混合动力系统行星齿轮变速器的设计说明书(1

1、 混合动力系统行星齿轮变速器设计学生姓名： 专业班级： 指导教师： 学 院： 混合动力系统行星齿轮变速器设计摘要近年来，环境污染和资源枯竭两大问题越来越严峻。对于汽车工业来说，如何节能减排是当前汽车厂商比较关注的。混合动力汽车作为传统车与纯电动汽车之间的重要过渡产品，成为了环保型车辆的研究热点。混合动力汽车有低燃油消耗、低排放等优点。目前混合动力汽车动力系统可以分为串联式，并联式和混联式三种构型，混联式构型有着明显优于其他构型的特点被广泛应用。为了更好去验证THS系统在不同工况下采取不同工作模式的工作原理、控制策略以及一些最基本的耦合特性，为以后更好对混联构型进行研究与设计，本文基于THS系统

2、中的单行星排设计试验用混合动力系统行星齿轮变速器及其试验台结构。首先介绍了混合动力汽车的研究背景、概述以及发展现状，然后对丰田混合动力系统的工作成原理作了详细的分析描述，在第三章根据实车上的参数对模拟电机、测功机等进行选型和设计以及试验台具体结构的设计，最后对联轴器、传动轴等进行了选型与校核。关键词混合动力汽车；THS系统；行星齿轮变速器；结构设计The design of the planetary gear transmission for hybrid power systemAbstractIn recent years, environmental pollution and res

3、ource depletion problem is becoming more and more serious. For the automotive industry, how to energy saving and emission reduction is current concern to the automobile manufacturers. Hybrid electric vehicle (HEV) as important transition between traditional vehicle and pure electric vehicle products

4、, has become the hot spot in the research of environmentally friendly vehicles.Hybrid cars have low fuel consumption, low emissions and other advantages. The mixed power automobile power system can be divided into series, parallel type and mixed type three configurations, mixed parallel configuratio

5、n has a significantly better than other configurations of the characteristics has been widely used. In order to better to verify THS system under different conditions take the principle of different working modes, control strategy and the basic coupling characteristics, for better hybrid configurati

6、on of research and design, this paper THS system in single planetary row experimental design with hybrid system of planetary gear transmission and its test platform structure based on.First introduced the research background of hybrid electric vehicle (HEV), overview and the development of the statu

7、s quo, and the Toyota hybrid system theory gives a detailed analysis and description, in the third chapter, according to the real vehicle parameters to simulate the motor measured dynamometer and lectotype and design and test bench is the concrete structure design, final couplet coupling, drive shaf

8、t, and other for the selection and verification.KeywordsHybrid electric vehicle;Toyota Hybrid System;Planetaty gear transmission;Structure design 2 丰田混合动力系统（THS）的目录摘要Abstract目录1 绪论1 1.1 研究背景11.2 混合动力汽车概述1 1.2.1 混合动力汽车的研究意义1 1.2.2 混合动力汽车的分类2 1.2.3 混合动力汽车国内外研究发展现状3 1.3 设计主要研究与设计内容5 2 丰田混合动力系统（THS）的组成与

9、工作原理6 2.1 丰田混合动力（THS）系统的组成及功能6 2.2 丰田混合动力（THS）系统的工作原理7 2.2.1 车辆停止发动机被启动7 2.2.2 发动机怠速82.2.3 车辆低负荷工况（起步也属于低负荷）82.2.4 车辆正常行驶工况10 2.2.5 大负荷行驶工况102.2.6 车辆制动减速行驶工况11 2.2.7 车辆倒车行驶工况12 2.3 本章小结13 3 设计计算14 3.1 设计参数及要求14 3.1.1 设计与计算参数14 3.1.2 设计要求15 3.2 混合动力系统行星齿轮变速器方案设计15 3.2.1 变速器壳体设计方案153.2.2 混合动力系统试验台设计方案

10、15 3.2.3 混合动力系统试验台具体结构设计与计算15 4 校核20 4.1 箱体20 4.1.1 轴的强度校核20 4.1.2 齿轮的强度计算20 4.2 试验台21 4.2.1 联轴器21 结论23 参考文献24 1 绪论1 绪论1.1 研究背景汽车工业的发展，改变了人们的生活，同时带动了许多相关的产业的发展，如：机床、道路、汽车销售、售后服务、运输、交通管理等等。现在人们不仅在生产活动中离不开汽车，而且在日常生活中也同样享受着汽车所带来的种种便利。然而，汽车在推动人类文明，给人类生活带来便利的同时，也带来了“能源消耗”与“环境污染”两个大问题。目前的资源与环境情况很不乐观。对于资源来

