一种混联式混合动力汽车的关键部件设计(毕业设计)

1、 学士学位论文学士学位论文一种混联式混合动力汽车的关键部件设计DESIGN OF THE KEY COMPONENTS FOR A MIXED HYBRID VEHICLE 焦宇琦焦宇琦佳木斯大学佳木斯大学2013 年年 6 月月国内图书分类号：U27 学校代码：10222国际图书分类号：629 密级： 公开工学学士学位论文工学学士学位论文一种混联式混合动力汽车的关键部件设计学生：焦宇琦导师：姚嘉申请学位：工学学士专业：车辆工程所在单位：机械工程学院答辩日期：2013 年 6 月授予学位单位 ：佳木斯大学Classified Index: U27U.D.C: 629Dissertation f

2、or the Bachelor Degree in EngineeringDesign of the Key Components for a Mixed Hybrid Vehicle Bachelor：Jiao YuqiSupervisor：YaoJiaAcademic Degree Applied for：Bachelor of EngineeringProfession：Vehicle EngineeringAffiliation：School of Mechanical EngineeringDate of Defence：June, 2013Degree-Conferring-Ins

3、titution：Jiamusi University摘 要I摘摘 要要面对全球石油资源日渐枯竭、环境污染日趋严重的状况，人类必须寻找一条既节能、环保，又能继续享受汽车所带来的生活便利方式。在燃料电池汽车和纯电动汽车关键技术未取得突破性的进展情况下，发展混合动力汽车成为解决当前问题最为有效的方案。混合动力传动系统是混合动力汽车的核心部分，根据开发车型选择和设计结构紧凑、工作模式齐全、控制方便的混合动力传动系统是混合动力汽车成功开发的关键。提出并设计了结合行星齿轮动力耦合功能和无机变速连续速比变化特性的一种结构紧凑的新型混合动力传动系统，并针对设计的混合动力传动系统进行了相关的研究工作。根据混合

4、动力汽车动力耦合系统和传动系统结构及特性，选择其中单级行星齿轮机构，并分析传动系统在汽车不同工况下的多种工作模式。以长安志翔原型轿车为参考对象，利用选择的混合动力传动方案对所涉及的动力系统及传动系统进行参数匹配设计。结合动力传动系统各种工作模式的特点，完成包括发动机、电动机/发动机、电池组、行星齿轮机构、无级变速器和主减速器等部件的参数匹配设计。利用 Pro/E 软件，对关键部件进行三维实体建模和运动仿真。提出混合动力汽车创新设计思想。关键词：关键词：混合动力汽车；传动系统；动力耦合器；参数匹配；行星机构设计佳木斯大学工学学士学位论文IIAbstract Facing with the sit

5、uation that global oil resources are depleting and environmental pollution increasingly serious problems, human beings must find a way both energy-saving and environmental protection, and yet continue to enjoy the benefits of convenience life and rapid social development brought by vehicles. Since n

6、o breakthrough in key technology of fuel cell vehicle and pure electric vehicle, to develop hybrid electric vehicle has become the most effective solution to solve the problem. Hybrid power transmission system is a core part of the hybrid electric vehicle.According to the vehicle-type to be develope

7、d, to select and design a hybrid power transmission system that structure is compact, operating mode is complete relatively and easy to control is the key to develop hybrid electric vehicle successfully. In the paper, after analyzed and contrasted the pros and cons of domestic and abroad power coupl

8、ing systems and transmission systems used in hybrid electric vehicle, four new compact hybrid power transmission systems that combined the power coupling function planetary mechanism and the continuous ratio changing characteristics of the CVT are proposed and designed. And a wide range of research

9、work on the hybrid power transmission systems designed is carried out. The main contents of the paper are as follows: According to the function requirements of the hybrid power transmission system, and through using the method of single planetary mechanisms, choose one new typed hybrid power transmi

10、ssion systems based on CVT are designed. Varieties of operation modes under different vehicle driving conditions, and coupling characteristics of different operation modes are analyzed. Taking ZhiXing car as reference object, parameters of the power source systems and transmission systems involved f

11、or the design scheme of new typed hybrid power transmission are matching designed and studied. Combine the characteristics of the power transmission operation modes, the parameters matching design of parts including the engine, motor/generator, battery pack, the planetary mechanism, continuously var

12、iable transmission final drive etc are completed. Used the Pro/E software to make the parameters matchnism3D model. Came up with the new idea of hybrid car.Keywords: Hybrid Electric Vehicle (HEV)；Transmission System,；Power Coupling；Continuous Variable Transmission (CVT)；Parameters Matching 目 录III目 录

13、摘 要.IAbstract.II第 1 章 绪 论.11.1 课题背景及研究的目的和意义.11.2 混合动力汽车概述.2 1.2.1 混合动力汽车的定义及特点 .2 1.2.2 本文涉及的混合动力汽车类型及特点 .3第 2 章 传动系统及动力耦合系统设计.52.1 设计思路.52.2 传动系统方案设计.6 2.2.1 行星齿轮机构与动力源连接方案 .6 2.2.3 传动动系统工作模式分析.82.3 本章小结.14第 3 章 关键部件参数匹配设计.153.1 整车基本参数和设计要求.15 3.1.1 原型车的结构参数及技术参数 .15 3.1.2 设计要求 .163.2 动力系统参数设计.16

