 20014498,2001，pp:453461.20 Ulrich zoelch，Dierk schrode，Optimization method for rating the components of a hybrid vehicle， EVS14, 1997.21 B.R.Hohn, etc.The autark hybrid: a universal powertrain concept for passanger cars. 1944, International gear congress. 22 Michael Duoba, Henry Ng, Robert Larsen. Characterization and Comparison of two Hybrdi Elcctric Vehicles(HEVs)-Honda Insight and Toyota Prius. SAE 2001-01-1335.23 Honda CIVIC Hybrid.http:/ , 2004 Honda Insight IMA Modes of Operation.http:/ , 2005 Honda insight/Toyota Prius Comparison：Hybrid Powertrain.http：/ , 2005.3.10. 26 舒真. 日产“tino HYBRID”新型环保车J. 汽车维修与保养，2000（6）：24.27 Morita K. Automotive power source in 21st century. JSAE Review, 2003, 24(1): 3-7. 28 王晓明，吴志新.混合动力电动汽车J. 世界汽车, 2004（1）：3032. 29 Isaya Matsuo, Takeshi Myiamoto. The Nissan Hybrid Vehicle. Society of Automotive Engineers, 2000-01-1568.30 Subaru Hybrid Cars . /subaru-hybrid-cars.htm2006-5-20 31 徐卫国. 混合动力汽车的发展状况及前景初探J. 汽车科技. 2001（1）：79. 32 岳东鹏，郝志勇，张俊智.混合动力电动汽车研究开发及前景展望J.拖拉机与农用运输车.2004（2）：14. 33 叶玲，杨志伟，李昆.混合动力电动汽车的发展J.北京汽车. 2002（6）：1115. 34 /modules.php?name=Ford_Hybrid_Cars, 2005.2.19. 35 Chevy Silverado and GMC Sierra Hybrid Pickup TrucksEB/OL. /silverado-sierra.html.2006-2-3.36 http:/www.citroen.mb.ca/citroenet/html/x/xsaranewlook2.html，2005.1.19 37 .38 http:/www.21stcentury.co.uk/cars/ford_prodigy.asp .39 /compare/mileage/ .40 张翔，赵韩，钱立军等. 国内各主要单位电动汽车研发项目进展情况及主要产品介绍J. 汽车技术. 2004（5）：4244. 41 李俊、王松等. 奥迪 A6 的检修和维护J. 2005（6）：2123. 42 邹政耀.行星齿轮式无级变速传动系统P.中国 ZL200710021091.7.2008 年 10 月 15 日.43 邹政耀.行星齿轮式无级变速传动系统P.中国 ZL200710021091.7.2008 年 10 月 15 日.南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文）4644 饶振纲. 行星齿轮传动设计M. 化学工业出版社. 2003 年 9 月. 2006（2）：3748.45 徐锦康. 机械设计M. 高等教育出版社. 2003（4）：4248.附录附录 A：英文资料：英文资料IntroductionNew levels of environmental & power performance compatibility based on the concept ofHybrid Synergy DriveAt the 2003 New York Auto Show, TMC President Cho unveiled the all-new Prius with THS II, a “Hybrid Synergy Drive” concept that deliversboth higher power and greater fuel economy than the previous Prius. In search of the ultimate eco-carToyotas mission has always been to provide clean and safe products.Thus, the company has positioned the environment as one of its most important issues and has been working toward creating a prosperous society and a world that is comfortable to live in. With this goal in mind, Toyota has been actively developing various new technologies from the perspective of achieving energy security and diversifying energy sources, which is necessitated by the dwindling supply of petroleum resources.For example, in motive power sources for automobiles alone, we have been continuously improving conventional engines and have developed and commercialized lean-burn gasoline engines, direct injection gasoline engines and common rail direct-injection diesel engines, etc. We have also been modifying engines so that they can use alternative fuels, such as compressed natural gas (CNG), instead of gasoline or light oil, and have been installing these engines in commercially sold vehicles. Toyota has also developed and has been marketing electric vehicles (EV) that use motors for the driving source; hybrid vehicles (HV) that combine an engine and a motor, fusing the advantages of these two power sources; fuel cell hybrid vehicles (FCHV) that use fuel cells (FC) to generate electricity based on a chemical reaction between hydrogen and the oxygen in the air and that supply this electricity to electric motors to produce driving power.In January 1997, Toyota declared the start of the Toyota Eco Project. As part of this effort, Toyota decided to tackle the international challenge of reducing CO2 emissions in order to prevent global warming and accelerated the development of a hybrid vehicle with the goal of achieving twice the fuel efficiency of conventional ehicles. Then, in March of the same year, Toyota announced the completion of a new power train called the Toyota Hybrid System (THS) for use in passenger vehicles. This power train combines a gasoline engine and an electric motor, and because it does not require external charging, as do existing electric vehicles, it works within existing infrastructures such as fueling facilities. 