本科學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計）論文題目 PHEV 汽車傳動系統(tǒng)設(shè)計學(xué)生姓名 學(xué) 號 專 業(yè) 年 級 指導(dǎo)教師 二級學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 二〇一九年六月PHEV 汽車傳動系統(tǒng)設(shè)計摘 要隨著時代的發(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力汽車的開發(fā)，以此來降低能源短缺帶來的壓力。本文對并聯(lián)混合動力汽車的核心部件進行參數(shù)匹配，探討并聯(lián)混合動力汽車動力傳動系統(tǒng)的方案設(shè)計，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)濟性，以驗證方案設(shè)計的可行性。文章首先對混合動力汽車的發(fā)展背景和和意義進行了概括，論述國內(nèi)外混合動力汽車發(fā)展的狀況以及我國發(fā)展混合動力的必要性，通過對比幾種不同驅(qū)動模式及結(jié)構(gòu)特性的優(yōu)缺點選定動力驅(qū)動方案。其次結(jié)合原始數(shù)據(jù)和現(xiàn)有的相似車型，對動力系統(tǒng)的核心部件進行參數(shù)匹配。最后同時設(shè)計計算完成設(shè)計說明書及二維圖紙的編寫與繪制，完成整個設(shè)計。關(guān)鍵詞：混合動力，傳動系統(tǒng)，方案設(shè)計，燃油經(jīng)濟性，設(shè)計計算畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 PHEV vehicle transmission system designAbstractThis 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 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 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畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 I目 錄摘 要 .IIAbstractIII第一章 緒 論 11.1 課題研究的背景及意義 .11.2 國內(nèi)外 PHEV 的發(fā)展現(xiàn)狀 21.2.1 國外發(fā)展狀況 21.2.2 國內(nèi)發(fā)展狀況 31.3 PHEV 汽車的驅(qū)動系統(tǒng)分類 31.3.1 串聯(lián)式 PHEV 汽車 41.3.2 并聯(lián)式 PHEV 汽車 41.3.3 混聯(lián)式 PHEV 汽車 51.3.4 各種傳動系統(tǒng)的比較。 .61.4 PHEV 汽車的傳動工作原理 71.5 論文的主要研究內(nèi)容 .71.6 研究的方法及技術(shù)路線 81.6.1 研究方法 81.6.2 研究技術(shù)路線 8第二章 PHEV 汽車傳動系統(tǒng)的總體設(shè)計 92.1 耦合形式的確定 .9畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 II2.1.1 單軸式扭矩耦合傳動 .92.1.2 雙軸式扭矩耦合傳動 102.2 傳動的確定 112.3 轉(zhuǎn)速的匹配 122.4 傳動方案的選定 14第三章 PHEV 汽車傳動系統(tǒng)主要部件的設(shè)計 .143.1 總成部件的參數(shù)匹配 143.1.1 發(fā)動機參數(shù)設(shè)計 153.1.2 電動機參數(shù)設(shè)計 173.1.3 電池參數(shù)設(shè)計 213.1.4 傳動系統(tǒng)傳動比計算 223.1.5 分動箱參數(shù)設(shè)計 233.2 傳動系統(tǒng)參數(shù)的匹配 25第四章 PHEV 汽車主減速器的設(shè)計與計算 .264.1 主從動錐齒輪齒數(shù)的選擇 .264.2 從動錐齒輪節(jié)圓直徑及端面模數(shù)的計算 .264.3 主從動錐齒輪的齒面寬度計算 .264.4 齒輪的偏移方向的選擇和偏移距計算 .264.5 螺旋角的選擇 .264.6 法向壓力角的選擇 .27畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 III4.7 主減速器雙曲面齒輪的強度計算及校核 .274.7.1 單位齒長圓周力的計算 .274.7.2 雙曲面錐齒輪輪齒彎曲強度校核 .284.7.3 輪齒接觸強度校核 .29總 結(jié) 30參 考 文 獻 32畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 1 頁 共 37 頁第一章 緒 