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毕业设计说明书 设计说明书PHEV汽车传动系统设计学生姓名： 学号： 学 院： 专 业： 指导教师： 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核心部件进行参数匹配，探讨并联混合动力汽车动力传动系统的方案设计，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参数匹配。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，传动系统，方案设计，燃油经济性，设计计算Abstract This paper background and significance to the development of hybrid cars has carried on the summary, expounds the situation of development of hybrid electric vehicles at home and abroad and our country the necessity of the development of hybrid, by comparing several different drive mode and structure of the advantages and disadvantages of the selected dynamic drive scheme.Secondly combining the raw data and existing similar models, parameters matching to the core of the power system components.Finally in the MATLAB environment based on ADVISOR software, on the selected drive system simulation.Selected ten American city cycle condition, the simulation study, the results show that the fuel consumption was reduced by 12%, compared to a traditional car, effectively improve the fuel economy to achieve the goal of energy conservation and emissions reduction, proves the rationality of the design.Keywords: Hybrid Power, Transmission system, the project design，Fuel Economy, Simulation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PHEV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 PHEV汽车的驱动系统分类31.3.1 串联式PHEV汽车41.3.2 并联式PHEV汽车41.3.3 混联式PHEV汽车51.3.4 各种传动系统的比较。61.4 PHEV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 PHEV汽车传动系统的总体设计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 PHEV汽车传动系统主要部件的设计143.1 总成部件的参数匹配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 传动系统传动比计算223.1.5 分动箱参数设计233.2 传动系统参数的匹配25第四章 PHEV汽车主减速器的设计与计算264.1 主从动锥齿轮齿数的选择264.2 从动锥齿轮节圆直径及端面模数的计算264.3 主从动锥齿轮的齿面宽度计算264.4 齿轮的偏移方向的选择和偏移距计算264.5 螺旋角的选择264.6 法向压力角的选择274.7 主减速器双曲面齿轮的强度计算及校核274.7.1 单位齿长圆周力的计算274.7.2双曲面锥齿轮轮齿弯曲强度校核284.7.3 轮齿接触强度校核29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传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传动系统的特点，根据目标车辆的使用需求以及道路行驶状况，制定最优的传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传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传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传动系统方案研究，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PHEV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。