14、3.2.1 动力源总功率的初步确定 .17 3.2.2 发动机参数设计 .19 3.2.3 电机参数设计 .20 3.2.4 电池组参数设计 .223.3 传动系统参数设计.24 3.3.1 传动系统最小传动比 .25 3.3.2 传动系统最大传动比 .25 3.3.3 CVT 与主减速器总传动比.26 3.3.4 传动系统速比的最终确定 .263.4 匹配结果.263.5 本章小结.27第 4 章 行星机构设计与建模.29佳木斯大学工学学士学位论文IV4.1 计算齿轮的主要参数.29 4.1.1 配齿计算.29 4.1.2 装配条件.29 4.1.3 初步计算齿轮的主要参数.304.2 齿轮

15、强度计算及校核.31 4.2.1 齿轮副强度计算.31ac 4.2.2 齿轮副强度计算.33bc4.3 行星齿轮机构三维建模.34 4.3.1 渐开线几何分析.34 4.3.2 输入基本参数和关系式.35 4.3.3 其它构件的建模.374.4 本章小结.40第 5 章 混合动力汽车创新设计.415.1 混联式双电机驱动.415.2 加装辅助太阳能电池板.425.3 利用气体燃料代替汽油或柴油燃料.435.4 本章小结.43结 论.45参考文献.47附录 I.49附录 II.57致 谢.68第 1 章 绪 论- 1 -第第 1 章章 绪绪 论论1.1 课课题题背背景景及及研研究究的的目目的的和

16、和意意义义汽车集成了第二次工业革命以来的大量技术，涉及机械、冶金、金属加工、化工、石油、橡胶、塑料、电子、电器、仪器表等各个领域。汽车产业是很高产业关联度的产业，汽车工业对附属产业及其相关产业的拉动效应为 1:7:11，几乎无出石油地决定一个国家的工业化程度。1随着人口的增长，人们生活水平和工业化程度的不断提高，汽车保有量也不断增长。到 2012 年我国汽车产销双双突破 1900 万辆，超越美国跃居汽车产销量世界第一。预计到 2020 年中国的汽车保有量将超过 2 亿辆。2汽车已经成为人们日常生活中不可去少的一部分。汽车在给人们生活带来极大便利、促进社会迅速发展的同时，也带来了严峻的能源短缺和

17、环境污染问题。严重威胁着人们的生活质量和生存状态。（1）能源问题近年来我国石油对外依赖度逐年增加，仅 2009 年我国石油消耗量已达到3.88 亿吨。照此计算下去，即便我国的静态石油储备量仍然有 100 亿吨，也只能够开采几十年，到 2035 年左右中国本土的石油将开采殆尽，更何况我国石油消耗将逐年增加。预计到 2020 年，我国一年最少需要 4.5 亿吨原油，其中汽车用油将占到用油量的 55%。43（2）环境问题石油的大量消耗，伴随而来的是严重的环境污染问题。汽车带来的污染物主要是汽车尾气的排放，尾气中一氧化碳是温室气体之一，尾气中的碳氢化合物等在太阳紫外线的照射下发生化学反应，形成浅蓝色烟

18、雾，不仅污染空气，而且严重影响市民身体健康。今年年初，北京、天津等各大城市均出现雾霾天气，并5持续时间长达半月之久，能见度极低，市民上呼吸道感染病例激增，均是由于汽车尾气中的 PM2.5 引起的。汽车造成的能源和环境问题已引起各国政府的重视，各国纷纷颁布严格的法佳木斯大学工学学士学位论文- 2 -规限制汽车排放污染，同时出台相关政策鼓励和资助新能源汽车的研发和推广。由此看来，改变传统燃油汽车发展方向，走新能源汽车发展道路势在必行。包括燃料电池电动汽车、纯电动汽车和混合动力电动汽车在内的电动汽车是替代燃油汽车的最佳解决方案。目前，燃料电池电动汽车在开发低成本的燃料电池系统、稳定的整车控制系统和高

19、效的燃料处理器等关键技术领域仍然没有取 得突破性的进展，大批量投入市场需要很长一段时间。纯电动汽车存在动力电池动力性差、续驶里程短和成本高等问题，是其市场化推广举步维艰。于是混合动力汽车成为目前解决问题最有效的方案。1.2 混混合合动动力力汽汽车车概概述述1.2.1 混合动力汽车的定义及特点混合动力汽车的定义及特点根据国际电工委员会（IEC）电动汽车技术分会及中国汽车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源，并能够至少从可消耗的燃料和可在充电/能量储存装置两类

20、车载储存的能量中获得驱动动力的混合型电动汽车，器驱动源可以是内燃机/燃料电池、蓄电池、超级电容、液压蓄能器等。本文所涉及的混合动力汽车时采用发动机和电机/电池作为动力源的混合动力电动汽车。电动机与发动机相比，具有安静、清洁、效率高等特点。混合动力汽车将传统的发动机驱动与电力驱动结合起来，融合了两者的优势，具有以下特点： （1）与相同类型的传统燃油汽车相比，混合动力汽车采用较小功率的发动机，降低了有害气体的排放，也降低了发动机的噪音。 （2）与纯电动汽车相比，混合动力汽车的电机功率和车载动力电池组的容量较小，减小了电机、电池组的质量和体积，减少了车辆自身的重量，降低了成本，同时克服了纯电动汽车续

