毕业论文-混合动力电动汽车设计研究

哈尔滨工业大学毕业设计（论文）摘要混合动力汽车采用内燃机和电动机作为动力源，其燃油消耗和排放都比传统汽车低，并能满足日益严格的汽车尾气排放标准。从整车效率、动力性能、续驶里程和城市运行工况等多方面综合考虑，混联式混合动力电动汽车为首选方案。混合动力汽车动力总成参数匹配技术是混合动力汽车的核心技术之一，而一个良好的控制策略则是保证低油耗、低排放的关键。本文在如下几方面做了详细的研究工作：1、详细地论述混合动力系统的基本结构、工作原理及优缺点；对混合动力电动汽车的动力系统的设计进行分析，并选择混合动力系统的类型；2、在确定功率需求的基础上确定混和动力电动汽车动力总成的初步匹配方案，满足排放标准同时具有较好动力性和燃油经济性，并初步验证研究参数匹配的合理性；3、对混联混合动力汽车动力及传动系统各主要部件的性能进行选择动力装置类型和参数设计；参考混联式混合动力汽车典型例子——丰田pruis的驱动系统，针对伊兰特1.6进行了混合动力系统设计。4、在完成混合动力系统的基础上，通过对行车工作模式的分析和参考串联混合动力系统与并联混合动力系统的控制策略，设计其控制系统；关键词：混合动力；汽车；混联；参数匹配；控制策略

AbstractThehybridelectricvehiclesatisfiedtheincreasinglystrictcriterionofvehicleexhaustemissionwithitsbetterperformanceonhighfueleconomyandlowemissionthantheConventionalVehicle,whichisstronglydependonthecooperationofbustionandelectromotor.Accordingtothecarefficiencypowerperformance,sailmileageandcityroutineetc,parallel-seriesHEVisfinallyadopted.TheHEVparameterdesignisoneofthecoretechnologiesandanicecontrolstrategyisthekeytoguaranteethelowemissionandfuelconsumption.Thisthesisintroducesthedevelopmentsasfollows:1.Discussesindetailthehybridelectricsystemforbasicstructure,anditsadvantagesanddisadvantages;thehybridelectricvehicledesignofthedynamicalsystemforanalysis,andselectthetypeofhybridelectricsystem;2.Indeterminingtheneedtodetermineonthebasisofamixturecontainingelectricvehiclepowertrainofmatch,atthesametimemeettheemissionstandardsfordeterminingglutamateispowerperformanceandfueleconomy,andpreliminaryvalidationofparametersmatchparametersreasonability;3.OnhybridHEVandtransmissionsystemperformanceacrossallthemajorpartsofthechoicespowerunittypeandparameterdesign;refertotheparallelhybridelectricvehicle:atypicalexampleofToyotapruisdrivesystem,carriedoutforelantra1.6hybridelectricsystemdesign;4.Uponcompletionofthehybridsystem,throughtheoperationmodeofanalysis,andreferenceserieshybridsystemandaparallelhybridsystemcontrolstrategy,designitscontrolsystem.KeyWord:hybridcars;PSHEV;parametermatching；controlstrategy目录摘要.… IAbstract… II第1章绪论 11.1本课题的研究意义 11.2国内外研究现状 21.2.1我国混合动力电动汽车研究概况 31.2.2国外混合动力电动汽车研究概况 41.3本论文的主要研究内容 5第2章混合电动车的概述 62.1混合动力汽车概念 62.2混合动力系统的节能潜力 62.3混合动力汽车的排放问题 72.4混合电动车的分类 72.4.1串联混合动力系统 82.4.2并联混合动力系统 92.4.3混联式混合动力汽车(PSHEV) 102.5本章小结 11第3章动力系统总成选型和参数设计 123.1引言 123.2混联式混合动力汽车动力匹配总成选型 123.2.1混合动力电动汽车用发动机选型 123.2.2混合动力电动汽车用电动机选型 133.2.3混合动力电动汽车用储能元件选型 173.3并联式混合动力汽车动力系统的参数匹配与性能指标 183.3.1整车参数与性能指标 183.3.2发动机功率设计 193.3.3电机参数设计计算 193.3.4电池参数设计计算 213.3.5传动比的选择 223.4本章小结 23第4章变速驱动桥结构设计 244.1引言 244.2变速驱动桥的总体布置 244.3传动装置各轴的运动和动力参数的确定 244.4齿轮的结构设计与强度校核 254.5轴的校核 284.6轴承的选择与校核 294.6.1几种轴承的特点 294.6.2类型的选择 294.6.3校核轴承寿命 314.7花键的校核 334.8本章小结 34第5章混联混合动力汽车控制策略设计 355.1引言 355.2混合动力汽车控制策略概述 355.2.1串联式混合动力电动汽车控制方法 365.2.2并联式混合动力电动汽车控制方法 375.2.3混联式混合动力电动汽车控制方法 385.3混联式混合动力电动汽车的工作模式及控制系统 395.4本章小结 40结论 41致谢 42参考文献.. 43第1章绪论1.1本课题的研究意义随着全球经济以及汽车工业的发展，汽车保有量也在逐年急剧增加，但汽车数量的增加却是城市大气污染的主要来源，因此世界各国纷纷制定一系列十分严格的排放法规，强制要求生产低油耗小排放的汽车。