翟文豪 牛禮民

（合肥工業(yè)大學(xué)）

為了緩解環(huán)境污染和資源消耗的問題，新能源汽車的發(fā)展迫在眉睫。但是由于電化學(xué)行業(yè)的局限，導(dǎo)致純電動(dòng)汽車的全面推廣短時(shí)間內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)，因此混合動(dòng)力汽車的發(fā)展是承接這一時(shí)代轉(zhuǎn)變的重要連接點(diǎn)。動(dòng)力耦合裝置是混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心，因此開展適用于混合動(dòng)力汽車動(dòng)力耦合裝置的研究對車輛向節(jié)能環(huán)保方向發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。國內(nèi)外對于動(dòng)力耦合裝置的研究主要集中在混合動(dòng)力汽車方面。文獻(xiàn)[1]對混合動(dòng)力汽車雙電機(jī)用行星輪系動(dòng)力耦合功率分流系統(tǒng)進(jìn)行了理論和仿真研究，論證了該動(dòng)力耦合裝置適用于雙模驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；文獻(xiàn)[2]基于混合動(dòng)力汽車機(jī)電耦合系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況和實(shí)現(xiàn)動(dòng)力耦合裝置的不同，將機(jī)電耦合系統(tǒng)分為固定軸式和行星齒輪式兩大類型，并通過實(shí)例進(jìn)行了耦合方式、工作模式及動(dòng)力傳遞路徑等拓?fù)鋵W(xué)分析；文獻(xiàn)[3]介紹了動(dòng)力耦合系統(tǒng)的功能和分類，對3種主要?jiǎng)恿︸詈舷到y(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。但是，國內(nèi)外大部分研究都是對動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)或者某一種動(dòng)力耦合裝置的理論分析和仿真模擬，都沒有提及某一種耦合裝置的設(shè)計(jì)過程。文章根據(jù)某車型整車相關(guān)數(shù)據(jù)，針對混合動(dòng)力汽車的工作和動(dòng)力特性，對經(jīng)典的雙軸式轉(zhuǎn)矩耦合裝置的傳動(dòng)比、特征參數(shù)及齒數(shù)匹配進(jìn)行設(shè)計(jì)，為相關(guān)混合動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)流程模板。并且該種轉(zhuǎn)矩耦合裝置較市場上一些轉(zhuǎn)矩耦合裝置的制造成本小很多，為目前混合動(dòng)力汽車成本居高不下的問題，提供一個(gè)解決的方案。

1 轉(zhuǎn)矩耦合配置

動(dòng)力耦合裝置分為轉(zhuǎn)矩耦合裝置、轉(zhuǎn)速耦合裝置及功率耦合裝置，文章采用的是轉(zhuǎn)矩耦合裝置。圖1概念性地示出一個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)矩耦合方案[4]1-2，它是3個(gè)端口2個(gè)自由度的機(jī)械配置。端口1為單向的輸入，表示端口1接入的發(fā)動(dòng)機(jī)只能向機(jī)械轉(zhuǎn)矩耦合裝置輸入轉(zhuǎn)矩；端口2為雙向的輸入或輸出，表示端口2接入的電動(dòng)機(jī)既能向機(jī)械轉(zhuǎn)矩耦合裝置中輸入轉(zhuǎn)矩，也能從機(jī)械耦合裝置中獲得轉(zhuǎn)矩，例如混合動(dòng)力汽車啟動(dòng)時(shí)就能給機(jī)械耦合裝置輸入轉(zhuǎn)矩，當(dāng)整車穩(wěn)定行駛時(shí)，端口2可以從機(jī)械耦合裝置中獲得轉(zhuǎn)矩給動(dòng)力電池充電；端口3也為雙向輸入或輸出，表示端口3接入的驅(qū)動(dòng)輪既能從機(jī)械轉(zhuǎn)矩耦合裝置中獲得轉(zhuǎn)矩也能向機(jī)械耦合裝置中輸入轉(zhuǎn)矩，整車行駛時(shí)必定從轉(zhuǎn)矩耦合裝置中獲得轉(zhuǎn)矩。但是一般的混合動(dòng)力汽車都有動(dòng)力回收裝置，當(dāng)整車在下坡或剎車時(shí)可以將回收的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在動(dòng)力電池內(nèi)，所以此時(shí)的端口3可以向轉(zhuǎn)矩耦合裝置中輸入轉(zhuǎn)矩。需要注意的是端口2和端口3不能同為輸入。

圖1 機(jī)械轉(zhuǎn)矩耦合方案示意圖

圖1示出的轉(zhuǎn)矩耦合配置若在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下忽略損耗，則對轉(zhuǎn)矩耦合器而言，其輸入功率始終等于其輸出功率。這時(shí)，設(shè)端口2處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，也就是此時(shí)的電動(dòng)機(jī)是向機(jī)械耦合裝置內(nèi)輸入功率的，則驅(qū)動(dòng)輪輸出的功率表達(dá)式，如式（1）所示。

