一种并联式混合动力汽车传动系设计Word格式.docx
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1.2.3日本混合动力/电动汽车发展概况 4
1.2.4美国混合动力/电动汽车发展概况 5
1.2.5欧洲混合动力/电动汽车发展概况 6
1.2.6我国发展概况 7
1.3关键性技术的研究 8
1.3.1整车能量管理系统和控制策略 8
1.3.2子系统的关键技术 10
1.4本课题的研究内容 12
2并联式混合动力电动汽车传动系的结构特点分析 13
2.1 混合动力汽车动力传动系布置方案 13
2.2并联式HEV动力传动系 13
2.3并联式HEV动力传动系结构分析 14
2.3.1 转速合成式PHEV动力传动系 14
2.3.2 扭矩合成式PHEV动力传动系 15
2.3.3 牵引力合成式PHEV动力传动系 18
3CS6120并联式混合动力大客车总体设计 20
3.1基本原理 20
3.2汽车轴数、驱动形式、布置形式的选择 21
3.2.1确定汽车类型 21
3.2.2确定轴数 21
3.2.3驱动形式 21
3.2.4布置形式 22
3.3汽车主要参数确定 22
3.3.1外廓尺寸 22
3.3.2一般参数 22
3.3.3轴荷分配 22
3.4汽车轮胎的选择 22
4CS6120并联式混合动力电动汽车传动系参数的设计 24
4.1发动机功率的选择 24
4.2电动机参数的选择 25
4.2.1电动机额定转速和最高转速的选择 25
4.2.2电动机额定功率的选择 27
4.3传动比的选择 27
4.2.1主减速器传动比i0的选择 27
4.3.2变速器传动比选择 29
4.4电池组容量的选择 30
4.5车辆最高车速的校核 31
5变速器的设计 32
5.1中心距的确定 32
5.2齿轮参数的选择 33
5.2.1模数m 33
5.2.2压力角α 33
5.2.3螺旋角β 34
5.2.4齿宽 35
5.2.5变位系数 36
5.3各档齿轮参数的计算 36
5.3.1确定一档的齿数 36
5.3.2修正中心距 37
5.3.3确定常啮合传动齿轮副的齿数 37
5.3.4确定其他档位的齿数 37
5.3.5倒档齿轮齿数 38
5.3.6确定倒档与中间轴的中心距 38
5.4齿轮机构的校核 38
5.4.1变速器齿轮的毁坏形式 38
5.4.2齿轮强度计算 39
5.5轴的设计计算 42
5.5.1轴的功用及要求 42
5.5.2轴的尺寸的初选 43
5.5.3轴的校核 44
6设计总结 56
参考文献
致谢
1绪论
1.1引言
混合动力汽车应是我国电动汽车产业化的突破口据中国汽车报报道,根据“十五”国家863计划电动汽车重大专项的目标定位和技术路线,结合我国汽车工业的发展现状,一些专家认为,混合动力电动汽车应成为我国电动汽车发展的重点和方向,并有希望率先取得产业化突破。
从我国电动车技术来看,目前已从实验室开发试验阶段过渡到商品性试生产阶段,我国电动汽车研制开发基本上与国外同行处于同一起跑线上,技术水平与产业化的差距比较小,目前已有一定基础。
在上世纪90年代中期已推出电动汽车样车,电动轿车概念车、燃料电池中型客车已经问世。
现在世界上的电动汽车主要分成纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池汽车三种,专家认为选择混合动力电动汽车作为现阶段我国电动汽车产业化的突破口,符合我国汽车工业的发展要求。
原因一是混合动力电动汽车承接了传统汽车的技术,有利于对传统汽车工业的改造;
二是有利于降低制造成本和有利于实现产业化。
1.2混合动力汽车的发展现状
汽车工业是大多数国家经济发展的支柱产业。
美国国家工程院评出的20世纪最伟大的20项工程技术成就中汽车排名第二已足以说明这一点。
