关 键 词：

并联 混合 动力 汽车 驱动 系统 设计

资源描述：

并联式混合动力汽车驱动系统设计,并联,混合,动力,汽车,驱动,系统,设计

内容简介：

并联式混合动力汽车驱动系统设计摘 要 随着时代的发展，汽车已成为了家庭中的必需品。但是由此带来的环境污染和能源压力必须引起人们的重视。近年来，各国开始重视混合动力汽车的开发，以此来降低能源短缺带来的压力。本文对并联混合动力汽车的驱动系统进行设计，探讨并联混合动力汽车动力驱动系统的方案设计，选取美国城市循环工况，仿真研究整车的排放特性与燃油经济性，以验证方案设计的可行性。文章首先对混合动力汽车的发展背景和和意义进行了概括，论述国内外混合动力汽车发展的状况以及我国发展混合动力的必要性，通过对比几种不同驱动模式及结构特性的优缺点选定动力驱动方案。其次结合原始数据和现有的相似车型，对动力系统的核心部件进行设计。最后同时设计计算完成设计说明书及二维图纸的编写与绘制，完成整个设计。关键词：混合动力，驱动系统，方案设计，燃油经济性，设计计算Abstract With the development of the times, the car has become a necessity in the family. But the environmental pollution and energy pressure must be paid attention to. In recent years, countries began to pay attention to the development of hybrid electric vehicles, in order to reduce the pressure of energy shortage. This paper designs the drive system of parallel hybrid electric vehicle, discusses the scheme design of the power drive system of parallel hybrid electric vehicle, selects the American urban cycle, and simulates the emission characteristics and fuel economy of the whole vehicle, so as to verify the feasibility of the scheme design.This paper first summarizes the development background and significance of hybrid electric vehicles, discusses the development status of hybrid electric vehicles at home and abroad and the necessity of developing hybrid electric vehicles in China, and selects the power driving scheme by comparing the advantages and disadvantages of several different driving modes and structural characteristics. Secondly, combined with the original data and existing similar models, the core components of the power system are designed. At the same time, the design specification and two-dimensional drawings are compiled and drawn to complete the whole design.Keywords: Hybrid, drive system, scheme design, fuel economy, design calculation目 录摘 要IIAbstractIII第一章 绪 论11.1 课题研究的背景及意义11.2 国内外混合动力的发展现状21.2.1国外发展状况21.2.2 国内发展状况31.3 混合动力汽车的驱动系统分类31.3.1 串联式混合动力汽车41.3.2 并联式混合动力汽车41.3.3 混联式混合动力汽车51.3.4 各种驱动系统的比较。61.4 混合动力汽车的传动工作原理71.5 论文的主要研究内容71.6 研究的方法及技术路线81.6.1研究方法81.6.2研究技术路线8第二章 混合动力汽车驱动系统的总体设计92.1 耦合形式的确定92.1.1 单轴式扭矩耦合传动92.1.2 双轴式扭矩耦合传动102.2 传动的确定112.3 转速的匹配122.4 传动方案的选定14第三章 混合动力汽车驱动系统主要部件的设计143.1 总成部件的设计143.1.1 发动机参数设计153.1.2 电动机参数设计173.1.3 电池参数设计213.1.4 驱动系统传动比计算223.2 动力耦合器设计25第四章 混合动力汽车主减速器的设计与计算26总 结30参 考 文 献32II第一章 绪 论1.1 课题研究的背景及意义 汽车的发展经历了一个十分漫长的过程，它承载着人类科技梦想，凝结着人类 的智慧。