混合动力客车传动系统设计.doc

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混合动力客车传动系统设计

摘要

客车是市民出行的首选，在各个城市中承担着人口流动的任务，应用广泛，数量众多。

同时城市客车的运行工况特殊，城市中信号灯多，站点之间距离短，运行路线固定，城市客车频繁的起步，加速，制动，怠速时间长，平均运行速度低。

由于汽车设计时需要满足最高行驶车速和最大爬坡度等动力性要求，需要装备大功率发动机，使得城市客车经常处于功率过剩状态，造成了严重的能源浪费和环境污染。

油电混合动力汽车融合了传统燃油汽车和纯电动汽车的优点，具有传统内燃机车动力性好和电动汽车清洁环保的特点，能够有效的降低能源消耗，减少污染排放，具有重要的研究意义。

混合动力汽车一般由一个发动机和一个电动机来提供动力。

动力合成装置可以对由从发动机传递过来的能量和由从电动机传递过来的能量进行动态合成，然后输出到驱动轴上，从而带动车辆运行。

本设计的这套动力合成装置的核心是一套行星齿轮传动系统，它能实现不同输入转速和动力的合成，有可靠的能量分流，而且结构紧凑，方便控制，将它与传统的动力传动技术紧密结合，能够支持多种工作模式。

以行星齿轮机构的动力耦合能实现复杂的工作条件需求，因此将会是今后研究和发展的重点。

关键词:

动力合成装置；行星齿轮

ABSTRACT

Busisthefirstchoiceofthepublic,bearingthetaskofthemovementofthepopulation.Citybusiswidelyusedandthenumberislarge.Theusingconditionofcitybusisspecial,therearemanysignallights,shortdistancebetweensites,fixedroutes,frequentlystarting,accelerating,braking,longidletime,lowaveragespeedandsoon.Asthevehicleneedstomeettherequirementofthehighestspeedandmaximumclimbingdegreewhiledesigning,usuallyahigh-powerengineisequipped,makingthecitybusinpowersurplusstate,resultinginaseriousenergywasteandenvironmentpollution.

Hybridelectricvehiclecombinesthetraditionalfuelvehiclesandpureelectricvehiclesadvantageseffectivelyreduceenergyconsumptionandreduceemissions.Itismeaningfultostudyonhybridvehicles.thisdesign'sthissetofpowersynthesizer'scoreisasetofplanetarytransmissionsystem,itcanrealizethedifferentinputrotationalspeedandthepowersynthesis,hasthereliableenergydivergence,moreoverthestructureiscompact,facilitatesthecontrol,unifiescloselyitwiththetraditionalpowerdrivetechnology,cansupportmanykindsofworkingpatterns.Canrealizethecomplexworkingconditiondemandbyplanetarygears'dynamiccoupling,willthereforebethepresentstudiesandthedevelopmentkeypoint.

Keywords：

synthesisofpowerdevices;planetarygear

目录

摘要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1引言 1

1.2动力合成装置简介 2

1.3混合动力的发展趋势 3

第2章动力合成装置设计 5

2.1设计内容和要求 5

2.2选取传动类型和传动简图 5

2.3配齿计算 6

2.4初步计算齿轮的主要参数 8

2.5啮合参数计算 9

2.5.1a-c齿轮副变位系数分配 10

2.5.2b-c齿轮副变位系数分配 11

2.6几何参数计算 12

2.7装配条件的验算 15

第3章传动效率计算 16

第4章齿轮强度校核 20

第5章结论 29

参考文献 30

致谢 33

附录 37

第1章绪论

1.1引言

能源和环境的双重压力使得混合动力汽车（HEV）[1][2]迎来了发展的高潮。

目前由于电池技术尚未突破，纯电池驱动具有车速低及续驶里程短等缺点，而内燃机存在效率不高，大部分能量损失在内燃机的发热中，以及排放有害气体等不足。

在蓄电池及其他能源装置尚不能完全取代传统的内燃机时，HEV成为了最佳的选择。

混合动力汽车是指由两种或两种以上的储能器、能量或转换器作为驱动能源，其中至少有一种能提供电能的车辆。

混合动力总成按动力传输路线分类，可分为串联式、并联式和混联式等三种。

混合动力汽车作为目前汽车领域能缓解能源紧张压力和减少污染的最可行的手段，已经成为当今世界汽车领域研究的热点。

混合动力汽车在由传统燃料汽车向燃料电池汽车的转变过程中扮演着承上启下的角色。

混合动力汽车的关键是混合动力系统，它的性能直接关系到混合动力汽车整车性能。

经过十多年的发展，混合动力系统总成已从从原来发动机与电机离散结构向发动机电机和变速箱一体化结构发展，即集成化混合动力总成系统。

动力合成装置作为混合动力汽车的重要部分，它是用在混合动力汽车上面用来实现能量的整和与分配的机械装置，通过这套装置混合对电动车辆将由从发动机传递过来的能量和由从电动机传递过来的能量进行动态合成，然后输出到传动轴，带动车辆运行。

它的性能直接影响到了车辆运行的状况和整车性能。

动力合成与切换装置的主要元件为行星齿轮机构。

混合动力汽车有至少两个动力源，一般混合动力电动汽车有一个发动机和一个电动机来提供动力，该装置主要是为了实现在两个动力源同时工作时，动力耦合与分配的问题。

混合动力是目前汽车界发展的趋势，国外的混合动力已经产业化了。

但是目前国内混合动力仍存在一些问题，其中主要的问题是动力耦合困难，其表现有:

