（车辆工程专业论文）并联混合动力汽车用行星齿轮机构的研究.pdf

摘要 论文题目：并联混合动力汽车用行星齿轮机构的研究 学科专业：车辆工程 研究生：王利花 签名： 王刭盏 指导老师：崔亚辉教授签名：差幽 摘要 本文以并联混合动力汽车( p h e v ) 用单、双排行星齿轮机构为主要研究对象，进行 了运动学、动力学性能以及车辆主要动力部件选型的深入研究，并对其稳态和动态性能进 行了仿真分析，为p h e v 最佳结构方案的确定和控制策略的制定及完善提供了有价值的理 论依据与方法指导。 本文首先分析了p h e v 用行星齿轮机构的结构特点，从单排行星齿轮机构两自由度的 特性出发，提出了三个基本构件与双动力源的六种连接方式以及p h e v 多种工作模式，并 介绍了键合图理论在行星齿轮传动系统中的应用，为进一步利用该理论建模分析奠定了基 础。 通过对p h e v 用单、双排行星齿轮机构的传动比、功率流图、传动效率以及稳定运行 工况下参数关系的理论及仿真分析，结合p h e v 对动力合成装置的要求，对六种传动方案 进行了比较，提出了最佳结构方案并对其稳态性能进行了仿真分析。同时，从动力合成的 角度提出了稳定运行时p h e v 双动力源的最佳动力耦合工作点。 基于键合图理论，在考虑了系统的阻尼、刚度和转动惯量影响的情况下，建立了p h e v 用单、双排行星齿轮机构在不同工作模式下的动态模型，推导了相应的系统状态方程。进 一步对其动态性能进行了仿真分析，从而提出了p h e v 工作模式切换的动态过程中双动力 源的最佳动力耦合工作点。 在上述工作的基础上，从行星齿轮机构原有的机械属性出发，进一步针对p h e v 用单、 双排行星齿轮机构的综合性能进行了分析，由此，提出了p h e v 用行星齿轮机构选型原则。 最后，从本文研究的实际出发，给出了p h e v 的控制策略及其主要动力部件的选型及 参数匹配的原则，建立了基于a d v i s o r 2 0 0 2 的p h e v 驱动系统仿真模型，并在a d v i s o r 2 0 0 2 的平台上进行了仿真分析，仿真结果满足p h e v 的要求。 关键词：并联混合动力汽车；行星齿轮机构；性能分析；键合图理论；仿真分析 本研究得到了陕西省科技厅自然基金项目“并联式车用混合动力系统的匹配与控制策略研究 ( 2 0 0 3 e 2 2 6 ) ”的资助。 t i t l e ：s t u d yo np l a n e t r yg e a ru n i tf o r p a r a l l e lh y b r i d e l e c t r i cv e h l c l e m a j o r ：v e h i c l ee n g i n e e r i n g n a m e ：l i h u aw a n g s u p e r v i s o r p r o f y a h u ic u i a b s t r a c t s i g n a t u r e ：j 池呜 s i g n a t u r 1 1 1t h i st l l e s i s ，as e r i e so fi m p o r t a n tp r o b l e m ss u c ha sk i n e m a t i c s ，d y n a m i c sa n dv e h i c j e m a i np o w e rc o m p o n e n t ss e l e c t i o na b o u ts i n g l e 、d o u b l ep l a n e t r yg e a ru n i tf o rp a r a l l e lh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ( p h e v ) w h i c ha l ei n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l y a t t h es a m et i m e ，s i m u l a t i o n a n a l y s i so ft h es t e a d ys t a t ep e r f o r m a n c ea n dd y n a m i cp e r f o r m a n c ei s p r e s e n t e d ， a l l dt n e a n a l y t i c a lr e s u l t sc a nb eh e l p f u lf o rd e t e r m i n a t i o no p t i m u ms t r u c t u r ep l a na n dp e f f e c t i o na n d f o r m u l a t i o no fc o n t r o ls t r a t e g y f i r s u v ，鲫c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fp l a n e t r yg e a ru n i tf o rp h e v a r ea n