11、说，一方面是随着世界人口和经济的增长，对能源的需求量也不断增多，消耗量不断增大；另一方面是化石能源是不可再生的。石油作为一种不可再生的战略资源，对于世界经济的发展、政治、军事格局的演变都有着深刻的影响。对于环境来说，随着我国近几年来汽车保有量的持续增长，汽车尾气排放也不得不说是造成环境污染的一个重要因素，直接影响着人们的生活质量。然而，近百年来，汽车工业能够常胜不衰并得以持续的发展壮大，从大到强，主要得益于市场与科学技术的不断进步，发展清洁能源，使得汽车能够得以逐步的完善从而满足消费者们的需求。为了满足人类可持续发展的需要，带有节能、环保、新能源等字眼的新一代的汽车出现在人们的视线中。各国汽车

12、工业界纷纷投入到新能源汽车的研制中。我国对新能源汽车的研究迄今为止也有十几年的时间。其中，纯电动汽车虽然具有很好的环保性，但受电池等关键技术的限制，其续驶里程短、动力性差、成本高等问题还未得到解决。因此，混合动力汽车作为传统车与纯电动汽车之间的重要过渡产品，成为了环保型车辆的研究热点。1.2 混合动力汽车概述1.2.1 混合动力汽车的研究意义根据国际电工委员会（IEC）电动车技术分会以及中国汽车工业协会对混合动力汽车的定义，混合动力（电动）汽车（Hybrid Electric Vehicle,HEV）是电动汽车中的一种，是由两种或两种以上的储能器、转换器或能源作为驱动能源，并能够至少从可消耗的

13、燃料和可再充电能/能量储存装置两类车载储存的能量中获得驱动动力的混合型电动汽车，其驱动源可以是内烯机、燃料电池、蓄电池、超级电容、液压蓄能器等。混合动力汽车通过先进的控制系统使几种动力源协调本配合，实现能量最佳分配，达到低能耗、低排放的目的。由于国内外对混合动力的研究热点主要放在油电混合式的混合动力电动汽车，因此常称其为混合动力汽车。本文主要讨论的是采用发动机和电机、电池作为动力源的油电混合式的混合动力汽车。混合动力汽车将传统的发动机驱动与电力驱动结合起来，具有如下特点。与传统车相比，可以在低负荷工作时采用纯电动模式；怠速时可以对电机进行充电，避免发动机空转白白地耗油；减速制动时，还可以进行能

14、量回收。与纯电动车相比，弥补纯电动车续驶里程短、动力性的缺点，降低了成本。同时，对以上两者而言，混合动力汽车具有实现动力耦合的动力系统，能利用先进的控制系统使汽车在不同的行驶工况时采取不同的适合的工作模式，从而显著地提高燃油经济性。由于混合动力汽车利用发动机向蓄电池充电，降低了对外部电力供应的依赖，无需投入大量资金建设充电设施，可直接利用现有加油站，因此，可以很快投入生产1。综上所述，虽然混合动力汽车的结构相对较为复杂，也没有做到零污染排放，但是它是纯电动汽车与传统车过渡期间最重要的发展阶段，是我们向节能环保车型研发目标前进过程中的必由之路。1.2.2 混合动力汽车的分类不同的分类依据可以将混

15、合动力汽车划分为多种不同的类型。按照混合程度的不同进行划分时，根据我国汽车行业标准对混合动力汽车的分类和定义，混合动力汽车按电动机峰值功率占发动机功率百分比多少分为：微混、轻混、中混和重混四种。按能否外接电源进行充电分为插电式混合动力和非插电式混合动力。按运行模式可分为单一模式混合动力汽车和双模式混合动力汽车。按动力源的能量耦合方式，可以将混合动力汽车分为三类：串联混合动力汽车、并联混合动力汽车和混联混合动力汽车。下面对按动力源的能量耦合方式进行分类的三种混合动力汽车做重点的介绍。1.2.2.1 串联混合动力汽车（SHEV）如图1-1所示，串联混合动力系统由发动机、发电机和电动机三部分动力总成

