差速器式HEV動(dòng)力耦合裝置設(shè)計(jì)分析

楊章林

(滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程系，安徽 滁州 239000)

差速器式HEV動(dòng)力耦合裝置設(shè)計(jì)分析

楊章林

(滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程系，安徽 滁州 239000)

以差速器為原型，建立了混合動(dòng)力汽車(HEV)差速動(dòng)力耦合裝置。分析了傳統(tǒng)差速器結(jié)構(gòu)和性能的不足，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。利用Solidworks軟件對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，從理論上實(shí)現(xiàn)了差速耦合裝置的可行性，為進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。

差速耦合；HEV；運(yùn)動(dòng)仿真；Solidworks

目前，汽車技術(shù)發(fā)展速度日新月異，由于對(duì)能源的要求不斷提高，發(fā)展新能源汽車已經(jīng)成為各國政府和汽車行業(yè)的共識(shí)?；旌蟿?dòng)力汽車(HEV)已經(jīng)引起各汽車廠家和研究機(jī)構(gòu)的重視，它將內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、蓄電池通過一系列機(jī)電耦合系統(tǒng)相互組合來提供驅(qū)動(dòng)?；旌蟿?dòng)力汽車的性能在很大程度上和耦合器有關(guān)，綜合考慮汽車運(yùn)行的所有工況，在不同工況下需求的動(dòng)力不一樣，這就需要進(jìn)行組合和分配。差速耦合系統(tǒng)目前也在混合動(dòng)力汽車中應(yīng)用，主要集中在結(jié)構(gòu)和性能的設(shè)計(jì)上存在不足。[1]本文主要利用差速器的逆向運(yùn)用實(shí)現(xiàn)耦合，結(jié)構(gòu)簡單，磨損少。

1 傳統(tǒng)差速器分析

傳統(tǒng)差速器是在汽車底盤的傳動(dòng)系統(tǒng)中，動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)傳來，通過減速器直接和差速器外殼連接在一起，內(nèi)部主要構(gòu)件有行星齒輪和半軸齒輪，以及對(duì)應(yīng)的裝配軸。工作過程中，主要依靠行星齒輪的自轉(zhuǎn)或公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)差速需要。

對(duì)于差速器本身來說，其殼體轉(zhuǎn)速與兩個(gè)半軸間關(guān)系呈二倍，直線行駛狀態(tài)下，左右半軸轉(zhuǎn)速相等。另外，在不考慮內(nèi)摩擦的情況下，可以近似認(rèn)為左右半軸的轉(zhuǎn)矩一致。

傳統(tǒng)的差速器在汽車底盤中主要實(shí)現(xiàn)兩側(cè)車輪的速度差，用來完成汽車的轉(zhuǎn)向需要，不能直接應(yīng)用在HEV動(dòng)力耦合器中。傳統(tǒng)的差速器左右半軸存在明顯的轉(zhuǎn)速差，由于功能不同，在作為汽車轉(zhuǎn)向應(yīng)用時(shí)，不影響具體的工作，結(jié)構(gòu)上差速器的行星齒輪和其軸之間是可以直接接觸在一起的，潤滑方面利用潤滑油就可以改善摩擦。如果直接應(yīng)用于動(dòng)力耦合的時(shí)候，半軸之間存在的轉(zhuǎn)速差可能會(huì)出現(xiàn)摩擦過大，過度的磨損會(huì)引起裝置失效，因此需要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

2 耦合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及分析

2.1 系統(tǒng)方案

差速器實(shí)際上是行星齒輪系k=1時(shí)的一種特殊情況，如圖1所示，中間部分就是差速裝置，混合的動(dòng)力利用離合制動(dòng)器的控制可以實(shí)現(xiàn)從任意一端輸入，從殼體部分輸出。差速器與行星齒輪系在結(jié)構(gòu)上劃分屬于二個(gè)范疇，但是在運(yùn)動(dòng)原理上都屬行星齒輪系統(tǒng)。其運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程如下[2]：

運(yùn)動(dòng)學(xué)方程:n1+kpn2-(1+kp)n3=0

式1

動(dòng)力學(xué)方程:T1∶T2∶T3=1∶kp∶-(1+kp)

式2

其中，太陽輪轉(zhuǎn)速為n1，齒圈轉(zhuǎn)速為n2，行星齒輪架轉(zhuǎn)速為n3，且kp為傳動(dòng)比，表示齒圈和太陽輪齒數(shù)比值。