式中：T1——發(fā)動(dòng)機(jī)端輸入轉(zhuǎn)矩，N·m；

T2——電動(dòng)機(jī)端輸入或輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；

T3——驅(qū)動(dòng)輪的輸出或輸入轉(zhuǎn)矩，N·m；

w1——發(fā)動(dòng)機(jī)端轉(zhuǎn)速，r/min；

w2——電動(dòng)機(jī)端轉(zhuǎn)速，r/min；

w3——驅(qū)動(dòng)輪端轉(zhuǎn)速，r/min。

因此，轉(zhuǎn)矩耦合器的表達(dá)式，如式（2）所示。

式中：k1——發(fā)動(dòng)機(jī)端轉(zhuǎn)速與驅(qū)動(dòng)輪端轉(zhuǎn)速比值，常數(shù)；

k2——電動(dòng)機(jī)端轉(zhuǎn)速與驅(qū)動(dòng)輪端轉(zhuǎn)速比值，常數(shù)。

除此之外還需要注意w1，w2，w3并不是相互獨(dú)立的，它們之間存在一定的關(guān)系，其關(guān)系表達(dá)式，如式（3）所示。

2 轉(zhuǎn)矩耦合的電驅(qū)動(dòng)系結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)矩耦合的并聯(lián)式混合動(dòng)力電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有多種不同的結(jié)構(gòu)，可分為雙軸或單軸式。在每一類中，傳動(dòng)裝置可配置在不同的位置，并設(shè)計(jì)為不同的排擋數(shù)，從而導(dǎo)致相異的牽引特性。優(yōu)化設(shè)計(jì)主要取決于牽引需求、發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸、純電動(dòng)汽車電動(dòng)機(jī)尺寸及其轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性等。圖2示出并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車雙軸式轉(zhuǎn)矩耦合裝置結(jié)構(gòu)示意圖[4]3-4。其中圖2a應(yīng)用了2個(gè)傳動(dòng)裝置：一個(gè)位于發(fā)動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)矩耦合裝置之間；另一個(gè)位于電動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)矩耦合裝置之間。2個(gè)傳動(dòng)裝置可以是單擋或多擋的傳動(dòng)裝置，但是，2個(gè)多擋傳動(dòng)裝置將使電驅(qū)動(dòng)系明顯復(fù)雜化，并為選擇每個(gè)傳動(dòng)裝置特定的排擋而增加了控制系統(tǒng)的難度；圖2b為另一種雙軸式的并聯(lián)式混合動(dòng)力電驅(qū)動(dòng)系的結(jié)構(gòu)，它只有一個(gè)傳動(dòng)裝置，位于轉(zhuǎn)矩耦合裝置和驅(qū)動(dòng)軸之間，與具有2個(gè)傳動(dòng)裝置的耦合裝置相比，該裝置的控制難度較低，成本也較低，但相應(yīng)的代價(jià)就是控制精度不高。

圖2 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車雙軸式轉(zhuǎn)矩耦合裝置結(jié)構(gòu)示意圖

雙軸式轉(zhuǎn)矩耦合裝置是混合動(dòng)力汽車耦合裝置的常見裝置，具有常見的混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)常用的動(dòng)力耦合方式；可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)且發(fā)電、混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)及制動(dòng)能量回收等功能；2個(gè)動(dòng)力源均可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛，一個(gè)動(dòng)力部件失效時(shí)另一個(gè)可以提供動(dòng)力。該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）結(jié)構(gòu)簡單，操作容易，只需在原有車輛基礎(chǔ)上改動(dòng)即可；2）傳動(dòng)效率高，能量再生程度高；3）成本低廉，有利于降低混合動(dòng)力汽車的整車成本，便于混合動(dòng)力汽車的推廣。

3 傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)

雙軸式轉(zhuǎn)矩耦合裝置傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)圖，如圖3所示。軸1連接內(nèi)燃機(jī)的輸出端，軸2連接電動(dòng)機(jī)軸，軸3連接汽車的驅(qū)動(dòng)橋。表1示出某型車整車參數(shù)，文章即是基于該表格數(shù)據(jù)對轉(zhuǎn)矩耦合裝置進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，具體包括齒輪和軸的設(shè)計(jì)及校核。

圖3 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車雙軸式轉(zhuǎn)矩耦合裝置傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)圖

表1 某型車整車參數(shù)表

3.1 傳動(dòng)比的設(shè)計(jì)