16、组成，三者以“串联”型式依次连接。图中双细实线表示机械连接，单细实线表示电气连接，两者均为双向。粗实线表示液流连接。箭头表示能量流向。图1-2、图1-3与图1-1中连接表示方法相同，不再一一说明。 油箱发动机 传动装置 发电机 功率变换器电动机 电池 图1-1 串联式混合动力汽车结构发动机直接带动发电机发电，燃料的化学能通过燃烧转换为电能，经过功率元件存储在储能元件中，电能再传输给电动机，将电能转换为动能驱动汽车。当发动机不工作时，由电驱动系统驱动整车。在此结构中，电池相当于“缓冲器”，在发电机和电动机之间进行能量的调节2。从图1-1中也可以看出，其特点是所有的能源均来自发动机，最后由电动机驱

17、动车辆。1.2.2.2 并联混合动力汽车（PHEV）如图1-2所示，动力总成包括发动机、电动机/发电机和蓄电池。在不同的路面上采取不同的驱动模式，两种工作模式是；发动机与电动机可以单独输出动力，然后通过同轴输出来达到转矩耦合的效果；也可同时使用电动机和发动机作为动力源驱动汽车行驶3。总结来说，特点是既可以发动机/电动机单独驱动，又可以发动机、电动机联合驱动，动力性能较好。 传动装置 机械耦合器发动机 油箱电动机功率变换器 电池图1-2 并联混合动力的结构1.2.2.3 混联混合动力汽车（CHEV）混联式驱动系统是串联式与并联式的综合，可以在串联模式下工作，也可以在并联混合模式下工作，同时兼顾了

18、串联式和并联式的特点。混联系统通过根据不同的工作情况控制主要的动力部件工作在最优区域，来达到节油的目的4。动力合成装置动力分配装置发动机 油箱 传动装置 电动机发电机功率变换器电池图1-3 混联混合动力的结构 1.2.3 混合动力汽车国内外研究发展现状1.2.3.1 国内研究现状节能、环保已成为眼前人们关注的话题，对汽车领域也同样掀起了新能源汽车的热潮，我国关于混合动力汽车的研究于90年代开始，到目前为止已有10几年的时间。1996年，“电动汽车关键技术研究”作为“八五”重点科技攻关项目在清华大学通过验收；“九五”期间，东风汽车公司于承担并完成了国家重大科技攻关项目“电动轿车概念车设计”的整车

19、研制工作。“九五”末期，我国在电池、电机、电控系统三大关键技术领域取得了突破。“十五”期间，科技部将电动汽车产业化列为国家863重大科技攻关项目，同时又加大了资金的投入。“十一五”期间，我国成功研制出多款工程化常规混合动力轿车产品。“十二五”规划中，混合动力客车在2012年的下半年由25个示范推广的城市推广到全国所有大中型城市。2016年是“十三五”的开局之年，中国汽车工业协会于2016年3月份发布的“十三五”汽车工业发展规划意见描绘了这样的场景：随着智能汽车的普及，紧握方向盘的双手将被渐渐解放；绿色环保意识的增强，让更多家庭成为新能源汽车的拥趸；车企转型升级显效，中国汽车业将进入年销3000

20、万辆的崭新阶段。我国虽然相对于国外对于混合动力汽车的研究起步较晚，但在国家政策的鼓励下，不断有研发资金投放，重视相关技术人才的培养，随着自主研究的开展与深入，我们在尽力追赶差距，突破技术上的难点与壁垒不断研发出新的产品5。我国汽车集团混合动力发展及产品如表1.1所示。表1-1 我国汽车集团混合动力代表产品 集团 车型 描述 一汽集团 一汽奔腾B50PHEV 一汽奔腾B70-HEV一汽解放CA6120URH 插电式全混 全混 柴电混合 上汽集团荣威混合动力750荣威混合动力550 弱混合动力 插电式混合动力 比亚迪比亚迪F3DM双模混合动力比亚迪F6DM双模 插电式混合动力 插电式混联 东风集团

21、东风风神S30 BSG混合 轻混 长安集团长安志翔长安杰勋HEV 轻度油气混合和中度混合 中混并联 宇通客车 ZK6126HGZ混合动力客车ZK6110HGZ混合动力客车 油电混合并联，不允许外接充电 油电混合并联，允许外接充电 北汽福田福田欧VBJ6123混合动力客车 并联/串联1.2.3.2 国外发展现状混合动力汽车技术的研发始于20世纪70年代，但其动力系统的结构较为复杂，开发技术难度较大。直到90年代，各工业强国才逐步推出小批量的混合动力车辆。在此之后，渐渐出现了多样化、成熟化的发展趋势。目前，美国、日本、欧洲等发达地区混合动力技术的理论研发和实际生产处于全球领先的位置，具体发展情况介