从“十五”计划开始,我国汽车工业也进入高速发展和快速增长时期。
我国与世界各国一样,随着汽车产品与保有量的大量增加,由此而引发的环境和能源问题已经引起了国家和社会的广泛关注。
污染的严重和能源的匮乏,对整个世界和各国经济的发展而言,无疑是一个巨大的挑战和残酷的瓶颈。
对此,必须积极寻求应对办法,认真研究解决对策。
1.2.1治理与改善我国环境状况的目标
汽车尾气排放有害物质对城市区域大气具有严重的危害,许多国家相应制定了严格的法律法规、规范和国家标准,违背法律法规和不符合相关标准的汽车在市场竞争中被淘汰出局。
当前我国汽车工业面临着必须达到的两个目标是:
①达到如表1-1所示的法规和标准要求
表1-1美国、欧洲及中国对汽车尾气排放有害气体的限制法规与标准
实施年代
1992
1994
1996
2000
2002
2005
2008
2010
美国联邦法规
1990USEPA法规
1994USEPA法规
2004USEPA法规
欧洲标准
欧Ⅰ
欧Ⅱ
欧Ⅲ
欧Ⅳ
欧Ⅴ
中国
GB14716(1-70-93
相当于欧Ⅰ
相当于欧Ⅱ
相当于欧Ⅲ
与国际同步
②限制CO2的排放越来越多的证据表明,汽车的CO2排放是破坏环境最重要的元凶之一。
为此,联合国“政府间气候变化专业委员会”(IPCC)对其进行了评估,表明:
1996年世界共排放CO2等温室气体200亿吨,美国占25%,其中汽车排放占10%,中国排放CO2占1315%。
1997年12月,全球气候变化条约国第三次缔约国会议(COP3)在日本京都召开,会议通过的《京都议定书》限定了CO2、NO2、甲烷等6种造成温室的气体的排放量如表1-2所示。
表1-2世界主要国家需要降低的排放量
欧盟
美国
日本
加拿大
8%
7%
6%
议定书还规定以1990年为基准到2012年止,工业发达国家CO2排放量要降低总量的512%。
这些数字看起来不大,但考虑到汽车数量的增加,需要减少的绝对量则相当可观,如日本实际要降低20%左右。
目前已有110多个国家批准了《京都议定书》,但排放CO2最多的美国却拒绝执行,并提出排放CO2要实行市场化。
《京都议定书》虽对发展中国家没有提出具体要求,但考虑到每燃烧1kg汽油产生约3kg的CO2,而我国是石油消耗大国,有不可忽视的CO2排放量的治理任务。
1.2.2石油短缺的压力
我国石油资源短缺,已发现可开采的储量仅占世界总储量的4%左右,从1993年开始进口石油,并以每年两位数字的百分比增长,2000年进口石油7000万吨,成品油3000万吨。
到2005年以后,每年进口石油将超过一亿吨,相当于科威特一年的石油总产量,未来我国石油缺口更大。
我国石油需求与产量如表1-3所示
表1-3我国石油需求与亿吨
年份
需求
产量
缺口
2000年
2.4
1.6
0.7+0.3
2005年
2.8
1.78
1.02
2010年
3.6
1.89
1.71
面对如此严重的环境问题和严峻的能源现状,世界各国都在寻找解决的途径,经过多年的探索,在科技界比较一致的对策是:
①提高和完善内燃机的性能,进一步提高内燃机的热效率,降低能耗,广泛采用电喷、智能正时可变气阀(VVT2i),稀薄燃烧、压缩直喷点火、改进燃油品质等先进技术;
②采用替代燃料,如水煤气、氢、乙醇、甲醇、合成燃油LNG和LPG等;
③鼓励和推广采用电动汽车(EV)、混合动力电动汽车(HEV)、燃料电池电动汽车(FCEV)。
目前动力电池技术未取得突破性进展,EV只能在城近郊区、旅游名胜区、步行街等有限地区使用。
FCEV是利用氢、氧在常温下产生电化学反应发电作为车辆运动的动能,排出的是水,为零排放,这是第一优势;
第二优势是氢在地球上储存量很多,可以从水和生物中提取,不依赖石油资源。
虽然现在的一些技术难题使近期批量使用还有困难,但这两大优势注定了FCEV是发展的趋势。