論1.1 課題研究的背景及意義 汽車的發(fā)展經(jīng)歷了一個十分漫長的過程，它承載著人類科技夢想，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)始終能夠保持強大的活力并占有一定的市場份額，這其中與科學(xué)技術(shù)的不斷進步還有市場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)水平甚至成為一個國家或地區(qū)現(xiàn)代化程度的標志，但是，汽車給人類帶來便利同時，隨之而來的還有嚴重的能源和環(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)的石油凈進口量高達 3.443 億噸，同比增幅為 7.4%。石油凈進口量占中國石油消費量的比例（進口依存度）由 2014 年的 62.0% 提高到63.5%，成為了當(dāng)時的最高紀錄 [2]。國際能源署發(fā)表的報告預(yù)測，從目前到 2030年，全球能源需求每年的平均增長率將達到 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也帶來了嚴重的全球環(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、噪聲以及揚起的塵土，造成了嚴重的大氣污染并且對人體的健康產(chǎn)生了嚴重的危害。面對汽車帶來的能源和環(huán)境問題，節(jié)約能源和環(huán)境保護也就成為了社會關(guān)注的焦點。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，以保持其汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展活力和競爭力。新能源汽車越來越受到汽車工業(yè)的重視，在 21 世紀的汽車工業(yè)，它已成為發(fā)展的熱點 [4]?；旌蟿恿﹄妱悠囋谝欢ǔ潭壬鲜羌冸妱悠嚭蛡鹘y(tǒng)汽車合理匹配得到的結(jié)合體，它不僅僅保留著傳統(tǒng)汽車行駛里程長畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 2 頁 共 37 頁的優(yōu)點，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?；旌蟿恿ζ囉袃蓚€或兩個以上的不同類型的驅(qū)動源，比如內(nèi)燃機和電動機，或者內(nèi)燃機和燃料電池，混合動力電動汽車是傳統(tǒng)汽車和純電動汽車的合理的組合，工作模式有三種，分別是發(fā)動機單獨驅(qū)動，電動機單獨驅(qū)動或者發(fā)動機和電動機混合驅(qū)動，這樣就可以適應(yīng)不同的行駛工況 [5]。在整車性能方面，電動機和發(fā)動機是混合動力電動汽車的核心部件，它們和其他傳動部件構(gòu)成的傳動系統(tǒng)直接決定了整車的底盤布置，同時也能影響整車的動力性能和尾氣排放。由于動力部件和傳動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)進行混合動力電動汽車的開發(fā)工作時，要結(jié)合底盤布置結(jié)構(gòu)和動力傳動系統(tǒng)的特點，根據(jù)目標車輛的使用需求以及道路行駛狀況，制定最優(yōu)的傳動系統(tǒng)和選擇最佳的核心部件的匹配，從而最大化實現(xiàn)整車的動力性能，最低化尾氣排放，這樣也會為將來的研發(fā)積累一定的經(jīng)驗 [6]。在我國，汽車行業(yè)起步晚于國外，因此對混合動力電動汽車的研發(fā)工作相對落后，對混合動力電動汽車的動力傳動系統(tǒng)方案的研究遠大多處于理論研究階段，遠未達到投放市場的商用程度，所以，與國外的混動技術(shù)相比，我國的技術(shù)水平存在的相當(dāng)?shù)牟罹?。目前常見的并?lián)混合動力傳動系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速耦合式、轉(zhuǎn)矩耦合式，變速箱分前置和后置，按照電動機和內(nèi)燃機的布置，有單軸式和雙軸式。其中在這些傳動方案中 [7]最常見的是雙軸式轉(zhuǎn)速耦合式。顯然，鑒于我國的混動技術(shù)，為了促進我國混合動力汽車的產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展和進步，開展混合動力電動汽車動力傳動系統(tǒng)方案研究，提高和掌握混合動力汽車關(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)展狀況在 19 世紀初期，英國和法國有人曾經(jīng)對電動車有過研究，到 1881 年在法國巴黎街上出現(xiàn)了世界上第一輛電動汽車。