但是，尽管目前内燃机电控技术和三元催化等排气净化技术广泛应用，能够大幅度的降低汽车的排放以及耗油量，可是能源紧张和排放带来的环境污染问题还是没有从根本上得到解决。为此，全球的汽车制造商都寻找新的解决办法，把主要精力放在研究开发新型节能无污染的绿色汽车。目前，世界各国都在开发新型节能无污染汽车，包括纯电动汽车EV(electricvehicle)、混合动力电动汽车HEV(hybridelectricvehicle)和燃料电池汽车FCV(fuelcellvehicle)。纯电动汽车(ElectricVehicle简称EV)是一种节约石油能源、无污染的理想“零排放”汽车，因为它引入了电驱动模式，所以这种汽车加大非石油资源的利用率，无疑是解决上述问题的有效途径。纯电动汽车从上世纪70年代开始发展，是发展时间最长的汽车；但是其缺点也非常明显，由于一次充电后的行驶里程较短，而且充电时间长，能源补充不方便，另外在技术上很难解决废旧电池的二次污染以及回收的问题和纯电动汽车的蓄电池技术还未能获得关键性突破，因此，其商业化进展和市场推广缓慢。氢燃料电池动力汽车(FuelCellElectricVehicle，简称FCEV)，燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换电能的装置，其最大特点是反应过程不涉及燃烧和热机做功。氢燃料电池动力系统不仅高效、低噪音，而且无污染、无二氧化碳排放，是一种新型的环保动力源，另外，由于氢在地球中的蕴藏十分丰富，氢气来源极其广泛，可以说是取之不尽，用之不竭的能源。提取氢的方法非常方便，一是可通过石油、天然气、甲醇、甲烷等进行；二是可通过电解水制氢、生物制氢等方法获取氢气。但是其缺点主要是成本高昂，可靠性和运行寿命较低，以及氢燃料基础设施缺乏等因素，所以无法在短期内取代传统动力汽车。在这种情况下，混合动力汽车异军突起，是目前新型清洁动力汽车中最具有产业化和市场化前景的车辆。混合动力汽车将两种或更多能量转换技术和一种或更多的能量存储技术集合为一体，使得混合动力汽车能够明显减少汽车排放和降低油耗，难能可贵的是可以达到与传统汽车同样的行驶里程，另外混合动力汽车燃料补充便利，节能、环保也是混合动力汽车的主要特点，表1．1是四种车型的比较。表1.1四种车型的比较类型燃油消耗续驶里程排放电池寿命加油站改造成本传统汽车100100100100EV030—500100300—400FCV<5>5HEV40—6010040—60300—10000130—160注：表中数据表示比例关系从表1.1可以看出，EV和FCV都具有零排放的优点，但是燃料电池的比能以及技术发展仍然是制约其市场化的一大瓶颈，所以不能满足市场要求；HEV的燃油消耗和排放都比传统汽车低，而且HEV对电池的要求不高，并能满足日益严格的汽车尾气排放标准，当前，HEV已经是汽车技术领域的一个重要的发展方向。但是，世界范围内更加严格的尾气排放标准的出台使得现有的混合动力电动汽车不能适应新形势的需要，其中大部分都存在着退市的危险，目前我国大部分汽车厂商对这种情况的处理方法基本上都停留在改进现有发动机的基础上，很少把发动机、排气系统和控制策略等因素进行综合考虑，已达到符合国III标准的目的，所以系统的研究新型混合动力电动汽车就显得尤为重要。1.2国内外研究现状混合动力汽车的研究始于上世界90年代。其中，较早地提出采用大速比变化范围的混合动力汽车传动系统设计的研究论文始见于1994年在英国召开的InternationalGearingConference。近几年，随着混合动力汽车(HEV)技术发展，使得混合动力汽车有效地克服了传统汽车与纯电动汽车(EV)的缺点并兼顾了两者的优点，在世界范围内已成为新型车辆开发的热点，并且在降低汽车有害排放和燃油消耗方面的潜力已经得到广泛认可。自从1973年爆发了全球性石油危机之后，各国都开始重视节约能源的重要意义，制定汽车燃油经济性法规和加强替代燃料发动机的研究。其中，混合动力汽车就是最杰出的代表成果之一。混合动力汽车采用了发动机驱动系统和电机系统通过机械传动装置耦合在一起来驱动车辆行驶，使得车辆降低燃料消耗量，同时通过整车控制策略控制发动机、电池和电机在不同工况条件下，处于不同的工作模式，从而尽可能多的工作在各自的高效率区域，甚至还可以控制发动机的起停来取消发动机怠速运转，达到明显节能的目的。据统计，在占80％以上的道路条件下，一辆普通汽车仅利用了动力潜能的40％，在走走停停的繁华市区甚至还会降到25％。而混合动力汽车既可以发挥内燃机持续工作时间长，动力性能好的优点，又可以发挥电动机无污染、低噪声、能够回收动力的优点，取长补短，使汽车的热效率可提高40％以上，尾气排放可减少30％以上。另一方面，混合动力汽车在降低汽车有害排放方面的贡献是显而易见的，然而随着人们对环境保护力度的加大，更严格的汽车尾气排放标准也应运而生。发达国家混合动力汽车技术比较成熟，同时它们还是加快尾气排放标准的制定与颁布。比如在欧洲，根据欧洲议会2006年底表决通过的欧盟委员会的一项规定，从2009年9月1日起，欧盟销售和行驶的民用车辆包括以柴油为燃料的汽车，都要执行欧洲5号尾气排放标准。此前出厂的载重、工程和农用柴油车，如在欧盟成员国境内使用，也需加装特殊的尾气过滤装置，以符合欧洲5号排放标准，不过实施日期可延缓一年。此外，从2009至2014年，欧洲汽车尾气排放控制将逐渐过渡到更加严格的欧洲6号标准。我国也在近期出台国III标准，未达到国III标准的新车均不能在市场上销售，也就是说有部分车型正面临着退出汽车市场。从目前的情况看，国外各大汽车生产厂商可能会从混合动力汽车发动机、排气系统和控制策略等综合因素进行考虑，从而达到更加严格的排放标准，最终实现汽车产业的升级；国内汽车厂商由于技术和设备等原因，最可能会对原有车用发动机进行改造，已让整车满足国III标准，或者是更新换代，推出下一代汽车。1.2.1我我国是石油资源十分紧缺的国家，我国的石油仅占世界石油资源的2％，从1993年开始就己成为石油进口国。为应对能源紧缺问题问题，实现社会可持续性发展，我国政府很早就开始重视清洁高效汽车技术的开发。我国在“八五”和“九五”期间都有计划地开展了电动汽车的关键技术攻关和整车研制。我国自主开发的HEV要求节油率达到30％以上，已在几个城市投入示范线路。长安汽车(集团)有限责任公司在科技部、重庆市科委、中国兵器装备集团公司的大力支持下，联合重庆大学承担了ISG(IntegratedStarter／Generator)型混合动力长安轿车整车匹配项目，并己通过国家级验收。研制的混ISG型混合动力轿车SC7130(羚羊)轿车的平台上开发，最高时速可达160Km／h，加速性能与同档次的传统汽车相当，续驶里程大于500Km，最大爬坡度25％，节油30％。