混合动力汽车课程论文

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1、第 55 页 鞍山科技大学本科生毕业设计（论文）1 绪 论1.1 设计任务及选题背景汽车作为商品在世界各处都有广泛的市场，又因其生产批量大而给企业带来丰厚的利润。汽车品种的多样性可满足各种生产、生活活动的需要，而且有良好的社会效益。汽车工业的发展，带动了许多相关的企业、事业，包括钢铁、石油、橡胶、塑料、机床、道路、汽车销售、售后服务、运输、交通管理、金融业、教育、科研等的发展。汽车也好似衡量人们生活水平的重要标准之一，购买汽车以及因此而形成的日常消费能促进货币回笼。近百年来，汽车工业之所以常胜不衰，主要得益与市场和科学技术的不断进步，使汽车能逐渐完善并满足使用者的需求。现在不仅在生产活动中，在

2、日常生活中人们也离不开汽车。对于经济发达国家，选择汽车工业作为国民经济的支柱产业是完全正确的。然而，汽车推动工业发展以及给人们生活带来便利的同时，也带来了“能源消耗，环境污染”两大问题。目前，世界上46以上的石油被汽车所消耗，已探明的石油资源只够人们充分使用到20402050年，而且城市污染50以上也来源于汽车。为了满足人类的可持续发展的需要，许多国家都开始了新一代汽车的研制。节能、环保、新能源等字眼已经越来越紧密的和汽车联系在一起了，为了解决环境污染和石油资源危机的问题，研制更节能、更环保、使用替代能源的新一代交通工具，成为当今各国汽车工业界的当务之急。 当前普遍使用的燃油发动机汽车存在着多

3、种问题，统计表明在占80以上的道路条件下，一辆普通轿车仅利用了其动力潜能的40，在市区还会跌至25，更为严重的是污染环境。纯电动汽车或零排放燃料汽车无疑是我们的最终目标，但目前的电池技术较落后，电动汽车暂时还无法取代燃油发动机汽车。在这种情况下，一种两全其美的方案应运而生，即开发所谓的混合动力装置的汽车。这种汽车就是将内燃机与辅助动力单元组合在一辆汽车上，这种混合动力装置发挥了燃油发动机持续工作时间长、动力性好的特点，又可以发挥电动机无污染、低噪声的优点，二者取长补短，汽车的热效率可以提高10，废气排放可降低302。混合动力汽车针对不同的道路环境实施不同的供能方案，能大大降低排放污染程度。目前

4、最有实用性价值并已有商业化运转的模式，只有混合动力汽车。汽车行业专家们一致认为，混合动力车将是世界汽车行业今后较长时间内主要发展方向。因此，越是在交通日益拥挤的大城市使用混合动力汽车，就越能够显示出它的节能、环保、适应能力广的优越性3。1.2 混合动力汽车概述1881年就出现了电动汽车，它比内燃机汽车还早一些。但内燃机汽车后来居上，在性能、机动性、车辆的重量等指标远远地超过了电动汽车。电动汽车在20世纪20年代达到了鼎盛时期后就一蹶不振，成为“电瓶车”式的辅助车辆。在20世纪初蒸汽汽车、电动汽车、和内燃机汽车基本是三足鼎立，在汽车保有量中，蒸汽汽车占40，电动汽车38，而内燃机汽车仅占22，美

5、国是最早使用电动汽车作为运输车辆的国家之一，1915年美国电动汽车的产量曾经达到过年产5000辆的最高峰。有很多电动汽车一直到第二次世界大战期间仍在使用。但到20世纪60年代电动汽车的保有量仅占汽车总量的2。随着现代水利发电、核能发电、风力发电和太阳能的利用，为人们提供了巨大的能源。因此，各国和各大汽车公司都重视了电动汽车的研究、开发和试制，从20世纪70年代起，新一代电动汽车脱颖而出，出现了各种各样高性能的电动汽车。混合动力表示有多种动力参与汽车驱动，一般指燃油发动机和电机这两种动力。混合动力电动汽车是电动汽车研制中的后起之秀，却在纯电动汽车之前成功实现了产业化。它综合了传统汽车引擎驱动电机

6、驱动的优点，既能充分发挥燃料发动机持续工作时间长、动力性能好，又可以发挥电动机无污染、低噪声的好处。并且，混合动力汽车可以在运行过程中维持电量的均衡，不像纯电动汽车要配备专用的充电器等配套设备。混合动力电动汽车，其动力系统包括内燃机和电池组，兼备了内燃机汽车和电动汽车优点,按内燃机与电动机的连接方法可分为并联式、串联式和混联式。它将内燃机、电动机与一定容量的储能器件通过控制系统相结合，电动机可补充提供车辆起步、加速时所需转矩，又可以存储吸收内燃机富余功率和车辆制动能量，从而可大幅度降低油耗，减少污染物排放。混合动力汽车虽然没有实现零排放，但其动力性、经济性和排放等综合指标能满足当前苛刻要求，可

7、缓解汽车需求与环境污染及石油短缺的矛盾。与传统内燃机汽车相比，主要优点是采用了高功率的能量储存装置（飞轮、超级电容器或蓄电池）向汽车提供瞬时能量，可以提高效率、节省能源、降低排放，经济性和排放性明显改善，技术经济可行性较强。较之纯电动汽车，其主要优点：续使里程和动力性可达到内燃机汽车的水平；空调、真空助力、转向助力及其它辅助电器，借助原动机动力，无需消耗电池组有限电能，从而保证了乘坐的舒适性；而且混合动力汽车技术难度相对较小，成本相对较低。混合动力汽车介于传统汽车和动力汽车、燃料电池汽车之间，是一种承前启后的，在经济和技术方面都趋于成熟的电动汽车产品4。1.3 混合动力汽车国内外研究发展现状混

8、合动力汽车通过内燃机和发动机的有机结合，具备了内燃机汽车加油方便、续使里程长和纯电动汽车污染少、效率高的特点，成为当今世界汽车界竞相开发的热点。丰田的Prius、本田的Insight、福特的Prodigy、克莱斯勒的ESX3、通用的Precept141、日产的Tino1151等都具有代表性的车型，其中Prius和Insight已是成熟的产品，并将继续扩大生产规模，其它车型也将在23年推向市场5。我国也非常重视混合动力电动汽车的研制和开发，一些单位已进行了一些初步的工作，并取得了一定的成绩，国家科技部已将其做为“十五”863 重大专项内容。1.3.1 国外发展现状从上世纪90年代以来，日本、美国