1899 年美國生產(chǎn)的電動汽車約占所有生產(chǎn)的車輛總數(shù)的 63%，在之后的 15 年，美國電動汽車的最高的年產(chǎn)量已達到了畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 3 頁 共 37 頁5000 輛。后來一段時間，由于科學(xué)技術(shù)尤其是蓄電池技術(shù)的發(fā)展達到了瓶頸，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)上取得了絕對的優(yōu)勢。就目前的電動汽車的技術(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電動汽車的研究和開發(fā) [4]。在 1997 年日本豐田發(fā)布了 Prius 混合動力電動轎車 [9]，該車在 2006 年進入中國市場。2008 年以來，石油價格的持續(xù)高漲進一步促進了政府、學(xué)校和廠商對混合動力技術(shù)的重視。在過去的幾屆國際車展中，混合動力汽車已經(jīng)成為車企和人們關(guān)注的焦點，同時，它也展示了汽車公司技術(shù)實力 [10]。1.2.2 國內(nèi)發(fā)展狀況國內(nèi)新能源汽車產(chǎn)業(yè)始于 21 世紀初。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力，展出的產(chǎn)品有自主研發(fā)的混合動力汽車和燃料電池汽車 [11]。在傳動系統(tǒng)布置機構(gòu)中的并聯(lián)混動汽車，這種布置形式它沒有獨立的發(fā)電機，在分動箱耦合裝置的作用下，發(fā)動機的動力可以直接傳送到驅(qū)動輪，這種驅(qū)動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，混合動力電動汽車的核心部件（蓄電池、電動機和發(fā)電機）的技術(shù)越來越成熟，結(jié)合我國目前汽車行業(yè)的狀況，開展混動汽車技術(shù)的研發(fā)，混動汽車投入商用已經(jīng)越來越現(xiàn)實 [13]。由于混合動力電動汽車有著不同的驅(qū)動模式，所以與傳統(tǒng)燃油汽車和純電動汽車相比，混合動力汽車需要一個控制系統(tǒng)，根據(jù)路況和需求來切換不同的驅(qū)動模式，因此整車的切換驅(qū)動模式的控制系統(tǒng)是混合動力汽車的非常關(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峻，因此，非常有必要發(fā)展混動汽車，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，混合動力技術(shù)是研發(fā)的重點，并且混動汽車會在我國得到長遠的發(fā)展 [15]。畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 4 頁 共 37 頁1.3 PHEV 汽車的驅(qū)動系統(tǒng)分類通常來說，混合動力汽車是由兩個或者兩個以上的相互獨立的驅(qū)動系統(tǒng)提供動力的車輛，這種車輛所需要的功率由一個驅(qū)動系統(tǒng)或者多個驅(qū)動系統(tǒng)共同提供，既可以實現(xiàn)其中一個動力源驅(qū)動汽車行駛，也可以共同為汽車提供驅(qū)動力?；旌蟿恿﹄妱悠囆枰粋€蓄電池來存儲電能，將電能輸送給電動機，進而轉(zhuǎn)化為機械能?；旌蟿恿﹄妱悠嚴^承了電動汽車的節(jié)能減排，綠色出行的優(yōu)點，同時又結(jié)合了傳統(tǒng)汽車的動力強的優(yōu)點，也解決了電動汽車續(xù)航里程短的缺點，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)點于一身。不同類型的混合動力汽車的動力傳動系統(tǒng)存在一定的差異，根據(jù)傳動系統(tǒng)的核心部件的布置方式，混合動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)和特點如下：1.3.1 串聯(lián)式 PHEV 汽車串聯(lián)式動力傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1.1 所示。串聯(lián)式混合動力汽車也叫做增程式電動汽車，與純電動汽車相比，它是通過內(nèi)燃機做功使發(fā)電機發(fā)電，結(jié)構(gòu)上包括發(fā)動機、發(fā)電機和驅(qū)動電機三大部件。發(fā)動機的作用只是用于發(fā)電，不會直接驅(qū)動車輛行駛，電能通過發(fā)電機輸送到電動機，然后電動機產(chǎn)生電磁力矩，驅(qū)動車輛行駛。當(dāng)功率溢出時，發(fā)電機可以給蓄電池充電，從而延長車輛的行駛里程。在特定的路況下，車輛可以在純電動的情況下行駛，此時發(fā)動機熄火，車輛對外界零排放。但是由于這種驅(qū)動系統(tǒng)存在能量轉(zhuǎn)換，所以會存在一定量不可避免的能量損失。