南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文）47This system also achieves nearly twice the fuel efficiency of conventional gasoline engines.THS was installed in the passenger vehicle Prius, which was introduced in December 1997 in the Japanese market as the first mass-produced hybrid passenger vehicle in the world. In 2000, overseas marketing of the Prius began. The Prius has gained a reputation as a highly innovative vehicle, and its cumulative worldwide sales have exceeded 110,000 nits. Meanwhile, THS has continued to evolve, and in 2001, THS-C, which combines THS with CVT (continuously variable transmission), was installed in the Estima Hybrid minivan and THS-M (a mild hybrid system) wasinstalled in the Crown, luxury sedan, both for the Japanese market thereby contributing greatly to innovations in the automobiles of the 21st century.Building on the ecology-focused THS, Toyota has developed the concept of Hybrid Synergy Drive. Based on this concept, Toyota has developed a new-generation Toyota hybrid system called THS II, which achieves high levels of compatibility between environmental performance and power by increasing the motor output by 1.5 times, greatly boosting the power supply voltage and achieving significant advances in the control system, aiming for synergy between motor power and engine power.Toyota has positioned hybrid technology as its key technology. Beginning with the development of EVs and through the commercialization of HVs and FCHVs, its continued efforts have now culminated in the development of THS II. Toyota will continue to endeavor to make technical advances in this area.What is a Hybrid System?Fusion between an internal combustion engine and electric motorachieving different functions through different power combinationsAutomobile hybrid systems combine two motive power sources, such as an internal combustion engine and an electric motor, to take advantage of the benefits provided by these power sources while compensating for each others shortcomings, resulting in highly efficient driving performance. Although hybrid systems use an electric motor, they do not require external charging, as do electric vehicles.3 types of Hybrid SystemsThe following three major types of hybridsystems are being used in the hybrid vehiclescurrently on the market:1) SERIES HYBRID SYSTEMThe engine drives a generator, and an electric motor uses this generated electricity to drive thewheels. This is called a series hybrid systembecause the power flows to the wheels in series,i.e., the engine power and the motor power are inseries. A series hybrid system can run a smalloutput南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文）48engine in the efficient operating region relatively steadily, generate and supply electricity to the electric motor and efficiently charge the battery. It has two motorsa generator (which has the same structure as an electric motor) and an electric motor. This system is being used in the Coaster Hybrid.2) PARALLEL HYBRID SYSTEMIn a parallel hybrid system, both the engine and the electric motor drive the wheels, and the drive power from these two sources can be utilizedaccording to the prevailing conditions. This is calleda parallel hybrid system because the power flows to the wheels in parallel. In this system, the battery is charged by switching the electric motor to act as a generator, and the electricity from the battery is used to drive the wheels. Although it has a simple structure, the parallel hybrid system cannot drive the wheels from the electric motor while simultaneously charging the battery since thesystem has only one motor.3) SERIES/PARALLEL HYBRID SYSTEMThis system combines the series hybridsystem with the parallel hybrid system in order tomaximize the benefits of both systems. It has twomotors, and depending on the driving conditions,uses only the electric motor or the driving powerfrom