a l y z e da n ds 1 xk i n d o fc o n n e c t i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h r e eb a s i cc o m p o n e n t so fp l a n e t a r yg e a ru n i ta n dt w o p o w e rs o u r c e si sp u tf o r w a r db a s e do nt w of r e e d o mc h a r a c t e r i s t i co f p l a n e t a r yg e a ru n i t t h e a p p l i c a t i o no fb o n dg r a p ht h e o r yt op l a n e t a r yt r a n s m i s s i o ns y s t e ma n dt h e o r e t i c a l b a s l sf o r b o n dg r a p hm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o na r ei n t r o d u c e d ，t h u sl a i da f o u n d a t i o nf o rp e r f o r m a n c e a n a l y s i so fp l a n e t r yg e a ru n i tf o r p h e v b a s e do nt h er e q u i r e m e n to fp o w e rs y n t h e s i z e rf o rp h e v a n dt h et h e o r e t i c a la n a l y s i so f p l a n e 姆g e a ru n i tf o rp h e v , s u c ha st h et r a n s m i s s i o nr a t i o ，p o w e rf l o wa n dt r a n s m i s s l o n e f f i c i e n c y , p a r a m e t e rr e l a t i o n s h i pa ts t e a d yo p e r a t i o nc o n d i t i o n ，t h ec o m p a r i s o nb e 似e e n s l x k i n do ft m s r n i s s i o ns c h e m ei sc a r r i e do u t s oa st op u tf o r w a r do p t i m u ms t r u c t u r a l p l a n f u n h e 肌o r e ，s i m u l a t i o na n a l y s i so f t h es t e a d y - s t a t ep e r f o r m a n c ei sp r e s e n t e d a tt h es a n e t i m e ，o p t i m 啪c o u p l e dp o w e ro p e r a t i n gp o i n to ft w op o w e rs o u r c e s f o rp h e va ts t e a d y o p e r a t i o nc o n d i t i o n i sp u tf o r w a r df r o ms y n t h e s i so fd y n a m i c b a s e do nb o n dg r a p ht h e o r y , d y n a m i cm o d e lo fp l a n e t r yg e a ru n i t f o rp h e vw i t h d i f f e r e n to p e r a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e da n dc o r r e l a t i v es y s t e ms t a t e - s p a c ee q u a t i o n s i sr u nm m c o n s i d e r i n gt h ed a m p i n g 、t h es t i f f n e s sa n ds y s t e mr o t a t i o n a li n e r t i a f u r t h e r m o r e ，s i m u l a t i o n a n 甜y s i so ft h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ei sp r e s e n t e da n do p t i m u mc o u p l e dp o w e ro p e r a t i n gp o i n t o ft w 0p o w e rs o