9、、欧洲各大汽车公司纷纷开始研制混合动力型汽车。丰田汽车公司是目前走在HEV最前沿的汽车公司，也是世界上最早开始进行HEV研究的汽车公司之一。早在1997年，丰田就在世界上第一个推出名为Prius（普瑞斯，意为“先驱” ）的HEV，引起全球的瞩目。与丰田Corolla大小相仿，采用汽油发动机和电动马达混合装置THS，发动机为新型汽油发动机，电池组为250个串联的镍-氢电池，电池组总质量仅为75。截止到现在，丰田Prius销售量已超过12万辆，成为全球首部产量、也是销量最大的HEV。在1999年东京国际车展上，丰田汽车公司又推出新开发的四轮驱动小型混合动力面包车。该车的油耗约为同等级小型箱式汽车的

10、二分之一，而排放仅为日本现行标准的十二分之一。是继之后的又一力作，这也充分显示了丰田在发展方面的勇气和信心。丰田公司社长澳田宣称，丰田公司所有的各型汽车均将采用混合动力技术，该公司计划到2005年，混合动力汽车达到年产30万辆，丰田的产品专家也宣称混合动力技术并非权宜之计，其技术寿命将与传统内燃机一样长。国外专家认为在未来十年内，可能有的汽车将均采用混合动力技术。美国能源部与三大汽车公司在1993年签订了混合电动汽车开发合同。其中，通用汽车公司投入了1.48亿美元，福特公司投入了1.38亿美元，克莱斯勒公司投入了8480万美元，进行为期五年的研制工作，启动下一代汽车合作伙伴（PNGV）项目，迄

11、今已开发出多种形式的混合动力电动汽车。福特公司在2000年推出了其开发的Prodigy混合动力及家庭概念车，该车采用福特的P2000LSR混合动力系统，1.2L4缸柴油发动机和镍-氢复合电池，整车质量仅1083，比当前的家用轿车轻约450，百公里耗油仅3.3升。在2002年北美国际车展上，福特又推出Escape混合动力SUV概念车，获得广泛的关注。该车为福特公司准备在2003年上市的混合动力的原型，非常省油，特别适合城市内行驶，加速性能可与装备发动机型爱仕媲美。爱仕HEV在2003年上市时，福特公司也成为第一个宣布混合动力SUV生产计划的汽车厂家。福特公司预计，在未来10年内，HEV将占汽车市

12、场的10%20%。克莱斯勒开发的ESX3、通用的Precept和Gen2等均也接近或达到百公里油耗不超过3升的目标。欧洲各大汽车厂商争先恐后的推出了本公司研制的混合动力汽车。联合对技术进行了研讨和综合评述，认为其技术成果有望使混合动力汽车的成本接近于传统汽车，混合动力汽车将是世纪初汽车产业的一场革命，只有混合动力电动汽车才能满足新世纪初对汽车的环保与节能的要求。1.3.2 国内发展现状我国在“八五”和“九五”期间，都有计划的开展了电动汽车的关键技术的攻关和整车研制，在此基础之上也进行了混合动力电动汽车的若干技术领域的开发。在电动汽车的关键技术特别是混合动力电动汽车方面，很多科研单位也进行了诸如

13、混合方式和控制策略的研究、参数匹配和性能预测的研究等前期工作，并积累了一定的技术基础。当前，我国的HEV技术正朝高度集成的方向发展，重点放在高度自动化的控制系统、电池及管理系统和多能源动力总成控制系统等方向赶超国外的先进技术水平。总的来说，我国HEV的研究和开发已经度过了探索时期，其关键技术还有待于进一步改进和创新，成本价格有待于降低，开发平台有待于重新构建。这样，才能满足替代传统燃油轿车、客车的技术和市场的要求。发展HEV生产已是整个汽车产业的一个重要组成部分，HEV正形成自己的实践和理论基础，它集机械、电力、电子、化学、计算机等各学科的最新技术于一体，是车辆电力驱动、智能控制、化学电源、计

14、算机、新能源、新材料等工程技术最新成果的继承产物。开发HEV对科学技术和国民经济发展将起巨大的带动作用，为国家带来巨大的社会和经济效益。而混合动力系统作为最适合城市的用车，其产业化已成为发展的必然趋势。1.4 混合动力汽车原理混合动力电动汽车（Hybrd Electric Vehicle,简称HEV）采用了两种动力装置（内燃机和电动机），通过储能装置（蓄电池等）和控制系统对能量的调节，实现最佳的能量分配，达到整车的低排放、低油耗和高性能。HEV融合了燃油汽车和电动汽车的优点，是最具有市场价值的低排放和低油耗汽车。混合动力电动汽车有两个动力源，当汽车爬坡或加速时，两个动力源联合输出动力，蓄电池输

15、出的电能通过电机进行助力；当汽车在下坡或制动时，发电机发电可以对再生或制动能量进行回收，以电能形式储存在蓄电池中；当汽车较长时间怠速停车时，可以通过控制发动机熄火，实现怠速启停，节省燃油。由于辅助动力的助力作用，在保证汽车相同的动力性能条件下，可以相应减小混合动力汽车发动机的功率及排量需求，减少了汽车燃油消耗；同时通过再生及制动能量的回收，以及避免汽车在油耗较高的怠速工况区运行（怠速启停），进一步减少了汽车燃油消耗；混合动力电动汽车通过控制辅助动力的功率及扭矩输出的大小，可以优化控制发动机的工作点，使整车的废气排放得到显著的改善。因此混合动力电动汽车既具有良好的动力性、经济性。也有较低的废气排

16、放水平7。1.5 混合动力汽车设计目标参照现有的一些混合动力汽车的参数以及目前所能达到的技术水平并尽可能地满足用户的要求，确定本文所设计混合动力汽车的相关参数如下（表1.1）：表1.1 混合动力电动汽车相关参数类型：混合动力电动汽车长宽高(mm)：489517401670轴距(mm)：2850轮距 前/后(mm)：1450/1430整备质量(Kg)：1390承载质量(Kg)：825油箱容积(L)：64发动机形式：四冲程、直列四缸、闭环多点电喷式发动机位置：前置汽缸数：4每缸气门数：16缸径 X 行程(mm/mm)9186排气量(ml)：2237厂方耗油(L/100Km)(90Km/h等速)：5