但是由于我国混合动力汽车的研究工作起步比较晚，所以和国外的先进技术水平相比还有很大差距。我国的混合动力汽车只是在原油汽车上简单地加载发动机和发电机组，由于缺乏高度自动化的控制系统和能源管理系统，其结果造成两种动力源只是简单结合，缺乏统一协调。加上国III标准的出台，目前可以知道的是10万元以内的车型里有11个车型未达到国III标准，并且退市车型以6万元以下的车型为主；10万元以上车型里共有5个车型未达到国III标准；MPV多功能旅行车、SUV车型里共有48个车型未达到国III标准，并且退市车型以10万元以下的经济型SUV为主。国III标准实施后，上述车型将暂时推出市场，但是其中只有小部分车型会停产，大部分车型还是会经过厂家对发动机的升级后重新回到市场。综上，生产厂商对发动机进行改进势必要增加生产的成本，而厂家会把这些成本加到车价上去，车价的提升必定会带来价格的提升，所以对发动机的升级不是满足国III标准的最终出路。这种情况造成国内大部分汽车厂商的尴尬局面，所以研究在排放标准的前提下，对混合动力汽车进行系统的研究使其具有良好的动力以及燃油经济性能已经到了迫在眉睫的时候了。1.2.2上世纪九十年代以来，日本、美国、欧洲各大汽车公司纷纷开始研制混合动力电动汽车。美国政府于1997年与克莱斯勒公司、福特公司和通用汽车公司合作，实施新型汽车合作计划(PNGV)，该计划制定的混合动力电动汽车开发的目标是：2002年进行试验性推广，2004年达到全面商业化生产。福特公司开发的“优异2000”概念车试验平台的性能已达到PNCV计划的部分目标：每加仑汽油行驶80英里。在1999年末，本田公司在日本、美国等国陆续开始销售的小型混合动力轿车Insight就被美国环保总署评为2001年美国十大节能汽车的第一名，实现了35km／L的低油耗和80g／km的低CO2排放量。第二名是丰田公司的Prius混合动力汽车。欧洲，最具代表的HEV是法国的Berlinge，在性价比上能与一般汽车相抗衡，代表了国际实用先进水平。另外，瑞典沃尔沃公司也开发出了混合动力电动汽车，时速可达90km。德国公司生产的并联式混合动力电动车Duo已小批量生产，因为德国实施了新的汽车排放标准，所以人们把目光更多的寄托在混合动力电动汽车身上。德国汽车工业也已实施新的排放标准和节能要求，将不允许百公里的油耗超过5升的轿车上路，这也将促使人们更多地把希望寄托在混合动力电动汽车上。虽然，国外混合动力汽车技术成熟、设备先进。但是，欧洲5号排放标准对汽车尾气排放的限制更加严格表现在多方面。以柴油车为例，欧洲4号标准规定，柴油小客车的氮氧化物排放量为每公里250毫克以下，载重卡车为390毫克以下，而欧洲5号标准对此的限制分别为180毫克和280毫克。欧洲6号标准则更进一步，规定柴油小客车氮氧化物的排放量每公里不得超过80毫克，载重卡车不超过125毫克。也就是说，8年之后，欧盟行驶的各类汽车，氮氧化物排放量将比现在减少三分之二以上。例如，目前风靡欧洲的SUV几乎100％使用柴油燃料，为加强环保，欧盟特地限定这一车型将于2012年提前两年实行欧洲6号排放标准。所以说，为了达到新的标准，各大汽车生产商必需对发动机、排气系统和控制策略等进行改造，以及对燃料进行深入的环保研究，最终实现产业升级。综上所述，从国内外的研究情况可以看出新型汽车尾气排放标准的推出，可以推动汽车产业的再次升级。当前世界汽车产业已经进入成熟发展期，随着世界汽车保有量的越来越大，而减少汽车尾气排放，不仅关系到气候变化，同时也是未来汽车企业增加竞争力的重要手段，谁能占据主动，谁就可能成为行业的领跑者。一旦汽车尾气排放的研究取得突破，必将产生巨大的经济和环保效益。1.3本论文的主要研究内容本研究从系统入手，对混合动力系统各部件参数进行设计，并制订系统的控制策略。归纳起来，主要有以下几方面内容：（1）详细地论述了混合动力系统的基本结构和工作原理，并分析了各自的优缺点；对混合动力电动汽车的动力系统的设计进行了详细的研究和分析，最终确定混合动力电动汽车模型以及工作模式；（2）确定出混联式混合动力汽车动力系统的布置方案，并对该动力系统的特点及功能进行分析；（3）设计混联混合动力系统参数，合理选择发动机和电机的功率、最高转速、电池的功率及需要的储存能量、传动系统的传动方式和传动比；（4）制定混合动力系统能量分配的控制策略，使发动机工作在经济区域，同时保证电池在一个完整的汽车行使循环工况内保持能量平衡，实现节能的效果。第2章混合电动车的概述2.1混合动力汽车概念汽车已与人们的日常生活和生产密不可分。然而，众多的燃油汽车排放所造成空气质量的日益恶化和石油资源的渐趋匮乏，使开发低排放，低油耗的新型汽车成为当今汽车工业界的紧迫任务。人们越来越关注其他燃料的汽车和电动汽车的开发，电动汽车成为最主要的选择之一。所谓混合电动汽车，是在一辆汽车上同时配备电力驱动系统和辅助动力单元(APU),其中APU是燃烧某种燃料的原动机或由原动机驱动的发电机组，目前所采用的原动机一般为柴油机、汽油机或燃气轮机。将产生动力的部件与电能储存元件与不同的方式结合起来，可以形成不同类型的混合动力汽车。简而言之，混合动力汽车就是将传统的内燃机、电力驱动装置和储能装置结合在一起，它们之间的良好匹配和优化控制，可充分发挥内燃机汽车和电动汽车的优点，避免各自的不足，是当今最具实际开发意义的低排放和低油耗汽车。2.2混合动力系统的节能潜力传统汽车相比混合动力汽车耗油的原因主要有以下几种：(1)发动机燃油消耗率特性和汽车实际行驶工况的需求不匹配；(2)制动能量的消耗（特别是在城市市区行驶）；(3)带有液力变矩器的汽车在频繁起停的时候传动效率很低。混合动力汽车相比传统ICE汽车之所以节油，主要结合上述在以下方面有所改进：(1)作为动力装置的发动机尺寸有所减小。(2)通过控制能使发动机工作点尽量靠近或在发动机最优经济区域，提高发动机工作效率，不足动力由电机补充。(3)在汽车制动时，控制电机以发电机模式工作进行回馈制动，将汽车的动能或势能部分回收。(4)在频繁起停工况下：汽车停车时，若电池荷电状态处于合理范围，将发动机关闭，节省发动机怠速油耗；在汽车起动时，由电机单独驱动，能避免带有液力变矩器的汽车在起动时的传动效率低的问题。2.3混合动力汽车的排放问题在控制排放方面，混合动力车有若干优点，降低排排放的主要途径如下。(1)纯电动模式运行混合动力汽车一般设计成具有纯电动运行模式。这种混合电动车在进入车辆和人口密集的城市中心时，可以关闭其发动机以纯电动方式工作，达到零排放，到了郊区时可重新启动发动机。这种车辆还可以在晚上或停车时利用电网的电充电，类似与纯电动汽车的情况。