21、驶里程短的缺陷。（3）相对于传统燃料汽车和纯电动汽车而言，混合动力汽车的动力传动系统一般具有实现动力合成与分解功能的动力耦合系统，采用的控制系统越先进，第 1 章 绪 论- 3 -动力耦合系统越复杂。基于上述特点，尽管混合动力汽车并不是零排放车辆，而且结构较为复杂，但混合动力汽车正在成为实用的先进动力汽车，在不远的将来将成为燃料电池电动汽车代替传统燃料汽车的重要过渡选择，是实现低排放车辆商品化的可行性方案，被普遍认为是目前具开发和推广前景的新型清洁交通工具。1.2.2 本文涉及的混合动力汽车类型及特点本文涉及的混合动力汽车类型及特点根据分类依据的不同，混合动力汽车可划分为多种不同类型。一般情况

22、下我们按照动力传动系统结构形式的不同将混合动力汽车划分为：串联式混合动力汽车、并联式混合动力汽车、混联式混合动力汽车、复合式混合动力汽车。下面介绍混联式混合动力汽车的结构形式及特点。 PSHEV 在结构上上综合了 SHEV 和 PHEV 的特点，与 SHEV 相比增加了机械动力传递路线，与 PHEV 相比增加了电能传输路线，如图 1-1 所示。图 1-1 混联式混合动力汽车动力传动系统结构框图 PSHEV 传动系统中机械联动的电机相当于并联式混合系统中的电动机，用来驱动汽车和刹车制动时进行再生制动，电能联动路线的电机相当于串联式混合结构中的发电机，用于吸收发动机盈余功；发动机的运行状态不受汽车

23、行驶工况的影响，具有良好的燃油经济性和排放性能；汽车最大功率为发动机和电动机的功率之和，则可选择小排量的发动机和小功率的电动机；通过配备专用发动机/电动机发电系统，减少了对电池以及外接电力的依赖，而且续驶里程与传统汽车相佳木斯大学工学学士学位论文- 4 -当，是非常理想的混合动力方案；为保证各动力系统协调工作，需要先进的动力传动系统和控制系统，使其结构复杂，控制元器件价格高昂，整车成本高，但随着制造技术和控制技术的发展，现代混合动力汽车将更倾向于选择这种结构。 第 2 章 传动系统及动力耦合系统设计- 5 -第第 2 章章 传动系统及动力耦合系统设计传动系统及动力耦合系统设计2.1 设设计计思

24、思路路以具有两个自由度的行星齿轮机构作为动力合成与分解的动力耦合系统，可通过调节内燃机和电机之间的转速、转矩关系，使发动机的工况调节变得更加灵活，这种动力耦合系统被认为是目前最有生命力的一种结构。利用 CVT 连续11速比变化的特性，使汽车各种行驶工况下的发动机和电机均工作在最佳匹配工作点，可使混合动力汽车的油耗减少 30%，排放降低 50%，显著提高汽车燃油经济性和排放性，是目前最理想的混合动力汽车变速装置。因此，CVT 与行星12齿轮机构组成的动力传动系统对汽车的综合性能必将有很大的提高。图 2-1 CVT 变速器简图基于此，这里我们选取 CVT 变速器，如图 2-1。为能实现相对齐全的工

25、作模式及工作模式间的灵活切换等诸多功能，必要时采用离合器和制动器等接合元件实现。传动系统相应功能的实现措施为： （1）用单级行星齿轮机构实现动力的合成与分解、倒档换向功能； （2）通过改变离合器、制动器的接合状态实现发动机单独驱动、纯电机驱动、单自由度/两自由度混合驱动、发动机倒车、助力倒车等各种工作模式及工作模式间的切换功能；佳木斯大学工学士学位论文- 6 - （3）用单向离合器防止发动机曲轴反转，实现无发动机反拖的再生制动功能； （4）传动系统传动比主要由 CVT 实现，使发动机和电机均尽可能工作在高效工作区，同时电机通过行星机构辅助调速使发动机工作在最佳燃油经济性曲线上。2.2 传动系统

26、方案设计传动系统方案设计2.2.1 行星齿轮机构与动力源连接方案行星齿轮机构与动力源连接方案动力的合成与分解有单自由度和多自由两种方式。单自由度系统可实现电机和发动机输出扭矩的叠加，提高汽车动力性，但输出转速必须与发动机和电机的输入转速一致，使转速范围无法扩展。具有两自由度的行星齿轮机构则不受此限制，其两自由度状态下的扭矩关联成比例、转速相互独立的特性能很好地用于输出扭矩的控制，在输出扭矩一定条件下其输出转速可在一定范围内变化，同时可实现零输出转速下不同扭矩输出，这一特性非常适用于车辆起步和换挡过渡。综合这两种不同的合成方式的优点，可以以行星齿轮机构为基础、以离合元件为辅设计动力传动系统，通过

