學校名稱

長沙理工大學

學生姓名

學  號

專      業(yè)

性 別

入 學 年 份

李昊軒

201521030412

機電一體化

男

2015年

何恒健

201521030432

機電一體化

  男

2015年

謝聰

201521030427

  機電一體化

  男

2015年

指導教師

劉志強

職稱

副教授

陳建兵

職稱

助理工程師

項目所屬

一級學科

機械工程

項目科類(理科/文科)

理科

學生曾經(jīng)參與科研的情況

本團隊成員均參加 全國大學生機械創(chuàng)新大賽（進行中）

湖南省工程模型大賽（三等獎）

   謝聰：第十屆全國大學生節(jié)能減排科學競賽國家二等獎

指導教師承擔科研課題情況

（1） 國家自然科學基金面上項目“分布式驅(qū)動電動汽車動力學仿真軟件集成開發(fā)與應用”，主持，2016-2019。

（2） 交通部基礎應用研究項目“基于能量回收效率與制動安全的純電動汽車電液復合再生制動機理研究”，主持，2013-2015。

項目研究和實驗的目的、內(nèi)容和要解決的主要問題

Ⅰ、課題研究的目的

全球化石能源的逐漸匱乏，自然環(huán)境的不斷惡化越來越受到人們的關注。而對其影響最大的就是汽車產(chǎn)業(yè)，傳統(tǒng)的車輛對石油的巨大依賴，排放也對大氣造成污染，為此，發(fā)展低油耗，低排放的混合動力汽車刻不容緩?；旌想妱悠嚰婢邇?nèi)燃機汽車和純電動汽車的優(yōu)點，現(xiàn)有的很多家汽車生產(chǎn)商都積極發(fā)展混合動力汽車，也正說明了混合動力汽車將會是不久未來的主流趨勢。

目前世界各國研究開發(fā)的混合動力電動汽車，根據(jù)其驅(qū)動系統(tǒng)的配置和組合方式不同可分為3種方式：并聯(lián)式（Parallel Hybrid）、串聯(lián)式（Series Hybrid）、混聯(lián)式（Series-parallel Hybrid）。其中混聯(lián)式效率較高，可使發(fā)動機在大部分轉速下工作在高效區(qū)，且可實現(xiàn)多種控制策略，能夠適應多種不同工況循環(huán)。

我們的目的是找到一種合適的機構，使發(fā)電機和發(fā)動機能夠以一種最合適的方式運行以降低油耗和排放。設計制造能滿足混聯(lián)式混合動力電動客車的縮小比例的五桿行星輪系動力耦合傳動系統(tǒng)。

Ⅱ、項目內(nèi)容

設計制造縮小比例的五桿行星輪系動力耦合傳動系統(tǒng)要實現(xiàn)的模式：

(1).發(fā)動機啟停模式 (2).純電動模式 (3).發(fā)動機與電動機聯(lián)合驅(qū)動模式 (4).發(fā)動機單獨驅(qū)動模式 (5).再生制動模式

經(jīng)過方案的設計與優(yōu)選，我們確定了耦合傳動系統(tǒng)的結構簡圖如圖1.1所示。

圖1.1

經(jīng)過轉化我們得到耦合傳動系統(tǒng)的原理圖如圖1.2所示。

圖1.2原理圖

該耦合傳動系統(tǒng)在不同工況下的原理描述：

2.1 啟動工況

（1）過程描述：

點火鑰匙打到start擋，MG1立即帶動動發(fā)動機到1000轉左右，并開始點火噴油，直至發(fā)動機水溫(ECT)和氧傳感器達到工作狀態(tài)。同時比對預設的SOC值，如果檢測到SOC低于其設定的目標值，發(fā)動機就會給蓄電池充電，同時也提高了發(fā)動機的負荷；否則，發(fā)動機停止運轉。

（2）工作狀態(tài)：

蓄電池驅(qū)動MG1作電動機，帶動太陽輪1正向轉動（定義順時針為正，以下同），行星架同行星輪由一個轉動副連接，車不動，太陽輪2不動，行星輪自轉不動，MG2不動。因此太陽輪1可以帶動行星架，進而帶動發(fā)動機啟動。