both the electric motor and the engine, in orderto achieve the highest efficiency level. Furthermore,when necessary, the system drives the wheels while simultaneously generating electricity using agenerator. This is the system used in the Prius andthe Estima Hybrid.Engine and Motor Operation in each systemThe chart below shows how the ratio of usebetween engine and motor differs depending on the hybrid system.Since a series hybrid uses its engine to generate electricity for the motor to drive the wheels, the engine and motor do about the same amount of work.A parallel hybrid uses the engine as the mainpower source, with the motor used only to provide assistance during acceleration. Therefore, the engine is used much more than the motor.南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文）49In a series/parallel hybrid (THS in the Prius), apower split device divides the power from the engine, so the ratio of power going directly to the wheels and to the generator is continuously variable. Since the motor can run on this electric power as it is generated, the motor is used more than in a parallel system.南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文）50Three Objectives of THS II DevelopmentA new-generation hybrid system that seeks enhanced efficiency and greater powerCompatibility of Environmental &Power PerformanceAutomobiles of the future must increase both environmental and safety performance, while significantly increasing the all-important motor vehicle characteristic of being fun to drive. To achieve superior driving performance, which is the basis for driving enjoyment, the conventional approach has been to increase output and torque by increasing engine displacement or using supercharging. However, this approach decreases fuel efficiency, making it difficult to achieve compatibility of environmental performance and power. In other words, fuel efficiency and power are in a trade-off relationship. By using the Toyota Hybrid System (THS), the Prius was able to escape the inevitability of this relationship in a paradigm shift. The goal of the Hybrid Synergy Drive concept is to achieve compatibility of high levels of both environmentalperformance and power.THS, which is a series parallel hybrid, contains a power split device that splits power into two paths. In one path, the power from the gasoline engine is directly transmitted to the vehicles wheels. In the other path (electrical path), the power from the engine is converted into electricity by a generator to drive an electric motor or to charge the battery. This unique configuration achieves idling stop, stopping of the gasoline engine while the vehicle is running, running of the vehicle using the electric motor, motor assist at any speed, and highly efficient energy regeneration, without using a clutch or transmission. This is achieved through the use of a motor having large low-speed torque and large output.The newly developed hybrid system, THS II, targets both greater power and improved motor power transmission efficiency, advancing energy management control for the entire vehicle. As a result, Hybrid Synergy Drive has been developed, which markedly increases power performance, improves acceleration performance, and at the same time achieves the highest degree of environmental performance in the world.How the THS II System WorksSuperb coordination between engine and motorMotor power is used for starting the vehicle. For normal operation, the engine and the motor are optimally controlled to increase fuel efficiency. When powerful acceleration is needed, the high-output motor and the engine generate optimum power. This represents further evolution in smoothyet powerful running performance.