混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)【含CAD圖紙和說明書】

混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)【含CAD圖紙和說明書】,含CAD圖紙和說明書,混合,動(dòng)力,汽車,傳動(dòng)系統(tǒng),設(shè)計(jì),驅(qū)動(dòng),系統(tǒng),cad,圖紙,以及,說明書,仿單 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 設(shè)計(jì)說明書 PHEV汽車傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 學(xué) 院： 專 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 摘 要 隨著時(shí)代的發(fā)展，汽車已成為了家庭中的必需品。但是由此帶來的環(huán)境污染和能源壓力必須引起人們的重視。近年來，各國開始重視混合動(dòng)力汽車的開發(fā)，以此來降低能源短缺帶來的壓力。本文對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)力汽車的核心部件進(jìn)行參數(shù)匹配，探討并聯(lián)混合動(dòng)力汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，選取美國城市循環(huán)工況，仿真研究整車的排放特性與燃油經(jīng)濟(jì)性，以驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)的可行性。 文章首先對(duì)混合動(dòng)力汽車的發(fā)展背景和和意義進(jìn)行了概括，論述國內(nèi)外混合動(dòng)力汽車發(fā)展的狀況以及我國發(fā)展混合動(dòng)力的必要性，通過對(duì)比幾種不同驅(qū)動(dòng)模式及結(jié)構(gòu)特性的優(yōu)缺點(diǎn)選定動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方案。其次結(jié)合原始數(shù)據(jù)和現(xiàn)有的相似車型，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的核心部件進(jìn)行參數(shù)匹配。最后同時(shí)設(shè)計(jì)計(jì)算完成設(shè)計(jì)說明書及二維圖紙的編寫與繪制，完成整個(gè)設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力，傳動(dòng)系統(tǒng)，方案設(shè)計(jì)，燃油經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計(jì)計(jì)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，F(xiàn)uel Economy, Simulation 目 錄 摘 要 II Abstract III 第一章 緒 論 1 1.1 課題研究的背景及意義 1 1.2 國內(nèi)外PHEV的發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.2.1國外發(fā)展?fàn)顩r 2 1.2.2 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r 3 1.3 PHEV汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分類 3 1.3.1 串聯(lián)式PHEV汽車 4 1.3.2 并聯(lián)式PHEV汽車 4 1.3.3 混聯(lián)式PHEV汽車 5 1.3.4 各種傳動(dòng)系統(tǒng)的比較。 6 1.4 PHEV汽車的傳動(dòng)工作原理 7 1.5 論文的主要研究內(nèi)容 7 1.6 研究的方法及技術(shù)路線 8 1.6.1研究方法 8 1.6.2研究技術(shù)路線 8 第二章 PHEV汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 9 2.1 耦合形式的確定 9 2.1.1 單軸式扭矩耦合傳動(dòng) 9 2.1.2 雙軸式扭矩耦合傳動(dòng) 10 2.2 傳動(dòng)的確定 11 2.3 轉(zhuǎn)速的匹配 12 2.4 傳動(dòng)方案的選定 14 第三章 PHEV汽車傳動(dòng)系統(tǒng)主要部件的設(shè)計(jì) 14 3.1 總成部件的參數(shù)匹配 14 3.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì) 15 3.1.2 電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì) 17 3.1.3 電池參數(shù)設(shè)計(jì) 21 3.1.4 傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比計(jì)算 22 3.1.5 分動(dòng)箱參數(shù)設(shè)計(jì) 23 3.2 傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的匹配 25 第四章 PHEV汽車主減速器的設(shè)計(jì)與計(jì)算 26 4.1 主從動(dòng)錐齒輪齒數(shù)的選擇 26 4.2 從動(dòng)錐齒輪節(jié)圓直徑及端面模數(shù)的計(jì)算 26 4.3 主從動(dòng)錐齒輪的齒面寬度計(jì)算 26 4.4 齒輪的偏移方向的選擇和偏移距計(jì)算 26 4.5 螺旋角的選擇 26 4.6 法向壓力角的選擇 27 4.7 主減速器雙曲面齒輪的強(qiáng)度計(jì)算及校核 27 4.7.1 單位齒長圓周力的計(jì)算 27 4.7.2雙曲面錐齒輪輪齒彎曲強(qiáng)度校核 28 4.7.3 輪齒接觸強(qiáng)度校核 29 總 結(jié) 30 參 考 文 獻(xiàn) 32 III 第一章 緒 論 1.1 課題研究的背景及意義 汽車的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)十分漫長的過程，它承載著人類科技?jí)粝?，凝結(jié)著人類 的智慧。從近代工業(yè)起步到發(fā)展到現(xiàn)在的水平，汽車行業(yè)始終能夠保持強(qiáng)大的活力并占有一定的市場(chǎng)份額，這其中與科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步還有市場(chǎng)需求的提高息息相關(guān)，這就使得汽車的質(zhì)量有了質(zhì)的飛躍，從最開始的運(yùn)輸功能到現(xiàn)在家居必備，不斷滿足著人們的使用需求[1]。汽車的普及程度和技術(shù)水平甚至成為一個(gè)國家或地區(qū)現(xiàn)代化程度的標(biāo)志，但是，汽車給人類帶來便利同時(shí)，隨之而來的還有嚴(yán)重的能源和環(huán)境問題。2015年，中國包括原油、成品油、液化石油氣（LPG）和其他產(chǎn)品在內(nèi)的石油凈進(jìn)口量高達(dá)3.443億噸，同比增幅為7.4%。石油凈進(jìn)口量占中國石油消費(fèi)量的比例（進(jìn)口依存度）由2014年的62.0% 提高到63.5%，成為了當(dāng)時(shí)的最高紀(jì)錄[2]。國際能源署發(fā)表的報(bào)告預(yù)測(cè)，從目前到2030年，全球能源需求每年的平均增長率將達(dá)到3%左右，其中中國將消耗全球供應(yīng)的20%，僅低于美國目前所占的份額。汽車在消耗巨量能源的同時(shí)也帶來了嚴(yán)重的全球環(huán)境惡化問題，在世界范圍內(nèi)，全國各大城市都面臨不同程度的汽車排放污染。從美國提供的資料可以看出，汽車尾氣排放所造成的污染占城市大氣污染量的63%，并且城市交通城市產(chǎn)生的噪聲污染占比為80%[3]。汽車行駛中所產(chǎn)生的廢氣、噪聲以及揚(yáng)起的塵土，造成了嚴(yán)重的大氣污染并且對(duì)人體的健康產(chǎn)生了嚴(yán)重的危害。 面對(duì)汽車帶來的能源和環(huán)境問題，節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)也就成為了社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。能源短缺、環(huán)境污染、氣候變暖是全球汽車產(chǎn)業(yè)所需要面對(duì)的艱巨的任務(wù)，各國政府及產(chǎn)業(yè)界紛紛提出各自的行業(yè)產(chǎn)品規(guī)劃方案，積極應(yīng)對(duì)，以保持其汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展活力和競(jìng)爭力。新能源汽車越來越受到汽車工業(yè)的重視，在21世紀(jì)的汽車工業(yè)，它已成為發(fā)展的熱點(diǎn)[4]?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車在一定程度上是純電動(dòng)汽車和傳統(tǒng)汽車合理匹配得到的結(jié)合體，它不僅僅保留著傳統(tǒng)汽車行駛里程長的優(yōu)點(diǎn)，還能夠大幅降低汽車燃油消耗和尾氣排放，一定程度上能夠緩解空氣污染問題。