混合动力汽车动力耦合器及金属带传动结构设计毕业设计论文(编辑修改稿)

混合动力汽车动力耦合器及金属带传动结构设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

及缸数 气门数 喷油方式 1498ml 68/6000(kw/rpm) 124NM 直列四缸 16气门 电控 (1 ) 最大车速 max =178km/h(纯发动机驱动 )。 (2 ) 在车速 v=90km/h 时爬坡度 i 5% (纯 发动机驱动 )。 图 24 耦合系统在整车中的 布置方案图 混 联式混合动力汽车用电动机选型 在混合 动力汽车上 ,电动机的选用原则为 :(1)高性能、低自重和小尺寸。 (2)在较宽的转速范围内有较高的效率。 (3)电磁辐射尽量小。 (4)成本低 :(5)维护方便。 另外 ,对电动机的选用还应综合考虑其控制系统的特点，要求能尽可能实现双向控制，对制动能量可以回收。 目前混合动力汽车使用的电动驱动系统主要有直流电机驱动系统和交流电机 驱动系统两种。 直流电动机的优点是机械性能好，调速方 便而且性能好。 通常采用晶体管斩波器宽脉冲调制方法实现对电机转速的调节。 由于直流电机驱动系统具有成本低、易于平滑调速、控制器简单、技术成熟等优点，曾在电动汽车上得到广泛应用，但由于直流电动机在运行过程中需要电刷和换向器换向限制了电机转速的进一步提高 (最高转速6,0008,000r/min)，另外，电机本身效率较低、结构复杂且体积大、重量大、价格高、维护不方便决定了它必然会被其他先进的电机比如交流电机所取代。 混 合 动 力汽车上用交 流电机驱动系统主要有采用异步电机的驱动系统和永磁电机的驱动系统 ,也有部分电动机 采用了开关磁阻电机组成的交流驱动系统。 交流异步电机驱动系统主要选用三相鼠笼异步电动机，该电动机结构简单、坚固耐用、成本低廉、转速极限极高，采用先进的控制技术，其动态性能可与直流电机调速相媲美。 随着电力电子技术、控制理论的发展以及感应电动机变频调速技术日趋成熟，阻碍使用交流异步电机的控制技术已不存在。 永 磁 电 机驱动系统主要选用永磁无刷同步电机，该电机没有激磁铜耗、效率较高 (最大效率可达 95%)、功率因数高、体积小、功率密度大，其主要不足是永磁材料昂贵，制造工艺复杂，性能受温度影响较大，大功率输出困难。 开关 磁 阻 电机驱动系统中的开关磁阻电机结构十分简单、成本较低、可靠性高、起动性能好、调速性能好，控制装置也比较简单，主要缺点为转矩脉动达、噪声大、必须使用位置监测器、按照定子的凸极数来确定逆变器和电机的引出线等，实际上，开关磁阻电机驱动系统目前只被少数公司使用，但开关磁阻电机由于其性能特点和制造优势，随着技术的成熟也有着较好的应用前景。 总之 ，考虑到技术发展趋势和性能要求，驱动系统成了混合动力汽车的主要选择，其中异步电机驱动系统和永磁电机驱动系统更具应用潜力，而其它电机比如开关磁阻电机随着技术的不断完善也将 具有一定的应用前景。 本论文采用交流感应式异步电机，额定转矩 90N m，额定功率 17kw，峰值功率 30kw. 混合动力汽车用储能元件选型 在混合 动力汽车中 ,储能元件起着向电动机供能以及向动力传动系输出峰值功率的作用，另外还接收制动再生能量并将其存储起来。 能量回收对提高混合动力汽车的总效率是非常有意义的，据文献介绍，对应 EPA混合燃油循环，能量回收制动可减少车辆驱 动能量需求的 14%。 因此在混合动力汽车上要求储能装置应在长时间内能够接收制动功率，为使储能装置不致太庞大和过重，要求其应具有比较高的比功率 和比能量。 同时混合动力汽车上的储能元件需要频繁地充放电，因此还要求它的充放电特性较好，自放电率较低，输出效率较高，其使用寿命即循环充放电的次数应较长。 另外为降低整车的价格，储能元件的成本亦不能太高。 