22、绍如下：1、 日本混合动力技术发展情况：目前,丰田汽车公司应该说是混合动力汽车领域的佼佼者。1997年12月,丰田汽车公司在日本市场上推出了世界上第一款大规模量产的同时也销量第一的混合动力汽车普锐斯(PRIUS)。此款轿车采用行星齿轮作为动力分配装置的混联动力系统，于2000年7月开始出口北美,同年9月出口欧洲。之后在2003年与2009年分别推出了性能全面提升的第二代与第三代PRIUS。随后于2012年又推出了配备了大容量电池，采用插入式外部充电技术的插电式PRIUS和采用四轮驱动的Estima的轿车，以及混合动力版LEXUS LS600hL等。日本本田公司于1999年在日本和美国市场投放了

23、第一款家用混合动力轿车Insight，凭借其良好的动力性和经济性以及低污染排放受到欢迎。相继又推出了Insight、Civic、AccordHybrid等混合动力车型6。2、美国混合动力汽车的发展 从上个世纪90年代开始，美国政府和企业以混合动力电动汽车作为重点对象，加强了技术合作与研究工作，1993年9月美国总统克林顿与通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司总裁共同提出了目的在于开发新一代高效节能汽车的“新一代汽车合作伙伴计划”（简称PNGV计划）。通用汽车公司在1998年1月底推出了EV型四座混合动力电动汽车，2000年推出“Precept”混合动力概念车。2005年，又推出了混合动力车Satu

24、rn VUE, 2006年推出混合动力车Chevrolet Equinox(轿车)，2007年推出混合动力汽车Chevrolet Malibu(中型轿车)。福特公司2000年研制出了P2000型五座的燃料电池轿车。此后于2000年，2005年分别推出Prodigy复合电动家庭概念车，混合动力车Dodge Ram(轻型卡车)和Mercedes S-classHEV大型轿车)。3、欧洲混合动力汽车的发展1976年至1985年德国MAN公司、奔驰公司，联合改抽20辆串联式混合动力客车并成功投入运营。1997年，德国奥迪公司生产了混合动力电动车Audi Du，它与丰田公司的PRIUS一起引起了混合动力

25、汽车研发的高潮。法国雷诺公司于1998年研制出油电两用车。1999年，瑞典沃尔沃公司推出燃气机混合动力客车。2009年德国奔驰公司推出混合动力轿车“S400HYBRID”，该车采用锂离子充电电池、配备再生制动能量系统7。美国、日本和德国可以说是目前主要的研究混合动力汽车的国家，同时还掌握和拥有当前很多成熟、先进的混合动力技术以及产品。1.3 设计主要研究与设计内容丰田普锐斯有三个动力源，三个动力源的能源最终均来自燃油，发动机是机械能和电能的最初转化单元，因此，通过调节电机MG1和电机MG2的转速、转矩，充分发挥EVT（电子控制无级变速）的转速、转矩双解耦功能，使发动机工作在最优工作曲线上，是基

26、本的控制思想。本设计主要是以THS系统中的单行星排为基础，根据丰田第一代普锐斯汽车的结构形式与工作原理，设计简单的试验台架的结构方案。利用几台电机、测功机等近似模拟实车的实际工作情况，设计搭建一个混合动力系统的试验台，通过调节电机MG1和MG2的转速、转矩，调节测功机进行加载，改变发动机的工作点和负荷大小，以模拟混合动力系统的工作模式，验证应用于混合动力系统的控制策略以及一些最基本的耦合特性等。本文首先在第一章对混合动力汽车进行了简要的概述，第二章重点对丰田混合动力系统（THS）的工作原理与模式进行了详细的分析与描述，然后依托于第二章陈述的工作原理与工作模式在第三章进行方案的设计与计算，最后在

27、第四章对需要校核的轴进行校核计算。2 丰田混合动力系统（THS）的组成与工作原理2.1 丰田混合动力（THS）系统的组成及功能丰田普锐斯是一种由发动机和电动机共同驱动的混联混合动力汽车。第一代和第二代普锐斯汽车采用的是THS系统，将单排行星齿轮机构作为动力分配装置。THS系统由发动机、蓄电池、两个电机、动力分配行星齿轮机构和变频器等组成。行星齿轮机构由太阳轮、行星轮和齿圈三部分组成，太阳轮与行星轮啮合，齿圈也与行星轮啮合，所以行星轮受到双向载荷限制，行星齿轮在自转的同时也在公转。行星齿轮通过销轴固定在行星架上。 图2-1 THS系统结构图发动机与行星架连接，MG1与太阳轮连接，MG2与齿圈连接