27、控制离合元件状态，在单自由度和两自由度之间切换，达到车辆行驶的最优效果，这是一种比较理想的结构方案。13表 2-1 行星机构与动力源的不同连接方案连接方案123456发动机行星架行星架齿圈太阳轮齿圈太阳轮电动机齿圈太阳轮行星架行星架太阳轮齿圈 为利用行星机构的两自由度特性，实现两自由度动力合成与分解功能，发动机和电机必须与行星齿轮机构的太阳轮 S、行星架 H、齿圈 R 三构件中两个不同的构件相连接，则共有 6 种不同的连接方案，如表 2-1 所示。2.2.2 连接方案选择连接方案选择 当输出与行星架 H 相连时可实现纯电机减速增矩驱动、纯发动机减速增矩驱动、两自由度混合驱动和行星机构作为一个整

28、体旋转时的纯发动机/电机驱动、第 2 章 传动系统及动力耦合系统设计- 7 -电机助力、行车发电、有发动机反拖的再生制动多种工作模式；当输出与太阳轮 S 相连时可以实现无发动机反拖的再生制动状、纯电动行车/倒车和在行星架 H制动情况下实现发动机倒车及电机助力倒车功能。但倒车时行星机构为增速传递，减小了发动机的动力传递，这里可利用电机的低转速大扭矩特性以及采用大的 CVT 速比来增加倒车驱动力。该方案可以比较好的地实现所需要的各种工作模式和相关性能要求。根据这种连接方案设计新型的集成单级行星齿轮机构和 CVT 的混合动力传动系统主要包括一个单排单级行星齿轮机构、发动机、电机转子和定子、通过 DC

29、/AC 逆变器与电动机定子相连的电池组、制动器 B1 和 B2、离合器 C1 和 C2、单向离合器 F、CVT 和连接离合器和 CVT 的耦合输出轴组成。设计方案结构如图 2-2所示。 该结构形式可以实现以下功能： （1）动力耦合功能。实现多个动力源的扭矩、转速及功率的合成及分解，形成驱动车辆的动力。各动力源输出的动力不相互干涉，每个动力源可单独驱动车辆，也可共同驱动车辆；必要的时候还可以把单个动力源输出的动力进行分解，如行车发电模式就是把发动机的动力分解成两部分，一部分驱动车辆行驶，另一部分驱动电机为电池充电。9 图 2-2 传动系统设简图 （2）再生制动功能。再生制动功能是混合动力汽车非常

30、重要的一种节能途径，佳木斯大学工学士学位论文- 8 -在汽车减速/刹车时，利用汽车动能通过传动系统拖动电机转子在磁场中旋转产生电流，实现制动能量回收。在再生制动的过程中动力耦合机构能够在保持驱动轮与电机转子的机械连接的同时断开其与发动机的连接，以提高制动能量回收量。 （3）工作模式切换功能。混合动力汽车具有多种工作模式，要求车辆在不同的行驶工况下采用动力性和经济性最佳的工作模式。动力耦合系统要能够实现不同工作模式之间平顺无冲击的切换。 （4）其他辅助功能。动力耦合系统还应具有在起步时利用电机低速、大扭矩特性的功能；利用电机直接进行倒车，实现车辆变速器倒挡功能，省去变速器倒档机构，简化变速器机构

31、；具有发动机反拖的再生制动功能，以及实现其他复杂的动力传递和组合要求的功能。102.2.3 传动动系统工作模式分析传动动系统工作模式分析与传统燃油汽车相比，混合动力汽车最大优点就是针对汽车不同工况动力性要求采用不同的工作模式，实现减少燃油消耗和降低排放的目的。本文设计的这种新型混合动力传动系统具有相对齐全的工作模式，能很好地满足汽车在行驶驱动、倒车驱动、汽车起步、发动机起动、驻车发电、减速/制动等工况运行的要求，现以传动系统设计方案一为例对其工作模式进行分析。设计方案一中电机需要提供扭矩约为发动机扭矩的 25%75%，可以选用功率较小的电机作为辅助动力源。 （1）行驶驱动工况根据汽车不同行驶状

32、态，可选用单自由度直接传动模式、单自由度减速传动模式、电机直接传动模式、电机减速传动模式和两自由度混合驱动模式。单自由度直接传动模式时，离合器 C1、C2 都接合，电机转子连同整个行星排作为一个整体随发动机输出轴一起旋转。根据汽车行车需求，控制电机的工作状态：当汽车加速或负载较大时，电机处于驱动状态，实现电机和发动机的扭矩合成驱动，前后电机一同驱动，实现四轮驱动，提高汽车驱性能；当负载适中时，电机转子处于空转状态，由发动机单独驱动汽车行驶,其模拟地盘动力传动如图 2-4 所示；当负载较小且电池组电量较低时，电机处于发电状态，发动机在驱动汽车行驶的第 2 章 传动系统及动力耦合系统设计- 9 -