目前 应 用 较为广泛的储能装置有飞轮电池、超级电容、电化学电池、燃料电池四种。 飞轮电池具有 24kw/kg 的比功率和 125wh/kg 的比能量并且几乎免维护，具有较低的寿命周期成本，使之十分适合作重型卡车混合动力传动系的储能元件，目前，飞轮电池难以推广应用的原因是其昂贵的价格以及使用过程中的安全可靠性能。 超级电容 由于其比能量较低，只适合于比能量需求较低的轻度混合动力汽车，俄罗斯有关专家也指出在轻度混合动力汽车采用电容储能器将更加合理。 当前在中度及其以上的混合动力汽车中使用较多、技术较为成熟的是电化学电池即蓄电池，它包含了铅酸电池、镍氢电池和锉离子电池等。 铅酸电池是汽车储能动力源中较为成熟的一种，它的比能量一般为 3040wh/kg，比功率一般为 150200w/kg，循环使用寿命一般为 500700 次。 它具有可靠性高、原料易得、价格便宜等优点 ,比功率也较高，基本上能满足混合动力汽车加速度和爬坡要求。 但常规的铅酸电池 比能量低、难于快速充电、使用寿命不够长。 另外 ,过放电和过充电时 ,铅酸电池的使用寿命将显著缩短，深度放电以及环境温度也对电池性能影响很大。 这限制了它在混合动力汽车上的广泛应用。 综上我们选取的 电池 为 NiMH 电池，标称容量 16A． h，总电压 288V： 主减速器速比 的确定 对于装备 CVT 的并联式混合动力汽车，原则上应尽可能选取较大的主减速器速比 gi , gi 越大，汽车的加速和爬坡能力越强，所需的电机、电池组 容量就越小。 gi 的大小要满足以下两个限制条件。 (1)保证发动机按最小燃油消耗特性运行 当汽车在纯发动机驱动工况匀速行驶时， gi 的最大值应能保证当 CVT 速比调到最小 值时，发动机在最低限制转速时也能按最小燃油消耗特性工作。 由于无论当汽车空载或满载时均要求使发动机按照最小燃油消耗特性来工 作，所以汽车阻力功率按空载工况计算。 设发动机转速 n=1500r/min 所对应的功 率等于车速为 0 时的阻力功率，则得到以下不等式 : gi  m in / ( )er r ri  (212) 式中 ern 为发动机最低稳定转速 ern =1500r/min. minci 为 CVT最小速比 . 车速 0 由下式决定 : 3003 6 0 0 7 6 1 4 0 0 /De H tPm g f C A      (213) (2) 保证纯发动机驱动工况的最高车速设汽车以最大速比原地起步加速，油门全开 ,当发动机运行到最大功率点 B 时 (如图 )所示，控制发动机保持在最大功率点工作 ,并减少 CVT 速比使车速增加，直至达到最高车速 C 点。 i0的大小应能保证当 CVT 速比调到最大值时，汽车的计算车速不低于设计所要求的最高车速，即 : m a x m i n0 . 3 7 7 / ( )g e p r ci n r i    (214) 式中 : epn 为 发动机最大功率所对应的转速 . 最后配合程序计算的主减速器的速比为 gi =4 .045. 3 金属带传动结构设计 金属带式 CVT 的无级变速原理 金属带式 CVT 主要由金属带和主、从动轮组成，主、从动 带轮均为组合结构，都是由可动锥盘和固定锥盘组成，与油缸靠近的一侧可动锥盘可以在轴上移动。 另一锥盘与轴固定。 可、从动锥盘都是楔形面结构，当动力传到主动轮上，液压缸在控制下对主动带轮可动锥盘产生轴向夹紧力，金属带的 V 型金属块的侧边接触产生摩擦力向前带动金属块，这样使后面的金属块挤压前面的金属块，在二者之间产生挤推力，由于金属带的带长一定，在金属带张力的作用下，金属带推动从动带轮可动锥盘，产生轴向移动，从而改变了金属带在主、从动轮上作用半径，实现无级变速传动。 如图 31 所示。 