从近代工业起步到发展到现在的水平，汽车行业始终能够保持强大的活力并占有一定的市场份额，这其中与科学技术的不断进步还有市场需求的提高息息相关，这就使得汽车的质量有了质的飞跃，从最开始的运输功能到现在家居必备，不断满足着人们的使用需求1。汽车的普及程度和技术水平甚至成为一个国家或地区现代化程度的标志，但是，汽车给人类带来便利同时，随之而来的还有严重的能源和环境问题。2015年，中国包括原油、成品油、液化石油气（LPG）和其他产品在内的石油净进口量高达3.443亿吨，同比增幅为7.4%。石油净进口量占中国石油消费量的比例（进口依存度）由2014年的62.0% 提高到63.5%，成为了当时的最高纪录2。国际能源署发表的报告预测，从目前到2030年，全球能源需求每年的平均增长率将达到3%左右，其中中国将消耗全球供应的20%，仅低于美国目前所占的份额。汽车在消耗巨量能源的同时也带来了严重的全球环境恶化问题，在世界范围内，全国各大城市都面临不同程度的汽车排放污染。从美国提供的资料可以看出，汽车尾气排放所造成的污染占城市大气污染量的63%，并且城市交通城市产生的噪声污染占比为80%3。汽车行驶中所产生的废气、噪声以及扬起的尘土，造成了严重的大气污染并且对人体的健康产生了严重的危害。 面对汽车带来的能源和环境问题，节约能源和环境保护也就成为了社会关注的焦点。能源短缺、环境污染、气候变暖是全球汽车产业所需要面对的艰巨的任务，各国政府及产业界纷纷提出各自的行业产品规划方案，积极应对，以保持其汽车产业的发展活力和竞争力。新能源汽车越来越受到汽车工业的重视，在21世纪的汽车工业，它已成为发展的热点4。混合动力电动汽车在一定程度上是纯电动汽车和传统汽车合理匹配得到的结合体，它不仅仅保留着传统汽车行驶里程长的优点，还能够大幅降低汽车燃油消耗和尾气排放，一定程度上能够缓解空气污染问题。因此混合动力汽车被广大车企看好，并且得到了广泛的商业化应用。混合动力汽车有两个或两个以上的不同类型的驱动源，比如内燃机和电动机，或者内燃机和燃料电池，混合动力电动汽车是传统汽车和纯电动汽车的合理的组合，工作模式有三种，分别是发动机单独驱动，电动机单独驱动或者发动机和电动机混合驱动，这样就可以适应不同的行驶工况5。在整车性能方面，电动机和发动机是混合动力电动汽车的核心部件，它们和其他传动部件构成的驱动系统直接决定了整车的底盘布置，同时也能影响整车的动力性能和尾气排放。由于动力部件和传动部件之间的匹配以及布置结构有着很大的不同，所以当进行混合动力电动汽车的开发工作时，要结合底盘布置结构和动力驱动系统的特点，根据目标车辆的使用需求以及道路行驶状况，制定最优的驱动系统和选择最佳的核心部件的匹配，从而最大化实现整车的动力性能，最低化尾气排放，这样也会为将来的研发积累一定的经验6。在我国，汽车行业起步晚于国外，因此对混合动力电动汽车的研发工作相对落后，对混合动力电动汽车的动力驱动系统方案的研究远大多处于理论研究阶段，远未达到投放市场的商用程度，所以，与国外的混动技术相比，我国的技术水平存在的相当的差距。目前常见的并联混合动力驱动系统有转速耦合式、转矩耦合式，变速箱分前置和后置，按照电动机和内燃机的布置，有单轴式和双轴式。其中在这些传动方案中7最常见的是双轴式转速耦合式。显然，鉴于我国的混动技术，为了促进我国混合动力汽车的产业化的发展和进步，开展混合动力电动汽车动力驱动系统方案研究，提高和掌握混合动力汽车关键技术，从而使我国也具有自主研发能力，缩小和国外的差距，具有十分重要的意义8。1.2 国内外混合动力的发展现状 1.2.1国外发展状况在19世纪初期，英国和法国有人曾经对电动车有过研究，到1881年在法国巴黎街上出现了世界上第一辆电动汽车。1899年美国生产的电动汽车约占所有生产的车辆总数的63%，在之后的15年，美国电动汽车的最高的年产量已达到了5000辆。后来一段时间，由于科学技术尤其是蓄电池技术的发展达到了瓶颈，加之全世界范围内大量油田的发现，传统的燃油汽车在商业上取得了绝对的优势。就目前的电动汽车的技术而言，美国和日本占据主导地位，在欧洲法国英国等国也开展了对电动汽车的研究和开发4。在1997年日本丰田发布了Prius混合动力电动轿车9，该车在2006年进入中国市场。2008年以来，石油价格的持续高涨进一步促进了政府、学校和厂商对混合动力技术的重视。在过去的几届国际车展中，混合动力汽车已经成为车企和人们关注的焦点，同时，它也展示了汽车公司技术实力10。1.2.2 国内发展状况国内新能源汽车产业始于21世纪初。国内的车企中吉利、比亚迪、奇瑞等汽车公司在各种车展上亮出了自己的实力，展出的产品有自主研发的混合动力汽车和燃料电池汽车11。在驱动系统布置机构中的并联混动汽车，这种布置形式它没有独立的发电机，在耦合器耦合装置的作用下，发动机的动力可以直接传送到驱动轮，这种驱动力的传递方式跟传统的汽车非常接近，也有着近似的传动效率，因此这种布置形式得到了广泛的应用12。目前，经过多年的研究和发展，混合动力电动汽车的核心部件（蓄电池、电动机和发电机）的技术越来越成熟，结合我国目前汽车行业的状况，开展混动汽车技术的研发，混动汽车投入商用已经越来越现实13。由于混合动力电动汽车有着不同的驱动模式，所以与传统燃油汽车和纯电动汽车相比，混合动力汽车需要一个控制系统，根据路况和需求来切换不同的驱动模式，因此整车的切换驱动模式的控制系统是混合动力汽车的非常关键的一部分14。由于我国面临的化石能源短缺问题和环境污染问题越来越严峻，因此，非常有必要发展混动汽车，减少化石能源的使用和尾气排放。