17、.0电池规格：镍-氢驱动方式(详细描述)：发动机前置后轮驱动驱动形式：后轮轮胎规格：205/70R14最高时速(km/h)：1352 混合动力汽车动力传动系统设计方案2.1 传动系统方案设计汽车传动系统的基本功用是将发动机发出的动力传递给驱动轮，使汽车正常行驶。传动系与发动机配合工作，保证汽车在不同工况条件下均能正常行驶，并具有良好的动力性和经济性。因此，传动系应有减速、变速、倒车、中断动力、轮间差速和轴间差速等功能。按结构和传动介质分，汽车传动系的形式有机械式、液力机械式、静液式、电力式等8。传动系的组成以及其在汽车上布置形式，取决于发动机的形式和性能、汽车总体结构形式、汽车行驶系及传动系本

18、身的结构形式等许多因素。目前广泛应用于与普通双轴汽车上的机械式传动系的组成及布置形式一般如图2.1所示。发动机纵向安置在汽车前部，并且以后轮为驱动轮。图中有标号的部分为传动系。发动机发出的动力依次经过离合器1、变速器2、由万向节3和传动轴8组成的万向传动装置，以及安装在驱动轮4的主减速器7、差速器5和半轴6传到驱动轮4。1离合器 2变速器 3万向节 4驱动桥 5差速器6半轴 7主减速器 8传动轴图2.1 机械式传动系统的组成及布置示意图混合动力电动汽车和传统汽车在传动系统上有着很大的相似之处，因此，相对纯电动汽车来说，实现起来相对简单，这也是混合动力目前兴起的原因之一。混合动力汽车的传动系统的

19、发动机、电动机、发电机、变速器、离合器、动力合成装置、传动轴、主减速器、动力电池组、驱动桥等组成。各个部分如何布置以及如何进行组合才能使传动系统更加协调的工作是本章要解决的问题。2.2 传动系统的布置形式传动系的布置形式主要取决于它与发动机在汽车上的相对位置，通常有以下几种：1.前置发动机后轮驱动简称前置后驱动或FR。这时，离合器、变速器与发动机多组合成一体（重型汽车的变速器有时单独悬置，以便于维修），并置于汽车前部，驱动桥则经悬架与车架或车箱的后部相连，在变速器与驱动桥之间装有万向节传动轴。这种布置形式使发动机通风冷却好、车箱供暖方便；传动系及变速操纵杆系的布置较简单；整车轴荷分配易于合理；

20、起步加速及爬坡时的附着性好；轮胎磨损均匀，这种布置形式用于绝大多数的载货汽车、部分客车，也常为中高级和高级轿车所采用。采用这种布置的轿车通常具有中性转向或稍有不足转向特性，方向稳定性好，同时轿车的后行李舱可布置得较宽敞。然而，汽车的轴距较长、传动轴较长或需分段并加中间支承；汽车整备质量较大；传动轴还限制了轿车地板的降低，地板上需鼓起一条传动轴通道，为此多采用下偏置双曲面齿轮的主减速器。早期的大客车多用货车底盘及发动机改装而成，延用了货车的前置后驱动布置，前置发动机也有利于冷却及方便维修，动力与传动系统的操纵机构简单等优点。但是，由于发动机罩突出地板之上，使车箱面积利用率差；车箱内噪声大，隔热、

21、隔振较困难，发动机油烟味也有可能进入车箱内而影响舒适性；轴荷分配也不够理想，前轴易过载而使转向沉重；由于前悬的尺寸受到限制而加长后悬，使汽车的离去角过小，上、下坡时容易刮地，同时也使得在前悬处不易设置乘客用车门而实行公共汽车的单人管理(驾驶员及乘务员为1人)；当轴距较长时需采用多节传动轴，易于发生共振；地板也较高、乘客上下车不方便等。鉴于上述缺点，现代大客车早以脱离货车底盘，实行专门设计的独立发展方针，而改用后置或中置发动机后轮驱动的布置形式。2.前置发动机前轮驱动简称前置前驱动或FF，这种布置型式为微型、普通级和中级轿车所广泛采用。其发动机、离合器、变速器及主减速器等连成体。省去了传动轴，使

22、传动系布置紧凑。相对于FF方案，汽车整备质量减小8%；当发动机横置时轴距可缩短10%，且主减速器齿轮可由通常的螺旋锥齿轮或双曲面齿轮改为斜齿圆柱齿轮，其节省的费用可部分抵消前驱动的等速万向节成本；只有不足转向特性和很好的方向稳定性，高速行驶的安全性好。这种布置型式近年来在中级以上的轿车上采用的也日益增多，但在易滑路面上尤其是爬坡时，由于驱动车轮的附着力较小，也会侧滑而失去操纵稳定性。后轮轴荷小，特别在空载行车制动时会引起后轮抱死而侧滑，为避免这种情况发生，应加装制动器液力调节装置或防抱死系统(ABS)，侧滑也会发生在非常有效的发功机制动时。另外，尤其当发动机横置时，其布置空间很挤，维修时的接近

23、件较差。由于后轮轴荷较小，在不使后悬过长的情况下尽量加大行李舱的空间。3.后置发动机后轮驱动简称后置后驱动或RR。这种布置形式最宜为大客车采用，以减轻前轴负荷及减少发动机的热、废气、振动和噪声对车箱的侵扰；增大车箱有效面积并在地板下布置大的行李舱或大大降低地板高度，方便乘客上、下车，但变速及供油系统需远距离操纵，发动机的通风冷却条件差，散热器布置也较困难，发动机可纵置或横置于后桥之后。这种布置过去也常见于微型和小型轿车上，这时发动机多纵置且与离合器、变速器、主减速器连成一体，而驱动车轮要配以独立悬架，轿车的轴距及整备质量与前置前驱的类同，但后轴负荷过大（约为58%），导致汽车有过度转向及不足的

24、方向稳定性，前置行李舱由于转向轮的影响，空间较小，且汽车难于变形，冬季前挡风玻璃引暖风除霜也较困难，因此，在轿车上这种布置已为前置前驱动布置形式所取代。4.中置发动机后轮驱动简称中置后轮驱动或MR。现代大客车有的采用中置卧式发动机且后轮驱动的布置方案，发动机布置在前、后轴之间的车箱地板之下，使车箱面积利用率很高，座椅布置和车身外形设计均不受发动机的限制；前门也可以布置在前轮之前，以便于公共汽车的单人管理；车厢内噪声小、传动轴短、但隔热较差，地板也难于降低，特别是发动机受到布置限制而需要专门设计时，其冷却、保温、防尘、防污和维修条件都不好，故仅适用于道路及气候条件好的地区行驶的车辆 ，发动机也要