(2)降低发发动机排放混合动力车可采用电动起步，当车速达到预定值或车辆负荷达到预定水平时才启动发动机，尽量使发动机工作在远离排放差的区域；采用功率小的发动机意味着混合动力车辆比起传统车辆来，在常见负荷下，可在较高的额定功率下工作，效率更高、污染最小；动力电池的功率缓冲能力可使发动机缩短冷启动时间，从而减少整车冷启动是的排放。混合动力车还可以在停车、滑行、低负荷、制动或蓄电池SOC到最大值时关掉发动机，取消发动机怠速，而当需要发动机输出力矩时重新启动，这样可以取消怠速时的排放，降低整车排放污染。2.4混合电动车的分类混合动力系统可以按以下几个方面分类：从使用电池-电机与内燃机的搭配比例来看，混合动力车辆有微混合、轻混合、全混合、可外接电源充电混合动力四种类型。(1)微混合系统有时也叫“启-停混合”，依靠电池-电机的功率比例很小，车辆的驱动功率主要由内燃机提供。电机仅作为内燃机的启动机/发电机使用，微混合可实现5%~10%的皆有效果。(2)轻混合系统与微混合系统相比，驱动车辆的两种动力源中依靠电池-电机功率的比例增大，内燃机的功率的比例相对减小。在车辆加速、爬坡等工况下，电机可向内燃机提供辅助的启动力矩，但不能单独驱动车辆行驶。一般电机功率不超过发动机最大功率的10%，其节油可达10%~15%。(3)全混合系统与轻混合系统相比，驱动车辆的两种动力源中依靠电池-电机功率的比例更大，内燃机功率的比例更小，电机和内燃机都可以单独驱动车辆，因此在低速、缓加速行驶、车辆起步行驶和倒车等情况下，车辆可以纯电动行驶；急加速时电机和内燃机一起驱动车辆，并有制动能量回收的能力。电机功率为内燃机最大功率的40%左右，其节油效果达30%~50%，但实际节油效果随车辆结构设计、行驶工况、开车操作细节而变化。(4)可外接电源充电混合动力系统该系统电机功率比例与纯电动情况相同，但内燃机的功率比例与全混合系统的基本相同。从系统能量流和功率流的配置结构关系看，可分为串联、并联和混联。下面着重介绍这三种形式的混合动力系统。2.4.1串联混合动力系统的结构见图2-1。其结构特点是图2.1串联式HEV驱动系统结构图串联式混合动力电动汽车由发动机、发电机、电池组、驱动电机和控制器主要部件组成。发动机仅仅用于发电，发电机所发出的电能供给电动机，电动机驱动汽车行驶。发动机和发电机集成组成一个系统，即辅助动力单元，当发动机发出的功率超过汽车行驶所需要的功率时，发电机发出的部分电能向电池充电，来延长混合动力电动汽车的行驶里程。另外电池还可以单独向电动机提供电能来驱动电动汽车，使混合动力电动汽车在零污染状态下行驶。串联式混合动力电动汽车的优点：(1)发动机能够经常保持在稳定、高效、低污染的运转状态，使有害排放气体控制在最低范围内，并可采用燃气轮机、转子发动机等其他形式的发动机；(2)串联式混合动力电动汽车从整体结构上看，只有发电机－电动机的电力系统，其特点更加趋近于电动汽车。几个大部件总成在电动汽车上布置起来，将有较大的自由度。串联式混合动力电动汽车的缺点：(1)各部件总成各自的功率较大，外形较大，质量也较大，在中小型电动汽车上布置有一定的困难；(2)在发动机－发电机－电动机驱动系统中的热能－电能－机械能的能量转换过程中，能量损失较大。因此发动机输出的能量利用率要比内燃机汽车低。所以，串联式混合动力驱动系统较适合在大型客车上使用，该布置形式更适合于道路复杂的城市工况和山区公路运行。在环保要求高的市区，汽车在起步和低速行驶时，可以关闭发动机进入纯电动状态，使汽车达到零排放的要求。2.4.2并联式混合动力驱动系统的发动机和电动机通过某种变速装置同时与驱动桥直接相连接。电动机可以用来平衡发动机所受的载荷，使其能在高效率区域工作，因为通常发动机工作在满负荷(中等转速)下，燃油经济性最好。当车辆在较小的路面载荷下工作时，传统车辆的发动机的燃油经济性比较差，而并联式混合动力汽车的发动机此时可以被关闭掉而只用电动机来驱动汽车，或者增加发动机的负荷使电动机作为发电机，给蓄电池充电以备后用（即一边驱动汽车，一边充电）。由于并联式混合动力电动汽车在稳定的高速行驶下发动机具有比较高的效率和相对较小的质量，所以它在高速公路上行驶具有比较好的燃油经济性。并联式驱动系统有两条能量传输路线，可以同时使用电动机和发动机作为动力源来驱动汽车，如果其中的一条驱动线路出了问题，另一个仍然可以驱动汽车。这种设计方式可以使其以纯电动汽车，或低排放汽车的状态运行，但是此时不能提供全部的动力能源。并联式混合动力汽车通常有以下四种组合驱动方式：(a)驱动力结合式驱动力结合式（见图2.1A）电动汽车采用一个小功率的发动机，单独地驱动汽车的前轮。另外一套电动机驱动系统单独地驱动汽车的后轮，可以在汽车启动、爬坡或加速时增加混合动力汽车的驱动力。两套驱动系统可以独立地驱动汽车，也可以联合驱动汽车，使电动汽车变成四轮驱动的电动汽车。此种混合动力电动汽车具有四轮驱动的特性。(b)转矩结合式(双轴式和单轴式)转矩结合式并联式混合动力电动汽车（见图2.1，B、C）的发动机通过传动系统直接驱动混合动力电动汽车，并直接（单轴式）或间接（双轴式）带动电动/发电机转动向蓄电池充电。蓄电池也可以向电动/发电机提供电能，此时电动/发电机转换成电动机，可以用来启动发动机或驱动汽车。(c)转速结合式转速结合式并联式混合动力电动汽车（见图2.1，D）的发动机通过离合器和一个“动力组合器”来驱动汽车，电动机也是通过“动力组合器”来驱动汽车。可以利用普通内燃机汽车的大部分传动系统的总成，电动机只需通过“动力组合器”与传动系统连接，结构简单，改制容易，维修方便。通常“动力组合器”就是一个行星齿轮机构，这种装置可以使发动机或电动机之间的转速可以灵活的分配，但它们组合在特定的“动力组合器”中，因为“动力组合器”使它们的转矩固定在电动汽车行驶时的转矩上，要用调节发动机节气门的开度来与电动机的转速相互配合，才能获得最佳传动效果，从而使得控制装备变得十分复杂。图2.1并联式混合动力电动汽车的驱动方式并联式混合动力电动汽车的优点：(1)发动机通过机械装置直接与驱动轴相联，输出能量的利用率高；(2)当电动机进行辅助驱动时，发动机的功率可以适当的减小；(3)如果电动机只是作为辅助能量时，功率可以取小；(4)由于有发电机补充能量，因此比较小的电池容量既可满足使用要求；(5)各个部件的质量、尺寸相对较小，因此适合布置在小型汽车上。并联式混合动力电动汽车的缺点：(1)由于并联式混合动力汽车的发动机的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，较复杂时，发动机就会较多的在不良工况下运行，因此排放污染较严重；(2)发动机和驱动系统的机械连接使得机械装置较为复杂，增加了整车布置的难度。