由此可以看出，在未来汽车行业的发展方向，混合动力技术是研发的重点，并且混动汽车会在我国得到长远的发展15。1.3 混合动力汽车的驱动系统分类 通常来说，混合动力汽车是由两个或者两个以上的相互独立的驱动系统提供动力的车辆，这种车辆所需要的功率由一个驱动系统或者多个驱动系统共同提供，既可以实现其中一个动力源驱动汽车行驶，也可以共同为汽车提供驱动力。混合动力电动汽车需要一个蓄电池来存储电能，将电能输送给电动机，进而转化为机械能。混合动力电动汽车继承了电动汽车的节能减排，绿色出行的优点，同时又结合了传统汽车的动力强的优点，也解决了电动汽车续航里程短的缺点，从而改善了汽车的燃油性能和排放性能，集两种汽车的优点于一身。不同类型的混合动力汽车的动力驱动系统存在一定的差异，根据驱动系统的核心部件的布置方式，混合动力汽车可以分为串联式、并联式和混联式，其结构和特点如下：1.3.1 串联式混合动力汽车 串联式动力驱动系统的结构示意图如图1.1所示。 串联式混合动力汽车也叫做增程式电动汽车，与纯电动汽车相比，它是通过内燃机做功使发电机发电，结构上包括发动机、发电机和驱动电机三大部件。发动机的作用只是用于发电，不会直接驱动车辆行驶，电能通过发电机输送到电动机，然后电动机产生电磁力矩，驱动车辆行驶。当功率溢出时，发电机可以给蓄电池充电，从而延长车辆的行驶里程。在特定的路况下，车辆可以在纯电动的情况下行驶，此时发动机熄火，车辆对外界零排放。但是由于这种驱动系统存在能量转换，所以会存在一定量不可避免的能量损失。另外，由于发动机不会直接驱动汽车行驶，所以可以使发动机处在最优工作区域做功，一定程度上提高了发动机的效率，避免发动机在低效率区间运转。 图 1.1 串联式驱动系统简图1.3.2 并联式混合动力汽车并联式动力驱动系统结构如图1.2所示，与串联式动力驱动系统相比，该驱动系统可以较大的提高整车的驱动力，因为它拥有电动机和发动机两个动力源，在特定的情况下，两者可以共同提供驱动力，此外，这种系统上的电动机也可以通过让它反转，实现发电机的功能，给蓄电池充电。它的驱动模式有三种。第一，纯电动行驶。比如在交通拥挤的城市道路，不需要很大的功率，此时发动机熄火，就可以实现零排放行驶，同时也避免了噪声污染。第二，发动机单独驱动模式。当蓄电池SOC低于设定值时，就会切断电动机对整车动力的输出，由发动机单独驱动，并且，当其功率溢出时，还可以通过发电机反转，为蓄电池充电，提高了能源的利用率。第三，两者共同为整车提供动力。当汽车需要较大的功率时，蓄电池的SOC值在限定范围内，此时，发动机和电动机就可以共同驱动汽车行驶，如果内燃机的功率有溢出，多余的功率可以用来为蓄电池充电。所以，三种驱动模式中有两个互不干涉独立的驱动系统，也就是传统的内燃机驱动系统和电动机驱动系统。由于两个动力源的功率可以叠加，所以不需要较大功率的内燃机和电动机，这样以来就能一定程度节约整车造价，也可以降低整车质量。图1.2 并联式驱动系统简图1.3.3 混联式混合动力汽车 混联式的结构比较复杂，它结合了串联式和并联式的优点，既可以用串联式的模式驱动车辆行驶，也可以使用并联式的驱动模式。根据不同的行驶工况，灵活采用合适的驱动方式，这样，就可以提高能源利用效率，降低尾气排放。动力分配上面，起步或者在交通拥挤的市区，可以仅仅使用蓄电池的能量，在高速或者高功率的匀速行驶时，发动机作为单独的动力源，车辆需要较大的加速度时，就可以改变动力输出方式，叠加发动机和电动机的输出功率。其结构示意图如图1.3。图1.3 混联式驱动系统简图 所以，相比较而言混联式混合动力驱动系统可以适应更多的汽车行驶工况，无论是在城市交通道路或者在高速公路，汽车的燃油经济性和动力性都可以得到保障。1.3.4 各种驱动系统的比较。表1.1 不同布置形式特点比较布置形式并联式串联式混联式整车成本比较低低比较低结构复杂程度比较复杂简单复杂工作模式发动机单独驱动，电动机单独驱动，混合动力驱动电动机单独驱动发动机单独驱动，电动机单独驱动，发动机电动机混合驱动，电动机-电动机混合驱动传动效率比较高比较低比较高动力传动布置结构发动机和电动机通过各自的机械驱动系统连接到驱动桥，发动机采用传统的机械式连接，布置结构比较复杂核心动力总成之间无机械式连接，在布置上相对自由，发动机和电动机的尺寸以及质量比较大，常见于大型车辆核心动力总成的尺寸和质量都比较小，结构紧凑，与传统的汽车的性能最接近，适用于各种类型的车辆排放性能比较低低比较低控制系统难易程度较复杂简单复杂1.4 混合动力汽车的传动工作原理混合动力电动汽车利用内燃机、发电机、电动机、蓄电池之间的良好匹配以及合理的控制系统，可充分发挥传统汽车和纯电动汽车的优点，避免了各自的缺点，对于当今能源短缺和尾气排放引起的大气污染，混动汽车是最具代表性的新能源汽车，也具有很重要的开发意义。混合动力电动汽车节能减排的主要原因是： 1. 优化了发动机的工作区间：传统的汽车只有内燃机可以输出动力，对于一台确定的发动机，其性能特点是固定的，然而在日常的行驶中，会有不同的路况，这样就会形成了差异较大的发动机功率需求，燃油经济性比较低。混合动力电动汽车的电动机可以起到辅助作用，配合合理的控制策略，就可以让发动机更多的在最优工作区间提供驱动力，从而提高了燃油经济性。 2. 纯电动行驶：在拥挤的城市道路，传统汽车在走走停停的状态下会增加油耗和尾气排放。混合动力电动汽车在这种情况下会以电动机作为唯一的动力输出，不但可以实现零排放行驶，而且降低了油耗。 3. 合理的动力驱动系统匹配：要想降低混合动力电动汽车的尾气排放和提高燃油经济性，动力驱动系统的匹配起着至关重要的作用，它包括合理的选择发动机和电动机的功率，蓄电池的容量，然后选择合理的控制策略，组成最优的混合动力系统。 