25、求有高的可靠性。5.前置发动机全轮驱动简称前置全轮驱动，对于四轮汽车可用“4WD”表示。全轮驱动可使整车重力都成为附着力加以利用，以提高汽车的牵引力和通过性。这种驱动形式不仅为越野汽车所采用，而且自20世纪70年代末也开始用到轿车上，出现了常接合式四轮驱动轿车，以提高其对各种路面和地面的适应性、通过性和安全性。越野汽车采用的非常接合方式全轮驱动，指的是在非越野行驶时可切断对前轮的动力传递，而仅由后轮或中、后轮驱动。对于三轴和四轴越野汽车，采用贯通式驱动桥布置方案可简化结构、减少零件种类，提高零、部件的通用程度8。2.3 混合动力汽车传动系统方案的分析与选择2.3.1动力系统结构类型混合动力电动

26、汽车将原动机、电动机、能量储存装置 (蓄电池)按某种方式组合在一起，有串联式、并联式和混合式 3种布置形式，分别为：图2.2 串联式混合动力传动系统示意图1.串联式驱动系统（Series Schedule，简称SHEV）a.结构特点：串联式驱动系统的示意图见图 2.2，带动发电机发电，其电能通过电动机控制器直接输送到电动机，由电动机产生电磁力矩驱动汽车。在发动机与驱动桥之间通过电实现动力传递，因此更像是电传动汽车。电池通过控制器串接在发电机和电动机之间，其功能相当于发电机与电动机之间的“水库”，起功率平衡作用，即：当发电机的发电功率大于电动机所需的功率时(如汽车减速滑行、低速行驶或短时停车等工

27、况)，控制器控制发电机向电池充电；而当发电机发出的功率低于电动机所需的功率时(如汽车起步、加速、高速行驶、爬坡等工况)，电池则向电动机提供额外的电能。 b.性能特点：发动机功率是以汽车某一速度下稳定运行工况所需的功率选定的，当汽车运行工况变化，电动机所需的驱动功率与发动机输出功率不一致时，由控制器控制发电机向电池充电(吸收发电机富余的电能)或使电池向电动机放电(协助发电机供电)，电池充电和放电电流的大小由控制器根据电动机驱动功率的变化情况进行控制。这样的结构形式和控制方式，使串联式混合动力电动汽车具有如下性能特点： (1) 发动机工作状态不受汽车行驶工况的影响,始终在其最佳的工作区域内稳定运行

28、，因此，发动机具有良好的经济性和低的排放指标。 (2) 由于有电池进行驱动功率“调峰”，发动机的功率只需满足汽车在某一速度下稳定运行工况所需的功率，因此可选择功率较小的发动机。 (3) 发动机与驱动桥之间无机械连接，因此，对发动机的转速无任何要求，发动机的选择范围较大，比如，可选用高速燃气轮机等效率高的原动机。 (4) 发动机与电动机之间无机械连接，整车的结构布置自由度较大。 (5) 发动机的输出需全部转化为电能再变为驱动汽车的机械能，需要功率足够大的发电机和电动机。 (6) 要起到良好的发电机输出功率平衡作用，又要避免电池出现过充电或过放电，就需要较大的电池容量 (7) 发电机将机械能量转变

29、为电能、电动机将电能转变为机械能、电池的充电和放电都有能量损失，因此，发动机输出的能量利用率比较低。串联式混合动力电动汽车发动机能保持在最佳工作区域内稳定运行这一特点的优越性主要表现在低速、加速等运行工况，而在汽车中、高速行驶时，由于其电传动效率低，抵消了发动机油耗低的优点，因此，串联式混合动力电动汽车更适用于在市内低速运行的工况。在繁华的市区，汽车在起步和低速时还可以关闭发动机，只利用电池进行功率输出，使汽车达到零排放的要求。 2.并联式驱动系统（Parallel Schedule,简称PHEV）图2.3 并联式混合动力驱动系统a.结构特点：并联式驱动系统结构示意图见图 2.3，发动机通过机

30、械传动装置与驱动桥连接，电动机通过动力复合装置也与驱动桥相连，汽车可由发动机和电动机共同驱动或各自单独驱动。并联式混合动力电动汽车的结构形式更像是附加了一个电动机驱动系统的普通内燃机汽车。电动机起“调峰”作用，即：当汽车运行工况所需的功率超过了发动机的功率时，电动机从电池取得电能产生电磁力矩，并向驱动桥提供额外的驱动功率。有的并联式混合动力电动汽车也有发电机，但其主要作用是向电池充电，以保持电池的荷电状态 (SOC)，即：当电池放电较多，其 SOC的值较低时，控制器可控制发动机驱动发电机并向电池充电，使电池的 SOC恢复到设定的值，以保证混合驱动方式下的续驶里程。 b.性能特点：并联式混合动力

31、电动汽车其发动机功率也是以汽车某一速度下稳定行驶工况所需的功率选定的，当汽车在低速或变速工况行驶时，需通过加速踏板和变速器来调节发动机的功率输出 ;而在汽车高速行驶，发动机的输出功率低于汽车行驶所需功率时，由控制器控制电动机协助驱动。这样的结构形式和控制方式，使并联式混合动力电动汽车具有如下性能特点： (1)发动机通过机械传动机构直接驱动汽车，无机电能量转换损失，因此发动机输出能量的利用率相对较高，当汽车的行驶工况使发动机在其最佳的工作范围内运行时，并联式的 HEV燃油经济性比串联式的高。 (2)有电动机进行“调峰”作用，发动机的功率也可适当减小。 (3)当电动机只是作为辅助驱动系统时，功率可

