论文部分内容阅读
摘 要：机电耦合动力系统负责将混合动力汽车的多个机械动力组合在一起，实现多动力源间合理的功率分配并把动力传给驱动桥，实现混合动力汽车的各种工作模式，在混合动力汽车开发中处于重要地位，合理的设计机电动力耦合系统，对于提高混合动力汽车的动力性、燃油经济性、降低排放具有非常重要的意义。
机电动力耦合系统最关键的技术是它的布置方案，不同结构的机电耦合系统将导致混合动力客车的使适用条件和使用要求各不相同，如果一辆混合动力客车的动力耦合系统设计合理，就能以最低的能量消耗获得良好的动力性、经济性和最低的排放，得到良好的社会效益和经济效益。
关键词：变速器;齿轮;校核
0 引言
随着全球能源日趋紧张，生态环境日益恶化，节能与环保问题己经引起各国政府的充分重视，一方面颁布严格的法规限制汽车排放污染，另一方面出台政策鼓励和资助新能源汽车的研发、推广和应用，关于新能源汽车的开发与应用问题也成为各国汽车工业积极探索的焦点。“新能源汽车”概念也随之成为业界关注重点，成了各国竞相研发的目标和追求。从环境及资源的角度来考虑，发展新能源汽车产业，实际上就是节能减排，是低碳经济发展模式中的重要组成，新能源汽车产业的发展无论是对汽车行业还是对国家的节能政策都是非常有利的。混合动力汽车（HEV）与传统汽车及纯电动汽车相比，最大差别是动力系统。动力混合系统负责将HEV的多个动力组合在一起，实现多动力源间合理的功率分配并把动力传给驱动桥，它在HEV开发中处于重要地位，其性能直接关系到HEV整车性能是否达到设计要求，是HEV最核心部分。
1 基于行星排的机电动力耦合方案
固定轴式动力耦合系统在机构中发动机与行星架相联，通过行星齿轮将动力传递给外齿圈和太阳轮，齿圈轴与电动机和传动轴相联，太阳轮轴与发电机相联。该系统将发动机大部分转矩直接传递到驱动轴上，将小部分转矩传给发电机。发电机发出的电能根据指令用于电池充电或电动机，以增加驱动力。这种结构可以通过调节发电机转速使其产生变化，使发动机一直处于高效率区或低排放区。此外，通过调节行星排各元件的转速，使其像无级变速器一样工作。单行星排动力耦合系统发动机输出轴通过离合器与电动机的转子轴直接相连，电池组通过控制器作用于电动机定子，两者的动力叠加是在输出轴处实现，变速器仍为单轴输入。该动力系统以发动机作为主要动力，电动机作为辅助动力，是一种等速的功率叠加系统，属于并联式HEV中的单轴联合式结构。该系统结构简单、紧凑，提高了系統的综合效率，但一些元件和电机的控制系统需特殊设计。
2 并联式混合动力汽车
基于传统汽车的动力传动系方案，借助变速器的齿轮副传动实现的并联式混合动力汽车成为目前国内混合动力汽车开发的一个热点。
机电动力耦合通过变速器实现，变速器的一轴与发动机曲轴相连，二轴速出到整车的传动轴，中间轴上齿轮与一轴、二轴上齿轮构成常啮合传动齿轮副，中间轴上增加一个电动机动力输入装置，具体采用了锥齿轮传动副，电动机的动力通过一对锥齿轮传至中间轴及骑上的各挡齿轮。此种设计具有如下特点：可免去变速器倒车挡，通过电动机反转实现倒车;该结构简单、布置方便、便于集成;可实现再生制动和减速时的能量回收;在发动机特性的大范围内实现了电动机的助力，能够充分发挥电动机的复合均衡作用;但是该结构方案由于转动惯量的增加和电动机位转矩控制式的通不过成变长，影响整车的换挡时间，需要对电动机进行转速控制以改善这种情况。
3耦合变速器的校核
变速器齿轮的损坏形式主要有三种：齿轮折断、齿面点蚀、齿面胶合。
1、齿轮折断