另外，由于發(fā)動機不會直接驅(qū)動汽車行駛，所以可以使發(fā)動機處在最優(yōu)工作區(qū)域做功，一定程度上提高了發(fā)動機的效率，避免發(fā)動機在低效率區(qū)間運轉(zhuǎn)。畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 5 頁 共 37 頁圖 1.1 串聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)簡圖1.3.2 并聯(lián)式 PHEV 汽車并聯(lián)式動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1.2 所示，與串聯(lián)式動力傳動系統(tǒng)相比，該傳動系統(tǒng)可以較大的提高整車的驅(qū)動力，因為它擁有電動機和發(fā)動機兩個動力源，在特定的情況下，兩者可以共同提供驅(qū)動力，此外，這種系統(tǒng)上的電動機也可以通過讓它反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)發(fā)電機的功能，給蓄電池充電。它的驅(qū)動模式有三種。第一，純電動行駛。比如在交通擁擠的城市道路，不需要很大的功率，此時發(fā)動機熄火，就可以實現(xiàn)零排放行駛，同時也避免了噪聲污染。第二，發(fā)動機單獨驅(qū)動模式。當(dāng)蓄電池 SOC 低于設(shè)定值時，就會切斷電動機對整車動力的輸出，由發(fā)動機單獨驅(qū)動，并且，當(dāng)其功率溢出時，還可以通過發(fā)電機反轉(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力。當(dāng)汽車需要較大的功率時，蓄電池的 SOC 值在限定范圍內(nèi)，此時，發(fā)動機和電動機就可以共同驅(qū)動汽車行駛，如果內(nèi)燃機的功率有溢出，多余的功率可以用來為蓄電池充電。所以，三種驅(qū)動模式中有兩個互不干涉獨立的驅(qū)動系統(tǒng)，也就是傳統(tǒng)的內(nèi)燃機驅(qū)動系統(tǒng)和電動機驅(qū)動系統(tǒng)。由于兩個動力源的功率可以疊加，所以不需要較大功率的內(nèi)燃機和電動機，這樣以來就能一定程度節(jié)約整車造價，也可以降低整車質(zhì)量。畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 6 頁 共 37 頁圖 1.2 并聯(lián)式驅(qū)動系統(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，既可以用串聯(lián)式的模式驅(qū)動車輛行駛，也可以使用并聯(lián)式的驅(qū)動模式。根據(jù)不同的行駛工況，靈活采用合適的驅(qū)動方式，這樣，就可以提高能源利用效率，降低尾氣排放。動力分配上面，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，發(fā)動機作為單獨的動力源，車輛需要較大的加速度時，就可以改變動力輸出方式，疊加發(fā)動機和電動機的輸出功率。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.3。畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 7 頁 共 37 頁圖 1.3 混聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)簡圖所以，相比較而言混聯(lián)式混合動力傳動系統(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)濟性和動力性都可以得到保障。1.3.4 各種傳動系統(tǒng)的比較。表 1.1 不同布置形式特點比較布置形式 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)動機單獨驅(qū)動，電動機單獨驅(qū)動，混合動力驅(qū)動電動機單獨驅(qū)動發(fā)動機單獨驅(qū)動，電動機單獨驅(qū)動，發(fā)動機電動機混合驅(qū)動，電動機-電動機混合驅(qū)動傳動效率 比較高 比較低 比較高動力傳動布置結(jié)構(gòu)發(fā)動機和電動機通過各自的機械傳動系統(tǒng)連接到驅(qū)動橋，發(fā)動機采用傳統(tǒng)的機械式連接，布置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜核心動力總成之間無機械式連接，在布置上相對自由，發(fā)動機和電動機的尺寸以及質(zhì)量比較大，常見于大型車輛核心動力總成的尺寸和質(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畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 8 頁 共 37 頁排放性能 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 汽車的傳動工作原理混合動力電動汽車利用內(nèi)燃機、發(fā)電機、電動機、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)汽車和純電動汽車的優(yōu)點，避免了各自的缺點，對于當(dāng)今能源短缺和尾氣排放引起的大氣污染，混動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。