1、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
2、。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ABSTRACTBus is the first choice of the public, bearing the task of the movement of the po
3、pulation. City bus is widely used and the number is large. The using condition of city bus is special, there are many signal lights, short distance between sites ,fixed routes, frequently starting, accelerating, braking, long idle time, low average speed and so on. As the vehicle needs to meet the r
4、equirement of the highest speed and maximum climbing degree while designing, usually a high-power engine is equipped, making the city bus in power surplus state, resulting in a serious energy waste and environment pollution.Hybrid electric vehicle combines the traditional fuel vehicles and pure elec
5、tric vehicles advantages effectively reduce energy consumption and reduce emissions. It is meaningful to study on hybrid vehicles. this designs this set of power synthesizers core is a set of planetary transmission system, it can realize the different input rotational speed and the power synthesis,
6、has the reliable energy divergence, moreover the structure is compact, facilitates the control, unifies closely it with the traditional power drive technology, can support many kinds of working patterns. Can realize the complex working condition demand by planetary gears dynamic coupling, will there
7、fore be the present studies and the development key point.Key words：synthesis of power devices; planetary gear目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 引言11.2 动力合成装置简介21.3 混合动力的发展趋势3第2章 动力合成装置设计52.1 设计内容和要求52.2 选取传动类型和传动简图52.3配齿计算62.4 初步计算齿轮的主要参数82.5啮合参数计算92.5.1 a-c齿轮副变位系数分配102.5.2 b-c齿轮副变位系数分配112.6 几何参数计算122.7 装
8、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)12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
9、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。
10、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
11、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THS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4050km/h
12、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11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
13、行星齿轮系统34，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