串联式混合动力发动机只能静态时充电，而在行驶的过程中充电不稳定。

并联式和混联式还没有采用行星齿轮，而齿轮式离合器在车速到达一定值时存在严重的打齿现象。

存在这些问题主要还是国内的控制水平落后于国外。

对于串联式来说，如何解决在动态时发动机充电的稳定，是串联式动力耦合存在的问题。

目前对于并联式和混联式的动力耦合来说主要采用行星齿轮式和离合器式两种。

目前，日本丰田Prius混合动力汽车THSⅡ系统是公认的最为成熟的动力系统之一，其核心元件就是一个行星齿轮机构动力合成装置。

它采用行星齿轮变速结构，变速器内置动力分离装置，行星齿轮机构巧妙地将减速器、发电机和电动机等动力部件耦合在一起，同时行星齿轮又起到无级变速器的功能，结构十分紧凑，形成一个集成化混合动力总成系统。

但到目前为止，国内采用的行星齿轮动力耦合装置还不能达到较好的动力藕合的目的。

而对于离合器式来说，目前采用的是齿轮式离合器，但当齿轮式离合器车速达到40—50km/h以上时，齿轮结合就会打齿。

但是，以行星齿轮机构的动力耦合能实现复杂的工作条件需求，因此将会是今后研究和发展的重点。

1.2动力合成装置简介

混合动力汽车控制所期望达到的目标：

最大燃油经济性，最小排放，较好的加速性能、爬坡性能和较低的噪声及较大的续驶里程。

控制系统应该包括：

动力分配系统、发动机运转控制、传动控制系统、电池管理控制及车辆驾驶控制等。

系统的结构原理图如图1—1所示。

在结构上，它允许有两个输入，如图中所示，一个为电动机输入，一个为发动机输入，有一个输出，这样的结构要能满足混合动力汽车在只有一个动力源和两个动力源同时输入的情况下的输入。

图1-1结构基本原理图

本设计的动力合成装置的核心是一套行星齿轮系统[3][4]，它除了能够进行动力合成与切换外，还能实现小范围变速的可能，同时，由于考虑到在汽车上的使用条件，所有齿轮均采用斜齿齿轮，以增加齿轮系统传动的平稳性，降低其在传动中产生的噪声。

由于使用的的要求，有的部分材料采用加强硬度的工艺，此外，用于混合动力汽车动力合成装置的行星齿轮机构还应具有以下的特点：

（1）能实现不同输入转速和动力的合成；

（2）有可靠的能量分流，能量流方向的变更；

（3）结构紧凑，方便控制，而且有效，可靠；

（4）与传统的动力传动技术紧密结合；

（5）支持多种工作模式。

对动力合成与切换装置的设计，主要是基于其行星齿轮机构的设计。

国外将行星齿轮机构用作动力合成与切换装置比较成熟的有丰田的Prius，在我国，对混合电动汽车动力合成与切换装置的研究起步比较晚，但是发展迅速。

1.3混合动力的发展趋势

混合动力是发展的趋势，国外的混合动力已经产业化了，而目前国内混合动力仍存在一些问题，其中主要的问题是动力耦合困难，其表现有:

串联式混合动力发动机只能在静态时充电，在行驶的过程中充电不稳定。

并联式和混联式还没有采用行星齿轮机构，而齿轮式离合器在车速到达一定值时存在严重的打齿现象。

存在这些问题主要还是国内的控制水平落后于国外。

对于串联式来说，如何解决在动态时发动机充电的稳定，是串联式动力耦合存在的问题。

目前对于并联式和混联式的动力耦合来说主要采用行星齿轮和离合器式两种。

日本丰田Prius的行星齿轮是成熟的动力耦合部件，而对于离合器式来说，目前采用的是齿轮式离合器，但齿轮离合器式在车速40—50km/h以上齿轮结合时就会打齿。

采用行星齿轮机构，尽管在结构上要显得复杂，但是有利于实现其传动速比要求，同时能满足的不同工作状态下的使用要求。

因此，采用行星齿轮机构的动力耦合装置将会是今后发展的主要方向。

随着丰田Prius混合动力汽车的推出，采用行星差速机构的混合动力系统逐渐流行，这种型式通过行星机构可以实现多个部件转速的复合，而各个部件间的转矩保持一定的比例关系，这种功率复合形式被称为速度复合，这种行星机构有两个自由度，但通过不同离合器和制动器的作用，可以实现单自由度，固定传动比的传动，目前对于这种混合动力系统的研究很多，也出现了许多种结构。

日本丰田新一代Prius混合动力汽车的THSⅡ（ToyotaHybridSystemⅡ）系统[5]是目前公认的最为成熟的动力系统之一，其核心元件就是一个行星齿轮机构动力耦合装置，如图1—2所示，在此装置中，发动机与行星架相联，通过行星齿轮将动力传给外圈的齿圈和内圈的太阳轮，齿圈轴与电动机和传动轴相联，太阳轮轴与发电机相联，动力分配装置将发动机一部分转矩（大约为70%）直接传递到驱动轴上，将另一部分转矩传送到发电机上，发电机发出的电将根据指令或用于给电池组充电，或用于驱动电动机以增加驱动力。

它采用的是一种串并联混合的混合动力系统，即混联式动力驱动系统，用该行星齿轮机构动力分离装置[6]将动力分