因此，并联式驱动系统最适合在城市间道路和高速公路上行驶，工况稳定，发动机经济性和排放性都会有所改善,和混联式混合动力电动汽车相比较而言结构简单，价格也容易被广大消费者接受，在电池技术问题没有得到很好的解决的情况下，它将可能被广泛应用，但当电池技术攻克，其优越性较混联混合动力系统落后。2.4.3混联式驱动系统是串联式与并联式的综合，它的结构形式和控制方式充分发挥了两种驱动形式各自的优点。能够使发动机、发电机、电动机等部件进行更多的优化匹配，从而在结构上保证了在更复杂的工况下使系统工作在最优状态，因此更容易实现排放和燃油消耗的控制目标。一种可能的设计方式是将串联式和并联式的所有部件用一个离合器连接起来，使车辆在某种情况下以串联式工作，在另一种情况下则以并联式工作。根据不同的驱动条件来选择具有优势的那一种驱动方式。但是这种布置方式将会比单纯的串联式或并联式增加更多的零部件，导致整车的尺寸增大和复杂程度增加。驱动系统是将发动机、发电机和电动机通过一个行星齿轮装置连接起来。动力从发动机输出到与其相连的行星架，行星架将一部分转矩传送到发电机，另一部分传送到电动机并输出到驱动轴。这种机构有两个自由度，可以自由的控制两个不同的速度(例如：发动机的转速与差速器输入的转速)。此时车辆并不是串联式或者并联式，而是介于串联和并联之间，充分利用两种驱动方式的优点。但其对控制系统的要求很高。本设计本着节能环保的理念选择混联混合动力系统。2.5本章小结本章介绍了混合动力电动汽车不同的分类方法和动力总成结构形式，并重点介绍了串联式、并联式和混联式三种混合动力汽车的驱动系统结构和特点，然后详细分析了各自的优缺点，最后通过综合考虑，本文确定混合动力电动汽车模型采用行星齿轮组混联结构，因为它在稳定的高速行驶下发动机具有比较高的效率和相对较小的质量，而且具有比较好的燃油经济性，技术成熟，应用广泛。具体工作包括：(1)重点介绍串联式、并联式和混联式混合动力汽车驱动系统结构以及工作原理，并对上述三种混合动力汽车各自的优缺点进行详细分析与说明；(2)因为每种混合动力汽车的驱动系统结构都有各自的特点，而且行驶工况是随时变化的。所以，选择哪种驱动结构要和混合动力电动汽车的设计目标以及设计任务进行匹配，判断汽车的运行状态以及行驶工况，再根据发动机、电机和蓄电池的特性确定车辆的工作模式，最终合理的选择本设计方案为混联式混合动力系统的动力匹配总成选型和参数设计提供合理依据。第3章动力系统总成选型和参数设计3.1引言本章首先论述了混合动力电动汽车动力总成的选型方案，具体的方案是：发动机选择Atkinson(艾金森)循环的Zetec-四缸汽油发动机；电动机选择永磁交流电机；蓄电池元件选择电化学镍氢电池；变速器选择行星齿轮组无级变速器。接下来，主要根据第二章所确定的混合类型，以整车动力性和燃油经济性为主要目标进行设计，最终得到混合动力电动汽车参数设计结果。3.2混联式混合动力汽车动力匹配总成选型混合动力电动汽车动力总成选型主要包括以下部分：发动机、车用电动机、储能元件以及传动系等，本节主要根据混合动力汽车的工作特性要求对动力元件的选型方案进行分析，最终选取符合整车设计性能的混合动力汽车动力总成元件。3.2.1混合动力电动汽车用发动机选型在混合动力系统中，发动机作为能量转换装置具有举足轻重的作用，因此对其格外重视。混合动力汽车发动机的选择必须考虑到发动机的使用和运行模式。在混合动力汽车中，为了达到某些特定目标(最小排放、最小油耗、最小成本或以上目标的综合)，必须设计一个合理的控制策略，根据车辆的行驶工况和动力部件的状态，确定动力系统的驱动方式。混合动力的发动机并不是单独提供加速或爬坡的峰值功率，而是和电机共同驱动，发动机额定功率通常由最常用或最经济车速对应的需求驱动功率确定，因而混合动力汽车的发动机功率比燃油车小。为了提高燃油经济性，混合动力汽车发动机是被设置成在绝大多数时间在经济区域稳定的运行，即发动机可运行在较窄的范围之内。另外，某些混合动力汽车发动机是以开关模式运行，比燃油车发动机更加频繁地开关。此外，在选用混合动力汽车用发动机时还要考虑到整车总布置问题，这是因为在混合动力汽车上采用了多种动力部件，而汽车的可用空间又非常有限，所选用的发动机应有利于动力传动系的合理布置。另外还要考虑发动机的噪声和振动、可靠性、使用寿命、维护成本、运行成本以及安全性能等因素。考虑到上述因素并总结了目前各国在混合动力汽车研究中所选用的发动机方案，目前可以应用于混合动力汽车的发动机主要有：转子式发动机、燃气轮机、斯特林发动机以及四冲程汽、柴油机等。表3.1列出了四种发动机的特点以及动力总成方案表3.1四种发动机特点以及动力总成方案发动机形式特点应用范围转子发动机优点：(1)具有尺寸小、重量轻、暖机迅速和扭矩速度曲线平坦；(2)最小燃油消耗率较高，达到了300～360g／kw.h。缺点：废气排放量较高串联燃气轮机优点：(1)尺寸小、维护成本低、噪声和振动小、在低转速时能产生较大的扭矩，热效率高，可采用多种燃料并且设计简单：(2)排放水平低，通过使用后处理器或者采用催化燃烧室还可达到准零排放水平。缺点：响应时间较长串联斯特林发动机优点：具有高的热效率、低排放和低噪卢性能。缺点：功率密度低以及需要人的散热装置。串联四冲程汽油机和柴油优点：(1)技术成熟；(2)热效率较高。缺点：排放较差，噪声和振动大，但采取技术后，上述缺点可以得到改善。串联并联对于混联混合动力汽车，应用目前技术成熟的先进四冲程发动机不失为最佳选择。本文选择四冲程汽油发动机为研究对象。当然，为进一步降低油耗和排放，发动机能够适应频繁的开关模式，开发适合混合动力汽车专用环保发动机是未来发展的趋势。3.2.2在混合动力汽车应用中，电动机的选用应满足下列原则：(a)高性能、低重量和小尺寸；(b)在较宽的转速范围内有较高的效率；(c)电磁辐射尽量小；(d)成本低。另外，对电动机的选型还应综合考虑其控制系统的特点，要求能实现双向控制，对制动再生能量可以回收。同时，混合动力电动汽车对电机性能的基本要求为：(a)高电压。在允许的范围内，尽可能采用高电压，可以减小电机尺寸和导线等设备的尺寸，特别是可以降低逆变器的成本；(b)高转速。高转速电机体积较小，质量较轻，有利于降低整车的整备质量；(c)质量轻。电机采用的轻型材料，以降低电机质量、各种控制装置的质量等；(d)电机应具有较大的起动转矩和较大范围的调速性能，为车辆提供起动、加速、行驶、减速、制动等所需要的功率和转矩，使混合动力汽车具有良好的起动性能和加速性能；(e)电机应具有高效率、低损耗，并在车辆减速时，要求能实现双向控制，实现再生制动能量的回收；(f)装备高压保护设备。电动机上的工作电压可高达300V以上，对电气系统和控制系统的安全性都必须符合国家(或国际)有关车辆电气控制安全性能的标准和规定。另外，电机还要求可靠性好、耐温耐潮性强，电磁辐射尽量小，运行时噪声低，能够在较恶劣的环境下长时期工作，结构简单，适合大批量生产，使用维修方便，价格便宜等。