基于K―H―V齿轮机构的混联式汽车结构分析与仿真

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在串联、并联和混联3种不同的混合动力汽车结构中，混联式结构最复杂，但工作模式多、具有串联式和并联式的优点，节油效果也最为理想。目前市场上比较成熟的混合动力汽车有丰田的 Pfius、本田的 Insight和福作者简介：陈辛波 1962年生，教授，博士生导师。研究方向为汽车传动技术、电动汽车、汽车底盘相关技术。

舒 涛 1989年生，硕 士研究生。研究方向为汽车传动技术、电动汽车、汽车底盘相关技 术。

36 机电-体化 l 2013.5特的Escape等。丰田的Prius车型是典型的混联式混合动力汽车，其在市面上已得到大规模的推广，Prius中关键的动力分配机构--THs(Toyota hybrid system)机构能很好耦合各动力源的动力，在保证车辆动力性同时提高燃油经济性，但其已受到严格的专利保护。根据当前汽车节能技术的发展需求，为突破混合动力汽车相关专利的制约，作者提出了-种基于 K-H-V齿轮机构的新型混合动力传动系统 。本文将在此基础上对 K～H-V齿轮机构进行分析，并选择出-种合适的动力系统布置方案，在此基础上通过仿真来验证该机构的可行性，为进-步优化设计提供-些有参考价值的理论依据。

1 K-H-V齿轮传动机构K-H-V齿轮机构是-种特殊的周转轮系，由渐开线内齿轮 1、行星轮2、系杆 H及等角速输出机构 V组成。行星轮 2作平面运动，输出机构 V将行星轮 2的平面运动变为定轴转动 。如图1所示。

图 1 K-H-V齿轮机构示意 图等速输出机构 V采用如图2所示的销轴式输出机构。销盘上均布的4个圆柱销插入行星轮中对应的圆孔中，行星轮上均布的圆孔中心圆和销轴中心圆的直径均为d，行星轮中心和销盘中心偏距为e，圆孔直径为d。，销轴直径为 。在侧视图中，0 、0 、0，、0 分别代表销盘中心、行星轮中心、圆孔中心、销轴中心。有如下关系：dl-d22e； (1)d：20203201 04。 (2)当行星轮带动销盘运动时，可等效于 0。0：0 0 平行四边形的运动，0。0 与 0：0，的角速度相等，从而实现了将行星轮的平面运动等速输出成定轴转动心 。

Research.Development l脚霹-嘲 ，JIl1图 2 孔销式输出机构结构示意图K-H-V齿轮机构各部件的转速关系为转矩关系为1 HTv0； (4)T1∞l COHTv∞v0。 (5)式中， 为内齿轮 1上的转矩； 为系杆 H上的转矩；为等速输出机构 V上的转矩；∞ 为内齿轮 1的转速；03 为行星轮2的转速；CO 为系杆 H的转速卸 为等速输出机构 V的转速；z.为内齿轮 1的齿数；z：为行星轮 2的齿数。

2 动力系统布置方案本文设计的混联式混合动力传动系统有3个动力源，分别是发动机、驱动电机、发电机♂合 K-H-V齿轮机构，可得到 6种可能的动力系统方案，如图 3所示。

根据前述 K-H-V齿轮机构各构件的转速转矩关系可以得到关系式Tj1： ：- 。 (6)Z1 - z2 Z1 - Z2在本论文设计的动力传动系统中，因2 >z。>z2，故得>1。 (7)2013.5 J机电-体化 37去基于 K-H-V齿轮机构的混联式汽车结构分析与仿真- - r- 矿-- - 上- l-- - 匦 囤 圃j- 上e方粟5 f方案6图3 几种可能的混联式混合动力系统方案IT f>iT I>lT Io (8)即作用在内齿轮上的转矩分别由作用在系杆和行星轮上的转矩平衡。从降低驱动电机和发电机转矩容量、减小部件尺寸和质量的角度考虑，应使发动机输出的动力传递到内齿轮上〖虑在图3c的方案 3和图 3d的方案4中选择合理的动力系统布置方案。驱动电机在传动系统提供的功率，主要是弥补车辆实际需求功率与发动机输出功率之差，保证车辆的动力性。发电机在传动系统中主要是调节发动机转速，使发动机转速与车速解耦，以经济工作点运行。在具体的结构中，驱动电机的输出轴通过减速装置连接到车辆传动系的传动轴上，这样便要求发动机能将旧能大的转矩输出到驱动电机所在的输出轴上，可以选择较小的驱动电机；同时，将发电机和发动机尽量布置在-起也更符合空间布置的要求。综合以上各因素，方案 3更好，所选的驱动电机、发电机都较屑虑适当的减速增矩38 机电-体化 l 2013.5要求，在动力源的动力传递路线中设置适当的减速装置，得到如图4所示的混合动力系统结构方案。