32、以比较小。 (4)如果装备发电机，发电机的功率也可较小。 (5)由于有发电机补充电能，比较小的电池容量即可满足使用要求。 (6)由于并联式驱动系统的发动机运行工况要受汽车行驶工况的影响，因此在汽车行驶工况变化较多、较大时，发动机就会比较多地在其不良工况下运行，因此，发动机的排污比串联式的高。 (7)由于发动机与驱动桥之间直接机械连接，需要通过变速装置来适应汽车行驶工况的变化，此外，发动机与电动机并联驱动，还需要动力复合装置，因此，并联式驱动系统其传动机构较为复杂。并联式驱动系统最适合于汽车在中、高速稳定行驶的工况。而在其它的行驶工况，由于发动机不在其最佳的工作区域内运行，发动机的油耗和排污指标

33、不如串联式。并联式混合动力电动汽车也可实现零排放控制，在繁华的市区低速行驶时，可通过关闭发动机和使离合器分离，也可以使汽车以纯电动方式运行。但这样就需要功率足够大的电动机，所需的电池容量也相应要大。3.混联式驱动系统图2.4 混联式混合动力传动系统混联式驱动系统是串联式与并联式的综合，其结构示意图见图2.4，发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥，另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能由控制器控制，输送给电动机或电池，电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥。混联式驱动系统的控制策略是：在汽车低速行驶时，驱动系统主要以串联方式工作；当汽车高速稳定行驶时，则以并联工作方式为主

34、。混联式驱动系统的结构形式和控制方式充分发挥了串联式和并联式的优点，能够使发动机、发电机、电动机等部件进行更多的优化匹配，从而在结构上保证了在更复杂的工况下使系统工作在最优状态，因此更容易实现排放和油耗的控制目标。2.3.2并联式（PHEV）动力传动系统结构分析1. 结构模型可分为：发动机轴动力组合式（发动机、电动/发电机2大动力总成）、动力合成器动力组合式（发动机、驱动电动机2大动力总成）和驱动轮动力组合式（发动机、驱动电动机2大动力总成）三种动力组合形式10。2.驱动模式：a.发动机轴动力组合式：以发动机驱动为基本驱动模式；电动/发电机为辅助动力；电动/发电机只在发动起动，车辆加速、爬坡时

35、起辅助作用，与发动机组合成混合驱动模式；在混合驱动时，发动机与电动/发电机动力在发动机上组合。b.动力合成器动力组合式以发动机驱动为基本驱动模式；驱动电动机为辅助驱动模式，可以独立驱动PHEV；在混合驱动时， 发动机与驱动电机的动力通过动力组合器组合。c.驱动轮动力组合式以发动机为基本驱动模式，独立驱动后轮驱动轮；驱动电机为辅助驱动模式，能独立驱动前驱动轮；在混合驱动时，发动机驱动的后轮动力与驱动电动机驱动 的前论的动力进行组合，成为混合4轮驱动模式。综上所述，并联式混合动力汽车传动系统具有发动机轴动力组合式、动力合成器动力组合式和驱动轮动力组合式三种动力组合形式。其中动力合成器动力组合式应用

36、更为广泛。3.并联动力合成器动力组合式控制系统和驱动模式分析操纵系统混合动力传动系统的操纵系统仍然是加速踏板、制动踏板和变速杆等常规的操纵装置。多能源动力控制块混合动力传动系统有发动机驱动和电动发电机的两套独立的驱动系统并存，这两套独立的驱动系统，是通过动力合成器来进行动力混合并协调运动。它相当一个无级变速器，可以满足：发动机独立驱动时的传动要求；电动/发动机独立驱动的传动要求；发动机与电动/发电机混合驱动时的传动要求；汽车制动时，电动/发电机转换为发电机发电的传动要求。在任何一种传动工况时发动机与电动/发电机的运动都不会发生干扰。在混合动力驱动模式时，发动机与电动/发电机的动力经过动力合成器

37、组合，最终与传递到差速器上的转速相同。在中央控制器控制下，发动机在冷态下，动力电池组向电动/发电机提供电能。电动/发电机带动车辆起步，当车辆超过一挡速度后，立即转为发动机驱动模式驱动车辆行驶。在车辆换挡或制动时，中央控制器控制关闭发动机，用电动机驱动模式接替发动机来驱动车辆行驶。在城市中还可以独立地用电动/发电机驱动车辆行驶。发动机可以实现起动-关闭的控制模式，使得发动机始终保持低能耗、高效率的平稳运转。混合动力系统的中央控制系统，用多种集成控制模块对“自动变换的手动变速器”，进行驱动模式转换的控制。用电池管理系统对动力电池组进行管理，整车具有高度的自动化9。2.4并联动力合成器式动力驱动模式

38、1.发动机驱动模式在汽车以中高速行驶时，发动机驱动是混合动力汽车的主要驱动模式，发动机的动力通过离合器、动力合成器、传动轴、主减速器，来带动车轮行驶。2.电动/发电机驱动模式当混合动力汽车起步时，动力电池组向电动机提供电能，充分发挥电动机的低转速-大转矩的特性，在城市或低速行驶时，发动机关闭，由电动机带动车辆行驶。在换挡时，发动机的转矩中断，由驱动电动机工作来保持车辆所需要的驱动力。3.混合动力驱动模式车辆在加速或爬坡时，在发动机节气门开度最大，发出最大动力的同时，动力电池组向电动机供给电能并输出最大动力。在动力合成器的协调下，发动机和电动机以混合驱动模式共同驱动车辆行驶。4.再生制动能量反馈

39、回收发动机制动时或者以脚制动器制动时由驱动轮使电机旋转，并作为发电机进行运转。由此，运动的机械能转换为电能，并回收到混合动力汽车的车用蓄电池中，与此同时，利用发电电阻对发动机制动及脚制动的减速进行助力。这种过程称为再生制动能量反馈回收2。2.5 传动系统总体布置 混合动力电动汽车总体布置见图2.5，利用现有车辆的底盘，四缸发动机不变，位于前桥附近，加装一个动力合成器和发动机相连，一个电动机驱动系统，固定在地板下的汽车大梁处，位于副驾驶下方。电机控制器布置在汽车地板下左侧，电池和管理系统及保险盒等固定在汽车货箱下，整车控制系统装在车厢内的主驾和副驾之间。发动机7发出的动力经过离合器8到动力合成器