目前，国内外市场上混合动力汽车常用的电动机类型为HEV通用型电机；该电动机主要有直流电动机和交流电动机，它们有很多种型号、规格、结构形式和控制方法，在电动汽车上通常采用的电动机有直流电动机、交流三相感应电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机等。图3.1为HEV驱动电机的分类，包括直流电机、永磁无刷电机、感应电机、开关磁阻电机等应用较多的几种电机图3.1HEV驱动电机的分类(1)直流电动机直流电动机的优点是机械特性好，调速方便而且性能好。由于直流电机驱动系统具有成本低、易于平滑调速、控制器简单、技术成熟等优点。在早期开发的电动汽车上多采用传统的直流电动机，但在低速低转矩区，直流电机驱动系统的效率较低。图3.2和图3.3给出了混合动力电动汽车用直流电机驱动系统与交流电机驱动系统的效率特性图。由图知，交流电机驱动系统在较宽的转速范围内都具有较高的效率。在低速低转矩区，直流电机驱动系统的效率仅有60％，而交流电机驱动系统可达66～74％。交流电机在整个低扭矩区的效率也高于直流电机，这说明交流电机驱动系统非常适合应用与混合动力汽车传动系。图3.2交流电机驱动系统效率图图3.3直流电机驱动系统效率图(2)感应电动机交流感应电机驱动系统式90年代发展起来的，有结构简单、制造容易、价格低和坚固耐用等特点，较适用于混合动力电动汽车，其控制可采用磁场定向矢量控制和直接转矩控制。但向量控制对电动车驱动系统来说也存在一定的问题，如在恒转矩调速范围内，电机的励磁电流分量保持恒定这会导致电机在轻载时铁耗增加，使整个驱动系统的效率下降。为克服这个不足可以通过采用最大效率控制，在向量控制的基础上，结合最大效率控制，会使感应电动机驱动系统在低速和高速运行都会有较高的效率，相信这种控制方式会使感应电动机在电动车驱动系统中具有强的竞争力的。目前国外的一些汽车公司正在对交流感应电动机的结构和向量控制方法进行研究和改进，使交流三相感应电动机更加适合电动汽车驱动系统的要求。(3)交流异步电机交流异步电机驱动系统主要选用三相鼠笼型异步电动机，该电动机结构简单、坚固耐用、成本低廉、转速极限极高，采用矢量控制技术，其动态性能可与直流电机调速相媲美。但交流异步电机的驱动系统应用的难题是其控制系统的控制技术难度大，导致它的控制软、硬件成本都比较高、控制器的外形尺寸也比较大，但随着电力电子技术、控制理论的发展以及感应电动机变频调速技术日趋成熟，解决该问题将不再困难。(4)永磁电动机近年来，永磁材料在电机的广泛应用，采用稀土永磁的电机由于取消了电励磁，充分利用了径向空间，使体积大大减小，效率提高，同时在结构方面的改进，提高了可靠性，因此永磁直流电机仍是目前开发电动汽车和混合动力电动汽车的一个选择。永磁电机驱动系统主要选用永磁无刷同步电机，该电机没有激磁铜耗、效率较高(最大效率可达95％)、功率因数高、体积小、功率密度大(可以远大于1KW／kg)，变频调速是永磁无刷同步电机的基本调速方式。目前最常用的是1200导通型PWM斩波控制IGBT逆变器，而且为了更好地改善转矩控制，增加电池调节控制减小转矩波动。但其主要不足是永磁材料昂贵，制造工艺复杂，性能受温度影响较大(易退磁)，大功率输出困难。由于其体积小和效率高有十分广阔的应用前景。根据永久磁铁在永磁电动机上的布置，可分为表面永磁性(SPM)和内置永磁性(IPM)等几种结构形式。与相同功率的其它类型的电动机相比，永磁电动机的体积更小，质量更轻，更加适合作为电动汽车的驱动电动机。电动汽车用永磁电动机主要有两大类：电流反馈控制的永磁无刷直流电动机和永磁交流同步电动机。(5)开关磁阻电动机开关磁阻电机结构简单、成本较低、可靠性高、起动性能好、调速性能好，控制装置也比较简单；实际应用较少，但随着技术的进步，其开始应用在电动车上。综上所述，考虑到技术成熟度以及成本问题，永磁电机是目前混合动力电动汽车应用最广泛的电动机，所以本课题选择技术成熟和成本较低的永磁电机作为混合动力电动汽车的关键部件。表3．2是几种电动机性能比较。表3.2几种电动机性能比较性能直流电机永磁电机异步电机开关磁阻电机最大效率(%)8595～9794～95≤90最高转速(r/min)4000～60004000～100009000～1500015000电机费用1010～158～126～10控制器成本l2．53．54．5坚固性良良优良可靠性普通良优良注：电机费用和控制成奉的数值代表的是比例关系在此本设计中选择异步电机。3.2.3在混合动力汽车中，储能元件起着向电动机供能及向动力传动系输出峰值功率的作用，其另外一个作用是吸收制动再生能量并将其储存起来。因此，混合动力电动汽车上使用的储能装置应尽可能满足如下要求：(1)可在长时间内接收制动功率；(2)为使储能装置不致太庞大和过重，要求其应具有比较高的比功率和比能量；(3)混合动力汽车上的储能元件需要频繁地充放电，因此要求其充放电特性较好、自放电率较低以及输出效率较高，其使用寿命即循环充放电的次数应较长；(4)安全可靠，维修方便。(5)为降低整车的价格，应尽可能降低储能元件的成本。目前有可能应用的几种能量存储装置如表3.3所示。表3.3混合动力汽车用能量存储装置表基本原理减速连接存储装置加速连接机械能无级变速CVT飞轮无级变速CVT电能一机械能发电机电动飞轮电池电动机电能发电机电化学电池/超级电容电动机液压能液压泵储能器液压传动表3.4常用储能装置性能比较储能装置实现方式优势劣势适用飞轮物理方法几乎免维护价格昂贵重型卡车超级电容物理方法承受能力强、寿命优越；比功率、循环效率高比能量较低轻度混合动力车辆电化学电池化学方法可靠性高、技术成熟、原料易得、便宜比能量低寿命较短纯电动汽车混合动力汽车燃料电池化学方法能量转换效率高氢制取困难,成本高纯电动汽车由表3.4可知，飞轮电池和超级电容用作混合动力汽车储能元件仍存在着一些技术难点和缺陷，使得电化学电池成了目前混合动力汽车储能元件的主流。同时从蓄电池应用的情况可以看出：铅酸电池仍将在混合动力汽车上得到广泛应用；镍氢电池、锂离子电池、镍金属氢化物电池随着技术的不断成熟、造价和使用成本的降低而成了中期目标；燃料电池由于具有优越的性能但技术开发难度大、价位高而成了远期目标。对于本项目将采用技术较成熟的镍氢电池作为储能元件。3.3并联式混合动力汽车动力系统的参数匹配与性能指标3.3.1本文所研究的混合动力汽车选用目前市场上Pruis轿车作为基础车型，其基本参数如表3.5所示。整车性能开发指标如表3.6所示。