起步過程，考慮到燃油經(jīng)濟(jì)性和電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩較大，因此選擇只由電動(dòng)機(jī)提供啟動(dòng)動(dòng)力源，直至汽車車速達(dá)到足以讓發(fā)動(dòng)機(jī)最低轉(zhuǎn)速為800 r/min。并且考慮到在轉(zhuǎn)矩耦合裝置中，k1和k2的設(shè)計(jì)將使電動(dòng)汽車的電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)能同時(shí)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速，且電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速范圍為0～1 000 r/min，因此，此處設(shè)計(jì)k1=2，k2=2.5。讓k2較大，是為了可以提供更大的起步加速度，且當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到800 r/min時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速還在最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。

3.2 齒輪參數(shù)的設(shè)計(jì)

齒輪設(shè)計(jì)的過程中，考慮到電動(dòng)機(jī)提供的最大轉(zhuǎn)矩比發(fā)動(dòng)機(jī)大，因此，以軸2和齒輪2所承載的最大轉(zhuǎn)矩來設(shè)計(jì)參數(shù)[5]220-224，其安全系數(shù)較大，較為安全。采用斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)，電動(dòng)機(jī)端齒輪傳遞的最大轉(zhuǎn)矩為382 N·m，此時(shí)能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，以此計(jì)算得出：齒輪1的齒數(shù)為39；齒輪2的齒數(shù)為31；齒輪3的齒數(shù)為78；齒輪法面模數(shù)為3 mm；齒輪螺旋角為16.260°。齒輪材料選擇20CrMnMo，滲碳淬火回火處理。

3.3 軸的設(shè)計(jì)

軸的材料選擇20CrMnMo，采用滲碳淬火回火處理。軸的最小直徑（dmin/mm）計(jì)算關(guān)系式，如式（4）所示。

式中：A——與軸的材料及相應(yīng)的許用扭剪應(yīng)力相關(guān)的設(shè)計(jì)系數(shù)[5]374-379，查表得A=105；

P——軸傳遞的功率，kW；

n——軸的轉(zhuǎn)速，r/min；

T——輸入轉(zhuǎn)矩，N·m。

軸1和軸 2均以最大轉(zhuǎn)矩 382 N·m，轉(zhuǎn)速為1 000 r/min來計(jì)算；軸3的計(jì)算較為復(fù)雜，分2種情況：1）讓電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)均達(dá)到最大功率，此時(shí)軸3的轉(zhuǎn)速為2 400 r/min，以此計(jì)算得出此時(shí)的軸徑；2）只有電動(dòng)機(jī)工作時(shí)的軸徑。比較這2種情況求得的軸徑，取較大值。因?yàn)槲粗妱?dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，無法確定此時(shí)求得的軸徑是否滿足強(qiáng)度要求，所以以此軸徑對各軸軸承進(jìn)行設(shè)計(jì)選型和強(qiáng)度校核。通過計(jì)算軸上載荷繪出各軸載荷分布圖，并對危險(xiǎn)截面進(jìn)行強(qiáng)度校核，調(diào)整軸徑。再以調(diào)整后的軸徑對各軸軸承再次進(jìn)行設(shè)計(jì)選型和強(qiáng)度校核，并再次通過計(jì)算軸上載荷繪出各軸載荷分布圖，對危險(xiǎn)截面進(jìn)行強(qiáng)度校核，然后調(diào)整軸徑，反復(fù)此過程得出最后軸徑。通過驗(yàn)證，動(dòng)力耦合裝置中各軸均滿足強(qiáng)度要求。動(dòng)力耦合裝置各齒輪參數(shù)，如表2所示。

表2 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車雙軸式動(dòng)力耦合裝置各齒輪參數(shù)表

根據(jù)上述設(shè)計(jì)的齒輪和軸的參數(shù)，進(jìn)行三維建模，圖4示出并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車雙軸式轉(zhuǎn)矩耦合裝置三維效果圖。其中，圖4a示出直觀的齒輪耦合效果圖，可以直觀地看到其耦合形式和減速器的耦合形式一樣；圖4b示出加箱體后的效果圖。

圖4 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車雙軸式轉(zhuǎn)矩耦合裝置三維效果圖

4 結(jié)論

1）文章根據(jù)混合動(dòng)力汽車工作和傳動(dòng)特性的要求，對混合動(dòng)力汽車動(dòng)力耦合裝置的傳動(dòng)比、特征參數(shù)及齒數(shù)匹配等進(jìn)行了設(shè)計(jì)。根據(jù)傳動(dòng)載荷需求和制造工藝要求進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核，設(shè)計(jì)出適用于并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的雙軸式轉(zhuǎn)矩耦合裝置。從理論設(shè)計(jì)層面上給出一種可行的轉(zhuǎn)矩耦合裝置的設(shè)計(jì)流程。

2）根據(jù)此次設(shè)計(jì)，總結(jié)出混合動(dòng)力汽車動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的幾個(gè)原則：a.盡可能使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在高效工況；b.盡可能多地使用電能；c.盡量實(shí)現(xiàn)更多的工作模式；d.盡量減小耦合機(jī)構(gòu)的體積和質(zhì)量。