u r c e sf o rp h e va td y n a m i co p e r a t i o nc o n d i t i o ni sp u tf o r w a r df r o ms y n t h e s l s 西安理工大学硕士学位论文 o f d y n a m i c o nt h eb a s i so ft h ea b o v ew o r k , s y n t h e t i cp e r f o r m a n c ea n a l y s i so fp l a n e t r yg e a ru n i tf o r p h e vi sm a d ea n ds o m ed e s i g np r i n c i p l e sf o rp l a n e t r yg e a ru n i tf o rp h e vi sp u tf o r w a r d s t a r t 啦f r o mo r i g i n a lm a c h i n e r ya t t r i b u t eo ft h ep l a n e t r yg e a ru n i t f i n a l l y , t h ec o n t r o ls t r a t e g y 、m a i np o w e rc o m p o n e n t ss e l e c t i o na n dp r i n c i p l e sf o rm a t c h i n g p a r a m e t e ro fp h e vi sg i v e no u ts t a r t i n gf r o ma c t u a ls i t u a t i o no ft h i st h e s i s b a s e do n a d v i s o r 2 0 0 2s i m u l a t i o ns o f h 舰l r e ，t h ed r i v i n gs y s t e ms i m u l a t i o nm o d e l sa 坞e s t a b l i s h e da n d s i m u l a t i o na n a l y s i si sp r e s e n t e d k e y w o r d s ：p a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ；p l a n e t r yg e a ru n i t ；p e r f o r m a n c ea n a l y s i s ；b o n d g r a p ht h e o r y ；s i m u l a t i o na n a l y s i s t h i si t e mi sf i n a n c e db yt h ep r o j e c ts u p p o r t e db yn a t u r a ls c i e n c eb a s i cr e s e a r c h p l a ni ns h a a n x ip r o v i n c eo fc h i n a ( p r o g r a mn o 2 0 0 3 e 2 2 6 ) “r e s e a r c hi nm a t c h i n g a n dc o n t r o ls t r a t e g yo fp a r a l l e lh y b r i dp o w e rs y s t e mf o rv e h i c l ea p p l i c a t i o n s ” 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他入的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：王叠l 越。二阳拜弓月f 5 日 学位论文使用授权声明 本人王丞i 盏j在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。一本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索：2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 一 论文作者签名王丞l 丸导师签名：差垒堡丝 川年岁月罗日 1 绪论 绪论 1 。 研究背景 2 0 世纪9 0 年代以来，全球性豹石油麓机以及大气污染馒汽车的节能与环保性能陵益 褥到重视雒弧削。当前，许多国家政府、世界知名的汽车企业和科研机构纷纷研制开发低能耗、 低摊放、且能满足现代使用性能要求的新型汽车。融合当代多种离新技术的纯电动汽车 ( e l e c t r i cv e h i c l e ，简称e v ) 、混合动力电动汽车( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，简称 h e v ) 和燃料电池电动汽车( f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e ，简称f c e v ) 的闯世，正在引 发世界汽车工她的一场擎命。