40、10，它和电动机发出的动力经过动力合成器合成后经过传动轴12，传到主减速器2，再经差速器传到驱动桥以驱动车轮转动。1.动力电池组2.主减速器3.控制器 4. 电流转换器 5.电动机6.发动机 7.离合器8.发电机 9.制动器 10.动力合成器 11.万向节 12.主传动轴 13.中间支承14.中间传动轴图2.5 混合动力传动系统布置图2.6发动机主要性能指标的选择混合动力电动汽车的参数：满载总质量 =2215，空载总质量（含电机、电池质量）=1390，空气阻力系数CD =0.90，迎风面积A =2.9，滚动阻力系数fr =0.02，车轮半径r =0.3215m，传动效率=0.9,无级调速速比范

41、围为：0.7985.124。 动力性能指标如下：最大车速120 km/h（纯发动机驱动）；最大车速135 km/h（混合动力驱动）；在车速为70 km/h（纯电动机驱动）；最大爬坡度imax=30%。1.发动机最大功率和相应转速根据所设计汽车应达到的最高车速，用下式估算发动机最大功率 (2.1)式中Pemax 发动机最大功率, kw；Vamax 纯发动机驱动要求汽车达到的最高速度, km/h；ma 汽车总质量，kg；CD 空气阻力系数，货车取0.801.00；g 重力加速度,；fr 滚动阻力系数，货车取0.02；A 汽车的正面投影面积, ； 传动系效率，对驱动桥用单级主减速器的42汽车可取90

42、%；按式(2.1)估算的Pemax为发动机装有全部附件时测定得到的最大有效功率，约比发动机外特性的最大功率值低12%20%。最后得到发动机的功率为72kw，在此最大功率下可选择的最高转速可取4000 r/min16。2.发动机最大转矩Temax及相应转速nT用下式计算确定Temax (2.2)式中Temax 为发动机最大转矩, Nm； 为转矩适应性系数，一般在1.11.3之间选取；Pemax 为发动机最大功率, kw；np 为最大功率转速, r/min。 将 =1.2，Pemax =75 kw，np=4000 r/min代入式(2.2)，得Temax =223.45 Nm 要求np与nT之间有

43、一定差值，如果它们很接近，将导致直接挡的最低稳定车速偏高，使汽车通过十字路口时换挡次数增多,并且上坡时的冲坡能力变坏。因此，要求npnT在1.42.0之间选取。但混合动力汽车在低速时可采取电动机驱动，故可取此比值为1.2，因此，nT = 4000/1.2 = 3400 r/min10。3 主减速器的计算3.1主减速比i0的确定对具有较大功率储备的轿车，尤其是赛车，在给定发动机最大功率Pemax及其转速np时，所选择的i0应能保证汽车有尽可能的最高速Vamax，这时i0由下式确定： （3.1）式中i0 汽车主减速器的主减速比；rr 车轮的滚动半径，m；np 为最大功率转速，r/min；Vamax

44、 纯发动机驱动要求汽车达到的最高速度， km/h；igh 汽车变速器最高挡传动比。代入数据计算得图3.1 单级主减速器3.2主减速器结构方案分析主减速器的结构形式主要是根据齿轮类型、减速器形式不同而不同。主减速器的齿轮主要有螺旋锥齿轮、双曲面齿轮、圆柱齿轮和蜗轮蜗杆等形式。3.2.1选择减速器的形式单级主减速器具有结构简单、质量及体积小、造价低等优点，因而广泛应用于主传动比汽车，由于所设计的汽车传动比为i0 =4.5，因此可采用单级主减速器。单级主减速器多采用一对弧齿锥齿轮或双曲面齿轮传动，也有采用一对圆柱齿轮传动或蜗杆传动的。如图3.1所示。3.2.2齿轮种类的选择根据所设计传动系统的结构，

45、其为交错轴传动，则可供选择的结构有螺旋锥齿轮和准双曲面齿轮（双曲面齿轮）结构。如图3.2所示。a)螺旋锥齿轮传动 b)双曲面齿轮传动图3.2 主减速器齿轮传动形式a.螺旋锥齿轮传动的特点：主、从动齿轮轴线垂直相交于一点，齿轮并不同时在全长上啮合，而是逐渐从一端连续平稳地转向另一端。由于齿轮端面重叠的影响，至少有两对以上的齿轮同时啮合，所以它工作平稳、能承受较大的负荷、制造也简单。在工作中噪声大，对啮合精度很敏感，齿轮副锥顶稍有不吻合便会使工作条件急剧变坏，并伴随磨损增大和噪声增大。为保齿轮副的正确啮合，必须将支承轴承预紧，提高支承刚度，增大壳体刚度。b.双曲面齿轮传动的特点: 当双曲面齿轮与螺

46、旋锥齿轮尺寸相同时，双曲面齿轮传动有更大的传动比；当传动比一定，从动齿轮尺寸相同时，双曲面主动齿轮比相应的螺旋锥齿轮有较大的直径，较高的齿轮强度以及较大的主动齿轮轴和轴承刚度。主动齿轮尺寸相同时，双曲面从动齿轮直径比相应的螺旋锥齿轮小，因而有较大的离地间隙；在工作过程中，双曲面齿轮副不仅存在沿齿高方向的侧向滑动，而且还有沿齿长方向的纵向滑动。纵向滑动可改善齿轮的磨合过程，使其具有更高的运转平稳性；由于存在偏移距，双曲面齿轮副使其主动齿轮的大于从动齿轮的，这样同时啮合的齿数较多，重合度较大，不仅提高了传动平稳性，而且使齿轮的弯曲强度提高约30%；双曲面齿轮传动的主动齿轮直径及螺旋角都较大，所以相

47、啮合齿轮的当量曲率半径较相应的螺旋锥齿轮为大，其结果使齿面的接触强度提高；双曲面齿轮传动的主动齿轮的变大，则不产生根切的最小齿数可减少，故可选用较少的齿数，有利于增加传动比。由于主动齿轮较大，加工时所需刀盘刀顶距较大，因而切削刃寿命较长；双曲面主动齿轮轴布置在从动齿轮中心上方，便于实现多轴驱动桥的贯通，增大传动轴的离地高度。布置在从动齿轮中心下方可降低万向传动轴的高度，有利于降低轿车车身高度，并可减小车身地板中部凸起通道的高度。但是，双曲面齿轮传动也存在如下缺点：沿齿长的纵向滑动会使摩擦损失增加，降低传动效率。双曲面齿轮副传动效率约为96%，螺旋锥齿轮副的传动效率约为99%；齿面间大的压力和摩