（3）能量流動：

發(fā)動機起動后，SOC較低時對蓄電池充電；SOC較高時，停止充電，并且關閉發(fā)動機。

2.2 起步工況

（1）過程描述：

起步時，視車況及起步要求分兩種情況：

1當發(fā)動機已熱且SOC高時，發(fā)動機無需起動而直接由動力蓄電池驅(qū)動MG2運行，即純電動模式運行。

2起步加速度要求較大時，輕踏油門，負荷加大，發(fā)動機轉速提高，但不會太高，因為此時車速很低，轉速過高，MG1就會過速。此時，MG2處于低速高扭矩區(qū)，提供大部分起步扭矩。

（2）工作狀態(tài)：

發(fā)動機提供主要的動力，拖動行星架轉動，同時帶動太陽輪1和太陽輪2。太陽輪1帶動MG1為發(fā)電機給電池充電，行星輪再將動力傳給太陽輪2輸出。MG2為電動機，提供起動扭矩。其中，發(fā)動機扭矩的70%分配到行星輪上再經(jīng)太陽輪2傳遞到車輪，30%分配到太陽輪1上并驅(qū)動MG1發(fā)電，而大部分的起動扭矩來自MG2。

2.3 加速和爬坡工況

（1）過程描述：

在一定車速節(jié)氣門開度下，車輛進行加速或爬坡，電控單元會根據(jù)已有的控制策略，計算當前實際車況功率需求和蓄電池SOC，如果隨著加速踏板的深度加深，發(fā)動機提高轉速增大負荷，則單獨由發(fā)動機工作；當發(fā)動機單獨工作不能滿足功率要求時，由動力蓄電池給電機供電，輸出輔助功率。

（2）工作狀態(tài)：

行星架和太陽輪2都作正向轉動，MG1作發(fā)電機，MG2作電動機。當車速上升，MG2的轉速也上升；發(fā)動機轉速上升到一定值，MG1轉速就會下降直至反轉到其極限轉速。行星齒輪無級變速結構，加速時車速提高，通過MG1轉速下降到零并開始反轉來使車速繼續(xù)提高，而發(fā)動機的轉速可以穩(wěn)定在高效區(qū)，因而實現(xiàn)無極變速（CVT）。

2.4 巡航工況

（1）過程描述：

1正常SOC范圍內(nèi)，車輛低負荷狀態(tài)，發(fā)動機一邊驅(qū)動車輛，一邊驅(qū)動MG1發(fā)電，給蓄電池充電。

2正常SOC范圍內(nèi)，車輛高負荷狀態(tài)，發(fā)動機一邊驅(qū)動車輛，一邊驅(qū)動MG1發(fā)電，同時一部分電能用于驅(qū)動MG2。

3SOC較高，車輛高負荷狀態(tài)，發(fā)動機一邊驅(qū)動汽車，一邊驅(qū)動MG1發(fā)電，并把所有的電能用于驅(qū)動MG2，以滿足功率要求。

4正常SOC范圍內(nèi)，車輛全負荷運行時，蓄電池同時給MG1、 MG2供電，滿足峰值功率需求。

（2）工作狀態(tài)：

此時太陽輪1可能正轉也可能反轉，根據(jù)具體車速確定，行星架和太陽輪2正向轉動，MG1作發(fā)電機，MG2作電動機，全負荷運行時MG1也作為電動機。

（3）能量流動：

MG1發(fā)電經(jīng)過逆變器轉換后給蓄電池充電，同時蓄電池給MG2提供電能，MG2輸出功率和發(fā)動機分配到太陽輪2的功率一起輸出到車輪。

2.5 滑行工況

（1）過程描述：

車速一定，松開油門，即進入了滑行模式。由于存在滾阻和空阻，車速逐漸下降。傳統(tǒng)汽車的發(fā)動機此時仍然通過傳動系與車輪相連，拖著發(fā)動機繼續(xù)運轉，即發(fā)動機制動(Engine Braking)。此時MG2為發(fā)電機并為蓄電池充電，通過MG2產(chǎn)生的拖拽力來模仿發(fā)動機制動。