h e v 既保持了电动汽车超低排放的优点，又发挥了传统内燃 槐汽车高比能量的长处，因此在电池按术瓶颈未被突破的情况下，h e v 代表着2 l 世纪初 汽车工业发展的一个重要方向溺嘲嘲。 h e v 是指在一辆汽车上霹时配备电力驱动系统和辅助动力单元( a u x i l i a r yp o w e r u n i t ，简称a p u ) ，其中a p u 是燃 料的原动枫或出原动机驱动豹 发电机组，霾前h e v 所采用的原 动机般为柴油机、汽油机或燃 气轮机。混合动力电动汽车将原 动机、电动机、能量储存装嚣按 某种方式组合在一起，混合动力 电动汽车传统上被分为两类嫡1 ： 串联式( s e r i e sh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ，简称s h e v ) 和并联式( p a r a l l e lh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ，简称p h e v ) 。 ( c ) 混联式f d ) 综合式 b 魄漶；琶肉燃机；f 一燃料箱；m 昭瞧动栅发电概； 卜功率转换器；卜传动系。 潮l ，l 混合动力汽车的分类 f i g l - ic l a s s i f i c a t i o no fh e v 南予近年来邀现的一些混合动力电动汽车兼有串联式和并联式的特征，其分类又扩展成3 释玎k 引：枣联式、并联式和混联式( s p l i th y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，篱称s p h e v ) 。最 掰推出的些混合动力电动汽车不能归纳到以上3 类之中。嚣此，混合动力电动汽车的最 一- - 邀连接 圈l 爰绩构示意圈 f i g 。l 堙s t r u c t u r es k e t c hm a p 新分类为如下4 种疆h 餐臻3 ：串联式、并联式、混 联式( 串并联式) 、综合式( c o m p l e xh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e 引。如图1 - 1 ( a ) ( d ) 所示。 其中，菇；l 于并联式驱动系统在结构上更接近 予传统意义上的燃油汽车，具有结构简单、集成 度较低、效率禽、经济性好和易于实现产业优等 特点丽餐受青睐。并联式驱动系统结构示意图冕 图l 2 。发动机通过机械传动装嚣与驱动桥连接， 西安理工大擘硕士擘位论文 电动机通过动力合成装置也与驱动桥相连，汽车可由发动机和电动机共同驱动或各自单独 驱动。并联式混合动力电动汽车的结构形式更像是附加了一个电动机驱动系统的普通内燃 机汽车。电动机起“调峰 作用，即：当汽车运行工况所需的功率超过了发动机的功率时， 电动机从电池取得电能产生电磁力矩，并向驱动桥提供额外的驱动功率。有的并联式混合 动力电动汽车也有发电机，但其主要作用是向电池充电，以保持电池的荷电状态( s o c ) ，即： 当电池放电较多，其s o c 的值较低时，控制器可控制发动机驱动发电机并向电池充电，使电 池的s o c 恢复到设定的值，以保证混合驱动方式下的续驶里程。 h e v 采用两种或两种以上的能源来提供动力，因此需要采用动力合成装置来有效的实 现多种动力的耦合。目前实现动力合成的方法多种多样，通常可归纳为三大类1 ：转速合 成式、牵引力合成式和扭矩合成式。一般情况下h e v 是以发动机驱动作为h e v 的基本驱动 模式，而发动机发电机和驱动电动机驱动模式主要是作为辅助驱动模式。p h e v 有发动机、 发电机( 驱动电动机) 两个动力总成，发动机为原动机，发动机的动力与发电机( 驱动电 动机) 的动力是采取机械式( 硬组合) 进行组合。机械的动力合成装置是耦合发动机和 电机的关键部件，它不仅具有很大的机械复杂性，而且直接影响整车的控制策略，是h e v 的关键技术之一，因而成为混合动力系统开发的重点和难点n 羽。 1 2 国内外研究现状及存在的问题 混合动力汽车( h e v ) 与传统汽车及纯电动汽车相比，最大的差别是动力系统。对于并 联式( p h e v ) 和混联式( s p h e v ) 混合动力汽车，动力合成装置( 动力耦合系统) 负责将 h e v 的多个动力组合在一起，实现多动力源之间合理的功率分配并把动力传给驱动桥，它 在h e v 开发中处于重要地位，是事关成功与否的关键部件，其性能直接关系到h e v 整车性 能是否达到设计要求，是h e v 最核心的部分。世界各国都对此进行大量的研究，先后取得 了不少成果，并成功地运用于所研制的h e y 中。 1 2 1 国内研究现状鲫秘田 我国混合动力汽车的研究起步较晚。在。八五和“九五一期间，我国就进行了混合 动力汽车的开发。十五 期间，科技部启动了“8 6 3 一电动汽车重大专项课题，其中混 合动力汽车专题分混合动力城市客车和混合动力轿车两个课题，分别由我国一汽、东风以 及长安汽车公司等单位承担，目前均完成了样车的研制和性能考核试验。