在传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，在分动箱耦合装置的作用下，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 PHEV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传动系统存在一定的差异，根据传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PHEV汽车 串联式动力传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PHEV汽车并联式动力传动系统结构如图1.2所示，与串联式动力传动系统相比，该传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PHEV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传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 各种传动系统的比较。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传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 PHEV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. 合理的动力传动系统匹配：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，动力传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传动系统方案的设计，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，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，选取合适的控制策略，并结合仿真软件进行仿真，完成并联混合动力汽车核心部件的参数匹配。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。1.6 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PHEV汽车的主要参数。（2）充分考虑已有PHEV汽车的优缺点来确定PHEV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PHEV汽车进行修改和优化，最终设计出能满足要求的PHEV汽车传动系统。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PHEV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PHEV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 PHEV汽车传动系统的总体设计 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，也就是分动箱。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传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 PHEV汽车传动系统主要部件的设计 3.1 总成部件的参数匹配结合原始数据，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 混动汽车设计要求设计要求项目限定条件动力性直线行驶最高车速180km/h百公里的加速时间15s最大爬坡度30%3.1.1 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0.0144； 空气阻力系数，取0.3； 汽车迎风面积1.9m2； 汽车半载时的质量，1600kg。 代入最高车速 Vmax=180km/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）式中：Pmax2为发动机最大功率kW； 传动效率，对于采用单级主减速器的4*2汽车取90%； -旋转质量换算系数，1.05； -汽车半载时的质量，1600kg； -重力加速度，取9.8m/s2； -滚动阻力系数，取0.0144； -空气阻力系数，取0.3； -汽车迎风面积1.9m2； -加速时间12.6s时的速度100km/h。 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）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%； -汽车满载质量，1850kg； -重力加速度，取9.8m/s2； -滚动阻力系数，取0.0144； -汽车爬坡度，取30%； -空气阻力系数，取0.3； -汽车迎风面积1.9m2。 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额定功率53kW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为汽车半载时的质量，取1600kg； 代入最高车速 Vmax=180km/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%； -汽车满载质量，1850kg； -重力加速度，取9.8m/s2； -滚动阻力系数，取0.0144； -汽车爬坡度，取为30%； -空气阻力系数，取0.3； -汽车迎风面积1.9m2。 