14、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Pr
15、ius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4050km/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
16、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THS（Toyota Hybrid System ）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12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
17、动力驱动系统，用该行星齿轮机构动力分离装置6将动力分为两条路径：一条路径是从发动机直接发出动力到车轮；另一条路径（电路）是通过电机转化电能驱动汽车或给电池充电。当汽车正常行驶时切断发动机线路，使用电机驱动，从而避免了能量在传输过程中由于离合器和变速器而引起的损失。因此，对这方面的研究探讨意义深远。基于此，本设计将参考丰田Prius的相关数据，设计一适合于混合动力汽车用的行星齿轮机构动力合成装置。图1-2 丰田Prius混合动力汽车THS结构简图第2章 动力合成装置设计2.1 设计内容和要求试为某混合动力汽车动力合成装置设计所需的行星齿轮机变速机构7，其基本参数如表2-1所示。现已知该行星传动的
18、最大输入功率P1=96kw,最大输入转速r/min,传动比=3.55，允许的传动比偏差=0.01，要求使用寿命5年，且要求该行星齿轮传动平稳、结构紧凑、外廓尺寸较小和传动效率高。表2-1 某款混合动力汽车基本参数项目参数总质量（kg）4375发动机排量（L）4.214发动机最大功率（kw / rpm）96 / 5000发动机最大扭矩（N.m / rpm）420/ 4000电动机最大功率（kw / rpm）50 / 12001540电动机最大扭矩（N.m / rpm）400 / 01200变速器最大传动比3.552.2 选取传动类型和传动简图根据上述设计要求：传动平稳、结构紧凑、外廓尺寸较小和传
19、动效率高，查常用行星齿轮传动的类型及其主要特点可知，2Z-X( A )型差动行星齿轮能满足设计要求。该传动类型效率高，体积小，质量小，结构简单，制造方便。适用于任何工况下大小功率的传动，且广泛地应用于动力及辅助传动中，工作制度不限，可作为增速、减速和差速装置。考虑到应用于汽车上要求寿命长、运转平稳、工作噪声低等要求，故选用渐开线斜齿圆柱齿轮传动较为合理，其传动简图如图2-1所示。a太阳轮（中心轮） b齿圈（内齿轮） c行星轮 x行星架（悬臂）图2-1 2Z-X( A )型差动行星齿轮2.3配齿计算2Z-X( A )型行星传动比和其配齿公式如下 （2-1） （2-2） （2-3） （2-4）角度
20、变时， （2-5）当为偶数时，取当为奇数时，取注：为行星排特性参数，即齿圈与太阳轮齿数之比。现考虑到该行星轮传动的外廓尺寸较小，承载能力较高等要求，选择太阳轮a的齿数和行星轮数目。按公式(3-3)可得齿圈b的齿数为按公式(3-5)可得行星轮c的齿数为 再按公式( 3-1 )验算实际的传动比其传动比误差为故满足传动比误差的要求，即得该行星传动的实际的传动比。最后，确定该行星传动各轮的齿数为，。另外也可根据传动查机械设计手册8直接得到上述各轮齿数。2.4 初步计算齿轮的主要参数行星齿轮传动中太阳轮同时与几个行星轮啮合，载荷循环次数最多，因此，在一般情况下，应选用承载能力较好的合金钢，并采用表面淬火
21、、渗碳、渗氮等热处理方法，增加其表面硬度。在NGW传动中，行星轮c同时与太阳轮a和齿圈b啮合，齿轮受双向弯曲载荷，所以常选用与太阳轮相同的材料和热处理。齿圈强度一般裕量较大，可采用稍差一些的材料。齿面硬度也可低些，通常只调质处理，也可表面淬火和渗碳。 齿根应力的基本值，N/，对大小齿轮应分别确定。其中，齿根应力的基本值可按以下公式计算，即 （5-3）式中 载荷作用于齿顶时的齿形系数； 载荷作用于齿顶时的应力修正系数； 计算弯曲强度的重合度系数； 计算弯曲强度的螺旋角系数； 工作齿宽，mm；若大小齿轮不同时，宽轮的计算工作齿宽不应大于窄轮齿宽加上一个模数。许用齿根应力可按下式计算，对大小齿轮的要
22、分别确定。 （5-4）式中 试验齿轮的齿根弯曲疲劳极限，N/; 试验齿轮的应力修正系数，取； 计算弯曲强度的寿命系数； 相对齿根圆角敏感系数； 相对齿根表面状况系数； 计算弯曲强度的最小安全系数。 尺寸系数现将该2Z-X(A)型差动行星齿轮传动按照两个齿轮副a-c和b-c分别验算如下。（1）a-c齿轮副（1）名义切向力太阳轮a的切向力可按下式计算，即 （5-5）现已知N.m，和，则可得N（2）有关系数a. 使用系数使用系数按中等载荷冲击查表得。b. 动载荷系数先按齿轮计算轮太阳轮a相对于行星架X的速度，即 （5-6）其中，r/min = 1047.2 m/s，r/min = 523.6m/s所
