少齿差行星齿轮耦合智能控制系统优化设计【毕业论文】.doc

1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 少齿差行星齿轮耦合智能控制系统优化设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要 首先文章分析了国内外汽车混合动力的发展和研究情况，通过实际科研 , 根据沙滩车的使用环境的要求和特点，以及 该车混合动力系统零部件选型设计原则和整车在运行条件下的功率、扭矩和速度等性能指标需求，研究动力系统的发动机、电机和蓄电池的性能参数 ,并进行了优化匹配、建模仿真和试验。确定了一种新型多用途轻型电动及混合动力沙滩车动力系统优化与设计方案 . 研发了一种新的传输系统，混合动力少齿差行星齿轮动力耦合系统（ FPS

2、），且重点介绍了新型的少齿差偏曲轴行星齿轮传动机构在该车动力耦合系统中的应用以及行星齿轮传动机构的优化设计 ,采取的是各种齿轮体积总和与工作压力角最小的双重优化为目标， 建立优化数学模型，从而达到大传送比，小功率 的优化结果。该方法为低速车辆（即农用车）和多用途轻型电动和混合电动汽车提供了基础设计理论。 关键词： 动力耦合 系统 ；混合动力；低速车辆；少齿差行星齿轮传动；优化匹配； Keywords: Hybrid electric vehicle drive system; low-speed goods vehicles; vehicle dynamic coupling system;

3、few-tooth-deference planetary gear transmission; optimize matching. Firstly this paper analyzes the development of domestic and foreign automobile hybrid, through research and practical research, according to the use of beach car environmental requirements and characteristics, and the vehicle hybrid

4、 system components selection design principles and vehicle in operation conditions such as power, torque and speed performance indexes of dynamics system needs to study engine, electric motor and battery performance parameters and optimized matching, modeling simulation and experiment. Identified a

5、new type multi-purpose light electric and hybrid beach car dynamic system optimization and design. Developed a new transmission system, hybrid less tooth differenced planetary gear dynamic coupling system (FPS), and mainly introduces new less tooth differenced planetary gear transmission biasing cra

6、nkshaft dynamic interaction system in the institutions and application of planetary gear transmission optimization design of mechanism, taking the total volume of gear with work pressure Angle of dual optimization for alpha minimum target, establishing optimal mathematical model, so as to achieve bi

7、g transmission ratio, small power optimization results. This method for lower vehicles (i.e., agricultural vehicles) and multi-purpose light electric and hybrid electric vehicle provides the foundation design theory 目 录 1 引言 .1 2 动力耦合系统 .2 2.1 混合动力耦合系统 .2 2.2 电动汽车动力传动系统结构型式及分析 .2 2.3 动力传动系统结构型式分析 .4

8、 2.3.1 串联式动力传动系统 .4 2.3.2 HEV并联式动力传动系统 .5 2.3.3 HEV混联式动力传动系统 .5 2.4 混合动力分配模式 .6 3 混合动力设计 .9 3.1 少齿差 行星齿轮传动机构 .9 3.2 混合动力少齿差行星齿轮动力耦合系统的原理 . 11 4 案例研究 .13 4.1 动力耦合系统结构优化 .14 4.2 动力耦合传动系统的控制策略 .15 5 结论 .16 参考文献 .18 1 引言 混合动力汽车（ HEV），是一项全新的科学技术， 20世纪 90 年代初以来，得到了美、日及欧洲等许多发达国家的极高重视，并已取得了一些重大的成果与进展。我国在“八五

9、”和“九五”期间都有计划地开展了电动汽车的关键技术攻关合整车研制，在此基础上也进行了混合动力汽车的多个技术领域的开发。这种车在减速时动力可以回收再生，制动器可以将机械能转换成电能，避免了能量的浪费。截至目前，低速车辆和全地形车是尚未使用该 技术的汽车。据低速汽车和混合动力汽车在全地形道路，环境，速度和负载的情况下，通过发动机，可充电池和电器电动机 /发电机发挥最佳。由于偏曲轴少齿差行星齿轮传动机构有结构紧凑，速度比大，效率高，稳定等优点，同时又有能力强，加工简单，成本低等特点。所以该技术可以适用于全地形车，国家国防部，冶金，矿山；重物升降和运输，仪表制造等。并且混合动力少齿差行星齿轮动力耦合系

10、统的应用可以提高发动机的工作效率，节约能源，排放清洁，并减少对环境的污染等等。 在目前这个时期的生态要求中，设计和开发轻型电动和混合动力电机的汽车及全 地形车是非常重要的。装用混合动力系统的汽车燃料经济性比普通汽车可提高一倍，同时使 CO2排放量减少一半。在全地形车方面使用混合动力汽车技术很有创新，切入点是合适的，具有广阔的市场应用前景 1。该技术还可以用到低速货车（即农用车），这将有巨大的发展潜力和看好的市场前景。 多用途运输中轻及低速是最重要的，其对于一些常规车辆不允许进入的地区的实用性和经济性很高，如林地一般调查，游客度假胜地，公园等；在实际的运输情况下，机场 、 车站 、 消防车也可应

11、用，其他应用是他们申请短期和有限的速度范围内的城市运输 2。 2 动力 耦合系统 2.1 混合动力耦合系统 汽车的核心部分由：发动机 变速器 驱动桥 驱动轮系统是组成，汽车的燃料经济性 、 动力性在很大程度上受其总成的作用。 动力传动系统最大的差别在于混合动力（ hybrid electric vehicles，即 HEV）开发中与传统汽车及电动汽车中的动力 系统，核心和难点是动力传动系统的HEV 开发工作。动力传动系统的结构决定着部件的数量、种类及系统的控制策略；动力系统结构上的差异导致不同 HEV 的适用条件和使用要求各不相同；同样，开发工作的难度也相差很大。可以说，动力传动系统结构型式的