（2）工作狀態(tài)：

太陽輪2轉動，帶動MG2作發(fā)電機，行星架正向轉動或靜止，太陽輪1反向轉動，MG1也發(fā)電。高速滑行時，如果發(fā)動機停轉，行星架靜止將會導致MG1過速，所以將MG1設計成發(fā)電機給蓄電池充電，并使行星架正向轉動。

（3）能量流動：

1高車速時，為了MG1不過速，發(fā)動機需要正向運轉，MG2模擬發(fā)動機制動發(fā)電給電池充電，MG1反轉發(fā)電給電池充電。

2低車速時，MG1不會過速，發(fā)動機可以停轉，MG2模擬發(fā)動機制動發(fā)電給電池充電，MG1也可以充電。

2.6 制動工況

制動工況與滑行工況類似，不同的是滑行時僅由電動機和發(fā)動機提供制動力，而在制動工況下，為了達到理想制動力曲線，需要前后輪的液壓系統(tǒng)提供額外的制動力補足僅由電動機和發(fā)動機產(chǎn)生的制動力。理想制動力曲線如圖1.3所示。

圖1.3理想制動力曲線

2.7 低速純電動工況

（1）過程描述：

車速較低且SOC較高時，發(fā)動機無需起動，動力蓄電池提供能量，由電機驅(qū)動車輛運行。

（2）工作模式：

太陽輪1反轉，行星架不動，太陽輪2正向轉動。MG1反轉，MG2為電動機驅(qū)動車輛。

2.8 倒車工況

（1）過程描述：

倒車時關閉發(fā)動機，采用純電動模式。

（2）工作模式：

太陽輪1正向轉動，行星架不動，太陽輪2反向轉動。MG1自由轉動，MG2作電動機。

要完成上述原理的要求，我們需要按如下幾個步驟完成：

1.五桿行星輪系齒輪設計

（1）選取行星齒輪減速器的傳動類型和傳動簡圖

（2）行星齒輪傳動的配齒計算

1.傳動比條件2.鄰接條件3.同心條件4.安裝條件

（3）行星齒輪傳動主要參數(shù)初算

1.通過齒面接觸強度算小齒輪分度圓直徑2.按齒根彎曲強度初算齒輪模數(shù)

(4)齒面接觸強度校核計算

1.齒面接觸應力2.許用接觸應力3.強度條件4.有關系數(shù)和接觸疲勞極限

(5)齒根彎曲強度的校核計算

1.齒根應力2.許用齒根應力3.強度條件4.有關系數(shù)和彎曲疲勞強度5.齒輪計算結果

2.五桿行星輪系軸設計

（1）輸入軸上的功率P，轉速n和轉矩T(2)軸上零件的定位方案(3)各個軸段的直徑和長度的確定(4)提高軸的強度的方法(5)軸的結構工藝性

3.制造裝配

Ⅲ、要解決的主要問題

（1）讓來自不同動力源的動力單獨輸出驅(qū)動HEV，或讓多個動力共同輸出驅(qū)動HEV，使彼此之間不發(fā)生干涉，提高傳動效率。

（2）設計出最適合本課題的五桿行星輪系類型。

（3）由于是傳動系，齒輪和軸等零件的強度和剛度都有一定要求，需要找出具有合適力學性能且經(jīng)濟效率的傳動系。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)

Ⅰ、動力耦合裝置的研究現(xiàn)狀

動力耦合裝置實現(xiàn)對不同動力源的整合輸出有三種可選的合成方式，即:轉矩合成模式、轉速合成模式和功率合成模式。其中功率合成模式可以自動適應轉速，而且在動力切換的同時不產(chǎn)生明顯的沖擊，所以更具有優(yōu)越性而被廣泛使用。利用功率合成模式制造出的混合動力汽車，混合動力的工程機械，以及多源動力的軍用機械都有很好的應用。混合動力電動汽車動力耦合裝置按其布置形式的不同可分為分散耦合和集中耦合兩大類。其中分散耦合，是說混合動力電動汽車上的發(fā)動機和電動機都有各自的傳動線路，兩者不干涉，分別將自己的動力通過獨立的線路傳給汽車的驅(qū)動輪。分散耦合根據(jù)其結構不同還可以細分為兩種模式，中置電機式和輪轂電機式，如圖2.1所示。中置電機式需要特定的差速器和與之匹配的驅(qū)動橋才能實現(xiàn)功能，相對結構復雜成本高，不利于使用；而輪轂電機的結構較為使用，但是受制于輪轂電機的設計生產(chǎn)，由于車用輪轂電機沒有完全推廣，它的應用也比較少。