33、同时带动电机发电。其动力传递路线如图 2-3 所示(图中离合器、制动器和单向离合器涂黑表示元件为接合状态，否则为分离状态，下同)。单自由度减速传动模式时，B2 和 C1 接合，行星机构起到减速增矩作用，扩大了汽车低速行驶范围，提高爬坡动力性。其动力传递路线如图 2-5 所示。汽车低速行驶且电量充足时可以使用电机直接传动模式。离合器 C2 接合，单向离合器 F 因齿圈具有反转趋势而锁止，其动力传递路线如图 2-6 所示。电机单独驱动汽车行驶，可以充分发挥电机低速大扭矩特性，避免发动机在低负荷、低效率工况下工作，降低排放，提高发动机整体运行效率。14电机减速传动模式时离合器 C1 接合，单向离合器

34、 F 因齿圈有反转趋势而锁止，行星机构起到减速增矩作用，可扩大汽车纯电动高效率行驶的低速范围，提高纯电动爬坡能力，其动力传递路线如图 2-7 所示。两自由度混合驱动模式适用于小负荷、高速行驶工况，其动力传递路线如动模式图 2-8 所示。只有离合器 C1 接合，可实现电机和发动机的转速合成,地盘动力传递路线如图 2-10 所示。电机可以作为电动机也可作为发电机工作。根据汽车行驶要求实时调节电机扭矩、转速和 CVT 速比，使发动机和电机始终保持在高效率工作状态。 图 2-3 单自由度直接传动模式 图 2-4 只由发动机驱动动力传递简图 （2）倒车驱动工况佳木斯大学工学士学位论文- 10 -汽车倒车

35、时可以采用纯电动倒车模式、发动机倒车模式和助力倒车模式。倒车车速低，驱动力大，大部分情况下都可采用纯电动倒车模式，此模式动力传动路线与图 2-6 电机直接传动模式相同；当电池组电量不足时采用发动机倒车模式，如图 2-9 所示，制动器 B1 和离合器 C2 接合，利用了行星机构的换向特性，耦合输出轴随太阳轮反转，电机转子随太阳轮空转；当倒车坡度较大且电量充足时采用助力倒车模式，实现电机和发动机的扭矩合成。 （3）汽车起步工况汽车起步可以通过纯电动直接传动起步、纯电动减速传动起步和电力变矩起步三种模式实现。纯电动直接传动起步模式动力传递路线与图 2-6 电机直接 图 2-5 单自由度减速传动模式

36、图 2-6 电机直接传动模式传动模式相同；纯电动减速传动起步模式与 2-7 电机减速传动模式相同；此两种起步模式均利用了电机低转速、大扭矩特性；底盘动力传递简图如图 2-10 所示；当电池组电量不足时采用电力变矩起步模式，动力传递路线如图 2-8 所示，电机不仅充当了液力变矩器的作用，还将发动机起步时的盈余功转化为电能为电池组充电。电力变矩起步开始时耦合输出轴与 CVT 转速为零，结束时汽车达到行驶车速。 （4）发动机起动工况第 2 章 传动系统及动力耦合系统设计- 11 -新型传动系统可以使用停车起动发动机模式、行车电机起动发动机模式、直接拖起动发动机模式和增速拖起动发动机模式四种方式起动发

37、动机，从而有更多的机会避免发动机在恶劣工况下工作。停车状态下欲起动发动机时，接合制动器 B1，电机转子反转，通过行星机构换向，齿圈带动发动机曲轴正转，此模式动力传递路线如图 2-11 所示；汽车在纯电动行驶过程中欲起动发动机，接合离合器 C1 和 C2。电机在驱动图 2-7 电机减速传动模式 图 2-8 两自由度混合传动模式 图 2-9 发动机倒车/助力模式 图 2-10 共同驱动底盘动力传动简图汽车行驶的同时带动发动机曲轴至启动车速，即为行车电机起动发动机模式；佳木斯大学工学士学位论文- 12 -当电池组电量不足时，电机停止驱动，由汽车行驶惯性拖动发动机曲轴旋转，即为直接拖起动发动机模式，传

38、递路线如图 2-12 所示；电池组电量不足时也可以采用增速拖起动发动机模式，如图 2-13 所示，接合离合器 C1 和制动器 B2，此模式可在汽车较低车速行驶时依靠汽车行驶惯性将发动机曲轴拖至较高的启动转速。 （5）驻车发电工况汽车驻车时若电池电量不足，可以运行发动机带动电机发电，为电池组充电，此时制动器 B1 接合，能量传递路线与图 2-11，底盘动力传递简图如图 2-14 所示。 停车起动发动机模式传递路线相反。 （6）汽车减速/制动工况新型动力传动系统具有无发动机反拖的再生制动和有发动机反拖的再生制动两种制动回馈工作模式。图 2-15 所示为无发动机反拖的再生制动模式动力传递路线，离合器