28、。动力分配行星齿轮机构既能巧妙地将发动机和两台电机连接起来，又能完成发动机与两台电机运行时的动力分配和发动机启动的功能，是动力系统的核心部分。图2-2 行星齿轮结构示意图对于行星齿轮，存在以下转速转矩关系：式中：行星排的特征系数；- 21 -2 丰田混合动力系统（THS）的组成与工作原理 太阳轮上的转矩； 齿圈上的转矩； 行星轮上的转矩； 太阳轮的转速； 齿圈的转速； 行星轮的转速。2.2 丰田混合动力（THS）系统的工作原理THS系统会根据车辆行驶工况的不同，采用不同的工作模式。下面对车辆停止发动机被起动、低负荷行驶（包括起步）、正常行驶、大负荷行驶、制动减速、倒车等不同工况下车辆的工作状态

29、与原理进行详细的分析与描述。为了便于分析，利用杠杆法对行星排进行简化，同时应用杠杆图加以说明。杠杆法是根据相对运动关系用模拟杠杆来表示行星齿轮组各部件的转速关系。等效成一个垂直的杠杆和3个节点（单行星排），杠杆的3个节点的相对位置由齿圈齿数和太阳轮齿数之比K确定8。杠杆图中过节点的水平线段的长度表示构件的转速，线段相对于垂直杠杆的位置表示构件的转向，当线段位于杠杆右侧时表示构件正转，左侧反之。本文为了说明主从动关系在杠杆中加箭头予以说明，箭头指向杠杆表示主动输入，背离杠杆表示被动输出。2.2.1 车辆停止发动机被启动车辆停止时，MG2处于静止状态，此时发动机停机不工作。当电源控制ECU模块监测

30、到SOC充电状态过低或电载荷过大不符合条件，需要启动发动机时，电源控制ECU模块向主ECU发出信号控制MG1运转，带动太阳轮转动，太阳轮带动行星轮转动，同时行星架使与其连接的发动机输出轴转动，使发动机启动。为了防止MG2运转，MG2接收电流施加制动，通过电磁力固定行星齿轮的齿圈，使驱动轮制动。 R PC S （-）0 （+）图2-2 车辆停止发动机被启动与怠速工况如图2-2所示，图中R代表齿圈，PC代表行星架，S代表太阳轮。下同，不再赘述。 PCR WheelEngineeSMG2MG1 Battery图2-3 车辆停止发动机被启动与怠速工况2.2.2 发动机怠速当发动机起动完成后（起动发动机

31、后，车辆起步之前处于怠速状态，原地不动），MG1的驱动电流会立即被切断，此时MG2仍然静止，流进MG2的电流使齿圈固定，发动机带动行星架转动，从而带动太阳轮转动，即太阳轮连接的MG1作为发电机，对HV蓄电池进行充电。 R PC S （）0（+）图2-4 发动机怠速2.2.3 车辆低负荷工况（起步也属于低负荷）发动机起步时，发动机停机不运行，行星架固定，加速踏板加度不大，利用HV蓄电池向MG2提供电能，驱动齿圈，驱动车辆行驶。此时，MG1处于空转不发电状态。如需要提供更多驱动扭矩时（驾驶员深踩油门或检测到负载过大），主ECU便控制HV蓄电池向MG1供电，使其转动起动发动机。从下图中可以看出，首先

32、，MG1的驱动电流会使其停止转动，此时发动机已经正向旋转，然后当电源控制ECU模块接收到发动机已经运转的信号会立即切断MG1的驱动电流，已经启动的发动机带动MG1转动，从而将其转换成MG1对HV蓄电池进行充电。 R PC S （）0（+）图2-5 车辆低负荷工况 R PC S （）0（+）图2-6 车辆低负荷工况RCWheelEngineSMG2MG1Battery图2-7 车辆低负荷工况2.2.4 车辆正常行驶工况车辆在正常行驶状态时，发动机和MG2一同驱动。（该系统能使发动机一直处于最佳工况，使燃料始终保持在较低的水平）一方面由发动机向驱动轮提供动力，另一方面发动机将剩余动力给MG1充电，