混合動力電動汽車節(jié)能減排的主要原因是：1. 優(yōu)化了發(fā)動機的工作區(qū)間：傳統(tǒng)的汽車只有內(nèi)燃機可以輸出動力，對于一臺確定的發(fā)動機，其性能特點是固定的，然而在日常的行駛中，會有不同的路況，這樣就會形成了差異較大的發(fā)動機功率需求，燃油經(jīng)濟性比較低?；旌蟿恿﹄妱悠嚨碾妱訖C可以起到輔助作用，配合合理的控制策略，就可以讓發(fā)動機更多的在最優(yōu)工作區(qū)間提供驅(qū)動力，從而提高了燃油經(jīng)濟性。2. 純電動行駛：在擁擠的城市道路，傳統(tǒng)汽車在走走停停的狀態(tài)下會增加油耗和尾氣排放?；旌蟿恿﹄妱悠囋谶@種情況下會以電動機作為唯一的動力輸出，不但可以實現(xiàn)零排放行駛，而且降低了油耗。3. 合理的動力傳動系統(tǒng)匹配：要想降低混合動力電動汽車的尾氣排放和提高燃油經(jīng)濟性，動力傳動系統(tǒng)的匹配起著至關(guān)重要的作用，它包括合理的選擇發(fā)動機和電動機的功率，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，在制動方面，當(dāng)汽車剎車制動時，可以讓電動機反轉(zhuǎn)從而給蓄電池充電，實現(xiàn)制動能量的回收。這樣，與傳統(tǒng)的汽車相比較，在燃油經(jīng)濟性方面就會有一定的提高 [16]。畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 9 頁 共 37 頁1.5 論文的主要研究內(nèi)容本課題結(jié)合國內(nèi)外對混合動力汽車的研究，客觀上分析混合動力汽車并聯(lián)傳動各種工作模式的特點，開展了對并聯(lián)混合動力汽車動力傳動系統(tǒng)方案的設(shè)計，確定并聯(lián)式布置方案原則，以及針對并聯(lián)式結(jié)構(gòu)的工作原理和軟件設(shè)計原理的相關(guān)問題的研究。以某轎車為研究模型，對其進行并聯(lián)方案的設(shè)計，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)合仿真軟件進行仿真，完成并聯(lián)混合動力汽車核心部件的參數(shù)匹配。對匹配的結(jié)果進行分析，并驗證經(jīng)匹配后的混合動力汽車在保證動力性的前提下，可以明顯的提高燃油經(jīng)濟性。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)缺點來確定 PHEV 汽車的總體設(shè)計方案，對現(xiàn)有裝置的不足進行分析。（3）對設(shè)計的 PHEV 汽車進行修改和優(yōu)化，最終設(shè)計出能滿足要求的 PHEV 汽車傳動系統(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，撰寫文獻綜述和開題報告。（2）根據(jù)產(chǎn)品功能和技術(shù)要求提出多種設(shè)計方案，對各種方案進行綜合評價，從中選擇較好的方案，再對所選擇的方案做進一步的修改或優(yōu)化，最終確定總體設(shè)計方案。（3）具體設(shè)計 PHEV 汽車的驅(qū)動裝置、工作裝置等。 （4）對所設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)中的重要零件進行校核計算，如齒輪、軸、軸承等，保證設(shè)計的合理性和可行性。；（5）繪制零件圖、裝配圖，完成要求的圖紙量；畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 10 頁 共 37 頁（6）整理各項設(shè)計資料，撰寫論文。畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 11 頁 共 37 頁第二章 PHEV 汽車傳動系統(tǒng)的總體設(shè)計要使發(fā)動機和電動機的驅(qū)動力輸送到驅(qū)動軸，需要一套驅(qū)動力耦合裝置，也就是分動箱。并聯(lián)混合動力電動汽車的驅(qū)動結(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)動裝置的特點。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 的傳動比。