(a)中置電機式       (b)輪轂電機式

E—發(fā)動機;M—電動機;B—蓄電池

圖2.1 分散耦合模式

集中耦合方案根據(jù)結構形式的不同也可以分為兩種模式，即軸耦合式和耦合器耦合式，如圖2.2所示。軸耦合式結構其實是比較復雜的，因為在發(fā)動機和電動機之間的結構比較復雜，除了必須的離合器和變速器，還需一個實現(xiàn)單向離合的單向離合器，在純電動工況的時候，可以讓電動機獨立成為一個單獨的系統(tǒng)。軸耦合式有個不足，就是電動機和發(fā)動機都有動力輸出的時候很難實現(xiàn)傳統(tǒng)的變速操控，必須要使用自動變速器或無級變速器。

(a)軸耦合式       (b)耦合器耦合式

E—發(fā)動機;M—電動機;B—蓄電池

圖2.2 集中耦合模式

上述的四種動力耦合方式各有特點，其中分散耦合方案中的輪轂電機方式雖然受制于輪轂電機的發(fā)展，沒有得到很好的應用，但是隨著以后大功率車用輪轂電機技術的發(fā)展，輪轂電機驅(qū)動將會憑借它的諸多優(yōu)點成為主流趨勢?，F(xiàn)在的耦合器耦合模式技術較為成熟，所以在混聯(lián)式和并聯(lián)式的混合動力汽車中有較多的應用。

豐田汽車汽車公司很早就對HEV，即混合動力汽車有了深入的研究，早在1997年的時候，豐田就推出了第一款混合動力汽車pruis（普銳斯），到2005年的時候又推出了2006款的pruis（普銳斯），這款車型搭載了最新的第三代機電混合動力系統(tǒng)，仍然是THS混聯(lián)結構。通過精密的行星齒輪變速機構對發(fā)動機和電動機輸出的功率進行分配，從而使發(fā)動機的負荷分配更為平衡合理，結構如圖2.3所示。此結構中，發(fā)動機將動力輸出到行星架，通過行星輪將動力傳給太陽輪和外齒圈。齒圈和一個電動機和最終的輸出軸相連，而太陽輪連接著一個發(fā)電機。通過行星輪系的分配，大部分的動力直接經(jīng)齒圈傳遞到輸出軸，小部分的動力傳遞給太陽輪，供發(fā)電機的發(fā)電使用。發(fā)電機發(fā)出的電能根據(jù)不同的工況用于給蓄電池充電或者給電動機驅(qū)動。而且調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉速可以控制發(fā)動機的轉速，使其一直處于高效率的工況，也可以實現(xiàn)無級變速。

圖2.3 THS混合動力系傳動示意圖

在2005年的底特律車展上，戴姆勒·克萊斯勒公司展出了一款搭載V8柴油發(fā)動機和最新混合動力驅(qū)動的S級奔馳車，它的混合動力耦合系統(tǒng)由兩臺電動機和一個7檔自動變速器組成，如圖2.4，它在發(fā)動機和變速器中間布置了兩臺電動機和離合器。在啟動工況時，靠近發(fā)動機的電動機負責發(fā)電，而靠近變速器的電動機負責驅(qū)動車輛。在慢慢加速的時候可以和離合器聯(lián)動，這樣可以實現(xiàn)平穩(wěn)行駛，符合高級轎車的性能特點。車輛總體設計緊湊，優(yōu)雅而大氣。

圖2.4奔馳雙模式混合動力系統(tǒng)

Ⅱ、發(fā)展動態(tài)