早在1909年,就有人提出了利用内燃机与电动机结合来克服纯电动汽车续驶里程短和充电时间长的缺点,并出现了早期的混合动力电动汽车HEV,成为了从内燃机汽车到电动汽车的一种过渡车型。
随着技术的进步,电动汽车的发展呼唤新的车型。
这种车型是将技术上最先进(即油耗最低,排放污染最优,体积重量最小)的内燃机与一种一定容量的高性能储能装置(动力电池)相结合,通过最先进的电子控制系统组成电机驱动系统,这三者的最佳匹配必将大幅度地降低油耗,实现更低的排污量,满足更严格的排放要求,使其成本比较接近于同类汽车的水平。
这种HEV将会受到汽车工业界欢迎,并成为为市场接受的主流车型。
据最新的资料显示,日本已在美国出售1318万台混合动力电动轿车。
总之,EV、HEV、HCEV的发展是当今汽车技术发展的一个新方向,是寻求解决上述难题的一个有效途径。
1.2.3日本混合动力/电动汽车发展概况
日本汽车保有量占全球第二位,由于人口密集,国土狭小,石油100%依赖进口。
因此,日本对EV\HEV的研发十分重视。
日本从1965年开始电动车的研制、通产省正式把电动车列入国家项目,1967年成立了日本电动车协会,促进了电动车事业的发展,1971年日本通产省就制定了电动汽车的开发计划,1991年日本通产省又制定了“第三届电动汽车普及计划”,提出到2000年日本电动汽车的年产量达到10万辆,保有量达到20万辆。
2001年7月,日本开展了“低公害车开发普及行动”,将EV\HEV列为重点开发的低公害汽车之列,并制定了专门的政策,以促进EV\HEV的普及应用;
2002年提出从2005年开始大幅度限制尾气排放,制定了《新长期排放限制》的标准,准备用于2005年以后销售新车的一项排放法规;
2002年2月26日,日本中央环境审议会大气环境领域的一个专门委员会(环境大臣的咨询机构)提出了一份将要纳入这项法规的尾气排放标准的咨询提案。
这项提案的内容包括将颗粒状物质(PM)含量比现行标准的要求最大削减85%,将氮氧化物(NOX)削减50%等一些内容,该法规的实施将进一步推动EV\HEV的发展。
按照目前的发展速度,预计在2010年将达到210万辆。
丰田是全世界第一台正式批量生产的混合动力车的制造者,自从1997年开始,Prius就开始在日本销售,2000年起便在北美、欧洲及世界各地公开发售。
目前,Prius已经在中国上市。
到了2001年,丰田又在日本推出了Estima混合动力小货车、使用弱混合动力的皇冠豪华小轿车和Dyna混合动力轻型货车。
丰田商业化的车型已经达到5款。
为了在实现低排放的前提下,提高车辆的动力性,在2003年,丰田汽车把新一代的混合动力系统HybridSynergyDrive引入到了第二代的Prius上面。
在2005年,他把这套系统的使用范围扩展到了对动力性能要求更高的SUV车型上——雷克萨斯的RX400h(日本名为HarrierHybrid)和HighlanderHybrid(日本名为KlugerHybrid)。
本田公司在混合动力车方面也颇有建树,1999年推出“INSIGHT”,2001年推出“CIVIC”。
本田还在混合动力车的开发上,通过研究新型发动机、镍氢蓄电池等追求动力高效化;
通过开发新型轻质铝车身、树脂油箱等谋求车辆的轻型化,使汽车达到每公升汽油可行驶35公里的世界最高水平,并且使汽车尾气排放达到世界最严格要求的标准。
1.2.4美国混合动力/电动汽车发展概况
汽车工业是美国的支柱产业,给美国带来了繁荣昌盛,但同时也带来了能源危机、环节污染以及资源的浪费。
美国近年来几乎要从国外进口全国消耗量一半以上的石油。
为了避免受到石油危机的冲击,美国十分重视对混合动力汽车的研究和开发。
1976年卡特总统签署EV/HEV研究开发和示范法案,授权美国能源部执行和管理EV/HEV研究计划,但是直到九十年代初电动车的研究在美国才真正开始。