12、选择决定 HEV 研究开发的重点和方向，关系着开发的进度和产品的水平，是 HEV 开发 中首要和关键的一步。动力系统 HEV 最大的差别也是不同的， HEV 正是根据动力传动系统的结构进行类型划分。因此，研究开发时必须在深人调研、仔细分析和权衡利弊的基础上，对动力传动系统的结构类型作出慎重选 择 2。 资料显示 :装用混合动力系统的汽车燃料经济性比普通汽车可提高一倍，同时能减少排放能引起地球变暖的 CO2 排放量减少近一半。在沙滩车方面使用混合动力汽车技术有创新，是合适的切入点，前期基础工作已经做了。该技术还可以用到低速货车，这将与相关企业合作 ,本题目是在汪老师的研究基础上进行了一定的优化设

13、计。 2.2 电动汽车动力传动系统结构型式及分析 HEV 开发的实质是通过部件工况的改善和效率的提高实现整个系统性能的优化，是基于系统结构概念上的创新。目前， HEV 主要指以蓄电池与辅助动力单元 (APU)作为动力源的 汽车。其中 APU 通常为一原动机或由原动机驱动的发电机组。根据部件种类、数量和连接关系可将 HEV 的动力系统分为三种基本结构类型：串联型、并联型和混联型。其中，动力源输出功率以电力形式进行复合的称之为串联式；以机械方式进行叠加的称之为并联式；两者兼有的称之为混联式。 混合动力传动系统有三种布置方式： 图 2-l 串联式混合动力系统 (1) 串联式混合动力传动系统 (图 2

14、-1)在这种系统中，发动机驱动发电机产生电能，电能用于驱动电动机并借此转动车轮。这种系统使用一个较小的发动机在效率最高的转速范围内工作， 因此，能够最大限度地改善燃油经济性和减少排放。 图 2-2 并联式混合动力系统 (2) 并联式混合动力传动系统 (图 2-2)在这种系统中发动机和电动机既可联合驱动车轮，又可各自单独驱动车轮，并且允许发动机在驱动车轮的同时带动发电机给蓄电池充电。 (3) 混联式混合动力传动系统图 2-3 其布置形式包含串联式和并联式的特点，即功率流既可像串联式流动，又可像并联式流动。它的动力系统包括发动机、发电机和电动机。根据助力装置不同，又可分为发动机为主和电机为主2种

15、【 3】 。 图 2-3 混联式混合动力系 统 以发动机为主的形式中，发动机作为主动力源，电机为辅助动力源， Nissan Tino HEV 属于这种情况。以电机为主的形式中，发动机作为辅助动力源，电机为主动力源， Toyota Prius HEV 就属于这种情况。该结构的优点是控制灵活方便，其缺点是结构相对复杂 2 3 。 2.3 动力传动系统结构型式分析 2.3.1 串联式动力传动系统 由于串联式 HEV 动力传动系中的发动机与汽车驱动轮之间无机械连接，具有独立于汽车行驶工况对发动机进行控制的优点，适用于常见的频繁起步、加速和低速运行工况。可使发动机稳 定于高效区或低排放区附近工作。串联式

16、 HEV 动力传动系理论上的综合效率较低，是因为发动机输出的机械能由发电机转化为电能，再由电动机将电能转化为机械能用以驱动汽车，途经两次能量转换，中间必然会伴随着能量的损失。另外，它的三个动力总成 (发动机、发电机、电动机 )也会给系统总布置带来困难并使成本增加。因此只有在两种情况下才有可能选用串联式 HEV 动力传动系布置方案： .发动机仅用于增加电动车辆的续驶里程，而用于驱动汽车的绝大部分能量来源于蓄电池，使整个系统能量转化损失较小。 .发电机和电动机的综合效率达到或超过传统车 辆动力传动系的水平，研究人员希望能采用配备有磁能密度极高的永久磁铁作为电极的高速同步发电机和电动机来达到这一水平

17、。这种系统主要用于城市大客车。 2.3.2 并联式 HEV 动力传动系统 在并联式 HEV 动力传动系统中，发动机与电动机可分别独立地向汽车驱动轮提供动力，没有串联式 HEV 动力传动系中的发电机，因此更像传统的汽车动力传动系，并具有许多显著优点： .由于发动机的机械能可直接输出到汽车驱动桥，中间没有能量的转换，与串联式布置相比，系统效率较高，燃油消耗也较少。 .同时电动机又可作为发电机使用，系统仅有发动机 和电动机二个动力总成，整车质量和成本大大减小。 .假定汽车所要求的最大功率为 P，则每台动力总成的功率总和往往在 P 2P 之间，由于设备功率较小，所需设备费用也较小。但发动机与车辆驱动轮

18、间有直接的机械连接，发动机运行工况不可避免地受到汽车具体行驶工况的影响，要维持发动机在最佳工作区工作，则控制系统和控制策略较复杂。 2.3.3 混联式 HEV 动力传动系统 混联式 HEV 布置方案综合了串、并联两种布置方案的优缺点，具有最佳的综合性能，但系统组成庞大，传动系布置困难。另外，实现串、并联分支间合理的切换对控制系 统和相关控制策略的设计也提出了更高的要求。综上所述，并联式 HEV 布置方案由于在传动系组成及控制方面更接近于传统车辆传动系，且所需的电机功率较小，电池组数量少，整车的价位也比较低。更可贵的是，并联式 HEV 可采用传统汽车用内燃机，从而把传统车用内燃机的最新研究成果应用到混合动力车辆上，节省了研发资金目前这种结构的传动系应用