39、 C2 接合，耦合输出轴带动电机转子正向旋转，电机处于发电状态，并提供反向阻力距使汽车减速行驶，同时齿圈具有发转趋势使单向离合器 F 锁止，防止发动机曲轴旋转。此模式可以避免由于发动机曲轴旋转造的能量消耗，既减少气缸磨损，又增加了再生制动能量回收量。当紧急刹车或电机提供的制动力不能满足车辆制动要求时，可让汽车刹车制动器同时参与制动。图 2-11 停车起动发动机图 2-12 行车电机起动/直接拖起动发动机图 2-13 增速拖起动发动机第 2 章 传动系统及动力耦合系统设计- 13 -图 2-14 驻车发电底盘动力传递简图图 2-15 无发动机反拖的再生制动 图 2-16 有发动机反拖的再生制动图

40、 2-16 所示为有发动机反拖的再生制动模式动力传递路线，离合器 C1、C2均接合，电机转子、发动机曲轴和行星机构作为一个整体随耦合输出轴旋转。电机和发动机同时提供反向阻力距，底盘动力传递如图 2-17 所示。汽车在陡坡路面上减速/制动时，可避免频繁使用刹车制动器，延长制动器摩擦片使用寿命。同样，汽车紧急刹车时，可让刹车制动器同时参与制动。佳木斯大学工学士学位论文- 14 -图 2-17 电机产生阻力矩并向蓄电池充电动力传递简图2.3 本本章章小小结结（1）根据行星齿轮机构的差动动力耦合特性和机械无级变速器的连续速比调节特性，提出了集行星齿轮机构与 CVT 于一体的混合动力传动系统设计思路；（

41、2）对单级行星齿轮机构可能连接方案进行了分析，确定了一种结构紧凑、能满足混合动力汽车多种工作模式需要的新型动力传动系统设计方案。（3）针对新型混合动力传动系统设计方案，对其在汽车行驶驱动、倒车驱动、汽车起步、发动机起动、驻车发电、减速/制动等工况下的工作模式进行了详细分析，并分析了新型传动系统的耦合特性，全面地表达出各工作模式的动力传递和传动构件间的动力学关系。第 3 章 关键部件参数匹配设计- 15 -第第 3 章章 关键部件参数匹配设计关键部件参数匹配设计3.1 整整车车基基本本参参数数和和设设计计要要求求3.1.1 原型车的结构参数及技术参数原型车的结构参数及技术参数长安志翔原型车的主要

42、结构和技术参数如表 3.1 所示。表 3.1 长安志翔原型轿车的主要结构及技术参数名称项目数值单位发动机型号JL475Q3排量1.6L最大功率/最大功率-转矩69/5600kw/rpm最大扭矩/最大扭矩-转速140/35004500Nm/rpm发动机最大转速6000rpm3.672.051.310.960.78各挡传动比3.31变速器主减速器速比3.93整车空载装备质量1450kg质量满载装备质量1825kg型号195/65R 15滚动半径0.3080.005m自由半径0.3175m车轮参数自由半径0.29m风阻系数 C0.32迎风面积 A2.28m*m整车基本参数滚动阻力系数0.0135佳木

43、斯大学工学学士学位论文- 16 -最高车速160km/h0100km/h 加速17s动力性最大爬坡度30%NEDC 工况8.65L/100kmUDDS 工况9.12L/100km整车主要性能经济型1015工况7.96L/100km最高车速160km/h0100km/h 加速17s混合驱动最大爬坡度30%最高车速80km/h050km/h 加速6s动力性纯电动最大爬坡度30%经济性提高35%续驶里程纯电动30km3.1.2 设计要求设计要求根据本论文设计目标在满足原型轿车动力性情况下，将燃油经济性提高。整车基本参数不变，结合原型轿车性能和国家有关混合动力电动汽车的性%35能标准制定设计要求如表

44、3.2 所示。3.2 动动力力系系统统参参数数设设计计动力系统参数包括动力源总功率、发动机相关参数、电机相关参数和电池组的相关参数。第 3 章 关键部件参数匹配设计- 17 -表 3.2 设计要求最高车速160km/h0100km/h 加速17s混合驱动最大爬坡度30%最高车速80km/h050km/h 加速6s 动 力 性纯电动最大爬坡度30%经济性提高35%续驶里程纯电动30km3.2.1 动力源总功率的初步确定动力源总功率的初步确定混合动力汽车动力源总功率要满足整车动力性要求，汽车动力性包括汽车的最高车速、的加速时间 T 和汽车的最大爬坡度。maxutuu 0maxi16,15 (1)根

45、据汽车行驶的最高车速确定动力源总功率： P=（） （3-1maxT1max3600ugfmamax376140uACD1）式中：m 汽车质量(包括电池组、电机的质量)，目前已量产的重度混合动力a电动汽车中电池组和电机所占的质量比重约为 5%，根据原型车的空载 装17备质量 1450kg 计算约为 70 kg ，则 计算：kgma1520)701450(g重力加速度，取 10N/kg；f滚动阻力系数，为 0.0135；C 风阻系数，为 0.32；DA汽车迎风面积，为 2.28；2m传动效率，这里取 0.9；T佳木斯大学工学学士学位论文- 18 -根据技术要求最高车速，把以上数据代入公式 3-1，