南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文）51System ConfigurationAll of the major components of THS II have been developed by Toyota on its own. The high-voltage power circuit, the motor,the generator and the battery have all been designed anew, enabling further evolution of the hybrid system.The system consists of two kinds of motive power sources, i.e., a high-efficiency gasoline engine that utilizes the Atkinson Cycle, which is a high-expansion ratio cycle, as well as a permanent magnet AC synchronous motor with 1.5 times more output,a generator, high-performance nickel-metal hydride (Ni-MH) battery and a power control unit. This power control unit contains a high-voltage power circuit for raising the voltage of the power supply system for the motor and the generator to a high voltage of500 V, in addition to an AC-DC inverter for converting between the AC current from the motor and the generator and the DC current from the hybrid battery. Other key components include a power split device, which transmits the mechanical motive forces from the engine, the motor and the generator by allocating and combining them. The power control unit precisely controls thesecomponents at high speeds to enable them to cooperatively work at high efficiency.System Operation1 Start and low to mid-range speedsThe engine stops when in an inefficient range,such as at start-up and in low to mid-rangespeeds. The vehicle runs on the motor alone. (A)2 Driving under normal conditionsEngine power is divided by the power split device.Some of the power turns the generator, which in turndrives the motor. (B)The rest of the power drives the wheels directly. (C)Power allocation is controlled to maximize efficiency.3 Sudden accelerationExtra power is supplied from thebattery (A), while the engine andhigh-output motor provide smoothresponse (B+C) for improvedacceleration characteristics.4 Deceleration, brakingThe high-output motor acts as a high-output generator,driven by the vehicles wheels. This regenerative braking南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文）52system recovers kinetic energy as electrical energy,which is stored in the high-performance battery. (D)5 Battery rechargingBattery level is managed to maintain sufficient reserves. The enginedrives the generator to recharge the battery when necessary. (E)6 At restThe engine stops automatically.南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文）53附录附录 B：英文翻译：英文翻译丰田混合动力系统丰田混合动力系统 THS II导导 言言-基于混合协同驱动系统概念下的环境与动力性能兼容性的新水平在 2003 年纽约车展上，丰田汽车公司总裁赵揭幕了装备有THS II 系统的全新普锐斯，THS II 系统意味着一个“混合协同驱动”的概念，它为您提供不仅比之前普锐斯更高的功率，而且具有更加优良的的燃油经济性。搜索最生态的车搜索最生态的车 丰田的使命就是提供清洁和安全的产品。因此，公司将环境定位为一个最为重要的问题，并一直朝着建立一个繁荣的社会和适宜居住的世界。有着这样的目标，丰田一直从实现能源安全和能源来源多样化的角度，积极发展着各种新技术。石油资源供应不断使之变得必需。例如，仅在汽车动力源，我们不断改进传统的发动机和发展稀薄燃烧汽油发动机、直喷汽油发动机和共轨直喷柴油发动机等，并使它们商业化。同样的，我们修改引擎，使他们能使用替代燃料，如压缩天然气（CNG） ，而不是汽油或轻质油，并已安装在商业出售的车辆上。丰田公司还开发并销售电动车（EV） 、混合动力汽车（HV）和燃料电池混合动力汽车（FCHV） 。电动车使用电动机驱动，混合动力汽车结合利用发动机和电动机，融合了这两种电源的优点，燃料电池混合动力使用燃料电池（FC）来产生电，这基于一个在空气中进行的氢气和氧气的化学反应，这个化学反应供应电来使电动机产生动力。1997 年 1 月，丰田宣布丰田生态工程启动。作为这一努力的一部分，丰田决定对付国际上减少二氧化碳排放量以防止全球变暖的挑战，以实现两倍的传统汽车的燃油效率为目丰田第二代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）54标，丰田加快发展混合车辆。同年 3 月，丰田宣布，一辆全新的、可供客运的、名为丰田混合动力系统（THS）的动力列车已经完成。这辆动力列车结合了汽油发动机和电动马达，因为它像现有电汽车一样，不需要外部充电，所以它能在现有的基础设施下工作，如加油设施。该系统还实现了传统的汽油发动机的近两倍的燃油效率。 THS 安装在轿车普锐斯上，普锐斯作为世界上第一个大规模生产的混合动力轿车，于 1997 年 12 月在日本市场上推出。2000 年，普锐斯的海外市场开始。普锐斯已获得作为一个高度创新的汽车的信誉，其全球销售累计已超过 110,000 台。同时，THS 继续发展，并于 2001 年，结合了 THS 和 CVT（无级变速器）的 THS- C，被安装在埃斯蒂马小型货车上。THS-M（一个轻度混合动力系统）被安装在了豪华轿车王冠上。既面向日本市场，又大大有助于二十一世纪的汽车创新。建立在以生态为重点的 THS 上，丰田已经发展了混合动力驱动的概念。基于这样的理念，丰田开发了新一代丰田混合动力系统 THS II。通过发动机输出的 1.5 倍的增加，THS II 实现了高水平的环境和动力性能的兼容并在控制系统取得重大进展，旨在于电机功率和发动机功率之间的协同作用。丰田将混合动力技术定位为其关键技术。首先是电动车辆的发展，通过混合动力汽车与燃料电池混合动力汽车的商业化，现在丰田的持续努力终于在 THSII 开发上取得了成功。丰田将继续努力在这方面的技术进步。 什么是混合动力系统？什么是混合动力系统？融合内燃机和电动机功率，力求通过不同的组合实现不同的功能， 汽车混合动力系统结合如内燃机和电动机两个动力源，电机利用这些能源的来源，从而弥补双方的缺点，提供更加这就是我们寻求最终生态车的全部南京工程学院车辆工程系本科毕业设计（论文）55优良的性能，造成高效的驾驶性能。虽然混合动力系统使用电动机，但他们并不需要像电动车一样外部充电。目前正在市场上使用的混合动力汽车 3 种混合系统以下三种主要类型混合系统： 1）串联混合系统该发动机驱动一台发电机，以及电汽车使用这种发电驱动车轮。这就是所谓的混合动力系统系列。因为目前的动力（即发动机的功率和电机功率）主要流向串联车轮。 A 系列混合动力系统可以运行一个小输出的发动机，高效的经营区域相对稳定，给电动马达创造和提供电力，高效率给电池充电。它有两个发动机发电机（有着和电动机相同的结构）和一个电动机。2）并联混合系统在并联式混合动力系统，引擎和电动机驱动车轮，而两种来源的驱动电源可以根据目前的状况被利用。这就是所谓的并联式混合动力系统，因为动力并联地流向车轮。在这个系统中，电池通过切换电动机来充电，电池作为一台发电机，以及来自电池的电力用于驱动车轮。由于系统只有一个发动机，虽然结构简单，并联式混合动力系统无法在给电池充电的同时，驱动电动机的车轮。3）串并联混合系
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