1990年10月布什总统签署清洁空气法严格规定了汽车排放的标准,同月加州政府也有了新的规定,即要求汽车制造商在加州销售的车辆中百分之二必须是零排放车辆,而当时只有纯电动汽车才可能达到零排放车辆的要求。
1991年美国通用汽车公司、福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司共同协议,成立了先进电池联合体(USABC),共同研究开发新一代电动汽车所需要的高能电池。
1991年10月USABC与美国能源部签订协议,在1991-1995年的四年间投资2.26亿美元来资助电动汽车用高能电池的研究。
1993年,美国克林顿政府推出了新一代汽车伙伴计划即PNGV,要求联邦政府部门从1993到1995年度大量购买包括EV/HEV的替代燃油车。
PNGV制订了10年开发计划,目标是80mpg(约3L/100km)的低油耗汽车。
2002年1月9日,10年计划尚未结束,美国能源部部长斯潘塞•阿伯拉罕在各大汽车公司首脑参加的会议上宣布,根据总统布什的国家能源计划,降低美国对进口石油依赖性,决定成立一个新的汽车研究项目,叫做自由车(FreedomCAR),该项目的长期目标是高效、价廉、无污染。
研究先进、高效的燃料电池技术,用氢燃料作动力,不产生任何污染。
改项目继续对电动汽车进行专项研究,但是重点是发展氢燃料电池电动车。
按照PNGV的时间表,在1999年以前为浓缩并集中技术目标阶段,1999~2001为生产概念车阶段,2001~2005年为生产性样车阶段。
在2000年底特律国际汽车展上福特和通用汽车公司展示了其柴油复合动力概念车,同年2月22日,戴姆勒克莱斯勒在华盛顿国家博物馆公布了其PNGV复合动力概念车。
PNGV计划在2002年被终止,原因是80MPG的目标很高,而研制的新车在成本上并未取得很好的成果,不能满足用户在价格上的要求,也就是说,在短时期内不具有市场价值。
更重要的是,PNGV仍然局限于用石油作为基本能源。
因此要求新项目在这方面有新的突破,将着眼于新一代汽车能源,而不囿于现有技术和当前燃料资源。
但是PNGV起到了全球EV/HEV技术开发领头人的作用,从其建立和执行情况来看,新一代汽车已经成为跨国汽车公司和工业国家战略发展的重要内容。
1.2.5欧洲混合动力/电动汽车发展概况
(1)法国
法国是一个缺少石油的国家,每年要从国外进口大量石油。
因此,法国是全世界最积极研制和推广电动汽车的国家之一。
法国电力供应充沛且多用核能发电和水力发电,发电源干净且电价便宜,汽车工业发达。
法国政府鼓励开发电动汽车和充分利用电力资源,在政策上给予支持,为开发电动汽车提供资助。
法国政府、法国电力公司、标致-雪铁龙汽车公司和雷诺汽车公司共同承担开发和推广电动汽车的协议,共同合资组建了电动汽车的电池公司,和萨夫特(SAFT)公司承担电动汽车的高能电池的研究和开发,以及电池的租赁和维修等工作。
1990年法国标致-雪铁龙汽车公司所开发的J-5和C-25电动货车投入生产。
1995年法国能源部、标致-雪铁龙汽车公司开发了标致-106和SAXO型四座电动轿车,用雪铁龙-AX型轿车改装的电动轿车,雷诺汽车公司的Clio型四座电动轿车及其变型车等,并投放在罗切里市进行试验。
1997年法国的电动汽车产量达到2000辆左右。
不仅如此,法国非常鼓励使用混合动力汽车,使法国混合动力汽车的发展位居世界前列。
四年前法国政府电力公司与汽车制造商签订了协议,使全国电动汽车保有量达到10万台,在20个城市推广混合动力汽车。
法国已有十几个城市运行电动汽车且有比较完善的充电站等服务设施,政府机关带头使用混合动力汽车。
法国政府为了鼓励用户使用混合动力汽车,还宣布企业购买混合动力汽车第一年可以免税。
法国电力公司向电动汽车生产厂家每生产一辆电动汽车提供1万法郎的补助,以扩大电力使用范围。
目前,法国混合动力汽车的普及程度和保有量都位居世界前列。
(2)德国