一汽、东风、长 安、奇瑞等汽车公司竞相开发出混合动力样车，节油3 0 以上、排放减少3 0 n 5 、轿彻和客车最高车速分别超过 1 6 0 k r n fh 和8 0 k m h ，部分车型正在申报国家汽车产品公 告。 在机电动力耦合系统方面，一汽解放和二汽东风均采 用了固定轴式动力耦合装置( 如图卜3 所示) ，只是具体的 连接方式和结构不同。东风混合动力城市客车采用了基于 图i - 3 固定轴式动力耦合系统 f i & l - 3f i x e da x i st y p ed y n a m i c c o u p l i n gs y s t e m l 绪论 电控机械自动变速器( a m t ) 基础上的“中间轴输入动力耦合系统以及“二轴输入动力耦 合系统”。其中“中间轴输入动力耦合系统”具体形式是：动力耦合装置( 即混合动力车用 变速器) 的一轴与发动机曲轴相连，二轴与输出传动轴相连，中间轴上齿轮与一轴、二轴 上齿轮构成常啮合传动齿轮副，中间轴增加一个电机动力输入装置，采用锥齿轮输入动力。 一汽混合动力轿车采用了双轴输入单轴输出到a m t 的齿轮啮合传动方式实现转矩合成的 动力耦合系统，即“双轴双离合器并联型固定轴齿轮式 动力耦合系统，它由一对固定速 比的常啮合齿轮组成，在发动机离合器接合的条件下，动力耦合装置输出端的转速与发动 机的转速相同。 北京理工大学与波兰华沙工业大学合作，联合 研制了一种单行星排传动方式的机电动力耦合系 统，如图卜4 所示，并已申报了国家发明专利。该 系统把串联和并联混合驱动的原理接合在一起，使 用的部件数较少( 一个电机) ，适当调整控制系统可 以顺利实现并联到串联驱动的转换，直到由内燃机 驱动，比传统的混合驱动系统更轻，效率和整体性 能更高，且该系统可以实现无级变速。 图1 4 单行旱排动力耦合系统 f i g 1 - 4d y n a m i cc o u p l i n gs y s t e mo f s i n g l e p l a n e t r yg e a ru n i t 长安和奇瑞公司的混合动力轿车均采用了单轴并联式混合动力系统( i s g ) ，如图1 - 5 所示，只是混合度不同。长安羚羊混合型电动汽车实现了电动助力和发电的两大功能。采 图1 5 单行星排动力耦合系统 f i g 1 5d y n a m i cc o u p l i n gs y s t e m o fs i n g l ep l a n e 仃yg e a ru n i t 用发动机和电动机扭矩叠加方式进行动力混合，发动机与 电动机和变速器相联。按照不同的行驶工况要求，发动机 和电动机的扭矩在变速器前进行多种形式复合，以实现最 优的驱动效率。以发动机为整车主动力源，电机系统起“补 峰平谷作用，加速时电机助力，弥补发动机低速、低扭 矩的不足，在减速和制动时实施刹车能量回收，使电机发电并存储于动力电池中。在停车 时发动机关闭，消除费油、高排放的怠速状态。汽车起动时电机瞬时启动发动机进入工作 状态。i s g 系统结构简单、紧凑、重量轻，可以大幅度改善燃油经济性并降低排放。 1 2 2 国外研究现状1 锄。1 t h s 丰田汽车公司是目前走在h e v 最前沿的汽车公司， 丰f f l1 9 9 7 年推出首款混合动力汽车p r i u s ，2 0 0 5 年又推出 了搭载最新第3 代机电混合动力系统的2 0 0 6 款p r i u s ，仍 采用p r i u s 混联式结构，灵巧精密的行星排对发动机的输 出功率进行重新分配，达到合理平衡发动机负荷的目的， 其结构如图卜6 所示。在此机构中发动机与行星架相联， 通过行星齿轮将动力传递给外齿圈和太阳轮，齿圈轴与电 动机和传动轴相联，太阳轮轴与发电机相联。该系统将发 一机动力 一电动力 图l - 6t h s 混合动力传动示意图 f i g 1 6h y b r i dp o w e rt r a n s m i s s i o n s k e t c hm a po ft h s 西安理工大学硕士学位论文 动机大部分转矩直接传递到驱动轴上，将小部分转矩传给发电机，发电机发出的电能根据 指令用于电池充电或电动机，以增加驱动力。这种结构可以通过调节发电机转速使其产生 变化，使发动机一直处于高效率区或低排放区。此外，通过调节行星排各元件的转速，使 其像无级变速器一样工作。 本田汽车公司研发的i n s i g h t 混合动力汽车采用了独特的混合动力系统( i m a ) ，采用 发动机和电动机扭矩叠加方式进行动力混合，结构如图1 - 7 所示。发动机输出轴通过离合 器与电动机的转子轴直接相连。电池组通过控制 器作用于电动机定子，两者的动力叠加是在输出 轴处实现，变速器仍为单轴输入。该动力系统以 发动机作为主要动力，电动机作为辅助动力，是 一种等速的功率叠加系统，属于并联式h e v 中的 单轴联合式结构。该系统结构简单、紧凑，提高 了系统的综合效率，但一些元件和电机的控制系 统需特殊设计。 图1 7i m a 集成电机辅助系统 f 弛i - 7i m ai n t e g r a t e dm o t o ra s s i s t e ds y s t e m 戴姆勒一克莱斯勒公司2 0 0 5 年底特律车展上展出一款结合v 8 柴油发动机和最新一 代混合动力驱动系统的油电混合动力s 级奔驰车，该车的机电耦合系统由2 台电动机与7 档自动变速器组成。