48、擦功，可能导致油膜破坏和齿面烧结咬死，即抗胶合能力较低。双曲面主动齿轮具有较大的轴向力，使其轴承负荷增大。双曲面齿轮传动必须采用可改善油膜强度和防刮伤添加剂的特种润滑油润滑。由于双曲面齿轮具有一系列的优点，因而 它比螺旋锥齿轮应用更广泛。一般情况下，当要求传动比大于4.5而轮廓尺寸又有限时，采用双曲面齿轮传动更合理。如果保持主动齿轮轴径不变，则双曲面从动齿轮直径比螺旋锥齿轮小。由于减速器传动比i0 = 4.5，而且双曲面齿轮有上述很多优点，故选择双曲面齿轮传动。双曲面齿轮分为弧齿双曲面齿轮和摆线双曲面齿轮，选择较简单的弧齿双曲面齿轮。3.2.3汽车驱动桥的最小离地间隙对于轿车汽车离地间隙可取在

49、120230mm之间。3.2.4主减速器主、从动锥齿轮的支承方案主减速器中必须保证主、从动齿轮具有良好的啮合状况，才能使它们很好的工作。齿轮的正确啮合，除与齿轮的加工质量、装配调整及轴承、主减速器壳体的刚度有关以外，还与齿轮的支承刚度密切相关。1.主动锥齿轮的支承a)主动锥齿轮悬臂式 b)主动锥齿轮跨置式 c)从动锥齿轮图3.4 主减速器锥齿轮的支承形式主动锥齿轮的支承形式可分为悬臂式支承和跨置式支承两种。a.悬臂式支承结构(图3.4a)的特点是在锥齿轮大端一侧采用较长的轴颈，其上安装两个圆锥滚子轴承。两轴承圆锥滚子的大端朝外，使作用在齿轮上离开锥顶的轴向力由靠近齿轮的轴承承受，而反向轴向力则

50、由另一轴承承受。为了尽可能地增加支承刚度，支承距离b应大于2.5倍的悬臂长度a，且应比齿轮节圆直径的70还大，另外靠近齿轮的轴径应不小于尺寸a。为了方便拆装，应使靠近齿轮的轴承的轴径比另一轴承的支承轴径大些。b.跨置式支承结构(图3.4b)的特点是在锥齿轮的两端均有轴承支承，这样可大大增加支承刚度，又使轴承负荷减小，齿轮啮合条件改善，因此齿轮的承载能力高于悬臂式。此外，由于齿轮大端一侧轴颈上的两个相对安装的圆锥滚子轴承之间的距离很小，可以缩短主动齿轮轴的长度，使布置更紧凑，并可减小传动轴夹角，有利于整车布置。但是跨置式支承主减速器壳体结构复杂，加工成本提高。另外，因主、从动齿轮之间的空间很小，

51、致使主动齿轮的导向轴承尺寸受到限制，有时甚至布置不下或使齿轮拆装困难。跨置式支承中的导向轴承都为圆柱滚子轴承，并且内外圈可以分离或根本不带内圈。它仅承受径向力，尺寸根据布置位置而定，是易损坏的一个轴承。本设计汽车采用主动锥齿轮悬臂式。3.2.5从动锥齿轮的支承从动锥齿轮的支承(图3.4c)，其支承刚度与轴承的形式、支承间的距离及轴承之间的分布比例有关。从动锥齿轮多用圆锥滚子轴承支承。为了增加支承刚度，两轴承的圆锥滚子大端应向内，以减小尺寸c+d。为了使从动锥齿轮背面的差速器壳体处有足够的位置设置加强肋以增强支承稳定性，c+d应不小于从动锥齿轮大端分度圆直径的70。为了使载荷能尽量均匀分配在两轴

52、承上，应尽量使尺寸c等于或大于尺寸d。为了限制从动锥齿轮因受轴向力作用而产生偏移，在从动锥齿轮的外缘背面加设辅助支承(图3.5)。辅助支承与从动锥齿轮背面之间的间隙，应保证偏移量达到允许极限时能制止从动锥齿轮继续变形。主、从动齿轮受载变形或移动的许用偏移量如（图3.6）所示12。 图3.5 从动锥齿轮辅助支承 图3.6 主、从动锥齿轮的许用偏移量3.3 主减速器齿轮设计计算3.3.1 主减速器齿轮计算载荷的确定由于汽车行驶时传动系统的载荷不稳定，因此很难准确地确定主减速器齿轮的计算载荷。通常是将发动机最大转矩Temax配以传动系有关传动部分的最低挡传动比iTL时和驱动轮打滑时作用在主减速器从动

53、齿轮上这两种情况下的转矩较小者作为载货汽车主减速器从动齿轮的计算载荷，即 （3.2） （3.3）式中k0 超载系数，一般载货汽车取k0 =1.0；汽车传动系中变速器的最低挡传动比； 传动系有关传动系部分的传动效率，可取=0.9；n 该车的驱动桥数目；G2 汽车满载时一个驱动桥给地面的最大负荷，本车为10853.5N； 轮胎对路面的附着系数，安装一般轮胎的公路用汽车取=0.85；rr 车轮的滚动半径，m；LB 所计算的主减速器从动齿轮到驱动车轮间的传动效率；iLB 所计算的主减速器从动齿轮到驱动车轮间的传动比。将数据代入式（3.2）中，=0.9， n=1得：将数据代入式（3.3）中，=0.85，

54、rr=0.3215m，LB=0.98，iLB=1.5得：3.3.2 主减速器锥齿轮主要参数的设计参考齿轮设计手册，为了啮合平稳、噪声小、具有较高的疲劳强度Z1=7，则大齿轮齿数由公式计算得Z2=Z1i0 =74.5=31.5，为了磨合均匀，主从动齿轮的齿数取Z1、Z2间应避免有公约数，所以取 Z2=32。从动锥齿轮大端分度圆直径d2和端面模数13 （3.4） （3.5）式中K 载荷系数，一般取K =1.21.8，当载荷平稳、传动精度较高、速度较低、斜齿、曲线齿以及大小齿轮皆两侧布置轴承时K取小值。如采用多缸内燃机驱动时，K 值应增大1.2倍左右。 设计齿轮的许用应力，其中为试验齿轮接触疲劳极限