因此混合動(dòng)力汽車被廣大車企看好，并且得到了廣泛的商業(yè)化應(yīng)用?；旌蟿?dòng)力汽車有兩個(gè)或兩個(gè)以上的不同類型的驅(qū)動(dòng)源，比如內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)，或者內(nèi)燃機(jī)和燃料電池，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車是傳統(tǒng)汽車和純電動(dòng)汽車的合理的組合，工作模式有三種，分別是發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)或者發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)混合驅(qū)動(dòng)，這樣就可以適應(yīng)不同的行駛工況[5]。在整車性能方面，電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)是混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的核心部件，它們和其他傳動(dòng)部件構(gòu)成的傳動(dòng)系統(tǒng)直接決定了整車的底盤布置，同時(shí)也能影響整車的動(dòng)力性能和尾氣排放。由于動(dòng)力部件和傳動(dòng)部件之間的匹配以及布置結(jié)構(gòu)有著很大的不同，所以當(dāng)進(jìn)行混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的開發(fā)工作時(shí)，要結(jié)合底盤布置結(jié)構(gòu)和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，根據(jù)目標(biāo)車輛的使用需求以及道路行駛狀況，制定最優(yōu)的傳動(dòng)系統(tǒng)和選擇最佳的核心部件的匹配，從而最大化實(shí)現(xiàn)整車的動(dòng)力性能，最低化尾氣排放，這樣也會(huì)為將來的研發(fā)積累一定的經(jīng)驗(yàn)[6]。在我國，汽車行業(yè)起步晚于國外，因此對(duì)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的研發(fā)工作相對(duì)落后，對(duì)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)方案的研究遠(yuǎn)大多處于理論研究階段，遠(yuǎn)未達(dá)到投放市場(chǎng)的商用程度，所以，與國外的混動(dòng)技術(shù)相比，我國的技術(shù)水平存在的相當(dāng)?shù)牟罹唷Ｄ壳俺Ｒ姷牟⒙?lián)混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速耦合式、轉(zhuǎn)矩耦合式，變速箱分前置和后置，按照電動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的布置，有單軸式和雙軸式。其中在這些傳動(dòng)方案中[7]最常見的是雙軸式轉(zhuǎn)速耦合式。顯然，鑒于我國的混動(dòng)技術(shù)，為了促進(jìn)我國混合動(dòng)力汽車的產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展和進(jìn)步，開展混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)方案研究，提高和掌握混合動(dòng)力汽車關(guān)鍵技術(shù)，從而使我國也具有自主研發(fā)能力，縮小和國外的差距，具有十分重要的意義[8]。 1.2 國內(nèi)外PHEV的發(fā)展現(xiàn)狀 1.2.1國外發(fā)展?fàn)顩r 在19世紀(jì)初期，英國和法國有人曾經(jīng)對(duì)電動(dòng)車有過研究，到1881年在法國巴黎街上出現(xiàn)了世界上第一輛電動(dòng)汽車。1899年美國生產(chǎn)的電動(dòng)汽車約占所有生產(chǎn)的車輛總數(shù)的63%，在之后的15年，美國電動(dòng)汽車的最高的年產(chǎn)量已達(dá)到了5000輛。后來一段時(shí)間，由于科學(xué)技術(shù)尤其是蓄電池技術(shù)的發(fā)展達(dá)到了瓶頸，加之全世界范圍內(nèi)大量油田的發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的燃油汽車在商業(yè)上取得了絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。就目前的電動(dòng)汽車的技術(shù)而言，美國和日本占據(jù)主導(dǎo)地位，在歐洲法國英國等國也開展了對(duì)電動(dòng)汽車的研究和開發(fā)[4]。在1997年日本豐田發(fā)布了Prius混合動(dòng)力電動(dòng)轎車[9]，該車在2006年進(jìn)入中國市場(chǎng)。2008年以來，石油價(jià)格的持續(xù)高漲進(jìn)一步促進(jìn)了政府、學(xué)校和廠商對(duì)混合動(dòng)力技術(shù)的重視。在過去的幾屆國際車展中，混合動(dòng)力汽車已經(jīng)成為車企和人們關(guān)注的焦點(diǎn)，同時(shí)，它也展示了汽車公司技術(shù)實(shí)力[10]。 1.2.2 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r 國內(nèi)新能源汽車產(chǎn)業(yè)始于21世紀(jì)初。國內(nèi)的車企中吉利、比亞迪、奇瑞等汽車公司在各種車展上亮出了自己的實(shí)力，展出的產(chǎn)品有自主研發(fā)的混合動(dòng)力汽車和燃料電池汽車[11]。在傳動(dòng)系統(tǒng)布置機(jī)構(gòu)中的并聯(lián)混動(dòng)汽車，這種布置形式它沒有獨(dú)立的發(fā)電機(jī)，在分動(dòng)箱耦合裝置的作用下，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力可以直接傳送到驅(qū)動(dòng)輪，這種驅(qū)動(dòng)力的傳遞方式跟傳統(tǒng)的汽車非常接近，也有著近似的傳動(dòng)效率，因此這種布置形式得到了廣泛的應(yīng)用[12]。目前，經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的核心部件（蓄電池、電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)）的技術(shù)越來越成熟，結(jié)合我國目前汽車行業(yè)的狀況，開展混動(dòng)汽車技術(shù)的研發(fā)，混動(dòng)汽車投入商用已經(jīng)越來越現(xiàn)實(shí)[13]。由于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車有著不同的驅(qū)動(dòng)模式，所以與傳統(tǒng)燃油汽車和純電動(dòng)汽車相比，混合動(dòng)力汽車需要一個(gè)控制系統(tǒng)，根據(jù)路況和需求來切換不同的驅(qū)動(dòng)模式，因此整車的切換驅(qū)動(dòng)模式的控制系統(tǒng)是混合動(dòng)力汽車的非常關(guān)鍵的一部分[14]。由于我國面臨的化石能源短缺問題和環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)峻，因此，非常有必要發(fā)展混動(dòng)汽車，減少化石能源的使用和尾氣排放。由此可以看出，在未來汽車行業(yè)的發(fā)展方向，混合動(dòng)力技術(shù)是研發(fā)的重點(diǎn)，并且混動(dòng)汽車會(huì)在我國得到長遠(yuǎn)的發(fā)展[15]。 1.3 PHEV汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分類 通常來說，混合動(dòng)力汽車是由兩個(gè)或者兩個(gè)以上的相互獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力的車輛，這種車輛所需要的功率由一個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)或者多個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)共同提供，既可以實(shí)現(xiàn)其中一個(gè)動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)汽車行駛，也可以共同為汽車提供驅(qū)動(dòng)力。混合動(dòng)力電動(dòng)汽車需要一個(gè)蓄電池來存儲(chǔ)電能，將電能輸送給電動(dòng)機(jī)，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為機(jī)械能?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車?yán)^承了電動(dòng)汽車的節(jié)能減排，綠色出行的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又結(jié)合了傳統(tǒng)汽車的動(dòng)力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，也解決了電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程短的缺點(diǎn)，從而改善了汽車的燃油性能和排放性能，集兩種汽車的優(yōu)點(diǎn)于一身。 