表3.5参考车型整车基本参数整备质量总质量，Kg1277满载质量总质量，Kg1652发动机总排量，L1.53额定功率，KW/r/min58/4200最大扭矩，N.m/r/min102/4200变速器传动比范围0.35～1.467主传动比2.885车轮轮毂15英寸合金轮毂轮胎195/60R15轴距2500mm重心高度60mm风阻系数0.3迎风面积2.52表3.6混合动力电动汽车整车性能开发指标动力性最高车速(km／h)160加速性能≤16.5s(0～100km/h)最大爬坡度≥30％经济性等速行驶油耗(L／100km)≤3.2(90km／h等速油耗)多工况油耗(L／100km)≤4.0综合油耗，(市区+市郊工况)排放国Ⅲ标准3.3.2HEV的发动机要求有一定的驱动功率，有足够的动力性能和机动性能，能够满足HEV的基本动力性能要求，并且能够与驱动电动机一起提供HEV所需的最大功率，使HEV达到或接近燃油汽车的动力性能水平。混合动力汽车发动机最大输出功率Pmax的取值一般要依据车辆匀速行驶时的功率要求，即满足下式：(3.4)式中，η—为传动效率(km／h)；m—为汽车质量(kg)；g—为重力加速度(m/s2)；f—为滚动阻力系数；C—为风阻系数；A—为迎风面积(m)；v—为最高车速(m/s)。上式的V应为车辆额定行驶车速，即车辆经常行驶时的平均车速Vavg，这里的V不能取设计目标中的最大值Vmax。，因为在城市行驶循环工况中，车辆的速度是达不到它的最大值，另外结合我国车辆和路况的实际情况，在这里确定V的取值要求为：(3.5)另外，发动机的功率还应满足式3．6所示：(3.6)本文采用了第二种计算发动机功率的方法，根据混合动力电动汽车的开发指标，该车在发动机单独驱动的时候应该满足70km／h的行驶速度，而且爬坡度应大于10％，经过最后计算发动机最小功率应为Pmax=30Kw附近(这里还考虑了发动机需要有10％左右充裕的功率为电池组充电)。3.3.3在低速低负荷时，关闭发动机，利用电机启动整车，实现混合动力电动汽车在规定时间内单独启动整车到规定车速的要求。在水平良好路面上，车辆的行驶加速度为：(3.7)式中：Ft—车辆行驶驱动力(N)；Fw—车辆行驶空气阻力(N)；Ff—车辆行驶滚动阻力(N)；—转动质量换算系数，对混联混合动力汽车其计算式为：(3.8)式中：Iw—车轮总转动惯量；Ig—与发动机输出轴相连的所有发动机转动部件转动惯量之和；Im—与电动机输出轴相连的所有电动机转动部件转动惯量之和；im—动力合成装置速比；ig—变速器速比。车辆由起步加速到速度V的加速时间为：(3.9)对于混合动力电动汽车在CYCEDDS循环工况下进行仿真，可以得到电机峰值功率、整车启动时间和车速关系的仿真结果如表3.7所示。表3.7不同功率电机对应的整车启动时间电机功率车辆参数33kw49kw58kw启动时间(s)0～5km／h0～10km／h1.83.03.20～15km／h由表3.7可见，若要求混合动力汽车启动能力优越，则电机的峰值功率应不低于33kw，而选择49kw和58kw整车的启动能力接近，所以应该优先考虑，本设计是基于全混合动力的模型下进行的，其混合度约为41%，故额定功率为30kw。3.3.4（一）电压等级蓄电池的电动势是蓄电池在理论上输出能量大小的度量之一，数值上等于热力学的两极平衡电极电位之差。电动势的大小由电池中所进行的电化学反应的性质和反应条件决定，与电池的形状、尺寸无关。如果蓄电池其他条件相同，那么电动势越高的蓄电池，理论上能够输出的能量就越大。一般动力电池组的电压变化范围在其额定电压的(-35％—+25％)范围内，因而要求电机逆变器的IGBT承受电压范围为(220V～420V)，整个系统的电压范围必须一致，保证系统的运行可靠。通过参考同类车型选择288V。（二）蓄电池实际容量蓄电池的容量是指在一定的放电条件下可以从蓄电池中获得的电量。常用安培小时数(Ah)表示。一个蓄电池的容量又有理论容量、实际容量和额定容量之分。实际容量是指在一定的放电条件下蓄电池实际放出的电量，等于放电电流与放电时间的乘积。实际容量的计算方法为：恒定电流放电时：C=I·T(3.10)上式中，C为蓄电池的容量，单位Ah；I为恒定电流放电时的电流，单位为h，T为放电至终止电压时的时间，单位为h。当放电电流随时间变化时，这时电池的容量可以表示为：(3.11)上式中，I为放电电流的大小，单位A；t是放电至终止电压时间，单位h因此，为进一步确定电池的容量参数，在参考同类车型的情况下选择电池容量为45Ah。（三）镍氢电池荷电状态(SOC)通常情况下把一定温度的蓄电池充电到不能再吸收电量时的荷电状态(SOC)定义为荷电状态SOC=100％，而将蓄电池再不能放出电量时的荷电状态定义为荷电状态SOC=0％。对于镍氢蓄电池，SOC可定义为：(3.12)上式中，Cr为某时刻蓄电池的剩余电量，单位为Ah；Cn是蓄电池以某放电电流放电时的初始总能量，单位是Ah。一般对于并联混合动力汽车应在长时间的稳定运行前后电池的SOC基本保持不变，所以︱SOC︱<0.05。但是，不同厂家的电池其SOC的最佳工作范围有所不同，一般在0.6≤SOC≤0.8的范围内，这时电池组内阻最小，效率最高。图3.4为电池的内阻与SOC的关系曲线。图3.4电池充放电内阻与SOC关系曲线3.3.5车辆传动比的选择包括最小传动比的选择、最大传动比的选择和传动系档数与各档传动比的选择，传动比选择的是否合适对车辆的动力性和经济性有很大的影响。(1)最小传动比的选择汽车大多数时间是以最高档行驶，即变速器的最小传动比档位行驶。因此，最小传动比的选定很重要。传动系的总传动比是传动系中个部件传动比的乘积，即(3.13)上式中，ig为变速器传动比；io为主减速器传动比；ic为分动器或副变速器传动比。主减速比对汽车的动力性及燃油经济性均有重要影响。近年来为了提高燃油经性，出现了减小最小传动比的趋势。但在选择最小传动比时，要考虑汽车在最高档行驶时应有足够的动力性能，既应有足够的最高档动力因素Domax，即一般汽车的io与Domax。一有以下关系：(3.14)另外，一般中、大型客车Domax取0.04～0.06，中级轿车Domax取0.1～0.15。(2)最大传动比的选择确定最大传动比时，要考虑最大驱动力或附着力、最大爬坡度和汽车最低稳定车速三个方面。汽车爬坡时车速低，可忽略空气阻力，汽车的最大驱动力应为：(3.15)得出，(3.16)上式中的a为车辆的爬坡度，一般车辆的爬坡度为30％。接下来，求出I档的传动比后，应该按照式3.17验证车辆的附着条件，具体公式如下：(3.17)上式，为附着力，在这里可以取0.5~0.6。综上所述，经计算的传动比分配如表3.8表3.8传动比分配表传动传动比太阳轮与齿圈2.6链传动1中间齿轮传动1.467主减速器2.8853.4本章小结本章详细地论述了混合动力汽车的动力总成各部件的选择方法，以及同一部件不同类型的优缺。在混合动力电动汽车动力总成元件确定后，确定了混联式混合动力电动汽车总成的构型方案。