從原理圖可以看出，發(fā)動機和電動機的驅(qū)動力經(jīng)過扭矩耦合裝置進行耦合，然后將耦合后的驅(qū)動力輸送到驅(qū)動軸。根據(jù)驅(qū)動軸的數(shù)目的不同，又分為單軸式畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 12 頁 共 37 頁和雙軸式扭矩耦合傳動。2.1.1 單軸式扭矩耦合傳動這種動力耦合傳動的特點是電動機的轉(zhuǎn)子和發(fā)動機的輸出端通過離合器相連接，從而實現(xiàn)電動機扭矩和發(fā)動機扭矩的耦合，然后經(jīng)過動力傳動機構(gòu)進行驅(qū)動力輸出，結(jié)構(gòu)原理圖如圖 2.2。圖 2.2 單軸式扭矩耦合動力傳動結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系滿足下式，Ts=（ K·Te+Tm） · T?Nm=Ne=Ns·K （2.2）其中：T e、 Tm、 Ts 分別為發(fā)動機、電動機和傳動機構(gòu)輸出扭矩；Ne、 Nm、 Ns 分別為發(fā)動機、電動機和傳動機構(gòu)的轉(zhuǎn)速；畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 13 頁 共 37 頁、 K 為傳動效率和傳動比。T?此結(jié)構(gòu)中，發(fā)動機、電動機和傳動機構(gòu)的轉(zhuǎn)速成一定的比例，路況和車速的改變會影響著他們的關(guān)系。2.1.2 雙軸式扭矩耦合傳動與單軸式相比較，雙軸式扭矩耦合裝置，發(fā)動機和電動機可以通過獨立的傳動機構(gòu)，將驅(qū)動力傳送到耦合裝置進行驅(qū)動力耦合。結(jié)構(gòu)簡圖如圖 2.3。圖 2.3 雙軸式扭矩耦合動力傳動結(jié)構(gòu)示意圖2.2 傳動的確定這種動力傳動有一個明顯的特點，就是發(fā)動機和電動機的驅(qū)動力通過各自的傳動軸分別輸送到車輛的前輪和后輪，發(fā)動機和電動機二者沒有機械連接。在混合動力輸出的情況下，發(fā)動機作為主要的動力源，純電動模式下，可以實現(xiàn)車輛的零排放行駛。采用這種耦合裝置的混動汽車與傳統(tǒng)汽車相比，燃油經(jīng)濟性和動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，兩套驅(qū)動系統(tǒng)分離，畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 14 頁 共 37 頁所以導(dǎo)致整車結(jié)構(gòu)不緊湊，給動力傳動的布置帶來了困難。所以，這種動力傳動在混合動力電動汽車上很少應(yīng)用。結(jié)構(gòu)簡圖如圖 2.4。圖 2.4 牽引力耦合動力傳動結(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）畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 15 頁 共 37 頁其中，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 的傳動比。這種傳動機構(gòu)擁有兩套獨立的機械變速器，發(fā)動機和電動機分別和各自的變速機構(gòu)相連接，然后跟行星齒輪進行耦合。發(fā)動機經(jīng)變速器、離合器和傳動裝置與太陽輪相連，驅(qū)動力經(jīng)行星輪傳遞到驅(qū)動橋。電動機與行星架相連接，動力分配裝置將發(fā)動機的驅(qū)動力分配給驅(qū)動橋和電動機，在設(shè)定好的控制系統(tǒng)前提下，根據(jù)路況和功率需求，讓電動機給驅(qū)動輪提供驅(qū)動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)速耦合式動力傳動機構(gòu)簡圖穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時，太陽輪、行星架、齒圈之間的關(guān)系為：Nj= ·Ns + ·Nrgi1?giTj=－（ 1+ig） ·Ts=－ ·Tr， ig= gi1?srZ（2.4）畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 16 頁 共 37 頁其中， 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比，Zr、Zs 為齒圈、太陽輪的齒數(shù)，個。汽車不同工作模式下工作是通過對鎖止器 1 和鎖止器 2 的控制來實現(xiàn)的。（1）混合動力輸出：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)動機和電動機都可以進行動力輸出。此時，N j= ·Ns + ·Nr，gi1?giTj=－（ 1+ig） ·Ts=－ ·Tr。 gi1?（2）電動機單獨輸出：鎖止器 1 關(guān)閉，鎖止器 2 打開，此時，太陽輪被鎖死，行星輪處于自由狀態(tài)，由電動機提供全部的驅(qū)動力。