不同類型的混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)存在一定的差異，根據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)的核心部件的布置方式，混合動(dòng)力汽車可以分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式，其結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)如下： 1.3.1 串聯(lián)式PHEV汽車 串聯(lián)式動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.1所示。 串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車也叫做增程式電動(dòng)汽車，與純電動(dòng)汽車相比，它是通過內(nèi)燃機(jī)做功使發(fā)電機(jī)發(fā)電，結(jié)構(gòu)上包括發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)三大部件。發(fā)動(dòng)機(jī)的作用只是用于發(fā)電，不會(huì)直接驅(qū)動(dòng)車輛行駛，電能通過發(fā)電機(jī)輸送到電動(dòng)機(jī)，然后電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生電磁力矩，驅(qū)動(dòng)車輛行駛。當(dāng)功率溢出時(shí)，發(fā)電機(jī)可以給蓄電池充電，從而延長車輛的行駛里程。在特定的路況下，車輛可以在純電動(dòng)的情況下行駛，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，車輛對(duì)外界零排放。但是由于這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在能量轉(zhuǎn)換，所以會(huì)存在一定量不可避免的能量損失。另外，由于發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)直接驅(qū)動(dòng)汽車行駛，所以可以使發(fā)動(dòng)機(jī)處在最優(yōu)工作區(qū)域做功，一定程度上提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，避免發(fā)動(dòng)機(jī)在低效率區(qū)間運(yùn)轉(zhuǎn)。 圖 1.1 串聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡圖 1.3.2 并聯(lián)式PHEV汽車 并聯(lián)式動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.2所示，與串聯(lián)式動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)相比，該傳動(dòng)系統(tǒng)可以較大的提高整車的驅(qū)動(dòng)力，因?yàn)樗鼡碛须妱?dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)兩個(gè)動(dòng)力源，在特定的情況下，兩者可以共同提供驅(qū)動(dòng)力，此外，這種系統(tǒng)上的電動(dòng)機(jī)也可以通過讓它反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的功能，給蓄電池充電。它的驅(qū)動(dòng)模式有三種。第一，純電動(dòng)行駛。比如在交通擁擠的城市道路，不需要很大的功率，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，就可以實(shí)現(xiàn)零排放行駛，同時(shí)也避免了噪聲污染。第二，發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式。當(dāng)蓄電池SOC低于設(shè)定值時(shí)，就會(huì)切斷電動(dòng)機(jī)對(duì)整車動(dòng)力的輸出，由發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，并且，當(dāng)其功率溢出時(shí)，還可以通過發(fā)電機(jī)反轉(zhuǎn)，為蓄電池充電，提高了能源的利用率。第三，兩者共同為整車提供動(dòng)力。當(dāng)汽車需要較大的功率時(shí)，蓄電池的SOC值在限定范圍內(nèi)，此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)就可以共同驅(qū)動(dòng)汽車行駛，如果內(nèi)燃機(jī)的功率有溢出，多余的功率可以用來為蓄電池充電。所以，三種驅(qū)動(dòng)模式中有兩個(gè)互不干涉獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，也就是傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。由于兩個(gè)動(dòng)力源的功率可以疊加，所以不需要較大功率的內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)，這樣以來就能一定程度節(jié)約整車造價(jià)，也可以降低整車質(zhì)量。 圖1.2 并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡圖 1.3.3 混聯(lián)式PHEV汽車 混聯(lián)式的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，它結(jié)合了串聯(lián)式和并聯(lián)式的優(yōu)點(diǎn)，既可以用串聯(lián)式的模式驅(qū)動(dòng)車輛行駛，也可以使用并聯(lián)式的驅(qū)動(dòng)模式。根據(jù)不同的行駛工況，靈活采用合適的驅(qū)動(dòng)方式，這樣，就可以提高能源利用效率，降低尾氣排放。動(dòng)力分配上面，起步或者在交通擁擠的市區(qū)，可以僅僅使用蓄電池的能量，在高速或者高功率的勻速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)作為單獨(dú)的動(dòng)力源，車輛需要較大的加速度時(shí)，就可以改變動(dòng)力輸出方式，疊加發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的輸出功率。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.3。 圖1.3 混聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡圖 所以，相比較而言混聯(lián)式混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)可以適應(yīng)更多的汽車行駛工況，無論是在城市交通道路或者在高速公路，汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性都可以得到保障。 1.3.4 各種傳動(dòng)系統(tǒng)的比較。 表1.1 不同布置形式特點(diǎn)比較 布置形式 并聯(lián)式 串聯(lián)式 混聯(lián)式 整車成本 比較低 低 比較低 結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度 比較復(fù)雜 簡單 復(fù)雜 工作模式 發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng) 電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng) 發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)混合驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)-電動(dòng)機(jī)混合驅(qū)動(dòng) 傳動(dòng)效率 比較高 比較低 比較高 動(dòng)力傳動(dòng)布置結(jié)構(gòu) 發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)通過各自的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)連接到驅(qū)動(dòng)橋，發(fā)動(dòng)機(jī)采用傳統(tǒng)的機(jī)械式連接，布置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜 核心動(dòng)力總成之間無機(jī)械式連接，在布置上相對(duì)自由，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的尺寸以及質(zhì)量比較大，常見于大型車輛 核心動(dòng)力總成的尺寸和質(zhì)量都比較小，結(jié)構(gòu)緊湊，與傳統(tǒng)的汽車的性能最接近，適用于各種類型的車輛 排放性能 比較低 低 比較低 控制系統(tǒng)難易程度 較復(fù)雜 簡單 復(fù)雜 1.4 PHEV汽車的傳動(dòng)工作原理 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車?yán)脙?nèi)燃機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、蓄電池之間的良好匹配以及合理的控制系統(tǒng)，可充分發(fā)揮傳統(tǒng)汽車和純電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)，避免了各自的缺點(diǎn)，對(duì)于當(dāng)今能源短缺和尾氣排放引起的大氣污染，混動(dòng)汽車是最具代表性的新能源汽車，也具有很重要的開發(fā)意義?