最后，以整车尾气排放、动力性和燃油经济性为主要目标进行设计，得到混合动力电动汽车动力总成各部件参数设计结果，为混合动力电动汽车系统的结构设计与模拟仿真提供可靠依据。第4章变速驱动桥结构设计4.1引言本章主要进行了混合动力电动汽车动力总成的机构，将电机、电机/发动机、变速器、主减速器、差速器融为一体，设计成变速驱动桥。具体的方案是：变速驱动桥的总体布置；传动装置各轴的运动和动力参数的确定；齿轮的结构设计与强度校核；轴的结构设计与强度校核；轴承的选择与强度校核。4.2变速驱动桥的总体布置变速驱动桥的总体设计要求结构紧凑，工作可靠，布置简单，维修方便的原则进行设计。具体布置如图4.1发动机发动机主电机行星齿轮组电机/发电机链轮从动轴中间轴半轴图4.1总体布置图4.3传动装置各轴的运动和动力参数的确定经以上选型确定动力装置的参数如表4.1表4.1动力装置的参数表动力装置最大功率kw额定功率kw额定转速rpm最高转速rpm最大扭矩n.m发动机574340006000102主电机583012006000305电机/发电机231080001200057各轴的转速齿圈轴N齿圈=Nm1=5989rpm链轮轴N链轮=5989/1=5989rpm中间轴N中间=5989/1.467=4082rpm主减半轴N半轴=4082/2.885=1415rpm各轴输入功率齿圈轴P齿圈=98Kw链轮轴P链轮=98×0.96=94.08Kw中间轴P中间=94.08×0.96=90.31Kw主减半轴P半轴=90.31×0.96=86.7Kw各轴的输入扭矩齿圈轴T齿圈=9550×P/N=9550×98÷5989=156Nm链轮轴T链轮=156×0.96×1=150Nm中间轴T中间=150×0.96×1.46=211Nm主减半轴T半轴=211×0.96×2.885=584Nm将上述计算结果汇总于表4.2表4.2动力参数汇总表轴名功率P/kw转矩T/N.m转速n/rpm传动比效率齿圈轴98156598910.96链轮轴94.081.559890.961.467中间轴90.312.1140820.962.885主减半轴86.75.8414150.964.4齿轮的结构设计与强度校核选取链轮主动齿轮进行计算：初步计算传动主要尺寸（4.1）式中参数(a)T—小齿轮传递的转矩，T=150000Nmm(b)K—载荷系数1.2(c)—齿宽系数0.5(d)—弹性系数(e)U—传动比1.34(f)—节点区域系数2.46(g)—重合度系数0.745初选30，44取=441.6631.014＞1(h)——螺旋角系数0.92(i)——许用接触应力由算的由机械设计查得寿命系数=2.5=2.35安全系数1.25寿命系数360Mpa360Mpa许用应力=288Mpa=288Mpa初算小齿轮1的分度圆直径d1，将所得的数据带入式（4.1）得=93.175mm（4.2）修正小齿轮直95mm式中载荷系数1.3k==1.827确定模数2.78取标准模数=3计算中心距a113.5mm圆整为115mm则螺旋角=15分度圆直径93.175mm136.66mm齿宽46.5mm50mm校核齿根弯曲疲劳强度（4.3）式中个参数(1)K、T、值同前；(2)齿宽b==47；(3)齿形系数和应力修正系数。当量齿数3247由机械设计查得2.52.351.621.68查得重合度系数0.72查得螺旋角系数0.92许用弯曲应力可由式算得由机械设计查得寿命系数1.0安全系数1.25寿命系数288Mpa288Mpa许用应力=360Mpa=360Mpa将所得的数据带入式（4.3）得==118.3Mpa/Mpa=x=136Mpa满足齿根弯曲疲劳强度。同理可得各齿轮的参数如表4.3表4.3变速驱动桥各齿轮参数表齿轮名模数分度圆中心距太阳轮3600齿圈3156链轮主动轮3106205链轮从动轮3106中间轴主动轮393115中间轴从动轮3137主减主动轮390305主减从动轮32604.5轴的校核（1）输入轴端最小直径的计算输入轴的材料采用合金钢应进行正火处理由表机械设计10.4查得链轮轴的结构设计4.6轴承的选择与校核4.6.1（一）、圆锥滚子轴承：可以同时承受径向载荷及单向的轴向载荷（30000型以径向为主，30000B型以轴向载荷为主）。内外圈可以分离，安装时可以调整轴承的游隙。一般成对使用，对称安装。（二）、深沟球轴承：主要承受径向载荷，也同时承受少量双向轴向载荷。在高速时，可以用来承受纯轴向载荷。工作中允许内外圈轴线偏斜量。摩擦阻力小，极限转速高，结构简单，价格便宜，应用最广泛。但承受冲击载荷能力较差，适用于高速场合。（三）、角接触球轴承：可以同时承受径向载荷及单向的轴向载荷，公称接触角α有15°、25°、40°三种，α越大，轴向承载能力也越大。由于一个轴承只能承受单向的轴向力，因而，一般成对使用，对称安装。适用于转速较高，同时承受径向和轴向载荷场合。（四）、滚针轴承径向尺寸紧凑切承载能力很大，价格低廉。但不能承受轴向载荷，摩擦系数较大，不允许有偏斜。常用于径向尺寸受限制而径向载荷又较大的装置中。4.6.2选用轴承选择时，首先是轴承的类型，我国常用的标准轴承共分九种类型，下面是正确选择轴承类型时应考虑的几大因数：（一）轴承的载荷轴承所受载荷的大小，方向和性质是选择轴承的主要依据。根据载荷的大小选择轴承类型时，由于滚子轴承中主要元件是线接触，适宜用于承受较大的载荷，承载后的变形也较小。而球轴承中主要为点接触，适宜用于承受较轻的或中等的载荷。故在载荷较小时，应优先选用球轴承。根据载荷的方向选择轴承类型时，对于纯轴向载荷，一般选用推力滚子轴承。对于纯径向载荷，一般选用深沟球轴承、圆柱滚子轴承或滚针轴承。在轴承在承受径向载荷的同时，还有不大的轴向载荷时，可选用深沟球轴承或接触角不大的角接触球轴承或圆锥滚子轴承，当轴向载荷较大时，可选用接触角较大角接触球轴承或圆锥滚子轴承，或者选用向心轴承和推力轴承组合在一起的结构，分别承担径向载荷和轴向载荷。（二）轴承的转速在一般转速下，转速的高低对类型的选择不发生什么影响，只有在转速较高时，才会有比较显著的影响。从工作转速对轴承的要求看，可以确定以下几点：(1)球轴承与滚子轴承比较，有较高的极限转速，故在高速时应优先选用球轴承。(2)在内径相同的条件下，外径越小，则滚动体就越轻小，运转时滚动体在外圈滚道上的离心惯性力也就越小，因而也就更加适合于在更高的转速下工作，故在高速时，宜选用超轻、特轻及轻系列的轴承。重及特重系列的轴承，只用于低速重载的场合。如用一个轻系列轴承而承载能力达不到要求时，可考虑采用宽系列的轴承，或者把两个轻系列的轴承并装在一起使用。(3)保持架的材料与结构对轴承的转速影响极大。实体保持架比冲压保持架允许更高一些的转速。(4)推力轴承的极限转速均很低。当工作转速高时，若轴向载荷不十分大时，可以采用角接