齿轮在啮合过程中，轮齿表面承受有集中载荷的作用。可以把轮齿看作悬臂梁，轮齿根部弯曲应力很大，过渡圆角处又有应力集中，故轮齿根部很容易发生断裂。齿轮折断有两种情况，一种是齿轮受到足够大的突然载荷的冲击作用，导致齿轮断裂，这种破坏的断面为粗粒状。另一种是受到多次重复载荷的作用，齿根受拉面的最大应力区出现疲劳裂缝，裂缝逐渐扩展到一定深度后，齿轮突然折断。
2、齿面点蚀
齿面点蚀是闭式齿轮传动经常出现的一种损坏形式。因闭式齿轮传动齿轮在润滑油中工作，齿面长期受到脉动的接触应力作用，会逐渐产生大量与齿面成尖角的小裂缝。面裂缝中充满了润滑油，啮合时，由于齿面互相挤压，裂缝中油压增高，使裂缝继续扩展，最后导致齿面表层一块块剥落，齿面出现大量扇形小麻点，这就是齿面点蚀现象。
3、齿面胶合
高速重载齿轮传动、轴线不平行的螺旋齿轮传动及双曲面齿轮传动，由于齿面相对滑动速度大，接触压力大，使齿面间滑动油模破坏，两齿面间金属材料直接接触，局部温度过高，互相熔焊粘联，齿面沿滑动方向形成撕伤痕迹，这种损坏形式叫胶合。
增大轮齿根部齿厚，加大齿根圆角半径，采用高齿，提高重合度，增多同时啮合的轮齿对数，提高轮齿柔度，采用优质材料等，都是提高轮齿弯曲疲劳强度的措施。合理选择齿轮参数及变位系数，增大齿廓曲率半径，降低接触应力，提高齿面强度等，可提高齿面的接触强度。采用黏度大、耐高温、耐高压的润滑油，提高油膜强度，提高齿面强度，选择适当的齿面表面处理方法和镀层等，是防止齿面胶合的措施。
结论
本文主要介绍了基于行星排的机电动力耦合方案、并联式混合动力汽车和耦合变速器的校核。由于本次设计的项目在国内外已是成熟技术，所以这次设计的目的在于掌握设计方法，熟悉设计过程以及理解一些设计原理。
参考文献
[1]周林杰.插电式混合动力系统总体布置参数化设计[D].山东大学硕士论文，2010.
[2]张志，杨芸芸.插电式混合动力SUV车控制策略研究 [J].武汉理工大学学报，2012.
[3]童浩.混合动力汽车动力系统设计及仿真[D].武汉理工大学硕士论文，2010.
[4]舒红.秦大同.混合动力汽车动力传动系统参数设计 [J].杨为.农业机械学报，2011，33：19-22
机电动力耦合系统最关键的技术是它的布置方案，不同结构的机电耦合系统将导致混合动力客车的使适用条件和使用要求各不相同，如果一辆混合动力客车的动力耦合系统设计合理，就能以最低的能量消耗获得良好的动力性、经济性和最低的排放，得到良好的社会效益和经济效益。
关键词：变速器;齿轮;校核
0 引言
随着全球能源日趋紧张，生态环境日益恶化，节能与环保问题己经引起各国政府的充分重视，一方面颁布严格的法规限制汽车排放污染，另一方面出台政策鼓励和资助新能源汽车的研发、推广和应用，关于新能源汽车的开发与应用问题也成为各国汽车工业积极探索的焦点。“新能源汽车”概念也随之成为业界关注重点，成了各国竞相研发的目标和追求。从环境及资源的角度来考虑，发展新能源汽车产业，实际上就是节能减排，是低碳经济发展模式中的重要组成，新能源汽车产业的发展无论是对汽车行业还是对国家的节能政策都是非常有利的。混合动力汽车（HEV）与传统汽车及纯电动汽车相比，最大差别是动力系统。动力混合系统负责将HEV的多个动力组合在一起，实现多动力源间合理的功率分配并把动力传给驱动桥，它在HEV开发中处于重要地位，其性能直接关系到HEV整车性能是否达到设计要求，是HEV最核心部分。
1 基于行星排的机电动力耦合方案