此時，N j= ·Nr，gi1?Tj=－ ·Tr。gi1?（3）發(fā)動機單獨輸出：鎖止器 1 打開，鎖止器 2 關(guān)閉，此時，行星輪被鎖死，太陽輪處于自由狀態(tài)，發(fā)動機單獨驅(qū)動車輛行駛。此時， Nj= ·Ns，gi1?Tj=－（ 1+ig） ·Ts。（4）發(fā)動機為蓄電池充電：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)，電動機處于發(fā)電狀態(tài)，此時，發(fā)動機的驅(qū)動力一部分用來給蓄電池充電，另一部分用來驅(qū)動車輛行駛。（5）再生制動：鎖止器 1 關(guān)閉，鎖止器 2 打開，松開離合器，驅(qū)動輪提供反向驅(qū)動力矩使發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，此時，發(fā)電機處于發(fā)電狀態(tài)，從而給蓄電池充電 [18]。畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 17 頁 共 37 頁2.4 傳動方案 的選定行星輪式轉(zhuǎn)速耦合器可以使混合動力汽車的兩個動力源獨立輸出動力，改變發(fā)動機或者電動機的轉(zhuǎn)速，就可以改變車速，讓發(fā)動機工作在燃油最優(yōu)化區(qū)域，從而提高整車的燃油經(jīng)濟性。綜合以上的分析，本論文對并聯(lián)混合動力汽車的傳動系統(tǒng)方案的設(shè)計為，選用選用并聯(lián)雙軸式和轉(zhuǎn)矩耦合器的傳動方案。如下圖。圖 2.7 驅(qū)動方案簡圖第三章 PHEV 汽車傳動系統(tǒng)主要部件的設(shè)計3.1 總成部件的參數(shù)匹配結(jié)合原始數(shù)據(jù)，對比參考車型的動力性參數(shù)，以捷達轎車為參考進行參數(shù)的匹配計算，使混合動力汽車滿足以下要求：表 3.1 混動汽車設(shè)計要求設(shè)計要求 項目 限定條件直線行駛最高車速 180km/h百公里的加速時間 15s動力性最大爬坡度 30%畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 18 頁 共 37 頁3.1.1 發(fā)動機參數(shù)設(shè)計設(shè)計發(fā)動機的參數(shù)要從三個方面考慮，分別是最高車速、最大爬坡度以及加速時間 [19]。（1）發(fā)動機滿足并聯(lián)混合動力汽車的最高車速的發(fā)動機功率，所求的功率表達為：3max1maxmax()3607140rDTgfCAPvv???（3.1）其中： 發(fā)動機的最大功率（kW）；max1P傳動效率，對于采用單級主減速器的 4*2 汽車取 90%；T?重力加速度，取 9.8m/s2；g滾動阻力系數(shù)，取 0.0144；rf空氣阻力系數(shù)，取 0.3；DC汽車迎風(fēng)面積 1.9m2；A汽車半載時的質(zhì)量，1600kg 。 am代入最高車速 Vmax=180km/h，求得所需功率 Pmax1=61.05kW。(2) 發(fā)動機滿足并聯(lián)混合動力汽車加速時間的發(fā)動機功率，汽車在平直的道路上加速起步，有如下計算公式：xmtv????????（3.2）畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 19 頁 共 37 頁其中：x 為擬合系數(shù)，取 0.5； V 為 t 時刻的車速；Vm 為 t 時刻的瞬時車速；tm 為加速時間。在 t 時刻汽車的加速度為：1()()mxmtdvtt ??（3.3）在加速期間，汽車的功率一直在增大，因此在 t 時刻的發(fā)動機功率是最大的。所求功率的表達式如下：21max2()360.5aaDarTvdCAvPmgft????（3.4）式中：P max2為發(fā)動機最大功率 kW；傳動效率，對于采用單級主減速器的 4*2 汽車取 90%；T?-旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，1.05；?-汽車半載時的質(zhì)量，1600kg；am-重力加速度，取 9.8m/s2；g-滾動阻力系數(shù)，取 0.0144；rf-空氣阻力系數(shù)，取 0.3；DC畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 20 頁 共 37 頁-汽車迎風(fēng)面積 1.9m2；A-加速時間 12.6s 時的速度 100km/h。1av又有： ,將 t=12.6,x=0.5 代入其中得：12.6()xaamvvdttT???210.5361./2axvdmst?將以上數(shù)據(jù)帶入式 3.4，可得：72.43kW。max2P?(3) 發(fā)動機滿足并聯(lián)混合動力汽車的最大爬坡度的發(fā)動機功率，計算公式如下:2112maxmaxmax3{cos(tn)sin(t)}6000.5a Dar oTv CAvPgfg????????