4. 能量回收：传统汽车能量利用率还有待提高，在制动方面，当汽车刹车制动时，可以让电动机反转从而给蓄电池充电，实现制动能量的回收。这样，与传统的汽车相比较，在燃油经济性方面就会有一定的提高16。1.5 论文的主要研究内容本课题结合国内外对混合动力汽车的研究，客观上分析混合动力汽车并联传动各种工作模式的特点，开展了对并联混合动力汽车动力驱动系统方案的设计，确定并联式布置方案原则，以及针对并联式结构的工作原理和软件设计原理的相关问题的研究。以某轿车为研究模型（具体数据如下），对其进行并联方案的设计，阐述并联结构中各总成原件参数，完成并联混合动力汽车核心部件的设计。对匹配的结果进行分析，并验证经匹配后的混合动力汽车在保证动力性的前提下，可以明显的提高燃油经济性。确定车辆参数如下：整备质量：1995kg； 空气阻力系数：0.45驾驶员/一名乘客：80kg； 迎风面积：2.686m2拖曳能力：1133kg； 060mile/h：9.0s滚动阻力系数：0.009； 5070mile/h：6.8s车轮半径：0.3305m； 最高车速：220km/h1.6 研究的方法及技术路线1.6.1研究方法（1）通过查阅相关资料，掌握混合动力汽车的主要参数。（2）充分考虑已有混合动力汽车的优缺点来确定混合动力汽车的总体设计方案，对现有装置的不足进行分析。（3）对设计的混合动力汽车进行修改和优化，最终设计出能满足要求的混合动力汽车驱动系统。1.6.2研究技术路线（1）根据题目和原始数据查看相关资料，了解当今国内外混合动力汽车的发展现状及发展前景，撰写文献综述和开题报告。（2）根据产品功能和技术要求提出多种设计方案，对各种方案进行综合评价，从中选择较好的方案，再对所选择的方案做进一步的修改或优化，最终确定总体设计方案。（3）具体设计混合动力汽车的驱动装置、工作装置等。 （4）对所设计的机械结构中的重要零件进行校核计算，如齿轮、轴、轴承等，保证设计的合理性和可行性。；（5）绘制零件图、装配图，完成要求的图纸量；（6）整理各项设计资料，撰写论文。第二章 混合动力汽车驱动系统的总体设计 要使发动机和电动机的驱动力输送到驱动轴，需要一套驱动力耦合装置，也就是耦合器。并联混合动力电动汽车的驱动结构装置可分为三类，扭矩耦合式、转速耦合式和牵引力耦合式。以下各种驱动装置的特点。2.1 耦合形式的确定 扭矩耦合式装置原理如图2.1。图2.1 扭矩耦合装置原理图Vout= Vin1/i1 +Vin2/i2， Tout = i1Tin1+i2Tin2 （2.1）其中：T、V为扭矩和速率； in、out为输入和输出； i1 i2为装置中输入1和输入2的传动比。 从原理图可以看出，发动机和电动机的驱动力经过扭矩耦合装置进行耦合，然后将耦合后的驱动力输送到驱动轴。根据驱动轴的数目的不同，又分为单轴式和双轴式扭矩耦合传动。2.1.1 单轴式扭矩耦合传动 这种动力耦合传动的特点是电动机的转子和发动机的输出端通过离合器相连接，从而实现电动机扭矩和发动机扭矩的耦合，然后经过动力传动机构进行驱动力输出，结构原理图如图2.2。图2.2 单轴式扭矩耦合动力传动结构示意图 结构之间的关系满足下式，Ts=（KTe+Tm） Nm=Ne=NsK （2.2）其中：Te、 Tm、 Ts分别为发动机、电动机和传动机构输出扭矩； Ne、Nm、Ns分别为发动机、电动机和传动机构的转速； 、K为传动效率和传动比。 此结构中，发动机、电动机和传动机构的转速成一定的比例，路况和车速的改变会影响着他们的关系。2.1.2 双轴式扭矩耦合传动 与单轴式相比较，双轴式扭矩耦合装置，发动机和电动机可以通过独立的传动机构，将驱动力传送到耦合装置进行驱动力耦合。结构简图如图2.3。图2.3 双轴式扭矩耦合动力传动结构示意图2.2 传动的确定 这种动力传动有一个明显的特点，就是发动机和电动机的驱动力通过各自的传动轴分别输送到车辆的前轮和后轮，发动机和电动机二者没有机械连接。在混合动力输出的情况下，发动机作为主要的动力源，纯电动模式下，可以实现车辆的零排放行驶。采用这种耦合装置的混动汽车与传统汽车相比，燃油经济性和动力性都有比较大的提高，但是这布置结构也有很明显的缺点，两套驱动系统分离，所以导致整车结构不紧凑，给动力传动的布置带来了困难。所以，这种动力传动在混合动力电动汽车上很少应用。结构简图如图2.4。图2.4 牵引力耦合动力传动结构示意图2.3 转速的匹配工作原理如图2.5。图2.5 转速耦合装置原理图Vout= Vin1/i1+Vin2/i2， Tout = i1Tin1+i2Tin2 （2.3）其中，T、V为扭矩和速率； in、out为输入和输出； i1 、i2为装置中输入1和输入2的传动比。 这种传动机构拥有两套独立的机械变速器，发动机和电动机分别和各自的变速机构相连接，然后跟行星齿轮进行耦合。发动机经变速器、离合器和传动装置与太阳轮相连，驱动力经行星轮传递到驱动桥。电动机与行星架相连接，动力分配装置将发动机的驱动力分配给驱动桥和电动机，在设定好的控制系统前提下，根据路况和功率需求，让电动机给驱动轮提供驱动力或者给蓄电池充电。其中典型的一种结构示意图如图2.6。图2.6 转速耦合式动力传动机构简图 稳定运转时，太阳轮、行星架、齿圈之间的关系为：Nj=Ns +Nr Tj=（1+ig）Ts=Tr， ig= （2.4）其中， Nj、Ns 、Nr 分别为行星架、太阳轮、行星轮的转速， r/min； Tj、Ts、Tr分别为行星架、太阳轮、行星轮的扭矩，Nm； ig为齿圈和太阳轮的传动比，Zr、Zs为齿圈、太阳轮的齿数，个。 