将以上数据代入公式可得：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180km/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180km/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 传动系统传动比计算并联混合动力汽车动力传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180km/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。3.1.5 分动箱参数设计前文提到的利用分动箱实现驱动力耦合一共有三种方式，分别是扭矩耦合式、牵引力耦合式以及转速耦合式，其中牵引力耦合式的两个动力源分别驱动前桥和后桥，可以实现两轮驱动和四轮驱动，如果使用这种耦合方式，当利用发动机带动电动机反转为蓄电池充电时，需要外加一根驱动轴，那么在结构布置上就可能会增加整车的尺寸和质量，所以会增加结构的复杂程度。另外，如果使用转速耦合式的耦合装置，这就会涉及行星齿轮和太阳轮的设计，与扭矩耦合式相比，这种方式复杂，不如后者简单耐用，易维护和保养。扭矩耦合式在设计上简单，在发动机的输出轴连接离合器，用于中断动力，电动机的介入通过设定好的指令来控制，这样就可以分别控制两个动力源的介入时机，从而实现三种驱动模式。所以，综合以上，选定扭矩耦合式的耦合装置。结构简图如图3.1。A代表离合器，B代表发动机，C代表电动机。图 3.1 扭矩耦合式分动箱简图 1. 驱动模式分析 （1）发动机单独驱动。离合器结合，电动机驱动系统断开连接，此时只有发动机输出动力。 （2）电动机单独驱动。离合器松开，控制系统使得电动机工作从而输出动力，实现纯电动行驶。 （3）混合驱动。离合器结合，电动机驱动力介入，实现混动驱动模式。 此外，在发动机单独驱动模式下，当发动机的功率大于整车所需要的功率时，通过齿轮传动带动电动机反转，从而实现为蓄电池充电。 2. 齿轮传动比分析首先分析发动机传动齿轮和和输出轴齿轮的传动比。如果没有电动机，这是一辆传统的燃油汽车，那么发动机转速经过变速箱和传动轴直接到达驱动桥的减速器，也就是在变速箱和减速器之间轴的转速不变，所以这里设计传动比为1:1。其次，电动机介入动力的时机是原地静止起步，爬坡以及加速超车，这些情况下需要较大的扭矩，但是由于电动机最高功率的转速区间都比较高，所以需要降低电动机的输出转速，不妨设定电动机输出轴齿轮和输出轴齿轮的齿数比为1:2，这样就能起到减速增扭的作用。 3. 轴承的选定分动箱水平放置，用于固定传动轴的轴承主要承受径向载荷，查阅机械设计课本，选用深沟球轴承。 4.齿轮参数的设计 直齿轮相对于斜齿轮制造简单成本低而且应用广泛，所以选用直齿轮传动。查阅机械设计课本，选用齿轮的模数4，发动机输出轴齿轮和电动机输出轴齿轮的齿数分别为40和20，输出轴齿轮的齿数为40，压力角20，齿宽30mm。所以，两个大齿轮的中心距为160mm，另一个中心距为120mm。3.2 传动系统参数的匹配 通过上述对汽车各参数的设计以及匹配，将混合动力汽车的整体参数设计为如下。表3.6 混动汽车基本参数表技术项目数值技术项目数值整备质量1350kg最大转矩转速3800rpm排量1398ml轮胎规格175/70R14长*宽*高4487*1700*1470(mm3变速箱五档手动发动机最大功率65kW轮胎滚动半径300mm发动机最大功率转速5500rpm滚动阻力系数0.0144最高车速180km/h空气阻力系数0.3续表3.6 混动汽车基本参数表迎风面积1.9m2电动机峰值功率/峰值扭矩61.05kW/130.5Nm电动机最高转速9000rpm电动机电压300V额定电压300V额定能量15kWh电池额定容量50Ah电池类型镍氢电池分动箱齿轮类型直齿轮齿轮模数4压力角20齿宽30mm轴承类型深沟球轴承第四章 PHEV汽车主减速器的设计与计算4.1 主从动锥齿轮齿数的选择为了保证磨合均匀，主、从动锥齿轮的齿数应避免出现公约数，对于商用车, 一般不小于6。本次设计取7，根据主减速比取41。4.2 从动锥齿轮节圆直径及端面模数的计算节圆直径可以根据经验公式确定， （4.1）式中：从动齿轮大端分度圆直径（mm） 直径系数，一般为13.015.3 从动齿轮的计算转矩（Nm），=9128Nm将数据代入公式（4.4）得=（272320 ）mm初选则=7.32 根据 （4.2）校核=（0.30.4）=（6.278.36）， 所以取值满足条件。4.3 主从动锥齿轮的齿面宽度计算对于汽车工业，主减速器从动锥齿轮齿宽 =0.155 （4.3） 将数据代入公式（4.3）得=46.5 mm， =51.1 mm4.4 齿轮的偏移方向的选择和偏移距计算对于轿车、轻型载货汽车来说，一般情况下，偏移距=60mm，E选择45mm，双曲面齿轮的螺旋方向为：主动锥齿轮左旋、从动锥齿轮右旋。主动锥齿轮在从动锥齿轮中心线下方。4.5 螺旋角的选择由于主动锥齿轮与从动锥齿轮为双曲面齿轮，所以二者的螺旋角并不是一样的，且主动锥齿轮的螺旋角大于从动锥齿轮，本次设计初选主动锥齿轮螺旋角50，从动锥齿轮螺旋角30。4.6 法向压力角的选择压力角的选择与轮齿的强度有关，压力角越大，轮齿的强度越高。并且能减少齿轮不产生根切的最小齿数。载货汽车一般选用22.5的压力角。4.7 主减速器双曲面齿轮的强度计算及校核4.7.1 单位齿长圆周力的计算主减速器锥齿轮的表面耐磨性，常用齿轮上的单位齿长圆周力来计算，即= （4.4）式中：轮齿上的单位齿长圆周力（N/mm） 作用在轮齿上的圆周力（N） 从动齿轮齿面宽（mm）1）按发动机最大转矩计算时= （4.5） 式中：变速器传动比 主动锥齿轮中点分度圆直径，由前面表中数据计算得mm（1）当变速器挂第一挡时，=5.557 =10=1251.05 N/mm（2）当变速器挂直接挡时，=1，=10=225.13 N/mm2）按驱动轮打滑的转矩计算时=10 （4.6）式中：满载状态下驱动桥上的静载荷，N最大加速度时后轴负荷转移系数，商用车=1.11.2，取1.1将数据带入（4.9）得=10=1414.69N/mm许用单位齿长的圆周力见表4.2。