46、计算得到：hkmu/160max。kwP37.481max(2)根据加速时间确定动力源总功率：汽车由起步加速的过程可用下面经验公式表示：18 （3-2）xmmttvv)(式中：x拟合系数，一般取值 0.5 左右； 整个起步加速过成所用时间，；mtsm/ 加速过程中 t 时刻时的车速，；mvsm/ 则 t 时刻的加速度为： （3-3）1)()(xmmmxmmtttxvdtttvddtdv由于汽车在起步加速的整个过程中，加速过程末时刻时需求功率最大，因此，动力源总功率只要大于加速过程末时刻时的需求功率，就能满足整个加速过程的功率需求。据此根据 0100 km/h 加速时间 T 17s 要求计算动力

47、源总功率。 （3-)761403600sin3600cos(13maxmax3maxiDiaiauACugmugfmP4）式中：汽车旋转质量系数，取值 1.055；22022111riiImrImTgfW车轮的转动惯量，；WI2kg m飞轮的转动惯量，；fI2kg m时的加速度，。hkmudtduT/1002/sm根据式（3.3),可得：第 3 章 关键部件参数匹配设计- 19 - （3-5)TxuTTTxudtdutxTtT1)(取拟合系数 x=0.5,，217/817. 0176 . 3/1005 . 0smTxudtduTt则代入式（3.4）计算得：。kwP41.572max(3)根据汽

48、车的最大爬坡度确定动力源总功率: （3-6）)761403600sin3600cos(1maxmax3maxiDiaiaTuACugmugfmP式中：为汽车最大爬坡度时的稳定车速，一般为 25，最大爬坡角度iuhkm/为。7 .163 . 0arctanarctanmaxmaxi代入公式（3-6）计算得：。kwP39.353max根据上面三项动力性指标的计算结果，动力源总功率 P必须满足：total19 （3-7）),max(3max2max1maxPPPPtotal一般汽车内的空调等附件消耗的功率为 1020%，则：20 （3-8）),max()2 . 11 . 1 (3max2max1ma

49、xPPPPtotal kw89.6815.63则确定动力源总功率为：= 69kW。Ptotal3.2.2 发动机参数设计发动机参数设计发动机参数的设计主要是发动机功率的选择，选择发动机功率的原则是：汽车在发动机单独驱动工作模式下以经济巡航车速行驶时，发动机工作在万有特性图上经济性最佳的区域，并能担负一定的附件功率消耗和充电功率等。汽车在平坦路面以经济巡航车速时的行驶阻力功率为：cucP佳木斯大学工学学士学位论文- 20 - (3-9)761403600(13cDcaTcuACugfmP经济巡航车速取 80通过式(3-9)计算可得，也就是汽车在cuhkm/kwPc52.10经济巡航车速下所需的最

50、小功率。计算经济巡航功率时，还需要考虑经济巡航cP车速时的爬坡功率裕量、发动机附件(特别是空调)消耗的功率%21iPaccP和为电池充电的功率裕量。20chrP （3-10）chracciccPPPPP式中：，其中取，计算得到；cagiivmP3600%2ikwpi76. 6一般为；accPkw5按动力源总功率的计算，为。chrP%10kw9 . 6则代入公式（3-10）得经济巡航功率。kwPc18.2925.10根据发动机万有特性曲线可知，该发动机在的转速范围内min/40001500r工作时，巡航功率对应发动机的燃油经济性比较好。故可选kwPc18.2925.10用最大功率为 51的发动机

51、，最大功率是转速为，最高稳kw1466QJLmin/5600r定转速，最大扭矩为，最大扭矩对应转速为。min/6000rNm90min/4600r3.2.3 电机参数设计电机参数设计电机是混合动力电动汽车两大心脏之一，本车型选用两个电动机分别对前轮和后轮进行驱动，其工作特性对汽车的性能有重要影响。(1)电机峰值功率和额定功率的确定电机的峰值功率应当满足以下几个条件：电机峰值功率加上发动机最大功率应满足动力源总功率要求即：第 3 章 关键部件参数匹配设计- 21 -（3-11)maxmaxetotalmPPP 由则电机峰值功率。,51,69maxkwPkwPetotalkwPm18max满足 3

52、.1.2 节设计要求中纯电动最高车速的要求hkmum/80max P=（） （3-1maxT1max3600ugfmamax376140uACD12） 式中：为电机效率，取 0.9.e 计算得：。kwPm52.101max满足 3.1.2 节设计要求中纯电动加速时间6的要求hkm/500 （3-13)3600761403600(12maxdtduumACugfmPTaDTaem 时的加速度：。hkmuT/5026/1574. 166 . 3/505 . 0smTxvdtduTt 根据公式（3-13）计算得：。14.332maxmPkw 满足 3.1.2 节设计要求中纯电动最大爬坡度要求 （3-

53、14）)761403600sin3600cos(13maxmax3maxiDiaiaTmuACugmugfmP纯电动爬坡稳定车速一般为，iuhkm/15 根据公式（3-14）计算得：。kwPm17.213max 综合上述动力性要求和混合动力汽车用电机选用经验，最终确定电机峰值功率，额定功率。kwPm35maxkwPm20（2）电机额定转速和最高转速的选择电机的最高转速和额定转速对传动系统的尺寸、电动机的额定扭矩和最大转佳木斯大学工学学士学位论文- 22 -矩都有影响。为电机最高转速与额定转速的比值，值越大、最高转速越低，对应的电机额定转矩越高，则对电机支撑要求就越高，而且需要较大的电子设备，势