汽车不同工作模式下工作是通过对锁止器1和锁止器2的控制来实现的。 （1）混合动力输出：锁止器1和锁止器2打开，太阳轮和行星轮处于自由状态，发动机和电动机都可以进行动力输出。此时，Nj=Ns +Nr，Tj=（1+ig）Ts=Tr。 （2）电动机单独输出：锁止器1关闭，锁止器2打开，此时，太阳轮被锁死，行星轮处于自由状态，由电动机提供全部的驱动力。此时，Nj=Nr，Tj=Tr。 （3）发动机单独输出：锁止器1打开，锁止器2关闭，此时，行星轮被锁死，太阳轮处于自由状态，发动机单独驱动车辆行驶。此时， Nj=Ns，Tj=（1+ig）Ts。 （4）发动机为蓄电池充电：锁止器1和锁止器2打开，太阳轮和行星轮处于自由状态，电动机处于发电状态，此时，发动机的驱动力一部分用来给蓄电池充电，另一部分用来驱动车辆行驶。 （5）再生制动：锁止器1关闭，锁止器2打开，松开离合器，驱动轮提供反向驱动力矩使发电机旋转，此时，发电机处于发电状态，从而给蓄电池充电18。2.4 传动方案的选定 行星轮式转速耦合器可以使混合动力汽车的两个动力源独立输出动力，改变发动机或者电动机的转速，就可以改变车速，让发动机工作在燃油最优化区域，从而提高整车的燃油经济性。综合以上的分析，本论文对并联混合动力汽车的驱动系统方案的设计为，选用选用并联双轴式和转矩耦合器的传动方案。如下图。图2.7 驱动方案简图第三章 混合动力汽车驱动系统主要部件的设计 3.1 总成部件的设计结合原始数据，对比参考车型的动力性参数，以捷达轿车为参考进行参数的匹配计算，使混合动力汽车满足以下要求：表3.1 混动汽车设计要求整备质量：1995kg； 空气阻力系数：0.45驾驶员/一名乘客：80kg； 迎风面积：2.686m2拖曳能力：1133kg； 060mile/h：9.0s滚动阻力系数：0.009； 5070mile/h：6.8s车轮半径：0.3305m； 最高车速：220km/h3.1.1 发动机参数设计 设计发动机的参数要从三个方面考虑，分别是最高车速、最大爬坡度以及加速时间19。 （1）发动机满足并联混合动力汽车的最高车速的发动机功率，所求的功率表达为： （3.1）其中： 发动机的最大功率（kW）； 传动效率，对于采用单级主减速器的4*2汽车取90%； 重力加速度，取9.8m/s2； 滚动阻力系数，取0.009； 空气阻力系数，取0.45； 汽车迎风面积2.686m2； 汽车的质量，1995kg。 代入最高车速 Vmax=220km/h，求得所需功率Pmax1=61.05kW。 (2) 发动机满足并联混合动力汽车加速时间的发动机功率，汽车在平直的道路上加速起步，有如下计算公式： （3.2）其中：x为拟合系数，取0.5； V为t时刻的车速； Vm为t时刻的瞬时车速； tm为加速时间。 在t时刻汽车的加速度为： （3.3） 在加速期间，汽车的功率一直在增大，因此在t时刻的发动机功率是最大的。所求功率的表达式如下： （3.4） 又有：,将t=12.6,x=0.5代入其中得： 将以上数据带入式3.4，可得： 72.43kW。 (3) 发动机满足并联混合动力汽车的最大爬坡度的发动机功率，计算公式如下: （3.5） 代入数据可以求得： 35.50kW。 综上所述，发动机功率应该满足三种条件，即发动机功率须满足以下表达式， ，所以，72.43kW。另外通常情况下，并联混合动力电动汽车整车有排气、冷却等功率损失，一般消耗的功率为10%20%左右，因此有如下: ，Pmax=79.6786.92kW。 综上所述，发动机最大功率选择80kW。发动机的基本参数如下表。表3.2 发动机参数表最高转速8000rpm最大功率80kW最大扭矩/转速135Nm/3800rpm3.1.2 电动机参数设计 电动机是一种把电能转换成机械能的装置，在混合动力电动汽车中，它扮演着非常重要的角色，在汽车启动加速时起助力作用，在减速制动时起能量回收作用。电机的匹配原则：使整车油耗和价格最低；启动发动机的能力强，能够在最短的时间启动发动机并且达到规定转速；电动机可以始终在高效率区间运转，它单独提供驱动力时，汽车有较强的起步能力，在短时间内让汽车起步并且能够达到一定的行驶车速4。（1）降低油耗和整车价格。要想降低油耗，首先要明白电机峰值跟整车油耗的关系。通过分析对比电池的峰值功率和整车的价格成比例关系，它的峰值功率越大，所需要的电池就越多，这样制造成本就越高，相反的就可以降低成本。 （2）发动机的启动能力。为了使得在规定时间内启动发动机并且使其达到要求的转速，首先我们需要明白电机的峰值功率对发动机启动和转速的影响。通过研究显示，影响启动时间的参数主要是启动摩擦扭矩。电机的峰值功率对发动机的启动和汽车的加速性能也有很大的影响。汽车发动机启动越快，也就意味着加速性能越好，但是峰值功率越大，效果却慢慢变弱，所以为了控制整车成本，电动机的峰值功率不能选的太大。 （3）电机转速。电机的转速基本可以分为两档，一种为普通电机，另一种为高速电机，以6000rpm作为分界线。高速电机一般用于混合动力轿车驱动或者功率在100kW以上的电机，而两种电机的制造成本有很大差距。 1. 电动机性能的比较 目前，混合动力电动汽车上常用的电动机有交流感应电动机、永磁同步电动机、直流电动机以及开关磁阻电动机。它们的主要性能特点如下表，表格摘自文献5。