（3.5）式中： -發(fā)動機最大功率；max3-汽車爬坡時穩(wěn)定的速度，取為 30km/h；2av-傳動效率，對于采用單級主減速器的 4*2 汽車取 90%；T?-汽車滿載質(zhì)量，1850kg；om-重力加速度，取 9.8m/s2；g-滾動阻力系數(shù)，取 0.0144；rf畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 21 頁 共 37 頁-汽車爬坡度，取 30%；max?-空氣阻力系數(shù)，取 0.3；DC-汽車迎風(fēng)面積 1.9m2。A代入數(shù)據(jù)可以求得：35.50kW。max3P?綜上所述，發(fā)動機功率應(yīng)該滿足三種條件，即發(fā)動機功率須滿足以下表達式，，所以， 72.43kW。另外通常情況下，maxax1m2ax3(,)PP?max2?并聯(lián)混合動力電動汽車整車有排氣、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。 maxmax2(1.)P?:綜上所述，發(fā)動機最大功率選擇 80kW。發(fā)動機的基本參數(shù)如下表。表 3.2 發(fā)動機參數(shù)表最高轉(zhuǎn)速 8000rpm額定功率 53kW最大扭矩/轉(zhuǎn)速 135Nm/3800rpm3.1.2 電動機參數(shù)設(shè)計電動機是一種把電能轉(zhuǎn)換成機械能的裝置，在混合動力電動汽車中，它扮演著非常重要的角色，在汽車啟動加速時起助力作用，在減速制動時起能量回收作用。電機的匹配原則：使整車油耗和價格最低；啟動發(fā)動機的能力強，能夠在最短的時間啟動發(fā)動機并且達到規(guī)定轉(zhuǎn)速；電動機可以始終在高效率區(qū)間運轉(zhuǎn)，它畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 22 頁 共 37 頁單獨提供驅(qū)動力時，汽車有較強的起步能力，在短時間內(nèi)讓汽車起步并且能夠達到一定的行駛車速 [4]。（1）降低油耗和整車價格。要想降低油耗，首先要明白電機峰值跟整車油耗的關(guān)系。通過分析對比電池的峰值功率和整車的價格成比例關(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)動機的啟動能力。為了使得在規(guī)定時間內(nèi)啟動發(fā)動機并且使其達到要求的轉(zhuǎn)速，首先我們需要明白電機的峰值功率對發(fā)動機啟動和轉(zhuǎn)速的影響。通過研究顯示，影響啟動時間的參數(shù)主要是啟動摩擦扭矩 。電機的峰值功率對發(fā)動dT機的啟動和汽車的加速性能也有很大的影響。汽車發(fā)動機啟動越快，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，電動機的峰值功率不能選的太大。（3）電機轉(zhuǎn)速。電機的轉(zhuǎn)速基本可以分為兩檔，一種為普通電機，另一種為高速電機，以 6000rpm 作為分界線。高速電機一般用于混合動力轎車驅(qū)動或者功率在 100kW 以上的電機，而兩種電機的制造成本有很大差距。1. 電動機性能的比較目前，混合動力電動汽車上常用的電動機有交流感應(yīng)電動機、永磁同步電動機、直流電動機以及開關(guān)磁阻電動機。它們的主要性能特點如下表，表格摘自文獻[5]。表 3.3 電動汽車電動機性能比較表項目 交流感應(yīng)電動機 永磁同步電動機 直流電動機 開關(guān)磁阻電動機功率密度 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畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 23 頁 共 37 頁最大效率（%） 94~95 95~97 85~89 小于 90效率（10% 負荷時）%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，如功率密度，力矩轉(zhuǎn)速性能，最大效率，尺寸及質(zhì)量等等，永磁同步電動機和交流感應(yīng)電動機優(yōu)勢明顯，但是，永磁同步電動機的成本比較高。2. 電動機參數(shù)的設(shè)計電動機的主要參數(shù)包括電動機的峰值功率、額定功率、最高轉(zhuǎn)速以及額定轉(zhuǎn)速。電動機的外特性的特點是在額定轉(zhuǎn)速以下時，轉(zhuǎn)矩恒定，在額定轉(zhuǎn)速以上時，功率恒定。（1）電動機滿足并聯(lián)混合動力汽車的最高車速的電動機功率，計算公式如下： （3.6） 3max1maxmax()3607140rDTgfCAPvv???其中：P max1為電動機的最大功率（kW）；傳動效率，對于采用單級主減速器的 4*2 汽車取 90%；T?g 重力加速度，取 9.8m/s2；