圖1 HEV差速耦合設(shè)計(jì)圖

由于整體式差速器結(jié)構(gòu)簡單、強(qiáng)度和剛度好、節(jié)約材料以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，在HEV動(dòng)力耦合系統(tǒng)中采用行星齒輪，為了實(shí)現(xiàn)嚙合，數(shù)目選擇兩個(gè)。行星齒輪需要與軸形成配合，該軸與殼體作為一個(gè)整體，可以實(shí)現(xiàn)公轉(zhuǎn)?；旌蟿?dòng)力汽車的動(dòng)力耦合裝置模型就可以實(shí)現(xiàn)了。

2.2 結(jié)構(gòu)分析

為了實(shí)現(xiàn)更好的動(dòng)力耦合，需要考慮大轉(zhuǎn)速差引起的磨損，對(duì)原有的行星齒輪軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在其上安裝滾動(dòng)軸承。主要目的在于避免行星齒輪與行星齒輪軸的直接接觸，把滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，減少磨損，能夠滿足在動(dòng)力耦合系統(tǒng)兩邊半軸的轉(zhuǎn)速差要求。此時(shí)為了裝配需要，需要對(duì)行星齒輪軸進(jìn)行相應(yīng)的熱處理。如圖2所示。[3]

圖2 新型的行星齒輪軸

選擇軸承的話要結(jié)合具體結(jié)構(gòu)和實(shí)際效果，目前K類滾針軸承在結(jié)構(gòu)上滿足使用要求，內(nèi)部滾動(dòng)體是獨(dú)立的，并且結(jié)構(gòu)簡單，呈整體化，可實(shí)現(xiàn)在軸肩之間直接安裝，其徑向空間需求比較小，在同類軸承中有很多結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，因此優(yōu)先選用K類滾針軸承，潤滑方面可以采用脂類潤滑劑。制作的材料可以選擇通用的20CrMnTi，為了實(shí)現(xiàn)裝配，需要在行星齒輪軸上加工出合理的位置，考慮到工作過程中的強(qiáng)度，對(duì)裝配的軸徑位置要進(jìn)行局部熱處理，可以獲得好的力學(xué)性能。

2.3 建模及性能分析

2.3.1 建模

根據(jù)相關(guān)要求和設(shè)計(jì)公式，通過計(jì)算確定好差速耦合裝置的主要參數(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)選擇柴油機(jī)，P額定為160KW，Tmax為800NM，電動(dòng)機(jī)P額定為45KW，Tmax選擇250NM。通過計(jì)算，設(shè)定行星齒輪和半軸齒輪齒數(shù)，分別為12和18，模數(shù)為3mm。通過計(jì)算可以進(jìn)一步校核強(qiáng)度。[4]利用Solidworks軟件對(duì)主要部件進(jìn)行建模裝配，如圖3、圖4、圖5、圖6及圖7所示。

圖3 行星齒輪

圖4 半軸齒輪

圖5 殼體

圖6 行星輪軸裝配體

圖7 差速耦合器裝配體

根據(jù)Solidworks設(shè)計(jì)功能運(yùn)用算例對(duì)差速耦合器裝配體進(jìn)行了簡單的運(yùn)動(dòng)仿真。如圖8所示。

圖8 差速耦合裝置運(yùn)動(dòng)仿真圖

結(jié)合圖1，根據(jù)汽車在行駛中的實(shí)際工況，利用Solidworks運(yùn)動(dòng)仿真功能，可以模擬實(shí)現(xiàn)以下幾種不同的運(yùn)動(dòng)模式。

(1)單獨(dú)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式。起步或者車速要求比較小時(shí)，結(jié)合圖1可以對(duì)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的大扭矩進(jìn)行單獨(dú)應(yīng)用，也可以由發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)采用內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，此時(shí)動(dòng)力可以由半軸任意端輸入，利用離合器的分離功能使另外半軸輸入動(dòng)力為0，動(dòng)力從行星架(殼體)輸出。

(2)制動(dòng)模式。在制動(dòng)的工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力端離合器斷開，動(dòng)力從行星架輸入，由半軸的另外一端輸出動(dòng)力，在制動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)發(fā)電。