表3.3 电动汽车电动机性能比较表项目交流感应电动机永磁同步电动机直流电动机开关磁阻电动机功率密度一般好差一般力矩转速性能好好一般好转速范围90001500040001000040006000大于15000最大效率（%）949595978589小于90效率（10%负荷时）%7985909280877886易操作性好好最好好可靠性好一般差好结构的坚固性好一般差好尺寸及质量一般，一般小，轻大，重小，轻成本低高比较高比较高控制器成本比3.52.514.5 结合表格中的性能指标，如功率密度，力矩转速性能，最大效率，尺寸及质量等等，永磁同步电动机和交流感应电动机优势明显，但是，永磁同步电动机的成本比较高。2. 电动机参数的设计 电动机的主要参数包括电动机的峰值功率、额定功率、最高转速以及额定转速。电动机的外特性的特点是在额定转速以下时，转矩恒定，在额定转速以上时，功率恒定。（1）电动机满足并联混合动力汽车的最高车速的电动机功率，计算公式如下： （3.6） 其中：Pmax1为电动机的最大功率（kW）； 传动效率，对于采用单级主减速器的4*2汽车取90%； g重力加速度，取9.8m/s2； fr是滚动阻力系数，取0.0144； CD 为空气阻力系数，取0.3； A为汽车迎风面积1.9 m2； ma为汽车的质量，取1995kg； 代入最高车速 Vmax=220km/h，求得功率Pmax1=61.05kW。 （2）电动机满足并联混合动力汽车的最大爬坡度的电动机功率，计算公式如下: （3.7）式中： -发动机最大功率； -汽车爬坡时稳定的速度，取为30km/h； -传动效率，对于采用单级主减速器的4*2汽车取90%； 将数据代入公式可得：35.50kW。 从以上分析中，满足的最大功率为61kW，电机额定功率与峰值功率的关系：，为过载系数，=1.5，则：P额=41kW。 （3）电动机最高转速的确定。计算公式为： 。式中： r：车轮滚动半径； ：变速器传动比； ：主减速器传动比； ：汽车最高车速，取220km/h。 以捷达轿车发动机为参考，查阅资料，主减速器传动比为3.94，选取变速器传动比为1.3，车轮滚动半径为300mm，最高车速220km/h，代入可求得电动机最高转速为8736r/min，由于最大车速对应电动机转速的95%左右，则选电动机最大转速为9000r/min。 （4）电动机额定转矩。计算公式如下： （3.8） （3.9）其中：Tn为额定转矩； nn为额定转速。 代入数据，得出额定转速6000r/min，额定转矩86.4Nm， ，最大转矩为130.5Nm。 电动机具体数据如下：表3.4电动机参数表电机类型永磁同步电动机峰值功率61.05kW电机电压300V峰值转矩130.5Nm额定功率41kW最高转速9000r/min3.1.3 电池参数设计 对蓄电池的主要要求有，价格低廉，对环境无污染并且可再生；循环使用寿命长； 具有较大的比能量，这样就可以确保在大电流工作的情况下，可以平稳的放电，提高加速和爬坡性能；具有较大的比能量，这样可以提高续航里程。 电池的额定能量可以用下式求得： （3.10） （3.11） （3.12）假设在纯电动模式下，平均速度50km/h，行驶120km，所需时间为2.4h，根据式3.11，在设定车速下，所需要的电动机功率为4.3kW，在根据式3.10得出电池额定能量为14.7kWh。由于存在损失，所以，最终确定的电池额定能量为15kWh。式中： W电池额定总能量，kWh； 以速度v行驶时电机功率，kW； 以速度v行驶距离S的时间，h； 行驶距离，km。 电池的额定容量Q满足以下公式： （3.13）式中： 电池额定容量，Ah； 电池电压，V，取300V； 求得Q=50Ah。 则电池的具体参数表如下：表3.5 电池参数表电池类型镍氢电池额定容量50Ah额定电压 300 V额定能量15kWh3.1.4 驱动系统传动比计算并联混合动力汽车动力驱动系统方案设计的传动比包括主减速器传动比的确定和变速器档位的确定。汽车的最大爬坡度决定了其最大传动比，汽车的最快行驶速度决定了最小传动比。在汽车正常行驶过程中，要使得发电机工作在最高效的状态。查阅相关资料，设定主减速器的传动比为3.941。 1. 最高档位的传动比设计 根据汽车理论得： ig = （3.14）式中： Vmax，最高车速 km/h； r轮胎半径取0.3m； nmax 发动机最高转速rpm； i0主减速器比3.941。 据以上得知发动机的最高转速为5700rpm，最高车速为220km/h，因此变速箱高档传动比为：0.91。 2. 一档档位传动比设计 据汽车理论得知： (3.15)式中： -变速箱的一档传动比； -汽车的重量（13500N）； f-汽车和路面的滚动摩擦系数（0.0144）； -汽车所要达到的最大爬坡度，取0.3%； r-轮胎半径（0.3m）； -发动机的最大扭矩（160Nm）； -主减速比（3.941）； -从发动机到车轮的传动效率，取90%。 通过3.15计算得知一档传动比为3.455。其他档位传动比在3.455和0.91之间匹配，这里不详细计算。综上，最高档传动比为0.91，一档传动比为3.455。第四章 动力耦合器设计4.1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。4.1.1 行星排齿数的选择1、传动条件9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；最大传动比为图3.1所示制动器1制动，数值为； 根据行星齿轮的基本公式： 制动器2制动时，传动比最小，数值为，此时： 联立以上方程解得：； （3-1）制动器1制动时，传动比最大，此时： 联立以上方程解得： (3-2)若=，则=1/，=。