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車節(jié)能減排的主要原因是： 1. 優(yōu)化了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作區(qū)間：傳統(tǒng)的汽車只有內(nèi)燃機(jī)可以輸出動(dòng)力，對(duì)于一臺(tái)確定的發(fā)動(dòng)機(jī)，其性能特點(diǎn)是固定的，然而在日常的行駛中，會(huì)有不同的路況，這樣就會(huì)形成了差異較大的發(fā)動(dòng)機(jī)功率需求，燃油經(jīng)濟(jì)性比較低?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車的電動(dòng)機(jī)可以起到輔助作用，配合合理的控制策略，就可以讓發(fā)動(dòng)機(jī)更多的在最優(yōu)工作區(qū)間提供驅(qū)動(dòng)力，從而提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。 2. 純電動(dòng)行駛：在擁擠的城市道路，傳統(tǒng)汽車在走走停停的狀態(tài)下會(huì)增加油耗和尾氣排放?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車在這種情況下會(huì)以電動(dòng)機(jī)作為唯一的動(dòng)力輸出，不但可以實(shí)現(xiàn)零排放行駛，而且降低了油耗。 3. 合理的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配：要想降低混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的尾氣排放和提高燃油經(jīng)濟(jì)性，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配起著至關(guān)重要的作用，它包括合理的選擇發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的功率，蓄電池的容量，然后選擇合理的控制策略，組成最優(yōu)的混合動(dòng)力系統(tǒng)。 4. 能量回收：傳統(tǒng)汽車能量利用率還有待提高，在制動(dòng)方面，當(dāng)汽車剎車制動(dòng)時(shí)，可以讓電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)從而給蓄電池充電，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收。這樣，與傳統(tǒng)的汽車相比較，在燃油經(jīng)濟(jì)性方面就會(huì)有一定的提高[16]。 1.5 論文的主要研究內(nèi)容 本課題結(jié)合國內(nèi)外對(duì)混合動(dòng)力汽車的研究，客觀上分析混合動(dòng)力汽車并聯(lián)傳動(dòng)各種工作模式的特點(diǎn)，開展了對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)力汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)，確定并聯(lián)式布置方案原則，以及針對(duì)并聯(lián)式結(jié)構(gòu)的工作原理和軟件設(shè)計(jì)原理的相關(guān)問題的研究。以某轎車為研究模型，對(duì)其進(jìn)行并聯(lián)方案的設(shè)計(jì)，闡述并聯(lián)結(jié)構(gòu)中各總成原件參數(shù)，選取合適的控制策略，并結(jié)合仿真軟件進(jìn)行仿真，完成并聯(lián)混合動(dòng)力汽車核心部件的參數(shù)匹配。對(duì)匹配的結(jié)果進(jìn)行分析，并驗(yàn)證經(jīng)匹配后的混合動(dòng)力汽車在保證動(dòng)力性的前提下，可以明顯的提高燃油經(jīng)濟(jì)性。 1.6 研究的方法及技術(shù)路線 1.6.1研究方法 （1）通過查閱相關(guān)資料，掌握PHEV汽車的主要參數(shù)。 （2）充分考慮已有PHEV汽車的優(yōu)缺點(diǎn)來確定PHEV汽車的總體設(shè)計(jì)方案，對(duì)現(xiàn)有裝置的不足進(jìn)行分析。 （3）對(duì)設(shè)計(jì)的PHEV汽車進(jìn)行修改和優(yōu)化，最終設(shè)計(jì)出能滿足要求的PHEV汽車傳動(dòng)系統(tǒng)。 1.6.2研究技術(shù)路線 （1）根據(jù)題目和原始數(shù)據(jù)查看相關(guān)資料，了解當(dāng)今國內(nèi)外PHEV汽車的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展前景，撰寫文獻(xiàn)綜述和開題報(bào)告。 （2）根據(jù)產(chǎn)品功能和技術(shù)要求提出多種設(shè)計(jì)方案，對(duì)各種方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，從中選擇較好的方案，再對(duì)所選擇的方案做進(jìn)一步的修改或優(yōu)化，最終確定總體設(shè)計(jì)方案。 （3）具體設(shè)計(jì)PHEV汽車的驅(qū)動(dòng)裝置、工作裝置等。 （4）對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)中的重要零件進(jìn)行校核計(jì)算，如齒輪、軸、軸承等，保證設(shè)計(jì)的合理性和可行性。； （5）繪制零件圖、裝配圖，完成要求的圖紙量； （6）整理各項(xiàng)設(shè)計(jì)資料，撰寫論文。  第二章 PHEV汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 要使發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力輸送到驅(qū)動(dòng)軸，需要一套驅(qū)動(dòng)力耦合裝置，也就是分動(dòng)箱。并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)裝置可分為三類，扭矩耦合式、轉(zhuǎn)速耦合式和牽引力耦合式。以下各種驅(qū)動(dòng)裝置的特點(diǎn)。 2.1 耦合形式的確定 扭矩耦合式裝置原理如圖2.1。 圖2.1 扭矩耦合裝置原理圖 Vout= Vin1/i1 +Vin2/i2， Tout = i1·Tin1+i2·Tin2 （2.1） 其中：T、V為扭矩和速率； in、out為輸入和輸出； i1 i2為裝置中輸入1和輸入2的傳動(dòng)比。 從原理圖可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力經(jīng)過扭矩耦合裝置進(jìn)行耦合，然后將耦合后的驅(qū)動(dòng)力輸送到驅(qū)動(dòng)軸。根據(jù)驅(qū)動(dòng)軸的數(shù)目的不同，又分為單軸式和雙軸式扭矩耦合傳動(dòng)。 2.1.1 單軸式扭矩耦合傳動(dòng) 這種動(dòng)力耦合傳動(dòng)的特點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子和發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出端通過離合器相連接，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)扭矩和發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的耦合，然后經(jīng)過動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)力輸出，結(jié)構(gòu)原理圖如圖2.2。 圖2.2 單軸式扭矩耦合動(dòng)力傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖 結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系滿足下式， Ts=（K·Te+Tm）· Nm=Ne=Ns·K （2.2） 其中：Te、 Tm、 Ts分別為發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出扭矩； Ne、Nm、Ns分別為發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速； 、K為傳動(dòng)效率和傳動(dòng)比。 