该油电混合动力耦合系统为“p1 2 ，在发动机与变速器之间配备了 2 台马达及离合器。车辆起动时由发动机一侧的马达进行发电，由变速器一侧的马达进行 驱动。在提速阶段与离合器联动，能够实现高级车特有的平稳行驶性能。该车的传动系统 基于7 g - t r o n i c 自动变速器，另外结合了p 1 2 混合动力变速器，设计紧凑。 纵观国内外对动力耦合系统( 动力合成装置) 研究开发的现状，目前p h e v 动力耦合 系统存在两类核心的问题： ( 1 ) 稳态或动态过程中多个动力源的能量分配和效率优化 由于并联式驱动系统的发动机运行工况要受汽车行驶工况的影响，因此在汽车行驶 工况变化较多、较大时，发动机就会比较多地在其不良工况下运行，因此，如何按照工况 要求合理匹配使用两种动力源，即发动机驱动和电力驱动，使两种动力合理匹配从而既能 满足驾驶员对整车驱动力的需求，又能使内燃机保持在最佳油耗经济驱运转，且使得排放 得以改善，目前仍缺乏相关的设计准则指导。 ( 2 ) 稳态或动态过程中多个机械动力源的相互配合协调工作 发动机与电动机并联驱动，其内部的功率流情况较为复杂，在汽车行驶工况发生变 化时，即p h e v 工作模式切换的过程中，如何实现双动力源的协调工作，目前，几乎查询 不到相关的资料。本文将p h e v 各种工作模式切换的动态过程中双动力源的相互配合协调 工作归纳为双动力源的最佳动力耦合工作点问题。重点针对p h e v 动力耦合系统中( 行星 齿轮机构) 两个机械动力源一发动机和电动机的“最佳动力耦合工作点问题 这一前沿课 题展开了深入的研究工作。 4 i 绪论 另一方面，行星齿轮机构由于具有结构紧凑、传动比大、效率高和工作可靠的优点 1 7 儿1 8 儿1 9 1 ，在国外各大汽车公司基本上都是采用了行星齿轮机构作为动力合成装置的核心。 因此，本文将行星齿轮机构应用于p h e v 动力耦合系统中，作为动力合成装置的核心， 发挥行星齿轮机构的性能优势，研究其机械自然属性( 稳态和动态性能) ，寻求发动机和 电动机的“最佳动力耦合工作点 ，以利于p h e v 控制策略的进一步改进和完善，最终使 p h e v 能以最低的能量消耗获得良好的动力性、经济性和最低的排放，得到良好的社会和 经济效益，缓解我国能源紧张和环境污染的状况。 1 3 本文研究的内容与研究方法 本文研究的重点是将行星齿轮机构作为p h e v 动力合成装置的核心，通过对其稳态和 动态性能分析，以期为p h e v 最佳结构方案的确定和控制策略的制定及完善提供有价值的 理论依据与方法指导。研究过程中最大的难点在于以下几个方面。 首先，提出“最佳动力耦合工作点”的概念。在本文进行的研究工作之前，国内很少 有文献将p h e v 动力耦合系统中发动机和电动机相互配合、协调工作的问题定义为“最佳 动力耦合工作点问题。 其次，寻求行星齿轮机构动力学研究的理论方法。目前，对于混合动力汽车用行星齿 轮机构动力学的研究都是将其理想化，即：在建立数学模型的过程中忽略了元件的刚度、 齿轮啮合处的间隙、不计摩擦阻力等因素、机械传动效率为1 0 0 、忽略了所有瞬态过程 等。然而，实际p h e v 动力耦合系统的工作模式切换是一个动态的过程，且元件的刚度、 摩擦阻力等因素也是不可忽略的。因此，本文的研究工作是在一个全新的平台上进行的， 提出采用键合图理论对p h e v 用行星齿轮机构进行动态分析和控制的理论方法。 最后，p h e v 主要动力部件的选型原则及动力合成控制策略的确定。通过对现有不同 类型控制策略的研究与特性评价、分析，发现并联式混合动力汽车的控制策略目前仍不成 熟，需要进一步优化。因此，动力合成控制策略也成为工作研究中的又一难点。 1 3 1 本文研究的内容 根据上述对重点和难点的分析，本文的研究主要包括以下工作内容： ( 1 ) 研究对象的概述 通过分析p h e v 用行星齿轮机构的结构特点，提出基本构件与双动力源的连接方式以 及p h e v 的工作模式，分析键合图理论在行星齿轮传动系统中的应用以及键合图建模与仿 真的理论依据，为后续p h e v 用行星齿轮机构的性能分析奠定基础。 ( 2 ) p h e v 用单、双排行星齿轮机构的稳态特性分析 对p h e v 用单、双排行星齿轮机构的运动学、力学以及传动效率等稳态特性进行分析， 求出在稳定运行工况下的系统各参数关系，重点对其动力合成特性进行分析，从而提出 p h e v 稳态过程中的最佳动力耦合工作点。 ( 3 ) p h e v 用单、双排行星齿轮机构的动态特性分析 西安理工大擘硕士学位论文 基于p h e v 用行星齿轮机构( 动力合成装置) 双输入、单输出( 双自由度) 的特点， 将键合图法作为研究行星齿轮机构动态特性的一种理论研究方法，分析其特点及基本理 论；采用键合图理论和方法建立单、双排行星齿轮机构的键合图模型、推导相应的状态方 程，从而有效的实现行星齿轮机构的动力合成功能。 ( 4 ) p h e v 用行星齿轮机构的性能仿真分析 利用s o li d w o r k s 软件的造型功能进行p h e v 用单、双排行星齿轮机构的三维建模、 装配，再导入a d a m s 之中进行稳态性能分析；基于m a t l a b 平台，编程求解状态方程并进 行动态特性仿真分析。 ( 5 ) 综合性能比较 在上述工作的基础上，对单、双排行星齿轮机构作为动力合成装置的综合性能进行 分析，并提出p h e v 用行星齿轮机构选用与设计的一些原则。 ( 6 ) p h e v 主要动力部件的选型及仿真分析 给出p h e v 主要动力部件发动机、电动机等的选型及参数匹配的原则；基于动力合成 特性分析，从行星传动出发给出p h e v 的控制策略；基于a d v i s o r 2 0 0 2 建立了驱动系统的 仿真模型，并结合c y c e c e _ e u d c ( 欧洲市区郊区循环) 循环进行仿真分析。 1 3 2 本文的研究方法 本文的研究工作是面向行星齿轮机构作为动力合成装置的核心，应用于p h e v 动力耦 合系统中时，研究发动机和电动机的最佳动力耦合工作点问题。涉及到行星齿轮机构的稳 态和动态特性等方面，是一个比较复杂的问题。因此，本文在研究中使用了理论分析和仿 真分析相结合的研究方法。 本课题得到了陕西省科技厅自然基金项目“并联式车用混合动力系统的匹配与控制策 略研究( 2 0 0 3 e 2 2 6 ) 的资助。 6 2p h e v 用行星齿轮机构概述 2p h e v 用行星齿轮机构概述 2 1 引言 本文在1 2 节中对国内外动力合成装置的发展现状及存在的问题作了较详细的介绍， 并提出将行星齿轮机构应用于p h e v 动力耦合系统中，作为动力合成装置的核心。本章首 先简单介绍行星齿轮传动机构的特点、类型，在此基础上主要针对p h e v 的特点，提出适 合p h e v 要求的行星齿轮机构作为本文的具体研究对象，并对其结构、工作模式进行分析， 同时为分析其动态特性寻求一种正确的理论分析方法一键合图理论。 2 2 行星齿轮传动的特点、类型简介 行星齿轮传动是一种具有动轴线的齿轮机构，它是由一系列互相啮合的齿轮所组成， 并且在传动时至少有一个齿轮的几何轴线是绕另一个齿轮的固定几何轴线回转的，这样的 齿轮传动机构就称为行星齿轮传动或称周转轮系。 行星齿轮传动与普通齿轮传动相比，当它们的材料和机械性能、制造精度、工作条 件等均相同时，前者具有重量轻、体积小、传动比大及效率高( 类型选用得当) 等一系列 的优点n 7 儿馆悖1 。人们已用行星齿轮传动代替普通齿轮传动作为各种机械系统中的减速器、 增速器、差速器和换向机构以及其它特殊用途。尤其是对于那些要求体积小、重量轻、结 构紧凑、传动效率高的航空机械、起重运输和兵器的传动装置，以及需要差速器的汽车和 坦克等车辆的传动装置，行星齿轮传动已得到越来越广泛的应用。 因此，现代p h e v 和p s h e v 上，大多数的动力合成装置均是采用了行星齿轮驱动系统， 其特点主要有： 行星齿轮驱动系统可以采用单行星排、双行星排或多行星排组合成各种各样、不 同速比的行星齿轮驱动系统。如果采用锥齿轮的行星齿轮系统，还可以获得有旋转角度 的传动系统。 在行星齿轮驱动系统的单行星排行星齿轮系统中，就有三个输入( 输出) 端，它 们允许发动机和电动机由两个输入端输入动力，由第三个输出端输出动力。 由于在行星齿轮系统中，允许太阳轮齿轮和行星轮架齿轮之间有相对运动，因此， 可以满足在发动机驱动模式、电动机驱动模式和发动机一电动机混合动力驱动模式时，都 能按控制的要求独立输出动力或混合输出动力。而且在任何一种驱动模式工作时，不会 发生运动干扰。 在采用行星齿轮驱动系统后，可以充分利用电动机的低速一大转矩的特点，由电动 机带动车辆起步，避免发动机在车辆起步时消耗过多的燃料。利用电动机可以逆转的特 性，用电动机带动车辆倒车，在行星齿轮驱动系统可以不装“倒档齿轮。 7 西安理工大学项士学位论文 行星齿轮驱动系统结构简单紧凑、质量轻、体积小、使用、维护方便。 目前，行星传动技术已成为世界各国机械传动技术的重要发展方向，行星传动随着生 产的不断发展和制造技术水平的不断提高正向以下几个方向发展 【1 7 】【1 8 】【l 】 】【2 t 】【捌【捌【矧【衢】【刎【2 7 】【嚣】【别c 舯】： ( 1 ) 高速大功率、高效率和低速大扭矩等方向； ( 2 ) 无级变速行星齿轮传动方向： ( 3 ) 复合行星齿轮传动方向； ( 4 ) 少齿差行星齿轮传动方向。 行星齿轮传动的类型很多，不同的结构型式所能传递的功率范围、外廓尺寸和重量 的大小、效率的高低和允许传动比数值、以及制造工艺的难易都相差很大。 行星齿轮传动有各种不同观点的分类方法，在综合分析这些分类方法的基础上，提 出以下较能反映行星齿轮传动实况的几种分类方法。 根据行星齿轮传动所采用的基本构件组成的不同来进行分类洲。在库氏的分类方法 中，行星齿轮传动的基本代号为：i ( - 中心轮，嘶臂，蝴出轴。根据其基本代号来命 名，将行星齿轮传动分为：2 k 卅、3 k 和k 佧- v 三种基本类型。库氏的分类法较好的体 现了行星传动机构的特点，而且在我国早已被人们普遍采用和接受。 按齿轮啮合配置方式进行分类p 。根据我国机械工业部j 1 3 1 7 9 9 7 6 行星齿轮减速器 标准，采用了按齿轮啮合方式的分类方法，该方法所采用的基本代号为：n 一内啮合，w 一外啮合，g 一公共齿轮。