本系统选取结构参数一致，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，本行星齿轮式无级动力混合机构的速比范围是1/-。 2、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, (3-3) sin （3-4）式中:、分别为行星轮j的齿顶圆半径和直径； 行星轮的个数； t、j齿轮啮合副的中心距； 相临两个行星轮中心之间的距离。3、同心条件如果是渐开线圆柱齿轮传动时需要讨论同心条件，同心条件就是由中心轮t与行星轮j的所有啮合齿轮副的实际中心距必须与主轴线相重合。= （3-5）对于角度变位啮合齿轮副的中心距为=由中心距=，则变位后的同心条件为4、结构参数根据第2章的传动系统调速特性所得出的行星齿轮排的结构参数，即=2.15，=2.15，=2.46。5、行星齿轮的配齿 由1、2、3、4、5等条件配得行星机构各齿轮的齿数为： 主传动输入行星排：=22，=48，=13 ，4个行星轮,传动比2.15；主传动输出行星排：=32，=70，=19，4个行星轮,传动比2.15；控制轴输入行星排：=46，=98，=26，4个行星轮,传动比2.15；控制轴输出行星排:=52，=124，=36，4个行星轮,传动比2.46。4.1.2 齿轮的主要参数选择初算模数 （3-6） 式中，K载荷系数， 初选1.5；齿轮受到的转矩；由附表可以得出各行星轮所受的最大扭矩为：表3.1 各行星排行星轮所受的最大扭矩前行星排行星轮440/3000r/minK前行星排行星轮98.57/1013 r/min后行星排行星轮140/3000r/minK后行星排行星轮67.28/1013 r/min重合度系数=0.7；螺旋角系数=0.86；齿形系数；取作2.5；应力修正系数，取作1.6； 许用应力，= KFN YST/ SF其中，为大小齿轮的弯曲疲劳强度极限,查机械设计45中图6.9得= =500MPa； KFN1、 KFN2为弯曲疲劳强度，查机械设计45中图6.6得KFN1 = KFN2=0.85； SF为弯曲疲劳安全系数，取SF =1.4；YST为应力修正系数，取YST =2。所以， =607.142871MPa。1、主传动轴行星齿轮模数的选择（1）输入行星排：试算齿轮模数=1.79mm：计算圆周速度=2.98m/s：计算载荷系数 =1.98式中，KA查机械设计45中表6.2得，KA =1. 5；KV根据v=6.97 m/s，精度7级查机械设计45中图6.10得KV =1.05；斜齿轮传动，=1.2；查机械设计45中图6.13得，=1.05；：校正并确定模数=1.96则取=2mm齿轮模数=2mm ；齿轮压力角=20；分度圆柱的螺旋角=20；齿顶高系数ha*=1；顶隙系数C*=0.25。由于采用斜齿轮，因此：端面模数=2.13 端面压力角=）=21.5法面齿距=2端面齿距=2.13齿顶高=2mm齿根高=2.5mm分度圆直径d： =46.86mm =103.04mm =27.69mm 齿宽b： 27mm =28mm =33mm（2）输出行星排：试算齿轮模数=1.59mm：计算圆周速度=5.05m/s：计算载荷系数 =2.17式中，KA查机械设计43中表6.2得，KA =1. 5；KV根据v=6.97 m/s，精度7级查机械设计45中图6.10得KV =1.15；斜齿轮传动，=1.2；查机械设计45中图6.13得，=1.05；：校正并确定模数=1.79则取=2mm齿轮模数=2mm ；齿轮压力角=20；分度圆柱的螺旋角=20；齿顶高系数ha*=1；顶隙系数C*=0.25。由于采用斜齿轮，因此：端面模数=2.13 端面压力角=）=21.5法面齿距=2端面齿距=2.13齿顶高=2mm齿根高=2.5mm分度圆直径d： =68.16mm =149.1mm =40.47mm 齿宽b： 40mm =43mm =45mm2、控制传动轴行星齿轮模数的选择（1）控制输入行星排：试算齿轮模数=0.83mm：计算圆周速度=0.61m/s：计算载荷系数 =1.13式中，KA查机械设计45中表6.2得，KA =1. 5；KV根据v=6.97 m/s，精度7级查机械设计45中图6.10得KV =0.6；斜齿轮传动，=1.2；查机械设计45中图6.13得，=1.05；：校正并确定模数=0.76则取=1mm齿轮模数=1mm ；齿轮压力角=20；分度圆柱的螺旋角=20；齿顶高系数ha*=1；顶隙系数C*=0.25。由于采用斜齿轮，因此：端面模数=1.1 端面压力角=）=21.5法面齿距=2端面齿距=2.13齿顶高=1mm齿根高=1.25mm分度圆直径d： =48.98mm =104.36mm =27.89mm 齿宽b： 28mm =30mm =33mm（2）控制输出行星排：试算齿轮模数=0.95mm：计算圆周速度=0.97m/s：计算载荷系数 =1.89式中，KA查机械设计45中表6.2得，KA =1. 5；KV根据v=6.97 m/s，精度7级查机械设计45中图6.10得KV =1；斜齿轮传动，=1.2；查机械设计45中图6.13得，=1.05；：校正并确定模数=0.99mm则取=1mm齿轮模数=1mm ；齿轮压力角=20；分度圆柱的螺旋角=20；齿顶高系数ha*=1；顶隙系数C*=0.25。由于采用斜齿轮，因此：端面模数=1.1 端面压力角=）=21.5法面齿距=2端面齿距=2.13齿顶高=1mm齿根高=1.25mm中心距j-t： =33.01mm分度圆直径d： =55.38mm =132.06mm =38.34mm 齿宽b： 38mm =40mm =43mm4.2 齿轮传动强度的校核计算作为中间齿轮的行星轮j在行星齿轮传动中总是承受双向弯曲载荷。