33、再由MG1向MG2提供电能，同时MG2也给驱动轮提供动力。当HV蓄电池的电量少时，发动机输出功率会被提高，带动MG1加大发电量向HV蓄电池充电。当车辆由正常行驶状态进入巡航状态时，MG1的转速可以有所下降，这样发动机可以在较低的经济转速下工作从而提高了车辆的经济性。 RPCS（）（）图2-8 车辆正常行驶工况RCWheelEngineSMG2MG1Battery图2-9 车辆正常行驶工况2.2.5 大负荷行驶工况重负载下加速（全力加速工况），同样，发动机一方面向驱动轮提供动力，另一方面在车辆正常行驶工况的控制基础上额外增加HV蓄电池的电力，由MG1和蓄电池（根据加速程度）同时向MG2提供电能，

34、再由MG2驱动车轮，以提高其对驱动轮的驱动力，补充发动机动力。RPCS（）（）图2-10 大负荷行驶工况WheelEngine CRSMG2MG1Battery 图2-11 大负荷行驶工况在车辆的这种使用状态下，发动机转数升高是车辆的主要动力来源，同时MG1和MG2的转速也将增加。此时，MG1在增速状态下发电量大，MG2消耗的电量也会增大，其能量消耗加剧的结果还是加大了发动机的负荷。对于混合动力车辆来说，在这种状态运转车辆的油耗是最大的并不是混合动力汽车的优势所在。2.2.6 车辆制动减速行驶工况当车辆减速行驶时，发动机和MG2都停止向驱动轮提供动力，由于地面对车轮的阻力作用，车轮将驱动MG2

35、作为发电机给蓄电池充电，车速越高发电量越大。（给蓄电池充电过程中，当电量低于40%时开始充电，达到充电量的60%时停止充电）当车辆从较低速度开始减速时，发动机停止工作动力为零，MG1反向增速旋转但不发电；当车辆从较高速度开始减速时，发动机将会以预定转速继续运转防止太阳轮转速过高（MG2产生的电能供给MG1，MG1驱动发动机。此时发动机断油空转。MG1输出的动力成为发动机的制动力），从而保护行星齿轮组件。 RPC低速减速状态高速减速状态S （）0（+）图2-12 车辆制动减速行驶工况EngineCRWheelSMG2MG1 Battery 图2-13 车辆制动减速行驶工况2.2.7 车辆倒车行驶

36、工况车辆倒车时，若SOC充电状态正常，发动机将停机，仅由HV蓄电池驱动MG2反向转动为车辆提供动力，同时MG1正向增速旋转但并不对外发电（空转），否则MG2就会受到很大的负载从而加剧HV蓄电池能量的消耗，这样不划算。RPCS（）（）图2-14 车辆倒车行驶工况若电源控制模块监测的任何项目与规定值有偏差，MG1将从正向增速的空转状态提高转速转变为驱动状态进而启动发动机9。2.3 本章小结本章首先介绍了丰田混合动力系统(THS)的组成，其次对不同工况下车辆的工作状态与原理进行详细的描述与分析，通过以上介绍与分析对动力源的功能作如下几点总结与说明：（1）发动机：主要的动力源，剩余的动力可用于向MG1

37、及蓄电池充电。（2）电动发电机MG1：作为动力分离装置的控制元件。与太阳轮相连，动力控制单元按照一定的控制策略改变其转速和转矩，从而实现无级变速的功能（调速）。作为发动机的起动机。作为发电机，将发动机多余的能量转化为电能，给电机MG2供电或给蓄电池充电。（3）电动机MG2：提供辅助动力。以保证在任何工况下发动机始终保持在高效区域工作（机械点）。 当汽车制动、下坡或驾驶员放松油门踏板时，发动机关闭，MG2作为发电机，在汽车的惯性下，车轮带动MG2发电，将制动能转换为电能储存在蓄电池中（再生制动）。 3 设计计算3.1 设计参数及要求3.1.1 设计与计算参数丰田第一代普锐斯的整车参数如表3-1所

38、示。表3-1 整车基本参数整车整备质量（kg)最大总质量 （kg） 车轮滚动 半径（m） 迎风面积 （m2） 空气阻力 系数滚动阻力 系数驱动方式 1332 1368 0.287 1.746 0.3 0.009前轮驱动发动机参数如表3-2所示。表3-2 发动机参数 项目 指标 排量 最大功率 最大转矩 1.5L 43kW/ 4000r/min102Nm/4000r/min 电动机与发电机参数如表3-3所示。表3-3 电动机与发电机参数设备 类型最大功率 最大转矩 电动机 发电机 永磁同步 交流电动机 31kW/940r/min 305Nm 15kW 55Nm该车的驱动桥类型为P112，主减速器