根据行星齿轮传动所具有的啮合方式，可以把行星齿轮传动分 为n g w 、n 1 、唧、n n 、n g w n 、n n w 和n 型传动。 按行星齿轮传动的自由度( 活动度) 进行分类n 7 1 。根据确定平面机构自由度数f 的 结构公式求出的行星机构的自由度将行星齿轮传动分为自由度f = i 的行星齿轮传动( 行星 齿轮机构或行星轮系口2 3 ) 、自由度卢2 的行星齿轮传动( 差动轮系姐2 3 ) 和多自由度的行星 齿轮传动。工程界习惯上常将行星轮系和差动轮系的齿轮传动机构统称为周转轮系口列或行 星齿轮传动n 7 1 。 按中心轮与转臂之间或两个中心轮之间是否形成封闭运动链来分类n 羽。在差动行星 齿轮传动中，若中心轮与转臂之间或两个中心轮之间构成封闭运动链，则这种行星齿轮传 动称为封闭行星齿轮机构( 或称封闭差动轮系) ，反之则称开式行星齿轮机构。差动行星 齿轮传动构成封闭行星齿轮传动后，其自由度就由2 变为l 。 l e v a i ln 3 1 将行星轮系分为1 2 种可能的基本类型，如图2 一l ( a ) ( 1 ) 所示。将这 些基本轮系组合在一起，便可以产生更多种类的多自由度行星轮系。 近些年来，国内外将行星齿轮传动列为研究重点，不断出现新型行星齿轮传动机构。 几种常见的行星传动如摆线针轮行星传动、谐波齿轮行星传动、活齿行星传动、偏摆锥差 行星传动n 力汹1 。 另外的一些新型行星齿轮传动如：三环少齿差行星传动、环板针摆传动、卜h 型同轴 8 2p h e v 用行星齿轮机构概述 平动行星齿轮传动等，本文不再赘述。 甾2 = 1l e v a i l 的1 2 种可勰行星轮秽卜 o 图的种可能的行星轮系m 1 f i g 2 1l e v a i l st w e l v ep o s s i b l ep l a n e t r yg e a rs y s t e m s 删 2 3p h e v 用单、双排行星齿轮机构 由于并联混合动力汽车中发动机和电动机的功率和转速输出特性不同，动力合成装 置需要满足多项复杂的动力传递、组合要求。根据f h e v 的结构特点、行驶性能的要求， 以及出于成本、时间因素的考虑，本文对f h e v 用动力合成装置提出以下要求： ( 1 ) 可以实现多个转速或动力的合成。动力合成装置至少要有2 个输入端，可以将 发动机和驱动电动机的动力分别输入并进行动力合成。 ( 2 ) 可靠的能量分流、能量流方向的变更。动力合成装置要允许将发动机动力的全 部或一部分传递给驱动电动机，使驱动电动机转换为发电机发电；还可以在再生制动时回 收能量，让驱动电机工作于发电状态，将机械能转换为电能进行存储。 e 一内燃机；m g 一电动机，发电机； f 一单向离合器；b l 、b 2 、b 3 一制动器； c 一离合器；a t m 一自动变速器 ( a ) 单行星排式 箭 ( b ) 双行星排式 图2 2 动力系统结构示意图 f i g 2 2c o n f i g u r a t i o no f p o w e rt r a i n 9 。曲 盟 出 西安理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 结构紧凑，控制便捷、有效、可靠。 ( 4 ) 与传统的动力传动技术结合紧密； ( 5 ) 支持多种工作模式。 基于以上要求，结合上节对行星齿轮传动特点、类型的介绍，本文以目前在h e v 上常 见的单排行星齿轮机构，以及由其组合而成的双排行星齿轮机构作为p h e v 的动力合成装 置，其动力系统的结构示意图如图2 2 所示。 2 3 1 结构分析 a 单排 目前对图2 2 所示的p h e v 用单、双排行星齿轮机构的研究存在的问题除了绪论中已 论述的两类核心问题之外，对单排机构布置方案的选择需进一步完善。因此，本节主要分 析双动力源与行星齿轮机构的连接方式，为后续的分析打下基础。 用c 、r 、s 、p 分别代表图2 2 a 中的行星架、齿圈、太阳轮、行星轮。行星架、齿 圈、太阳轮三个基本构件均可作为主动件或从动件。因其自由度卢2 ，为了使差动机构中 所有构件的运动完全确定，就必须要有两个输入构件。其输入构件一般可采用三种组合n 引： ( 1 ) s 和r 输入： ( 2 ) s 和c 输入： ( 3 ) r 和c 输入： 根据三个基本构件与发动机( e ) 、发电机电动机( m g ) 、输出轴( o ) 连接方式的不 同，单排行星齿轮机构布置共有六种不同方案( 嗣= 6 ) ，如表2 - 1 所示。 本文将在后面的章节中对表2 - l 所示的六种方案进行比较分析，以提出适合p h e v 要 求的动力合成最佳结构方案。 t a b 2 1 表2 一l 基本构件同动力源连接关系表 方案代号太阳轮( s )内齿圈( r )行星架( c ) 1 m g e0 2e m g o 3 m g oe 40m ge 5eom g 60em g p o w e rs o u “洽 b 双排 本文主要研究的是一种用于p h e v 的双排行星齿轮机构，其结构简图如图2 - 2 b 所示。 从图中可知此行星齿轮机构的结构