因此，行星轮j易出现轮齿疲劳折断。必须指出：在行星传动中的轮齿折断具有很大的破坏性。如果行星轮j中的某个轮齿折断，其碎块掉落在内齿轮q的轮齿上，当行星轮j与轮q相啮合时使得q-j啮合传动卡死，从而产生超载现象而烧毁电机，或使整个行星减速器全部损坏。所以，在设计行星齿轮传动时，合理地提高轮齿的弯曲强度，增加其工作的可靠性是非常重要的。另外由于控制传动轴所承受的扭矩较小，主传动轴承受的扭矩较大，因此主要校核主传动轴的两个行星排的行星轮。轮齿的强度计算：1齿根弯曲强度计算：应用材料力学弯曲强度公式 进行计算。数学模型：将轮齿看成悬臂梁，对齿根进行计算，针对齿根折断失效。2轮齿表面接触疲劳计算。由赫兹公式进行计算。将一对相互啮合的齿看成两个圆柱体，针对齿面点蚀失效。4.2.1 齿轮传动的受力分析齿轮的螺旋角；法面压力角=20；端面压力角=20.5。因此，切向力 （3-7）径向力 （3-8）法向力 （3-9）轴向力 （3-10）式中： T啮合齿轮副中小齿轮传递的转矩，N.m；斜齿轮分度圆上的螺旋角（）；d1小齿轮分度圆直径，mm；分度圆压力角，通常=20。表3.2 各行星排行星轮受力情况表行星轮力 前行星排行星轮后行星排行星轮K前行星排行星轮K前行星排行星轮切向力31780690370683510径向力11877258026411312法向力34711754077203834轴向力7377158816268074.2.2 齿面接触强度校核计算1、齿面接触应力 (3-11) （3-12）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；螺旋角系数，取=0.97；材料系数，查机械设计45中表6.3得=189.8。2、许用接触应力= KFN1/ SH （3-13）式中： 按齿面硬度查机械设计45中图6.8得=1700MPa；KFN1、 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 =（+）/2=1530 MPa3齿面接触强度条件计算得出： 表3.3 各行星排齿面接触强度校核计算 （单位：MPa）前行星排后行星排K前行星排K后行星排968250415195701216322173校核合格合格合格合格4.3 齿根弯曲强度的校核计算4.3.1 齿根应力 （3-14） 式中：K载荷系数,具体数值见前面疲劳强度的校核计算；齿轮所受到的扭矩；齿形系数；应力修正系数；齿宽系数；齿轮齿数；齿轮模数； 表3.3 各行星排齿面齿根应力 （单位：MPa）太阳轮内齿圈行星轮前行星排780188.5604后行星排791551K前行星排17836136K后行星排15626784.3.2 许用齿根应力应对大、小齿轮的分别确定 （3-15）式中：试验齿轮的齿根弯曲疲劳极限,因为齿轮材料为20CrMnTi调质后处理后表面渗碳，而且质量要求为中级，因此查机械设计45表6.9，取500MPa；YST试验齿轮的应力修正系数，取为2.0；弯曲疲劳寿命安全系数，由于应力循环次数一般都在108 109，因此查机械设计45表6.7，取=0.95;计算弯曲强度的最小安全系数,取为1.4。计算可得，=678MPa。4.3.3 齿根弯曲强度条件 ，符合条件。4.4 传动轴的设计传动轴应该满足强度和刚度的要求，由于汽车传动系的要求较高，为确保轴上的零件正常工作，传动轴的变形（扭转、弯曲）应小。通常，轴的刚度能满足要求时强度也能满足要求，即只要计算轴的刚度，不必验算其强度。先根据扭转刚度估算轴的直径，再根据受力情况、结构尺寸验算轴的刚度。4.4.1 传动轴的直径d的估算 （3-16）式中：Tmax 轴上受到的最大扭矩；根据第二章采取的理论计算结果，可以的出主传动轴的最大扭矩为139.68，控制传动轴的最大扭矩为74.04；G切变模量，钢材的G值约为80Mpa；为轴限定的最大允许扭转角，一般传动轴每米长度允许的扭转角为0.5。1。计算可得， 12.6mm；11.8mm。对计算出的d进行适当修正，取主传动轴最小直径=13mm，=12mm。4.4.2 传动轴的刚度校核由于轴的两端承载轴的部件的重力，因此会受到弯曲转矩的作用，但是由于这一作用较小，因此对于轴的校核主要针对于轴的扭转刚度校核计算。由于是阶梯轴，因此校核计算采用下式： （3-17）式中：T轴所受的扭矩，Nmm； G轴的材料的剪切弹性模量，MPa,对于钢材，G=80MPa； Ip轴截面的极惯性矩，mm4,对于圆轴，Ip=pd4/32；L阶梯轴受扭矩作用的长度，mm； Ti、li、Ipi分别代表阶梯轴第i段上所受的扭矩、长度和极惯性矩，单位同前； z阶梯轴受扭矩作用的轴段数。 计算可得，=0.32。 =0.24。 轴的扭转刚度条件为 jj ，符合条件。总 结 本论文围绕并联混合动力汽车动力驱动系统方案设计，从混合动力汽车的发展史出发，介绍国内外混动汽车研究现状，给出混合动力电动汽车的概念，即由两种或者两种以上的能源转换装置。从我接到毕业设计起，自己心里面都在打鼓，现在是验证自己在大学期间学习内容的时候。从设计最初的构思到论文的逐步成型，从零件图的绘制到零件的三维模型的建立，让自己在制作过程中将学习到的内容更加的深入的了解。也让自己明白了自己的不足之处。参 考 文 献1 王望予.汽车设计M.4版.北京：机械工业出版社，2011.2 田春荣.2015年中国石油进出口状况分析J.国际石油经济，2016.3 欧阳明高.我国节能与新能源汽车发展战略与对策J.汽车工程，2006, (04)