23、以 m/s已知太阳轮a和行星轮c的精度等级为6级，即精度系数C=6；再按公式计算动载荷系数，即 （5-7）式中 则得 即太阳轮a和行星轮c的动载荷系数c. 齿向载荷分布系数齿向载荷分布系数可按下式计算，即 （5-8）式中 齿轮相对行星架X的圆周速度及大齿轮齿面硬度对于的影响系数。 齿宽和行星轮数对的影响系数由图取，则可得d. 齿间载荷分配系数由表查的齿间载荷分配系数e. 行星轮间载荷分配不均匀系数行星轮间载荷分配不均匀系数可按下式计算，即 （5-9）现已取，则可得 f. 齿形系数 由图可查得，g. 应力修正系数 由图查得，h. 重合度系数 重合度系数可按下式计算，即 （5-10）当量齿轮的端面
24、重合度基圆螺旋角 则故i. 螺旋角系数由表查得3）计算齿根弯曲应力按公式（5-2）计算齿根弯曲应力，即 4）计算许用齿根应力按公式（5-4）计算许用齿根应力，即已知齿根弯曲疲劳极限，由表查得最小安全系数。式中各系数、和取值如下。应力系数，按所给定的区域图取时，取寿命系数可按下式计算，即式中 应力循环次数 则得取齿根圆角敏感系数，相对齿根表面状况系数尺寸系数将以上各系数代入（5-4）可得许用齿根应力为 即有。所以，a-c齿轮副满足齿根弯曲条件。（2）b-c齿轮副在内啮合齿轮副b-c中只需要校核内齿轮b的齿根弯曲强度，即仍需按公式（5-2）计算其齿根弯曲应力及按公式（5-4）计算许用齿根应力。现已
25、知，。仿上，通过查图表或采用相应的计算公式，可得到取值与外啮合不同的系数为、和，代入公式，可得 可见，故b-c齿轮副也满足强度条件。第5章 结 论动力合成装置是混合动力汽车上的核心组成之一，它实现了多个能量之间的耦合与分配，对混合动力整车的性能有很大的影响。因此，对混合动力汽车动力合成装置的研究有重大的意义。本设计的混合动力汽车动力合成装置的核心结构是一个差动行星齿轮机构，它主要由太阳轮、行星轮、行星架和环齿圈四个基本构件组成。通过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，能支持多种工作模式。将近半年的本科毕业设计，使我颇获收
26、益。通过查阅相关文献资料，亲身实践设计，使我对混合动力汽车的功能和结构有较深的理解。在设计完成过程中，我大学四年所学的汽车构造、力学分析、机械制图和机械设计等方面的知识得到了一次很好的锻炼和升华，从而为我今后更好地学习工作打下了坚实的基础。当然，由于时间和能力有限，本设计难免有些地方有考虑不周或是遗漏，借此希望得到各位老师的指正，以便于今后的改进。参考文献1 Antoni Szumanowski（波兰）原著，陈清泉，孙逢春编译.混合电动车辆基础M.北京：北京理工大学出版社，2001.112任勇，秦大同等.混合动力电动汽车的研发实践J .重庆大学学报，2004.43魏跃远，林逸等.双排行星齿轮机
27、构在混合动力汽车上的应用研究J .汽车技术，2005 .84步曦，杜爱民，薛锋.混合动力汽车用行星齿轮机构的理论研究与仿真分析J .汽车工程，2006.95张金柱.丰田第二代混合动力系统（THS）J .内燃机，2005.36周少颖.混合动力电动汽车动力合成与切换装置的速比与动力匹配规律研究D.武汉：武汉理工大学汽车工程系，2007.57 饶振刚.行星齿轮传动设计M. 北京：化学工业出版社，2003.78 机械设计手册编委会.机械设计手册新版第三卷M.北京：机械工业出版社，2004.8（2006.4）9朱元，田光宇等.行星齿轮机构的混合动力汽车的系统效率J .汽车工程，2004.310 王望予.
28、汽车设计第四版M. 北京：机械工业出版社，2004.811 刘维信.汽车设计M.北京：清华大学出版社，2001.712 陈家瑞.汽车构造第四版下册M.北京：人民交通出版社，2002.213 李秀珍.机械设计基础M.北京：机械工业出版社，2006.4致谢经过半年的忙碌和工作，本次本科毕业设计已接近尾声，作为一个本科生，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周的地方，如果没有导师的敦促指导，以及周围同学的大力支持，想要如期完成这个设计是较为困难的。在这里首先我要感谢我的导师郭新华老师。郭老师平日里工作繁忙，但在我作毕业设计的各个阶段，从设计方案的确定、修改，到以后的中期检查，后期的详细设计、装配草图及零
29、件图绘制等，郭老师都给予了我悉心的指导。除了敬佩郭老师的专业水平外，他严谨求实的治学态度和科学研究的精神使我受益匪浅，并将积极影响我今后的学习和工作。最后衷心感谢在百忙中抽出时间来为我审阅本次设计的各位老师。 附录 1At present, the widespread use of motor vehicle fuel there are all sorts of ills, statistics show that 80% of road conditions, an ordinary car to use only the power potential of 40% in urban areas also dropped to 25%, is more serious Emissions from polluting the environment. Since the 1990