國內(nèi)外對于動力耦合裝置的研究主要集中在混合動力汽車方面。Yang 等對混合動力汽車雙電機用行星輪系動力耦合功率分流系統(tǒng)進行了理論和仿真研究，論證了該動力耦合裝置適用于雙模驅(qū)動系統(tǒng)中。KIM 等根據(jù) 4節(jié)點杠桿模型原理，對混合動力汽車用動力耦合裝置從傳動比和傳動效率方面對匯流、分流和混流系統(tǒng)進行了理論分析和比較，設計了 2 種匯流和混流式雙模驅(qū)動系統(tǒng)理論模型。HAN 等將混合動力驅(qū)動系統(tǒng)應用到貨車上，利用 advisor 軟件分別建立了傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)、串聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng)和并聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng)，通過配置不同的電機，對各種驅(qū)動系統(tǒng)進行了經(jīng)濟性和加速特性比較以及循環(huán)工況損失路程比較。^[2]日本豐田公司研發(fā)的混聯(lián)式動力耦合裝置THS，成功應用在prius車上，并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。高建平等對混合動力汽車動力耦合裝置從機電耦合角度進行分類和分析，比較了各類耦合器的優(yōu)劣。崔星和項昌樂對混合動力汽車用單行星排機電混合無級變速動力耦合器裝置的分匯流系統(tǒng)進行了研究，并從使用性能角度對該裝置各工作模式的結構進行了優(yōu)化選擇。朱福堂等對應用于動力耦合裝置的行星齒輪機構進行了方案設計及優(yōu)選，并提出了評價指標和評價方法。何耀華等分別設計了各自的功率分流耦合機構，并對其工作特性進行了分析。

HEV包含多個互相藕合的動力源，應根據(jù)車輛的具體結構和使用情況采用不同的布置方案。串聯(lián)式和并聯(lián)式HEV都有各自的優(yōu)缺點，混聯(lián)方式是相對比較完善的一種混合動力系統(tǒng)，它能較好地將燃油汽車與電動汽車的優(yōu)點有機統(tǒng)一起來，(電動機效率高、噪聲低、無污染，發(fā)動機總在最高效率下工作，具有很好的燃油經(jīng)濟性、加速性和平穩(wěn)性)，能夠有效地彌補串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動力汽車的不足。所以今后開發(fā)的新型混合動力系統(tǒng)應綜合串聯(lián)和并聯(lián)結構的優(yōu)點，使之在一種結構上得到體現(xiàn)，現(xiàn)在許多的企業(yè)和科研單位逐漸將混聯(lián)式混合動力電動汽車列為開發(fā)重點。

目前，混合動力汽車動力系統(tǒng)包含3種型式:具有怠速關機、快速啟動功能的輕混合;具有快速啟動、電動助力功能的中混合;以混聯(lián)式為特征的重混合。隨著電功率比例的逐步提高，混合程度不斷增強，混合動力系統(tǒng)最終將實現(xiàn)全混合。

為使整車結構更緊湊，性能更優(yōu)、更可靠，便于控制和有效降低成本，混合動力系統(tǒng)已從離散結構向發(fā)動機、電機和變速器模塊化和一體化方向發(fā)展，即集成化混合動力總成系統(tǒng)，采用模塊化設計思想進行動力耦合系統(tǒng)的集成化設計和綜合管理控制，以實現(xiàn)整車總體.設計和模塊化設計，是今后動力耦合系統(tǒng)的發(fā)展方向。

此外，采用CVT或AMT也成為混合動力系統(tǒng)發(fā)展的一個方向。由CVT來選擇發(fā)動機的高效工作點，優(yōu)化發(fā)動機的工作特性，用較小的電動機確保所需要的驅(qū)動轉矩，同時減小逆變器與驅(qū)動用蓄電池的體積，由此降低成本、提高裝車性，同時顯示出采用混合動力系統(tǒng)的節(jié)油效果。對典型的混合動力汽車來說，從提高效率的角度考慮，AMT是最好的選擇，這是由于手動變速器與自動變速器相比可以使總效率提高8%以上。未來的動力藕合系統(tǒng)會采用更多的控制策略，對控制策略進行優(yōu)化是目前的一個發(fā)展方向。采用控制策略，并配備專門的管理模塊，根據(jù)車輛不同的狀態(tài)和驅(qū)動需求采取符合要求的驅(qū)動模式，達到最佳的經(jīng)濟性和排放性。動力系統(tǒng)如內(nèi)燃機、電機在工作狀態(tài)切換工程中，采取合適的控制方法，使切換動作迅速完成并使整個動力系統(tǒng)的動力輸出變化平穩(wěn)。目前控制策略(尤其并聯(lián)式混合動力汽車)還不十分成熟。由于混合動力汽車運行模式比較復雜，控制策略不僅僅要實現(xiàn)整車最佳的燃油經(jīng)濟性，同時要考慮適應汽車各種運行工況，兼顧發(fā)動機排放、電池壽命、駕駛性能、各部件可靠性以及成本等多方面要求，并針對汽車各部件的特性進行綜合控制。兼顧各方面要求進行控制策略的研究是今后工作的重點和難點。