54、必增加尺寸和损耗，但是值又是车辆起步、加速和稳定运行所必需的。所以值一般选择。6421根据确定的动力传动系统采用的是 CVT，其输入扭矩是有限制的，本文选取CVT 输入轴上的阻力扭矩不大于，初步以 CVT 允许最大输入扭矩作CVTTmN 140为电机最大输出扭矩。根据公式： （3-15）9550maxmaxmrmmNTP min/5 .2387 rNmr综合考虑以上因素，选择电机额定转速，最大转速min/2400rNmr。min/9600maxrNm（3）电机额定扭矩和最大扭矩的确定将电机的额定功率、峰值功率和额定转速分别代入式(3.15)，可计算出电机的额定扭矩和最大扭矩。额定扭矩： （3-

55、16）mrmmrNPT9550 Nm58.79最大扭矩： （3-17）mrmmNPTmaxmax9550 Nm27.1393.2.4 电池组参数设计电池组参数设计混合动力汽车所用电池的最大特点是非完全充电和非完全放电，电池经常处第 3 章 关键部件参数匹配设计- 23 -于放电或充电状态对电池的寿命造成很大的影响。但实验表明，上述因素对镍氢电池寿命的影响并不大。镍氢电池具有良好的耐过充电特性和很好的使用安全性。尤其是充电效率几乎可以达到 100%，非常利于混合动力汽车的制动能量回收，22所以选用镍氢电池。电池参数主要由功率需求和能量需求两个因素决定，即设计的电池组必须能够满足电机的最大功率需求

56、，同时电池组容量应满足汽车纯电动模式续驶里程对能量的需求。所以本文所涉及电池系统参数的设计主要包括电池组电压、电池组功率和电池组容量。（1）电池组功率设计本设计中，传动系统只有一个电机，因此所设计的电池组的功率必须满足该电机的功率输出需求，并考虑电池放电效率、DC/AC 逆变器的效率和电机效86率。则电池组功率可以用下面公式进行初步计算： （3-19)ebACDCmBpP/max式中：为 DC/AC 逆变器的效率，取 0.95；ACDC/ 为电池组放电效率，取 0.95；b 为电机效率，取 0.9.e 根据公式（3-19）计算得到初选电池组功率为：。kwPB09.43（2）电池组电压设计镍氢电

57、池存在以下关系：17 maxbbBPNP （3-20）1000402maxRUPbb bbBUNU式中：为电池组功率，kw；BP 为单体电池个数；bN 为单体电池最大功率，kw；maxbP 为单体电池的额定电压，；bUV佳木斯大学工学学士学位论文- 24 - R 为单体电池等效内阻，；0 为电池组电压，。BUV根据根据单体镍氢电池的放电特性，单体电池电压在 1.2 V 时的电池特平稳，即单体镍氢电池的额定电压。VUb2 . 1单体电池等效内阻可以参考目前市场化的混合动力汽车配备的镍氢电池参数，表 3.3 为几种混合动力汽车的电池参数。取。750025. 00R表 3.3 几种混合动力汽车的镍氢

58、电池参数车型PriusEscapeCivicAccordCamryRX400hLexus450Highlander功率（kW）21392013.833.844.835.344.8单体电池个数160250120120204240240240单体电池内阻0.0030.0030.0020.0030.0020.0020.0020.002则： （3-21）2 .29910000025. 042 . 149.4010004202RUPNbBb取整：=300（个） 。bN如果以 6 个单体为一组，共计 50 组。电池组额定电压为： （3-22)VUNUbbB3602 . 1300修正电池组功率：第 3 章

59、关键部件参数匹配设计- 25 - （3-23）kwRUNPbbB2 .431000422（3）电池组容量设计电池组容量必须满足混合动力汽车纯电动续驶里程的要求。混合动力汽车续驶里程所需能量的计算有等速法和工况法两种方法，本论文采用等速法进行计算。根据国标规定本论文参照的长安志翔原型车属 M1 类车，根据国家标准 GB/T18386-2005 要求，试验续驶里程的纯电动车速为 60。23/hkm电池组的总能量应满足： （3-24）alowhigheBmBuSSOCSOCPW1式中：为电池组总能量，kwhBW 汽车以纯电动行驶时电机的需求功率，kw ；mPhkmua/60 纯电动续驶里程，根据 3

60、.1.2 节设计要求 S=30km；S 、分别为电池和电机的效率，均按 0.9 计算；Be ，分别为电池组最大、最小 SOC 值，一般镍氢电池highSOClowSOC组 SOC 的范围为 0.20.8。由式（3-12）计算得：。kwPe1 . 6带入（3-24）可计算得：kwhWB28. 6电池能量与容量的关系式： （3-25）1000/BBBCUW BBBUWC1000则：AhCB44.17考虑汽车附件要消耗一部分电量，最后选取电池组容量为：。AhCB203.3 传传动动系系统统参参数数设设计计在汽车传动系统参数设计中，传动系统速比的确定非常关键，关系到动力源的工作状态，对动力源的工作效率