39、传动比为3.93，差速器传动比为4.113，采用电子无级变速器（EVT），变速器中行星齿轮、中间轴齿轮、链相关参数如表3-4所示。表3-4 变速器相关参数 行星齿轮 链 中间轴齿轮齿圈齿数/个78链节数/个 72主动链轮齿数/个 30行星齿轮齿数/个23主动链轮齿数/个 36从动链轮齿数/个 44太阳轮齿数/个30从动链轮齿数/个 353 设计计算3.1.2 设计要求根据设计参数及工作特性等，选取合适的电机和测功机，设计合理的动力耦合装置，来实现模拟实际的发动机、发电机、电动机的功率耦合，同时合理地布置试验台。轴类零件设计要求：轴和轴上零件要有准确的工作位置。轴上零件要易于拆装和调整。轴应当便

40、于加工，并有良好的制造和装配工艺性。壳体类零件设计要求：变速箱的壳体能够合理的包裹箱体内零件，同时结构应当简单紧凑，以满足安装要求。壳体应当具有足够的强度，并通过适当的添加加强筋来满足设计要求。壳体内应当布有润滑油路，以实现对内部各个零件的润滑。考虑到壳体内各个零件的装配关系，壳体应当便于各个零件装配。壳体连接面处应当具有良好的密封性，以防止润滑油泄露。3.2 混合动力系统行星齿轮变速器方案设计3.2.1 变速器壳体设计方案变速箱壳体设计过程注意事项：变速箱壳体设计过程中，要考虑到变式箱中齿轮、轴、轴承等零件的安装关系，同时，还要考虑到润滑油路的设计。具体来说，应注意以下几个方面：螺栓布置过程

41、中，相邻螺栓的压力线要落在结合面上。加强筋设计过程中，其宽度大致等于0.5-0.75倍壁厚，高度不小于壁厚。加强筋之间的间距一般为5倍壁厚。圆角设计过程中，一般取圆角大小为壁厚的一半至壁厚大小。壁厚及转角设计过程中，壁厚不应出现大的变化，防止铸造过程出现裂纹。变速器壳体的具体结构设计：考虑到变速器内各个零件的布置，将箱体分成三部分，各个部分通过螺栓连接，并通过定位销固定，第一部分中安装有滚动轴承，与电动发电机MG1相连的第一轴、齿轮以及一端开有非标准花键的用于连接太阳轮与齿轮的齿轮轴，分别用于支撑轴和连接太阳轮与电动发电机MG1。第二部分布置有行星机构、主减速齿轮及连接测功机的第二轴。第三部分

42、中布置有一端开有非标准花键与齿圈端盖相连,另一端通过联轴器与电机MG2相连的第三轴。3.2.2 混合动力系统试验台设计方案根据丰田第一代普锐斯汽车中行星齿轮变速器的结构设计箱体，结合工作原理选取合适的电机模拟与行星排中太阳轮相连接的发动机，同时还要选取合适的两个电机代替原构型中的MG1和MG2，用测功机模拟汽车行驶阻力，通过测功机对试验台进行加载。为了获取发动机的工作点、MG1和MG2的转速及转矩，需要选取合适的转速转矩传感器进行测量。3.2.3 混合动力系统试验台具体结构设计与计算将箱体通过支架安装在试验台上，再利用联轴器及轴承与模拟发动机的电机、转速转矩传感器、电动发电机MG1、电动机MG

43、2及测功机相连。根据模拟发动机的电机、转速转矩传感器、箱体安装方式和测功机的固定位置设置前、后、左、右支架布置试验台，模拟发动机的电机与箱体内的发动机输入轴相连，电动发电机MG1与电机MG1输入轴相连，电动机MG2与电机MG2输入轴相连，测功机与箱体内的输出轴相连。在模拟发动机的电机和与其相连的发动机输入轴之间，模拟MG1的电机与箱体内的电机MG1输入轴之间，模拟MG2的电机与箱体内的电机MG2输入轴之间，输出轴与测功机之间安装转速转矩传感器，所有传感器上有底座与支架固定，底座通过四个螺栓固定在支架上，在底座和支架之间加设一块橡胶垫，支架为上下可调式伸缩支架。动力总成各部件和转速转矩传感器、测