55、，为接触强度的安全系数，估算时取11.2，当齿轮精度较高，计算载荷精确，设备不甚重要时，可取低值。设计齿轮的许用弯曲应力，其中为材料抗弯强度基本值，估算时取抗弯强度完全系数=1.42，对于模数较小，精度较高，设备不甚重要及计算在和较准时，取小值。复合齿形系数。根据齿数查图表得到。式中初选两齿轮材料均为20CrMnTi，硬度为HRC2945，查手册得： 取=1.2计算得 取=1.4计算得 将数据代入式（3.4）中，K=1.21.8，增大1.2倍后K=1.442.16。，得：将数据代入式（3.5）中，查手册得，Z1=7，得：取齿轮模数为，则主减速器齿轮的各主要参数为： 轴交角，齿数比，压力角，大轮

56、大端分度圆直径，小齿轮齿数，大齿轮齿数，大齿轮大端端面模数，小齿轮参考点螺旋角，小轮偏置距，大轮分度锥角初值，大轮大端锥距初值,大轮齿宽，取，齿轮精度等级为8级。3.3.3 齿轮的校核1. 单位齿长上的圆周力 按发动机最大转矩计算时p 为： （3.6）式中变速器传动比，常取一挡及直接挡的；主动齿轮节圆直径，mm。将数据代入式（3.6）计算得：按最大附着力矩计算时p 为： （3.7）式中G2 汽车满载时一个驱动桥给地面的最大负荷，N； 轮胎对路面的附着系数，安装一般轮胎的公路用汽车取=0.85；rr 车轮的滚动半径，m；将数据代入式（3.7）计算得： p 常用做估算齿轮表面耐磨性，载货汽车许用单

57、位齿长上的圆周力=893，计算所得的值有时高出该数据达20%25%。2. 齿轮的弯曲强度计算主减速器双曲面齿轮轮齿的计算弯曲应力为： （3.8）式中 计算转矩，（从动齿轮按、两者中较小者），； 超载系数，一般载货汽车、矿用汽车、越野汽车以及液力传动的各类汽车均取k0 =1.0；尺寸系数，当端面模数时，取；载荷分配系数，当两个齿轮均为跨置式支承时，；质量系数，对于驱动桥齿轮可取；、分别为计算齿轮的齿面宽、模数、齿数； 计算弯曲应力的综合系数，取；许用弯曲应力，按、两者中较小者计算时取将数据代入式（3.8）计算得：3. 轮齿的接触强度计算双曲面齿轮齿面的接触强度计算式为： （3.9）式中主动齿轮计

58、算转矩，（从动齿轮按、两者中较小者），=220.1； 材料的弹性系数，钢制齿轮副取232.6； 主动齿轮节圆直径，mm；载荷分配系数，当两个齿轮均为跨置式支承时，；质量系数，对于驱动桥齿轮可取；表面质量系数，可取；超载系数，一般载货汽车、矿用汽车、越野汽车以及液力传动的各类汽车均取k0 =1.0；尺寸系数，取；F 从动齿轮的齿面宽，mm； 计算弯曲应力的综合系数，取；许用接触应力，按、两者中较小者计算时取将数据代入式（3.9）计算得：经过校核，主减速器的齿轮满足强度要求。4 差速器的选择根据汽车行驶运动学的要求和实际的车轮、道路以及它们之间的相互关系表明：汽车在行驶过程中左右车轮在同一时间内所

59、滚过的行程往往是有差别的。例如，转弯时外侧车轮的行程总要比内侧的长。另外，即使汽车作直线行驶，也会由于左右车轮在同一时间内所滚过的路面垂向波形的不同，或由于左右车轮轮胎气压、轮胎负荷、胎面磨损程度的不同以及制造误差等因素引起左右车轮外径不同或滚动半径不相等而要求车轮行程不等。在左右车轮行程不等的情况下，如果采用一根整体的驱动车轮轴将动力传给左右车轮，则会由于左右驱动车轮的转速虽相等面行程却又不同的这一运动学上的矛盾，引起某一驱动车轮产生滑转或滑移。这不仅会使轮胎过早磨损、无益地消耗功率和燃料及使驱动车轮轴超载等，还会因为不能按所要求的瞬时中心转向而使操纵性变坏。此外，由于车轮与路面间尤其在转弯

60、时有大的滑转或滑移，易使汽车在转向时失去抗侧滑能力而使稳定性变坏。为了消除由于左右车轮在运动学上的不协调而产生的这些弊病，汽车左右驱动轮间都装有差速器，后者保证了汽车驱动桥两倒车轮在行程不等时具有以不同速度旋转的特性，从而满足了汽车行驶运动学的要求。差速器的布置位置如图4.1。图4.1 差速器的布置位置汽车上广泛采用的差速器结构形式有多种，最常见的是普通对称式圆锥行星齿轮差速器，此外还有高摩擦式、自由轮式等自锁式防滑差速器。普通对称锥齿轮式差速器，具有结构简单、质量较小、工作平稳可靠等优点，故广泛应用在一般条件下的汽车驱动桥中。普通锥齿轮差速器的锁止系数一般为0.050.15，两半轴的转矩比为

61、1.111.35，故可近似地看成转矩平均地分配给左右驱动车轮，这对在良好路面上行驶的汽车来说是适当的。由于所设计的汽车为混合动力汽车，一般行驶在城市公路上，路况较好，故选用普通对称式锥齿轮差速器比较合适。差速器结构示意图如4.2。图4.2 差速器结构示意图4.1差速器的基本参数选择与设计计算4.1.1差速器齿轮的基本参数选择1. 行星齿轮数目的选择一般情况，载货汽车的行星齿轮数目。2. 行星齿轮球面半径的确定差速器的尺寸通常决定于，它就是行星齿轮的安装尺寸，可根据经验公式确定。 （4.1）式中行星齿轮球面半径系数，（有4个行星的轿车和公路用货车取小值）；计算转矩（取、中的就较小值），。将数据代入式（4.1）计算得：3. 确定后，即可根据下式预选其节锥距：4. 行星齿轮与半轴齿轮齿数的选择为了得到较大模数，以使齿轮有较高强度，行星齿轮的齿数应尽量减少，但一般不少于10。半轴齿数取1425；半轴齿轮与行星齿轮的齿树比多在1.52范围内；左、右两半轴齿轮的齿数和必须能被行星齿轮的数目所整除，否则将不能安装。选取行星齿轮轴的齿轮齿数为：， 。5. 齿轮节锥角、模数和节圆直径的初步确定行星齿轮和半轴的节锥角、计算式为： （4.2）式中、分别为