(3)動(dòng)力混合模式。對(duì)動(dòng)力需求較高的急加速或大負(fù)荷工況下，動(dòng)力由左右半軸同時(shí)輸入，由行星架輸出，滿足特殊工況的需求。此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可以保持在最佳轉(zhuǎn)矩區(qū)域附近穩(wěn)定工作，在此基礎(chǔ)上，如果出現(xiàn)動(dòng)力不足，可以由電動(dòng)機(jī)進(jìn)行動(dòng)力的補(bǔ)充。

(4)駐車模式。駐車工況時(shí)，動(dòng)力由左右半軸任意端輸入，再從另一端輸出，行星架鎖死，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)均可以正常工作。

2.3.2 性能分析

建立好模型后，可以利用ADAMS軟件進(jìn)行性能模擬仿真，分析設(shè)計(jì)的耦合器性能。這里可以選取運(yùn)動(dòng)模式中的任意一種進(jìn)行分析，仿真結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 轉(zhuǎn)速關(guān)系圖

圖10 轉(zhuǎn)矩關(guān)系圖

圖9為轉(zhuǎn)速關(guān)系圖，縱坐標(biāo)表示轉(zhuǎn)速(r/min)，橫坐標(biāo)表示時(shí)間(s)。任意選取時(shí)間，以0.2×103(s)為例，此時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速接近0，屬于運(yùn)動(dòng)模式的單獨(dú)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式，差速器殼體輸出最大轉(zhuǎn)速為2×103(r/min)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)速為4×103(r/min)，看出殼體輸出的轉(zhuǎn)速近似等于二端半軸(發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī))轉(zhuǎn)速的二倍。圖10為轉(zhuǎn)矩關(guān)系圖，縱坐標(biāo)表示轉(zhuǎn)矩(NM)。同樣以0.2×103(s)為例，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩相等，均為40(NM)，而殼體輸出轉(zhuǎn)矩為80(NM)，因此可知?dú)んw輸出的轉(zhuǎn)矩近似等于二端半軸轉(zhuǎn)矩之和。這種關(guān)系與前面介紹的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性相符，因此設(shè)計(jì)是合理的。

3 結(jié)論

根據(jù)以上分析，對(duì)傳統(tǒng)的差速器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的簡單改進(jìn)，利用Solidworks對(duì)主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模，通過運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)現(xiàn)了在不同模式下的運(yùn)動(dòng)，驗(yàn)證了差速耦合系統(tǒng)的合理性，符合其運(yùn)動(dòng)特性，也與混合動(dòng)力汽車在實(shí)際工作中的工況相匹配，從理論上實(shí)現(xiàn)了可行性。針對(duì)改進(jìn)后的差速耦合裝置也可以從內(nèi)部摩擦功率進(jìn)一步進(jìn)行分析，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

[1]曾小華，于永濤，宋大鳳，王慶年．基于差速耦合的混合動(dòng)力汽車傳遞特性分析與控制[J]．吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，40(1)：1-5.

[2]王慶年，何洪文，李幼德，初亮．并聯(lián)混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系參數(shù)匹配[J]．吉林工業(yè)大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2000，30(1)：72-75.

[3]曾小華，王繼新．混合動(dòng)力耦合系統(tǒng)構(gòu)型與耦合裝置分析設(shè)計(jì)方法[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，2015：27-33.

[4]祁炳楠，張利鵬.差速器在汽車上的多方面應(yīng)用研究[J]．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010(1)：94-96.

AnalysisofDifferentialCouplerHEVPowerCouplingDevice

Yang Zhanglin

(School of Automotive Engineering Chuzhou Vocational College, Chuzhou, Anhui 233900，China)

In this paper, a differential power coupling device for hybrid electric vehicle (HEV) is established based on the differential. We analyzed the shortcomings of the traditional differential structure and performance, and made an improvement on this basis. The improved structure is modeled by Solid works software and the motion simulation is carried out. The feasibility of differential coupling device is realized theoretically, which provides the basis for further optimization design.

differential coupling; HEV; motion simulation; Solid works

U469.7

：A

(責(zé)任編輯：宋瑞斌)

1672-6758(2017)09-0050-4

楊章林，碩士，講師，滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院。研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論。

2016年安徽高校省級(jí)質(zhì)量工程“汽車底盤構(gòu)造與維修課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目”(項(xiàng)目編號(hào)： 2016jxtd090)；2016院級(jí)質(zhì)量工程“汽車底盤構(gòu)造與維修課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目”(項(xiàng)目編號(hào)：zlgc2016012)。

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