此結(jié)構(gòu)中，發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速成一定的比例，路況和車速的改變會(huì)影響著他們的關(guān)系。 2.1.2 雙軸式扭矩耦合傳動(dòng) 與單軸式相比較，雙軸式扭矩耦合裝置，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)可以通過獨(dú)立的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將驅(qū)動(dòng)力傳送到耦合裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)力耦合。結(jié)構(gòu)簡圖如圖2.3。 圖2.3 雙軸式扭矩耦合動(dòng)力傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖 2.2 傳動(dòng)的確定 這種動(dòng)力傳動(dòng)有一個(gè)明顯的特點(diǎn)，就是發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力通過各自的傳動(dòng)軸分別輸送到車輛的前輪和后輪，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)二者沒有機(jī)械連接。在混合動(dòng)力輸出的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)作為主要的動(dòng)力源，純電動(dòng)模式下，可以實(shí)現(xiàn)車輛的零排放行駛。采用這種耦合裝置的混動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽車相比，燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性都有比較大的提高，但是這布置結(jié)構(gòu)也有很明顯的缺點(diǎn)，兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分離，所以導(dǎo)致整車結(jié)構(gòu)不緊湊，給動(dòng)力傳動(dòng)的布置帶來了困難。所以，這種動(dòng)力傳動(dòng)在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車上很少應(yīng)用。結(jié)構(gòu)簡圖如圖2.4。 圖2.4 牽引力耦合動(dòng)力傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖 2.3 轉(zhuǎn)速的匹配 工作原理如圖2.5。 圖2.5 轉(zhuǎn)速耦合裝置原理圖 Vout= Vin1/i1+Vin2/i2， Tout = i1·Tin1+i2·Tin2 （2.3） 其中，T、V為扭矩和速率； in、out為輸入和輸出； i1 、i2為裝置中輸入1和輸入2的傳動(dòng)比。 這種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)擁有兩套獨(dú)立的機(jī)械變速器，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)分別和各自的變速機(jī)構(gòu)相連接，然后跟行星齒輪進(jìn)行耦合。發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)變速器、離合器和傳動(dòng)裝置與太陽輪相連，驅(qū)動(dòng)力經(jīng)行星輪傳遞到驅(qū)動(dòng)橋。電動(dòng)機(jī)與行星架相連接，動(dòng)力分配裝置將發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力分配給驅(qū)動(dòng)橋和電動(dòng)機(jī)，在設(shè)定好的控制系統(tǒng)前提下，根據(jù)路況和功率需求，讓電動(dòng)機(jī)給驅(qū)動(dòng)輪提供驅(qū)動(dòng)力或者給蓄電池充電。其中典型的一種結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.6。 圖2.6 轉(zhuǎn)速耦合式動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡圖 穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，太陽輪、行星架、齒圈之間的關(guān)系為： Nj=·Ns +·Nr Tj=－（1+ig）·Ts=－·Tr， ig= （2.4） 其中， Nj、Ns 、Nr 分別為行星架、太陽輪、行星輪的轉(zhuǎn)速， r/min； Tj、Ts、Tr分別為行星架、太陽輪、行星輪的扭矩，N·m； ig為齒圈和太陽輪的傳動(dòng)比，Zr、Zs為齒圈、太陽輪的齒數(shù)，個(gè)。 汽車不同工作模式下工作是通過對(duì)鎖止器1和鎖止器2的控制來實(shí)現(xiàn)的。 （1）混合動(dòng)力輸出：鎖止器1和鎖止器2打開，太陽輪和行星輪處于自由狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)都可以進(jìn)行動(dòng)力輸出。此時(shí)，Nj=·Ns +·Nr， Tj=－（1+ig）·Ts=－·Tr。 （2）電動(dòng)機(jī)單獨(dú)輸出：鎖止器1關(guān)閉，鎖止器2打開，此時(shí)，太陽輪被鎖死，行星輪處于自由狀態(tài)，由電動(dòng)機(jī)提供全部的驅(qū)動(dòng)力。此時(shí)，Nj=·Nr， Tj=－·Tr。 （3）發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)輸出：鎖止器1打開，鎖止器2關(guān)閉，此時(shí)，行星輪被鎖死，太陽輪處于自由狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛行駛。此時(shí)， Nj=·Ns， Tj=－（1+ig）·Ts。 （4）發(fā)動(dòng)機(jī)為蓄電池充電：鎖止器1和鎖止器2打開，太陽輪和行星輪處于自由狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力一部分用來給蓄電池充電，另一部分用來驅(qū)動(dòng)車輛行駛。 （5）再生制動(dòng)：鎖止器1關(guān)閉，鎖止器2打開，松開離合器，驅(qū)動(dòng)輪提供反向驅(qū)動(dòng)力矩使發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，此時(shí)，發(fā)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，從而給蓄電池充電[18]。 2.4 傳動(dòng)方案的選定 行星輪式轉(zhuǎn)速耦合器可以使混合動(dòng)力汽車的兩個(gè)動(dòng)力源獨(dú)立輸出動(dòng)力，改變發(fā)動(dòng)機(jī)或者電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，就可以改變車速，讓發(fā)動(dòng)機(jī)工作在燃油最優(yōu)化區(qū)域，從而提高整車的燃油經(jīng)濟(jì)性。綜合以上的分析，本論文對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)力汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)為，選用選用并聯(lián)雙軸式和轉(zhuǎn)矩耦合器的傳動(dòng)方案。如下圖。 圖2.7 驅(qū)動(dòng)方案簡圖 第三章 PHEV汽車傳動(dòng)系統(tǒng)主要部件的設(shè)計(jì) 3.1 總成部件的參數(shù)匹配 結(jié)合原始數(shù)據(jù)，對(duì)比參考車型的動(dòng)力性參數(shù)，以捷達(dá)轎車為參考進(jìn)行參數(shù)的匹配計(jì)算，使混合動(dòng)力汽車滿足以下要求： 表3.1 混動(dòng)汽車設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)要求 項(xiàng)目 限定條件 動(dòng)力性 直線行駛最高車速 180km/h 百公里的加速時(shí)間 <15s 最大爬坡度 30% 3.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)要從三個(gè)方面考慮，分別是最高車速、最大爬坡度以及加速時(shí)間[19]。 （1）發(fā)動(dòng)機(jī)滿足并聯(lián)混合動(dòng)力汽車的最高車速的發(fā)動(dòng)機(jī)功率，所求的功率表達(dá)為： （3.1） 其中： 發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率（kW）； 傳動(dòng)效率，對(duì)于采用單級(jí)主減速器的4*2汽車取90%； 重力加速度，取9.8m/s2； 滾動(dòng)阻力系數(shù)，取0.0144； 空氣阻力系數(shù)，取0.3； 汽車迎風(fēng)面積1.9m2； 汽車半載時(shí)的質(zhì)量，1600kg。 代入最高車速 Vmax=180km/h，求得所需功率Pmax1=61.05kW。 (2) 發(fā)動(dòng)機(jī)滿足并聯(lián)混合動(dòng)力汽車加速時(shí)間的發(fā)動(dòng)機(jī)功率，汽車在平直的道路上加速起步，有如下計(jì)算公式： （3.2） 其中：x為擬合系數(shù)，取0.5； V為t時(shí)刻的車速； Vm為t時(shí)刻的瞬時(shí)車速； tm為加速時(shí)間。 在t時(shí)刻汽車的加速度為： （3.3） 在加速期間，汽車的功率一直在增大，因此在t時(shí)刻的發(fā)動(dòng)機(jī)功率是最大的。所求功率的表達(dá)式如下： （3.4） 式中：Pmax2為發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率kW； 傳動(dòng)效率，對(duì)于采用單級(jí)主減速器的4*2汽車取90%； -旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，1.05； -汽車半載時(shí)的質(zhì)量，1600kg； -重力加速度，取9.8m/s2； -滾動(dòng)阻力系數(shù)，取0.0144； -空氣阻力系數(shù)，取0.3； -汽車迎風(fēng)面積1.9m2； -加速時(shí)間12.6s時(shí)的速度100km/h。 又有：,將t=12.6,x=0.5代入其中得： 將以上數(shù)據(jù)帶入式3.4，可得： 72.43kW。 (3) 發(fā)動(dòng)機(jī)滿足并聯(lián)混合動(dòng)力汽車的最大爬坡度的發(fā)動(dòng)機(jī)功率，計(jì)算公式如下: （3.5） 式中：-發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率； -汽車爬坡時(shí)穩(wěn)定的速度，取為30km/h； -傳動(dòng)效率，對(duì)于采用單級(jí)主減速器的4*2汽車取90%； -汽車滿載質(zhì)量，1850kg； -重力加速度，取9.8m/s2； -滾動(dòng)阻力系數(shù)，取0.0144； -汽車爬坡度，取30%； -空氣阻力系數(shù)，取0.3； -汽車迎風(fēng)面積1.9m2。 代入數(shù)據(jù)可以求得： 35.50kW。 綜上所述，發(fā)動(dòng)機(jī)功率應(yīng)該滿足三種條件，即發(fā)動(dòng)機(jī)功率須滿足以下表達(dá)式， ，所以，72.43kW。另外通常情況下，并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車整車有排氣、冷卻等功率損失，一般消耗的功率為10%~20%左右，因此有如下: ，Pmax=79.67~86.92kW。 綜上所述，發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率選擇80kW。發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)如下表。 表3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)表 最高轉(zhuǎn)速 8000rpm 額定功率 53kW 最大扭矩/轉(zhuǎn)速 135Nm/3800rpm 3.1.2 電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì) 電動(dòng)機(jī)是一種把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置，在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中，它扮演著非常重要的角色，在汽車啟動(dòng)加速時(shí)起助力作用，在減速制動(dòng)時(shí)起能量回收作用。電機(jī)的匹配原則：使整車油耗和價(jià)格最低；啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的能力強(qiáng)，能夠在最短的時(shí)間啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)并且達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)速；電動(dòng)機(jī)可以始終在高效率區(qū)間運(yùn)轉(zhuǎn)，它單獨(dú)提供驅(qū)動(dòng)力時(shí)，汽車有較強(qiáng)的起步能力，在短時(shí)間內(nèi)讓汽車起步并且能夠達(dá)到一定的行駛車速[4]。 （1）降低油耗和整車價(jià)格。要想降低油耗，首先要明白電機(jī)峰值跟整車油耗的關(guān)系。通過分析對(duì)比電池的峰值功率和整車的價(jià)格成比例關(guān)系，它的峰值功率越大，所需要的電池就越多，這樣制造成本就越高，相反的就可以降低成本。 （2）發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)能力。為了使得在規(guī)定時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)并且使其達(dá)到要求的轉(zhuǎn)速，首先我們需要明白電機(jī)的峰值功率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和轉(zhuǎn)速的影響。通過研究顯示，影響啟動(dòng)時(shí)間的參數(shù)主要是啟動(dòng)摩擦扭矩。電機(jī)的峰值功率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和汽車的加速性能也有很大的影響。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)越快，也就意味著加速性能越好，但是峰值功率越大，效果卻慢慢變?nèi)?，所以為了控制整車成本，電?dòng)機(jī)的峰值功率不能選的太大。 （3）電機(jī)轉(zhuǎn)速。電機(jī)的轉(zhuǎn)速基本可以分為兩檔，一種為普通電機(jī)，另一種為高速電機(jī)，以6000rpm作為分界線。高速電機(jī)一般用于混合動(dòng)力轎車驅(qū)動(dòng)或者功率在100kW以上的電機(jī)，而兩種電機(jī)的制造成本有很大差距。 1. 電動(dòng)機(jī)性能的比較 目前，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車上常用的電動(dòng)機(jī)有交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)以及開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)。它們的主要性能特點(diǎn)如下表，表格摘自文獻(xiàn)[5]。 表3.3 電動(dòng)汽車電動(dòng)機(jī)性能比較表 項(xiàng)目 交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 永磁同步電動(dòng)機(jī) 直流電動(dòng)機(jī) 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī) 功率密度 一般 好 差 一般 力矩轉(zhuǎn)速性能 好 好 一般 好 轉(zhuǎn)速范圍 9000~15000 4000~10000 4000~6000 大于15000 最大效率（%） 94~95 95~97 85~89 小于90 效率（10%負(fù)荷時(shí)）% 79~85 90~92 80~87 78~86 易操作性 好 好 最好 好 可靠性 好 一般 差 好 結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性 好 一般 差 好 尺寸及質(zhì)量 一般，一般 小，輕 大，重 小，輕 成本 低 高 比較高 比較高 控制器成本比 3.5 2.5 1 4.5 結(jié)合表格中的性能指標(biāo)，如功率密度，力矩轉(zhuǎn)速性能，最大效率，尺寸及質(zhì)量等等，永磁同步電動(dòng)機(jī)和交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)優(yōu)勢(shì)明顯，但是，永磁同步電動(dòng)機(jī)的成本比較高。 2. 電動(dòng)機(jī)參數(shù)的設(shè)計(jì) 電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)包括電動(dòng)機(jī)的峰值功率、額定功率、最高轉(zhuǎn)速以及額定轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)的外特性的特點(diǎn)是在額定轉(zhuǎn)速以下時(shí)，轉(zhuǎn)矩恒定，在額定轉(zhuǎn)速以上時(shí)，功率恒定。 （1）電動(dòng)機(jī)滿足并聯(lián)混合動(dòng)力汽車的最高車速的電動(dòng)機(jī)功率，計(jì)算公式如下： （3.6） 其中：Pmax1為電動(dòng)機(jī)的最大功率（kW）； 傳動(dòng)效率，對(duì)于采用單級(jí)主減速器的4*2汽車取90%； g重力加速度，取9.8m/s2； fr是滾動(dòng)阻力系數(shù)，取0.0144； CD 為空氣阻力系數(shù)，取0.3； A為汽車迎風(fēng)面積1.9 m2； ma為汽車半載時(shí)的質(zhì)量，取1600kg； 代入最高車速 Vmax=180km/h，求得功率Pmax1=61.05kW。 （2）電動(dòng)機(jī)滿足并聯(lián)混合動(dòng)力汽車的最大爬坡度的電動(dòng)機(jī)功率，計(jì)算公式如下: （3.7） 式中： -發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率； -汽車爬坡時(shí)穩(wěn)定的速度，取為30km/h； -傳動(dòng)效率，對(duì)于采用單級(jí)主減速器的4*2汽車取90%； -汽車滿載質(zhì)量，1850kg； -重力加速度，取9.8m/s2； -滾動(dòng)阻力系數(shù)，取0.0144； -汽車爬坡度，取為30%； -空氣阻力系數(shù)，取0.3； -汽車迎風(fēng)面積1.9m2。 將以上數(shù)據(jù)代入公式可得： 35.50kW。 從以上分析中，滿足的最大功率為61kW，電機(jī)額定功率與峰值功率的關(guān)系：，λ為過載系數(shù)，λ=1.5，則：P額=41kW。 （3）電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速的確定。計(jì)算公式為： 。 式中： r：車輪滾動(dòng)半徑； ：變速器傳動(dòng)比； ：主減速器傳動(dòng)比； ：汽車最高車速，取180km/h。 以捷達(dá)轎車發(fā)動(dòng)機(jī)為參考，查閱資料，主減速器傳動(dòng)比為3.94，選取變速器傳動(dòng)比為1.3，車輪滾動(dòng)半徑為300mm，最高車速180km/h，代入可求得電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速為8736r/min，由于最大車速對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的95%左右，則選電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速為9000r/min。 （4）電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。計(jì)算公式如下： （3.8） （3.9） 其中：Tn為額定轉(zhuǎn)矩； nn為額定轉(zhuǎn)速。 代入數(shù)據(jù)，得出額定轉(zhuǎn)速6000r/min，額定轉(zhuǎn)矩86.4N·m， ，最大轉(zhuǎn)矩為130.5N·m。 電動(dòng)機(jī)具體數(shù)據(jù)如下： 表3.4電動(dòng)機(jī)參數(shù)表 電機(jī)類型 永磁同步電動(dòng)機(jī) 峰值功率 61.05kW 電機(jī)電壓 300V 峰值轉(zhuǎn)矩 130.5N·m 額定功率 41kW 最高轉(zhuǎn)速 9000r/min 3.1.3 電池參數(shù)設(shè)計(jì) 對(duì)蓄電池的主要要求有，價(jià)格低廉，對(duì)環(huán)境無污染并且可再生；循環(huán)使用壽命長； 具有較大的比能量，這樣就可以確保在大電流工作的情況下，可以平穩(wěn)的放電，提高加速和爬坡性能；具有較大的比能量，這樣可以提高續(xù)航里程。 電池的額定能量可以用下式求得： （3.10） （3.11） （3.12） 假設(shè)在純電動(dòng)模式下，平均速度50km/h，行駛120km，所需時(shí)間為2.4h，根據(jù)式3.11，在設(shè)定車速下，所需要的電動(dòng)機(jī)功率為4.3kW，在根據(jù)式3.10得出電池額定能量為14.7kWh。由于存在損失，所以，最終確定的電池額定能量為15kWh。 式中： W——電池額定總能量，kWh； ——以速度v行駛時(shí)電機(jī)功率，kW； ——以速度v行駛距離S的時(shí)間，h； ——行駛距離，km。 電池的額定容量Q滿足以下公式： （3.13） 式中： ——電池額定容量，Ah； ——電池電壓，V，取300V； 求得Q=50Ah。 則電池的具體參數(shù)表如下： 表3.5 電池參數(shù)表 電池類型 鎳氫電池 額定容量 50Ah 額定電壓 300 V 額定能量 15kWh 3.1.4 傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比計(jì)算 并聯(lián)混合動(dòng)力汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的傳動(dòng)比包括主減速器傳動(dòng)比的確定和變速器檔位的確定。汽車的最大爬坡度決定了其最大傳動(dòng)比，汽車的最快行駛速度決定了最小傳動(dòng)比。在汽車正常行駛過程中，要使得發(fā)電機(jī)工作在最高效的狀態(tài)。查閱相關(guān)資料，設(shè)定主減速器的傳動(dòng)比為3.941。 1. 最高檔位的傳動(dòng)比設(shè)計(jì) 根據(jù)汽車?yán)碚摰茫? ig = （3.14） 式中： Vmax，最高車速 km/h； r輪胎半徑取0.3m； nmax 發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速rpm； i0主減速器比3.941。 據(jù)以上得知發(fā)動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為5700rpm，最高車速為180km/h，因此變速箱高檔傳動(dòng)比為：0.91。 2. 一檔檔位傳動(dòng)比設(shè)計(jì) 據(jù)汽車?yán)碚摰弥? (3.15) 式中： -變速箱的一檔傳動(dòng)比； -汽車的重量（13500N）； f-汽車和路面的滾動(dòng)摩擦系數(shù)（0.0144）； -汽車所要達(dá)到的最大爬坡度，取0.3%； r-輪胎半徑（0.3m）； -發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩（160N·m）； -主減速比（3.941）； -從發(fā)動(dòng)機(jī)到車輪的傳動(dòng)效率，取90%。 通過3.15計(jì)算得知一檔傳動(dòng)比為3.455。其他檔位傳動(dòng)比在3.455和0.91之間匹配，這里不詳細(xì)計(jì)算。 綜上，最高檔傳動(dòng)比為0.91，一檔傳動(dòng)比為3.455。 3.1.5 分動(dòng)箱參數(shù)設(shè)計(jì) 前文提到的利用分動(dòng)箱實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)力耦合一共有三種方式，分別是扭矩耦合式、牽引力耦合式以及轉(zhuǎn)速耦合式，其中牽引力耦合式的兩個(gè)動(dòng)力源分別驅(qū)動(dòng)前橋和后橋，可以實(shí)現(xiàn)兩輪驅(qū)動(dòng)和四輪驅(qū)動(dòng)，如果使用這種耦合方式，當(dāng)利用發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)為蓄電池充電時(shí)，需要外加一根驅(qū)動(dòng)軸，那么在結(jié)構(gòu)布置上就可能會(huì)增加整車的尺寸和質(zhì)量，所以會(huì)增加結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。另外，如果使用轉(zhuǎn)速耦合式的耦合裝置，這就會(huì)涉及行星齒輪和太陽輪的設(shè)計(jì)，與扭矩耦合式相比，這種方式復(fù)雜，不如后者簡單耐用，易維護(hù)和保養(yǎng)。扭矩耦合式在設(shè)計(jì)上簡單，在發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出軸連接離合器，用于中斷動(dòng)力，電動(dòng)機(jī)的介入通過設(shè)定好的指令來控制，這樣就可以分別控制兩個(gè)動(dòng)力源的介入時(shí)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)三種驅(qū)動(dòng)模式。所以，綜合以上，選定扭矩耦合式的耦合裝置。結(jié)構(gòu)簡圖如圖3.1。A代表離合器，B代表發(fā)動(dòng)機(jī)，C代表電動(dòng)機(jī)。 圖 3.1 扭矩耦合式分動(dòng)箱簡圖 1. 驅(qū)動(dòng)模式分析 （1）發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。離合器結(jié)合，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)斷開連接，此時(shí)只有發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力。 （2）電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。離合器松開，控制系統(tǒng)使得電動(dòng)機(jī)工作從而輸出動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)行駛。 （3）混合驅(qū)動(dòng)。離合器結(jié)合，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力介入，實(shí)現(xiàn)混動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式。 此外，在發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式下，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率大于整車所需要的功率時(shí)，通過齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)為蓄電池充電。 