在现代汽车设计中，由于材质和加工工艺的提高，单位齿长上的圆周力有时高出表中所列数值2025。表4.1单位齿长的圆周力汽车类别按发动机最大转矩计算时/Nmm按驱动轮打滑转矩计算时/Nmm轮胎与地面的附着系数一挡直接挡轿车8933218930.85货车142925014290.85大客车9822140.85牵引车5362500.85对于货车而言，挂一挡时单位齿长圆周力许用值P=1429 N/mm；挂直接挡时单位齿长圆周力许用值P=250 N/mm；按驱动轮打滑转矩计算时P=1429 N/mm。对照后发现本次设计满足许用值。4.7.2双曲面锥齿轮轮齿弯曲强度校核 汽车主减速器双曲面齿轮的计算弯曲应力为 =10 （4.7）式中：锥齿轮轮齿的齿根弯曲应力（N/mm）计算齿轮的计算转矩(Nm)，当按=min 计算时，对于主动锥齿轮= /=9128/5.83=1565.69Nm，从动锥齿轮=9128Nm，当按计算时，主动锥齿轮=/=1418/5.83=243.22 Nm，从动锥齿轮=1418Nm过载系数，一般=1 d该齿轮大端分度圆直径，从动锥齿轮大端直径=300mm，主动锥齿轮大端直径=+ sin=29.34512+51.1sin10.89=68.34mm是端面模数（mm），从动锥齿轮端面模数=7.32mm，主动锥齿轮端面模数=/=68.34/7=9.76mm齿根弯曲强度和齿面接触强度的尺寸系数，它反映了材料性质的不均匀性，与齿轮尺寸及热处理等因素有关。当1.6 mm时，=（/25.4）；当1.6 mm时，=0.5，=9.76mm，则=（9.76/25.4）=0.787，=7.32mm，则=（7.32/25.4）=0.733轴核分配系数：对于悬臂式结构 =1.11.25。取=1.1质量系数，当齿轮接触良好，齿距及径向跳动精度高时，=1b计算齿轮的齿面宽度，主动锥齿轮齿面宽度=51.1mm，从动锥齿轮齿面宽=46.5mm所计算齿轮的轮齿弯曲应力综合系数, =22.5(小齿轮)=0.35，(大齿轮)=0.293（查文献 1183页）按=min 计算时，弯曲应力不应超过700 N/mm, 按=计算的弯曲应力不应超过210.9 N/mm。1）对于主动锥齿轮来说 （1）按驱动轮打滑计算，对于主动锥齿轮，代入数值得 =10=302.99MPa700 MPa （2）按汽车日常行驶当量计算 =10=47.07 MPa 210 MPa2）对于从动锥齿轮来说 （1）按驱动轮打滑计算，对于从动锥齿轮 =10=491.98MPa 700 MPa （2）按汽车日常行驶当量计算 =10=76.43MPa 210 MPa所以齿轮轮齿满足弯曲强度。4.7.3 轮齿接触强度校核因为主、从动锥齿轮的齿面接触应力相等，所以只需求得一个齿轮上应力就可以，锥齿轮轮齿的齿面接触应力为= (4.8)式中：锥齿轮轮齿的齿面接触应力（MPa）主动锥齿轮大端分度圆直径（mm），=68.34mm取和中的较小者（mm），b=46.5mm尺寸系数，它考虑了齿轮尺寸对淬透性的影响，通常=1.0 齿面品质系数，它取决于齿面的表面粗糙度及表面覆盖层的性质（如镀铜，磷化处理等），对于制造精确的齿轮，=1.0综合弹性系数，钢对钢齿轮，=232.6N/mm主动锥齿轮计算转矩，当按=min 计算时= / =9128/5.83=1565.69Nm，当按计算时，=/=1418/5.83=243.22 Nm齿面接触强度的综合系数，取=0.21（取值来自于参考文献查文献 1189页）按=min 计算的最大接触应力不应超过2800 MPa, 按=计算的疲劳接触应力不应超过1750 MPa。（1）锥齿轮按=计算时=1927.38MPa=2800 MPa，符合要求。（2）锥齿轮按=计算时=759.65MPa=1750 MPa，符合要求。所以主减速器双曲面齿轮轮齿满足接触强度。总 结 本论文围绕并联混合动力汽车动力传动系统方案设计，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。在论文的书写过程中，从零部件的材料选择，到零件的尺寸设计，到零件的最终确定，自己都是进行逐一的分析，这段时间内也是长时间泡在图书馆，不断地去查找相关的资料，不断的学习，吸收新的知识，对论文的修改也是一次一次的进行。很多时候，遇到自己不懂不明白的地方，往往都在一瞬间想放弃的时候，还是被自己一次次的说服，想着不能就这么就放弃，这样，让自己一步步的坚持下来了。看着自己完成的论文，图纸，犹如自己的荣誉一般，很开心自己在这段时间的付出是有成绩的。在这段时间内，我不断的与我的指导老师对接相关内容，很多的计算，图纸的绘制，自己都是不懂得，或者十不完善的，是我的指导老师不断的对其进行启发，不断的进行指导，很多时候他不是点对点的对问题进行指导，而是从大面上对我的设计进行分析，进而一步一步的进行牵引，不断的给自己一些启发，让我自己能够理解或者明白自己哪方面做的不对。在这一方面我就特别的佩服我的指导老师，他让我的思维不在进行固化，让我的思维形成发散式，往往能够很好的抓住自己的问题，这在以后的生活中，学习中也是一项很好的技能，也能给自己带来意想不到的收获。现在，毕业设计这一份大学学习内容的试题我已经通过自己的不谢努力完成了，在以后的生活中，工作中会不断的遇到这个那个的试卷，需要我们不断的去面对，去解决，这样就需要我们在面对这些事情的时候，不畏艰难，勇与寻找突破口，不在出现逃避问题的想法，这样将是自己在人生中的一项重大的成就。很多时候，往往自己在人生的十字路口不知道该如何的抉择，这个时候就需要那个给你指导迷津的人，在大学这个小社会里面，同学，朋友，老师都是那个给予一点亮光带你走出困境的人。在以后的人生中我们往往要怀着感恩的心去面对他们，给予自己最真诚的帮助。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) :317321.4
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