图4 基于 K-I-I-V机构的动力系统结构示意图3 动力系统参数匹配基于某型轿车基本参数：满载质量1 760 kg，迎风面积2.082 m ，风阻系数 0.28，空气 1.22 kg/m ，滚动摩擦系数0.015，车轮半径0.308 m，主减速器传动比4.4；同时选取与发动机连接的减速装置的减速比为 2，与驱动电机连接的减速装置的减速比为2，与发电机连接的减速装置的减速比为 1，K-H-V齿轮机构中内齿圈齿数 25，行星轮齿数 15。

其性能目标为：(1)百公里加速时间18 s；(2)最高车速 150km/h；(3)爬坡度 30%(30 km/h)；(4)巡航车速 40 km/h。动力系统参数匹配采用 的是欧洲NEDC循环工况。

3.1 动力系统总功率混合动力汽车的动力性能主要是要满足最高动力性的指标要求，即最高车速 (km/h)、爬坡性能 i(%)和加速性能 T(s)(0～100 km/h)，所需求功率分别为P。、P 、P，。有 /'/'m a0x/m )； (9) ( m in 而CDAuP，x2 3 607/mgfcos )； 瓦(10) (mg/ 8m6d uu )式中，m为整车质量 为滚动阻力系数；C。为空气阻力系数；A为迎风面积；为车速；叩为传动系统效率；a为坡道角度； 为旋转质量换算系数；g为重力加速度；T为加速时间。

根据上述动力性的指标计算最大功率，动力源总功率P。，- 。 要同时满足上述要求，因此有P Il- 。

>max(P1，P 。 2，P 3)。 (12)在满足上述功率需求的基础上，考虑发动机带动附件和摩擦消耗以及预留-定的后备功率，-般在上述最大值的基础上增加 10%-20%的功率需求。

3.2 发动机 匹配对发动机、驱动电机和发电机进行参数匹配，是基于发动机提供车辆行驶工况下的稳态功率，电机提供峰值功率，以满足大加速和爬坡时的动力需求。发动机功率匹配考虑稳态功率，主要是巡航车速的功率需求 P 爬坡性的功率需求 P 和循环工况的平均功率需求P。，。

发动机功率满足P ≥max(P。l，P。2，P。3)。 (13)3.3 驱动 电机 匹配驱动电机的参数匹配主要是考虑加速峰值功率要求 P 。、制动时能回收最大能量P ：和转速n的要求。

尸m≥[Pmt ( 2n；) ]； (14)n n//3。 (15)式中， 为驱动电机基速对应的车速；tf为加速后的速度；为加速时间；n ，为驱动电机额定转速；n 为驱动电机最高转速； 为驱动电机恒功率系数。

3.4 发 电机 匹配发电机的参数匹配主要是要满足发动机任意转速下的转矩要求 和 3个动力源功率之和应大于最大驱动功率，使发动机能尽量工作在经济工作 区域内。

其中I l≥k lTeli。； (16)P PgP >Pcyc I。 (17)式中， 为发动机最大转矩；k为发动机转矩传递至发电机的传动比； 为发动机连接的减速装置的传动比；P 为驱动电机功率；P。为发动机功率；P 为发电机Research.Development l功率；P-- 为循环工况下的最大驱动功率。