2. 齒輪傳動(dòng)比分析 首先分析發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)齒輪和和輸出軸齒輪的傳動(dòng)比。如果沒有電動(dòng)機(jī)，這是一輛傳統(tǒng)的燃油汽車，那么發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)過變速箱和傳動(dòng)軸直接到達(dá)驅(qū)動(dòng)橋的減速器，也就是在變速箱和減速器之間軸的轉(zhuǎn)速不變，所以這里設(shè)計(jì)傳動(dòng)比為1:1。其次，電動(dòng)機(jī)介入動(dòng)力的時(shí)機(jī)是原地靜止起步，爬坡以及加速超車，這些情況下需要較大的扭矩，但是由于電動(dòng)機(jī)最高功率的轉(zhuǎn)速區(qū)間都比較高，所以需要降低電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，不妨設(shè)定電動(dòng)機(jī)輸出軸齒輪和輸出軸齒輪的齒數(shù)比為1:2，這樣就能起到減速增扭的作用。 3. 軸承的選定 分動(dòng)箱水平放置，用于固定傳動(dòng)軸的軸承主要承受徑向載荷，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)課本，選用深溝球軸承。 4.齒輪參數(shù)的設(shè)計(jì) 直齒輪相對(duì)于斜齒輪制造簡單成本低而且應(yīng)用廣泛，所以選用直齒輪傳動(dòng)。查閱機(jī)械設(shè)計(jì)課本，選用齒輪的模數(shù)4，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸齒輪和電動(dòng)機(jī)輸出軸齒輪的齒數(shù)分別為40和20，輸出軸齒輪的齒數(shù)為40，壓力角20°，齒寬30mm。所以，兩個(gè)大齒輪的中心距為160mm，另一個(gè)中心距為120mm。 3.2 傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的匹配 通過上述對(duì)汽車各參數(shù)的設(shè)計(jì)以及匹配，將混合動(dòng)力汽車的整體參數(shù)設(shè)計(jì)為如下。 表3.6 混動(dòng)汽車基本參數(shù)表 技術(shù)項(xiàng)目 數(shù)值 技術(shù)項(xiàng)目 數(shù)值 整備質(zhì)量 1350kg 最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速 3800rpm 排量 1398ml 輪胎規(guī)格 175/70R14 長*寬*高 4487*1700*1470(mm3 變速箱 五檔手動(dòng) 發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率 65kW 輪胎滾動(dòng)半徑 300mm 發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率轉(zhuǎn)速 5500rpm 滾動(dòng)阻力系數(shù) 0.0144 最高車速 180km/h 空氣阻力系數(shù) 0.3 續(xù)表3.6 混動(dòng)汽車基本參數(shù)表 迎風(fēng)面積 1.9m2 電動(dòng)機(jī)峰值功率/峰值扭矩 61.05kW/130.5N·m 電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速 9000rpm 電動(dòng)機(jī)電壓 300V 額定電壓 300V 額定能量 15kWh 電池額定容量 50Ah 電池類型 鎳氫電池 分動(dòng)箱齒輪類型 直齒輪 齒輪模數(shù) 4 壓力角 20° 齒寬 30mm 軸承類型 深溝球軸承 第四章 PHEV汽車主減速器的設(shè)計(jì)與計(jì)算 4.1 主從動(dòng)錐齒輪齒數(shù)的選擇 為了保證磨合均勻，主、從動(dòng)錐齒輪的齒數(shù)應(yīng)避免出現(xiàn)公約數(shù)，對(duì)于商用車, 一般不小于6。本次設(shè)計(jì)取7，根據(jù)主減速比取41。 4.2 從動(dòng)錐齒輪節(jié)圓直徑及端面模數(shù)的計(jì)算 節(jié)圓直徑可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定， （4.1） 式中：—從動(dòng)齒輪大端分度圓直徑（mm） —直徑系數(shù)，一般為13.0～15.3 —從動(dòng)齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩（N·m），=9128N·m 將數(shù)據(jù)代入公式（4.4）得=（272～320 ）mm 初選則=7.32 根據(jù) （4.2） 校核=（0.3～0.4）=（6.27～8.36）， 所以取值滿足條件。 4.3 主從動(dòng)錐齒輪的齒面寬度計(jì)算 對(duì)于汽車工業(yè)，主減速器從動(dòng)錐齒輪齒寬 =0.155 （4.3） 將數(shù)據(jù)代入公式（4.3）得=46.5 mm， =51.1 mm 4.4 齒輪的偏移方向的選擇和偏移距計(jì)算 對(duì)于轎車、輕型載貨汽車來說，一般情況下，偏移距=60mm，E選擇45mm，雙曲面齒輪的螺旋方向?yàn)椋褐鲃?dòng)錐齒輪左旋、從動(dòng)錐齒輪右旋。主動(dòng)錐齒輪在從動(dòng)錐齒輪中心線下方。 4.5 螺旋角的選擇 由于主動(dòng)錐齒輪與從動(dòng)錐齒輪為雙曲面齒輪，所以二者的螺旋角并不是一樣的，且主動(dòng)錐齒輪的螺旋角大于從動(dòng)錐齒輪，本次設(shè)計(jì)初選主動(dòng)錐齒輪螺旋角50°，從動(dòng)錐齒輪螺旋角30°。 4.6 法向壓力角的選擇 壓力角的選擇與輪齒的強(qiáng)度有關(guān)，壓力角越大，輪齒的強(qiáng)度越高。并且能減少齒輪不產(chǎn)生根切的最小齒數(shù)。載貨汽車一般選用22.5°的壓力角。 4.7 主減速器雙曲面齒輪的強(qiáng)度計(jì)算及校核 4.7.1 單位齒長圓周力的計(jì)算 主減速器錐齒輪的表面耐磨性，常用齒輪上的單位齒長圓周力來計(jì)算，即 = （4.4） 式中：—輪齒上的單位齒長圓周力（N/mm） —作用在輪齒上的圓周力（N） —從動(dòng)齒輪齒面寬（mm） 1）按發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩計(jì)算時(shí) = （4.5） 式中：—變速器傳動(dòng)比 —主動(dòng)錐齒輪中點(diǎn)分度圓直徑，由前面表中數(shù)據(jù)計(jì)算得mm （1）當(dāng)變速器掛第一擋時(shí)，==5.557 =×10=1251.05 N/mm （2）當(dāng)變速器掛直接擋時(shí)，==1， =×10=225.13 N/mm 2）按驅(qū)動(dòng)輪打滑的轉(zhuǎn)矩計(jì)算時(shí) =×10 （4.6） 式中：—滿載狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)橋上的靜載荷，N —最大加速度時(shí)后軸負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù)，商用車=1.1~1.2，取1.1 將數(shù)據(jù)帶入（4.9）得 =×10=1414.69N/mm 許用單位齒長的圓周力見表4.2。在現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)中，由于材質(zhì)和加工工藝的提高，單位齒長上的圓周力有時(shí)高出表中所列數(shù)值20％~25％。 表4.1單位齒長的圓周力 汽車類別 按發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩計(jì)算時(shí)/N?mm 按驅(qū)動(dòng)輪打滑轉(zhuǎn)矩計(jì)算時(shí)/N?mm 輪胎與地面的附著系數(shù) 一擋 直接擋 轎車 893 321 893 0.85 貨車 1429 250 1429 0.85 大客車 982 214 0.85 牽引車 536 250 0.85 對(duì)于貨車而言，掛一擋時(shí)單位齒長圓周力許用值[P]=1429 N/mm；掛直接擋時(shí)單位齒長圓周力許用值[P]=250 N/mm；按驅(qū)動(dòng)輪打滑轉(zhuǎn)矩計(jì)算時(shí)[P]=1429 N/mm。 對(duì)照后發(fā)現(xiàn)本次設(shè)計(jì)滿足許用值。 4.7.2雙曲面錐齒輪輪齒彎曲強(qiáng)度校核 汽車主減速器雙曲面齒輪的計(jì)算彎曲應(yīng)力為 =×10 （4.7） 式中：—錐齒輪輪齒的齒根彎曲應(yīng)力（N/mm） —計(jì)算齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩(N·m)，當(dāng)按=min[ ]計(jì)算時(shí)，對(duì)于主動(dòng)錐齒輪= /=9128/5.83=1565.69N·m，從動(dòng)錐齒輪==9128N·m，當(dāng)按計(jì)算時(shí)，主動(dòng)錐齒輪=/=1418/5.83=243.22 N·m，從動(dòng)錐齒輪==1418N·m —過載系數(shù)，一般=