固定轴式动力耦合系统在机构中发动机与行星架相联，通过行星齿轮将动力传递给外齿圈和太阳轮，齿圈轴与电动机和传动轴相联，太阳轮轴与发电机相联。该系统将发动机大部分转矩直接传递到驱动轴上，将小部分转矩传给发电机。发电机发出的电能根据指令用于电池充电或电动机，以增加驱动力。这种结构可以通过调节发电机转速使其产生变化，使发动机一直处于高效率区或低排放区。此外，通过调节行星排各元件的转速，使其像无级变速器一样工作。单行星排动力耦合系统发动机输出轴通过离合器与电动机的转子轴直接相连，电池组通过控制器作用于电动机定子，两者的动力叠加是在输出轴处实现，变速器仍为单轴输入。该动力系统以发动机作为主要动力，电动机作为辅助动力，是一种等速的功率叠加系统，属于并联式HEV中的单轴联合式结构。该系统结构简单、紧凑，提高了系統的综合效率，但一些元件和电机的控制系统需特殊设计。
2 并联式混合动力汽车
基于传统汽车的动力传动系方案，借助变速器的齿轮副传动实现的并联式混合动力汽车成为目前国内混合动力汽车开发的一个热点。
机电动力耦合通过变速器实现，变速器的一轴与发动机曲轴相连，二轴速出到整车的传动轴，中间轴上齿轮与一轴、二轴上齿轮构成常啮合传动齿轮副，中间轴上增加一个电动机动力输入装置，具体采用了锥齿轮传动副，电动机的动力通过一对锥齿轮传至中间轴及骑上的各挡齿轮。此种设计具有如下特点：可免去变速器倒车挡，通过电动机反转实现倒车;该结构简单、布置方便、便于集成;可实现再生制动和减速时的能量回收;在发动机特性的大范围内实现了电动机的助力，能够充分发挥电动机的复合均衡作用;但是该结构方案由于转动惯量的增加和电动机位转矩控制式的通不过成变长，影响整车的换挡时间，需要对电动机进行转速控制以改善这种情况。
3耦合变速器的校核
变速器齿轮的损坏形式主要有三种：齿轮折断、齿面点蚀、齿面胶合。
1、齿轮折断
齿轮在啮合过程中，轮齿表面承受有集中载荷的作用。可以把轮齿看作悬臂梁，轮齿根部弯曲应力很大，过渡圆角处又有应力集中，故轮齿根部很容易发生断裂。齿轮折断有两种情况，一种是齿轮受到足够大的突然载荷的冲击作用，导致齿轮断裂，这种破坏的断面为粗粒状。另一种是受到多次重复载荷的作用，齿根受拉面的最大应力区出现疲劳裂缝，裂缝逐渐扩展到一定深度后，齿轮突然折断。
2、齿面点蚀
齿面点蚀是闭式齿轮传动经常出现的一种损坏形式。因闭式齿轮传动齿轮在润滑油中工作，齿面长期受到脉动的接触应力作用，会逐渐产生大量与齿面成尖角的小裂缝。面裂缝中充满了润滑油，啮合时，由于齿面互相挤压，裂缝中油压增高，使裂缝继续扩展，最后导致齿面表层一块块剥落，齿面出现大量扇形小麻点，这就是齿面点蚀现象。
3、齿面胶合
高速重载齿轮传动、轴线不平行的螺旋齿轮传动及双曲面齿轮传动，由于齿面相对滑动速度大，接触压力大，使齿面间滑动油模破坏，两齿面间金属材料直接接触，局部温度过高，互相熔焊粘联，齿面沿滑动方向形成撕伤痕迹，这种损坏形式叫胶合。
增大轮齿根部齿厚，加大齿根圆角半径，采用高齿，提高重合度，增多同时啮合的轮齿对数，提高轮齿柔度，采用优质材料等，都是提高轮齿弯曲疲劳强度的措施。合理选择齿轮参数及变位系数，增大齿廓曲率半径，降低接触应力，提高齿面强度等，可提高齿面的接触强度。采用黏度大、耐高温、耐高压的润滑油，提高油膜强度，提高齿面强度，选择适当的齿面表面处理方法和镀层等，是防止齿面胶合的措施。
结论
本文主要介绍了基于行星排的机电动力耦合方案、并联式混合动力汽车和耦合变速器的校核。由于本次设计的项目在国内外已是成熟技术，所以这次设计的目的在于掌握设计方法，熟悉设计过程以及理解一些设计原理。
参考文献
[1]周林杰.插电式混合动力系统总体布置参数化设计[D].山东大学硕士论文，2010.
[2]张志，杨芸芸.插电式混合动力SUV车控制策略研究 [J].武汉理工大学学报，2012.
[3]童浩.混合动力汽车动力系统设计及仿真[D].武汉理工大学硕士论文，2010.
[4]舒红.秦大同.混合动力汽车动力传动系统参数设计 [J].杨为.农业机械学报，2011，33：19-22