44、功机与动总成中心线高度要求一致10。确定了总体设计方案之后需要对方案中的电机、测功机进行选型，以及轴的设计计算等。（1） 模拟电机的选型：由于车辆有启动/停止、加速/减速、制动等不同的工作状态，且运行频繁，因此电机的起动性能（起动转矩/起动电流）、加速性能、低速时的效率、制动及滑行时的能量再生能力、电机的过载能力、能量密度、可靠性对混合动力汽车特别重要。为了模拟汽车真实的行驶工况，驱动电机的选择要求既要符合电池充放电特性，又要符合汽车的负载特性，但输出功率不要太高11。因此选择无刷直流电机，体积小、重量轻、对外特性好、效率高、速度范围宽、再生制动效果好、具体参数如表3-6：表3-6 模拟电机参

45、数 额定转速 （r/min） 最大转速 （r/min） 额定扭矩（Nm） 最大扭矩（Nm） 额定功率 （kW） 最大功率 （kW） 额定电压 （V） 额定相电 流（A） 2500 3600 12 38 3 8 60 72（2）测功机的选型：测功机根据吸收能量所转换的形式，可以分为水力型、电力型、电祸流型三大类。水力型及电涡流型测功机最终是将所吸收的能量变为水或电涡流的热能而散发掉；电力型测功机则是将吸收的能量变为电能再反馈到电网中加以利用。水力测功机是以水作为制动介质，水在测功机的转子与定子之间起联结作用而形成制动阻力矩。通过进出水量的调节，可以得到不同的制动功率。其优点是：体积小、机构简单、

46、制造成本及使用成本低；缺点是：低负荷时工作不稳定，低速时制动力不足，自动化程度低及动态响应太慢。电力测功机的工作原理类似普通的发电机，即把发动机旋转运动的机械能转变为发电机的电能，发电机起到制动机的作用。根据电机的不同，可以制成直流电力测功机和交流电力测功机。直流电力测功机是一个外壳可以浮动的直流发电机。其优点是：转速和负荷调节范围广、工作稳定、测量和控制精度高；缺点是：制造成本高、维护费用高、占地面积大单机容量、最高电压和最髙转速都受到一定的限制。交流电力测功机通常使用交流同步电机或异步电机作为加载设备。电涡流测功机的制动器主要是由转子和定子组成，在定子四周装有激磁圈。转子作为电磁盘在激磁线

47、圈间转动，当激磁线圈通电时，磁场便形成，随着转子的转动，磁力线不断变化，因而在转子盘上产生电涡流，产生一定的阻力矩。调节激磁电流，可以改变阻力矩的范围12。表3-7 测功机的性能对比 项目 水力测功机 电涡流测功机 直流电测功机 交流电测功机 转动惯量 较小 控制精度 较差适用转速范围 高转速 功率范围 大 动态响应 慢 低速特性 差 过载能力 差 冷却办法 液态水冷却 较小一般 高转速 大适中 差 差 液态水冷却 大 良好 较广泛 较广泛 好（10-100ms） 好 良好风冷 很小优秀较广泛较广泛 很好（10ms)很好优秀风冷 综上所述，考虑并结合本设计用于研究的目的及其特点选择电涡流测功机

48、。测功机的功率选择要考虑扭矩、转速。在确定模拟发动机台架的试验机型后，所选择的测功机的最大功率要比试验机型的最大功率稍大一些，通常情况是内燃机的最大功率为测功机最大功率的75%-80%13，所以测功机选择最大功率为10kW。（3）轴承选型：本设计采用主要受径向载荷，也能承受一定的双向轴向载荷的型号为6209的深沟球轴承。而在高速装置中可替代推力轴承，价格相对低廉，应用范围最广。（4）花键：由于本设计是基于第一代Prius单排行星齿轮进行的，所以与行星齿轮连接处的花键应与行星齿轮上的花键相匹配。经过测量，连接处的花键应选梯形花键。（5）轴的设计与计算：箱体中，与太阳轮直接相连的是一端开有与太阳轮外端外花键相配合的非标准内花键，另一端有与电机MG1相配合的小齿轮的空心轴；接着通过与空心轴上小齿轮啮合的齿轮再通过阶段轴与模拟电机MG1的电机相连；通过一端开有与端盖相配合的非标准外花键与齿圈相连，利用轴环和轴肩进行定位的轴为电机MG2输入轴；输出端利用链传动将齿圈与测功机输出轴相连接，轴为阶梯轴通过联轴器与测功机相连。下面对轴进行尺寸的初选。选轴的材料为45钢，正火处理，估计直径d100mm查表得MPa，取C