本項目學生有關的研究積累和已取得的成績

Ⅰ、研究積累：本團隊成員均參加過湖南省工程模型競賽對Solid works、CAD、Ansys等建模和分析軟件能熟練運用。李昊軒和何恒建已過英語六級能獨立翻譯英語文獻，其中李昊軒曾擔任長沙理工大學F1方程式賽車隊車手和傳動組成員，擔任期間就已經(jīng)熟練掌握建模并經(jīng)常查閱英文資料。何恒建在航空模型協(xié)會中擔任重要職務，對電路的設計控制以及軟件的編程有深入的了解。謝聰在賽伯瑞擔任干事，多次參加各項比賽，并取得優(yōu)異成績。

Ⅱ、已取得的成績：湖南省工程模型競賽三等獎

                  第十屆全國大學生節(jié)能減排科學競賽國家二等獎

項目的創(chuàng)新點和特色

Ⅰ、創(chuàng)新點：該耦合方式的輸出轉矩與轉速分別是發(fā)動機與電機轉矩和轉速的線性和，因此發(fā)動機的轉矩和轉速都可控。 采用該耦合方式的混合動力汽車，發(fā)動機的轉矩和轉速都可以自由控制，而不受汽車工況的影響。因此，理論上可以通過調(diào)整電機的轉速和轉矩，使發(fā)動機始終處在最佳油耗點工作。但實際上，頻繁調(diào)整發(fā)動機工作點也可能會使經(jīng)濟性有所下降，因此通常的做法是將發(fā)動機的工作點限定在經(jīng)濟區(qū)域內(nèi)，緩慢調(diào)整發(fā)動機的工作點，使發(fā)動機工作相對穩(wěn)定，經(jīng)濟性能提高。采用功率耦合方式的混合動力電動汽車理論上不需要離合器和變速器，而且可實現(xiàn)無級變速。與其他耦合方式相比無論是對發(fā)動機工作點的優(yōu)化，還是在整車變速方面，都更具優(yōu)越性。相比于THS混合動力系統(tǒng)，該設計結構更加簡單強度更高，成本低廉且能適用于大型乘用客車等負載大的場合。

Ⅱ、特色：可以實現(xiàn)不同動力的耦合，并且利用差動輪系兩個自由度的特點，配合電動機控制，從而實現(xiàn)無級變速。

項目的技術路線及預期成果

Ⅰ、技術路線

1.調(diào)研、收集資料。

2.外文翻譯，開題報告。

3.傳動系原理分析，行星輪系方案設計。

4.繪制整體的裝配圖。

5.行星輪系齒輪設計和行星輪系軸設計。

6.對齒輪強度的校核計算并進行零件圖設計。

7.制造與裝配。

Ⅱ、預期成果

1.發(fā)表論文一篇；

2.設計并制造一套五桿行星輪系動力耦合裝置

年度目標和工作內(nèi)容（分年度寫）

工作計劃

1.準備階段（2018.3-2018.6）：做好前期準備工作，完成有關資料的搜集，為每個成員分配任務。

2.設計階段（2018.7-2018.12）：完成五桿行星輪系動力耦合裝置的設計，包括Solid works三維實體的建模和AutoCAD二維圖紙繪制。

3.制造階段（2019.1-2019.4）：進行五桿行星輪系動力耦合裝置各個部件的制造與裝配。

4.結題階段（2019.5-2019.6）：做好后期結題工作，包括申請專利、發(fā)表論文和撰寫結題報告等工作。

指導教師意見

簽字：                   日期：