图 31 金属带式 CVT 的 无级变速原理 金属带式 CVT 的关键部件 金属带 金属带式 CVT 的快速发展得益于金属带制造技术的成熟，在金属带式 CVT 中，金属带 带轮是其核心部分。 金属带要允许两个带轮之间进行高扭矩传递，金属带组件因承受主动轮和从动轮的运动载荷而被压缩在一起，金属带的组件将产生挤推作用 ,而不像其它传动带那样产生的是拉伸作用，这种结构的效果就是，增加了带轮表面的摩擦力，减少打滑。 金属带是一套非常精密的组件，金属块和金属环的加工制造都有严格的精度和性能要求。 金属带中的金属钢环组的各层金属环应均载，否则会出 现一层断，整体断的严重事故，另外形位公差、尺寸公差和配合公差的要求相当高，所以加工精度高，材料、工艺要求苛刻，综合成本极高，只有少数国家可以生产 . 目前金属带 (图 32)一般 由厚度为 宽度为 24mm 或 30mm 的 300400片钢片以及 两匝 各 612 层的钢环构成 . 图 32 目前金属带的结构图 金属钢环组 两束金属钢环组夹在金属块两侧的狭槽内，其中每层金属环是厚度为 的无缝环带。 金属钢环组的功能一是引导 V 型的金属块运动，二是承担金属带中的全部预紧力。 金属钢 环组要承受一个相当高的张力，当金属带工作在相对较小半径时，将产生较大弯曲应力，这极大的降低金属带的寿命，因此金属钢环组通常采用多层薄金属环组成 以降低弯曲应力的影响。 金属环的最小厚度还受到加工条件的限制。 金属环要有较高的韧性，须能抗 数 亿次弯曲循环次数，此外金属钢环组中的各层金属环还必须均载，即上层金属环的内径和下层金属环的外径公差应在 ～ ，且两个连续金属环之间的应力差不超过 30～ 60MPa，最里层与最外层金属环之间的应力差为 30～ 60MPa，否则金属带在传动中极易损坏，严重影响 CVT的寿命。 金属环的层数和尺寸对 V 型金属带的韧性和传递转矩起着重要作用，特别是金属环的厚度是非常重要。 见表 2 金属环的材料通常采用高强度合金，抗冲击，冷轧收缩量等符合要求的马氏体时效钢带，属很纯的低碳钢，约含 18%的 Ni 及 Co、 Mo 等，例如采用薄钢板马氏体钢带，厚度是 ，经退火后被冷轧到 . 金属块 如下图 所示为 V 型金属块的几何尺寸图，其楔角为 11，金属块鞍座面到摇摆棱的高度为。 V 型金属块的主要功能是传递转矩，由于高效、低噪音的要求，金属块必须能够保持在金属环张力引 起的预紧力下工作。 V 型金属块之间的接触面是曲面，金属块侧面槽里的支撑面是双曲面。 基于弹性特性、强度及低噪音的要求，金属块的厚度一般在 ～ . 凸凹和孔结构能防止金属块的偏移，在传动带直线部分的凸凹可以防止金属块之间相互错位，当传动带回转在曲线部分（带轮之间），因为金属块间相互自由位移，上述的错位也因此不会产生。 金属块的材料采用是滚动轴承钢。 主、从动带轮 金属带式 CVT 中只有两个工作带轮：主动带轮和从动带轮 [。 两者之间是通过金属带连接在一起，带轮应具有如下功能： （ 1）提供可 变的带轮直径，从而允许金属带按各种速比进行动力传递。 （ 2）对金属带保持足够的侧向压力，以防止金属带打滑，因为打滑将会损坏金属带及带轮。 （ 3）保证金属带与带轮的接触面必须有足够的硬度，以便抗挤压和磨损。 （ 4）每个带轮包含一个固定锥盘和一个活动锥盘。 主动锥盘与输入轴固定，从动锥盘直接安装在从动轮轴上并能沿轴向移动。 （ 5）液压系统向每只可动锥盘施加连续变化的液压。 （ 6）通过弹簧力、液压、金属带的共同作用，有效地改变带轮的工作半径，实现速比连续变化。 图 33 金属带轮结构图 带轮中固定锥盘与轴做成 一体，可动锥盘通过花键联结与轴同步旋转，并且能在轴上做轴向移动，在液压控制系统的作用作轴向移动，可连续地改变主、从动轮的工作半径，实现无级变速传动，这就是称之为无级变速器的原因所在，在速比改变时，主、从动轮的可。