德国政府十分重视环节保护,投入了大量的资金用于EV的研发,1971年成立了城市电动车交通公司(GES),积极组织EV的研究与开发。
1991年在拜尔州投入了300辆EV进行运行。
拜尔州还拨400万马克,用于资助用户车价的30%购买电动汽车。
另外,汉堡市也采取资助用户车价的25%来鼓励用户购买电动汽车。
德国政府指定奔驰汽车公司和大众合资建立的德国汽车工业有限公司的科技开发机构,1992年德国政府拨款2200万马克,在吕根(Rugen)岛建立欧洲EV试验基地,组织了四大公司62辆各类电动车在吕根半岛城运行试验,对64辆电动汽车和电动汽车的系统工程进行长达4年的大规模试验,并有很多国家和城市都派有EV参加吕根岛的实验。
1994年展示出了19种轿车,13种面包车,4种大客车,都进入了实用阶段。
20世纪70年代末期,德国戴姆勒-奔驰汽车公司生产了一批LE306电动汽车,采用铅酸电池。
20世纪80年代初期,德国奔驰汽车公司生产了电动大客车,也生产了商用电动汽车,奔驰公司还宣布投资4.7亿美元研究开发燃料电池,计划2005年实现产业化。
欧宝公司在1972年开始研制新型电动汽车。
1981年与BBC公司(现在的ABB公司)合作研制了电动轿车。
1.2.6我国发展概况
我国目前也非常重视混合动力电动汽车的研究与开发,一些单位的起步研究工作正在展开,国家科技部已将其作为“十五”863重大专项的内容。
我国有关电动汽车的研制开始于20世纪90年代。
从1996年开始,广东省科委统一协调组织研制电动汽车,并取得了可喜的进展。
清华大学研制了电动中型客车。
中国远望(集团)总公司与北京理工大学、国防科技大学和河北胜利客车厂等单位联合,于1996年3月研制成功了51座YW6120型电动大客车。
在此基础上,我国混合动力电动汽车的研制也有了一定的进展。
1998年,清华大学与厦门金龙公司合作研制了混合动力电动客车;
同年,江苏理工大学承担了江苏省科委下达的重点工业科技攻关项目——混合动力电动公交轻型客车ZJK6700HEV串联式混合动力的研制,目前样车的研制工作已经结束。
一汽在2001年4月19日闭幕的第3届北京国际清洁车展上推出一款混合动力电动轿车——红旗CA7180AE。
该轿车是由一汽研究所、美国电动车亚洲7公司、汕头国家电动汽车试验示范区三方共同合作完成的,属串联式结构的中高档车型。
清华大学与沈阳金杯客车制造有限公司在2001年3月签订了“SY6480混合动力电动客车的研制与开发”合作项目的合同。
深圳明华环保汽车有限公司于2001年4月推出了混合动力电动环保汽车MH6720,引起社会各界关注;
该车采用的是并联式混合动力系统,发动机为87kw;
电机为312V、充电次数大于500次;
异步交流电机平均功率为36kW;
满载最高车速为90km/h;
最大爬坡度为33%;
续驶行程可达1080km,纯电机驱动时为100km;
百公里等速油耗7.69L;
乘客数为22;
其尾气排放达欧洲标准,噪声指标也大大低于国产普通中巴车。
东风汽车公司承接“863”混合动力研制项目现已完成,并已于最近推出混合动力电动客车样车,整车性能良好。
我国通过国家“八五”、“九五”甚至“十五”电动汽车的科技攻关,在HEV方面已经积累了一定的技术基础和经验
1.3关键性技术的研究
1.3.1整车能量管理系统和控制策略
要实现混合动力电动汽车性能的提高,就必须对整车,尤其是动力系统进行控制,使各个部件能够协调工作。
这一任务由整车能量管理系统来完成。
(1)整车能量管理系统
混合动力电动汽车的能量管理系统和工业上用到的复杂系统一样,普遍采用分级分布式结构,如图1.1所示。
最上层为能量管理系统的决策单元(Decision—makingUnit),统一协调和控制各
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