3.5 蓄电池匹配蓄电池的参数匹配考虑电池功率、电池电压和电池个数。首先，要能给驱动电机提供电能，同时储存制动回收能量，有Pb P- /(r/DCAC叩h)。 (18)蓄电池选镍氢电池，-般单体镍氢电池的电压为1.2 V，电池个数nb。 。 ≥Pb /Pb 。 ； (19)蓄电池电压Ub 1.2nb 。 。 (20)式中，P 为驱动电机的最大功率；叼Dc- 为逆变器的效率；叼 为电池的充放电效率；P 为单体电池最大理论计算功率；户 。 为电池功率；nbatery为单体电池个数；U。 为蓄电池电压。

表1 动力系统部件参数表4 整车仿真计算基于 Advisor仿真软件，根据前述 K-H-V齿轮机构的运动学和力学特性建立其模型，其他动力部件采用Advisor中的模型，同时对 Advisor中的控制拈做相应的更改。

2013.5 I机电-体化 39基于 K-H-V齿轮机构的混联式汽车结构分析与仿真仿真过程中采用基于规则的控制策略，控制策略主要依据车速、SOC值和需求功率的信号值∩表示为：(1)当SOC水平较高且车速小于发动机启动转速，或者 SOC水平较高、车速大于发动机启动转速且需求功率小于发动机最小功率时，由驱动电机单独驱动车辆行驶；(2)当SOC水平较高，车速大于发动机启动转速且需求功率在发动机最小功率和发动机最大功率之间时，根据需求功率和发动机经济工作点的功率确定发动机以经济功率曲线还是最大功率曲线驱动，发电机调节发动机转速；(3)当SOC水平较高，车速大于发动机启动转速且需求功率大于发动机相应转速能提供的最大功率时，发动机和驱动电机联合驱动，发电机调节发动机转速；(4)当SOC水平较低且车速小于发动机启动转速，或者 SOC水平较低、车速大于发动机启动转速且需求功率小于发动机最小功率时，发动机工作在最小功率曲线上，发电机发电给蓄电池充电；(5)当SOC水平较低，车速大于发动机启动转速且需求功率在发动机最小功率和发动机最优功率曲线之间时，发动机以经济工作带点驱动车辆，发电机发电给蓄电池充电；(6)当SOC水平较低，车速大于发动机启动转速且需求功率大于发动机最优功率曲线时，发动机以最大功率曲线工作，发电机发电给蓄电池充电；(7)当车辆制动时，根据车速的不同，确定机械制动和再回收制动的不同比例，共同提供车辆的制动力。

运行仿真计算，得到该混联式混合动力汽车在NEDC工况下的车速曲线如图5所示。车辆仿真的实际运行速度与工况的参考车速基本吻合。

发动机的工作点分布如图6所示∩以看出，大部分点运行在较经济的区域内，符合设定的控制策略。

动力系统其他各动力部件的工作曲线如图7～9所示。发电机和驱动电机的转矩、转速和功率都在相应的正常范围内，蓄电池的SOC值也在 0.45～0.75的稳定范围内。

40 机电-体化 I 2013.5图 5 车速 曲线图 6 发动机工作点分布囊 ： 圊 嘉 蘸 二 而 -篇E 王至 工! .：：时间/s圈7 发电机转矩、转速、功率曲线同时，可得百公里燃油消耗 6.17 L，0～100 km/h加速时间16 s。而 Advisor中的 Prius车在相同质量下的仿真结果为百公里燃油消耗5.8 L，0～100 km/h加速时间20 s，这与轮胎半径、迎风面积、匹配的动力元件等参数的不同有关。

这样，通过上述分析与仿真，验证了本文提出的K-H-V齿轮传动混合动力系统方案的可行性，为进- 步的设计和研究提供了理论依据。

(下转第 80页)基于 PLC的架车机电气控制系统设计图 6 架车机操作界面3 结束语通过在机务段的实际使用，表明该型架车机的使用性能完全满足机车检修与组装的使用需求 ；其稳定的性能、可靠的精度、友好的操作极大方便了操作人员的使用，降低了劳动成本，提高了工作效率，具有-定的推广意义。