混合動力客車傳動系統(tǒng)設(shè)計

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混合動力客車傳動系統(tǒng)設(shè)計 摘 要 客車是市民出行的首選，在各個城市中承擔(dān)著人口流動的任務(wù)，應(yīng)用廣泛，數(shù)量眾多。同時城市客車的運行工況特殊，城市中信號燈多，站點之間距離短，運行路線固定，城市客車頻繁的起步，加速，制動，怠速時間長，平均運行速度低。由于汽車設(shè)計時需要滿足最高行駛車速和最大爬坡度等動力性要求，需要裝備大功率發(fā)動機，使得城市客車經(jīng)常處于功率過剩狀態(tài)，造成了嚴(yán)重的能源浪費和環(huán)境污染。 油電混合動力汽車融合了傳統(tǒng)燃油汽車和純電動汽車的優(yōu)點，具有傳統(tǒng)內(nèi)燃機車動力性好和電動汽車清潔環(huán)保的特點，能夠有效的降低能源消耗，減少污染排放，具有重要的研究意義?；旌蟿恿ζ囈话阌梢粋€發(fā)動機和一個電動機來提供動力。動力合成裝置可以對由從發(fā)動機傳遞過來的能量和由從電動機傳遞過來的能量進行動態(tài)合成，然后輸出到驅(qū)動軸上，從而帶動車輛運行。本設(shè)計的這套動力合成裝置的核心是一套行星齒輪傳動系統(tǒng)，它能實現(xiàn)不同輸入轉(zhuǎn)速和動力的合成，有可靠的能量分流，而且結(jié)構(gòu)緊湊，方便控制，將它與傳統(tǒng)的動力傳動技術(shù)緊密結(jié)合，能夠支持多種工作模式。以行星齒輪機構(gòu)的動力耦合能實現(xiàn)復(fù)雜的工作條件需求，因此將會是今后研究和發(fā)展的重點。 關(guān)鍵詞: 動力合成裝置；行星齒輪 ABSTRACT Bus is the first choice of the public, bearing the task of the movement of the population. City bus is widely used and the number is large. The using condition of city bus is special, there are many signal lights, short distance between sites ,fixed routes, frequently starting, accelerating, braking, long idle time, low average speed and so on. As the vehicle needs to meet the requirement of the highest speed and maximum climbing degree while designing, usually a high-power engine is equipped, making the city bus in power surplus state, resulting in a serious energy waste and environment pollution. Hybrid electric vehicle combines the traditional fuel vehicles and pure electric vehicles advantages effectively reduce energy consumption and reduce emissions. It is meaningful to study on hybrid vehicles. this design's this set of power synthesizer's core is a set of planetary transmission system, it can realize the different input rotational speed and the power synthesis, has the reliable energy divergence, moreover the structure is compact, facilitates the control, unifies closely it with the traditional power drive technology, can support many kinds of working patterns. Can realize the complex working condition demand by planetary gears' dynamic coupling, will therefore be the present studies and the development key point. Key words：synthesis of power devices; planetary gear 目 錄 摘 要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1 引言 1 1.2 動力合成裝置簡介 2 1.3 混合動力的發(fā)展趨勢 3 第2章 動力合成裝置設(shè)計 5 2.1 設(shè)計內(nèi)容和要求 5 2.2 選取傳動類型和傳動簡圖 5 2.3配齒計算 6 2.4 初步計算齒輪的主要參數(shù) 8 2.5嚙合參數(shù)計算 9 2.5.1 a-c齒輪副變位系數(shù)分配 10 2.5.2 b-c齒輪副變位系數(shù)分配 11 2.6 幾何參數(shù)計算 12 2.7 裝配條件的驗算 15 第3章 傳動效率計算 16 第4章 齒輪強度校核 20 第5章 結(jié) 論 29 參考文獻 30 致謝 33 附錄 37 第1章 緒論 1.1 引言 能源和環(huán)境的雙重壓力使得混合動力汽車(HEV)[1][2]迎來了發(fā)展的高潮。目前由于電池技術(shù)尚未突破，純電池驅(qū)動具有車速低及續(xù)駛里程短等缺點，而內(nèi)燃機存在效率不高，大部分能量損失在內(nèi)燃機的發(fā)熱中，以及排放有害氣體等不足。在蓄電池及其他能源裝置尚不能完全取代傳統(tǒng)的內(nèi)燃機時，HEV成為了最佳的選擇?；旌蟿恿ζ囀侵赣蓛煞N或兩種以上的儲能器、能量或轉(zhuǎn)換器作為驅(qū)動能源，其中至少有一種能提供電能的車輛?；旌蟿恿偝砂磩恿鬏斅肪€分類，可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式等三種?；旌蟿恿ζ囎鳛槟壳捌囶I(lǐng)域能緩解能源緊張壓力和減少污染的最可行的手段，已經(jīng)成為當(dāng)今世界汽車領(lǐng)域研究的熱點?；旌蟿恿ζ囋谟蓚鹘y(tǒng)燃料汽車向燃料電池汽車的轉(zhuǎn)變過程中扮演著承上啟下的角色。 混合動力汽車的關(guān)鍵是混合動力系統(tǒng)，它的性能直接關(guān)系到混合動力汽車整車性能。經(jīng)過十多年的發(fā)展，混合動力系統(tǒng)總成已從從原來發(fā)動機與電機離散結(jié)構(gòu)向發(fā)動機電機和變速箱一體化結(jié)構(gòu)發(fā)展，即集成化混合動力總成系統(tǒng)。 動力合成裝置作為混合動力汽車的重要部分，它是用在混合動力汽車上面用來實現(xiàn)能量的整和與分配的機械裝置，通過這套裝置混合對電動車輛將由從發(fā)動機傳遞過來的能量和由從電動機傳遞過來的能量進行動態(tài)合成，然后輸出到傳動軸，帶動車輛運行。它的性能直接影響到了車輛運行的狀況和整車性能。動力合成與切換裝置的主要元件為行星齒輪機構(gòu)?；旌蟿恿ζ囉兄辽賰蓚€動力源，一般混合動力電動汽車有一個發(fā)動機和一個電動機來提供動力，該裝置主要是為了實現(xiàn)在兩個動力源同時工作時，動力耦合與分配的問題。 混合動力是目前汽車界發(fā)展的趨勢，國外的混合動力已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化了。但是目前國內(nèi)混合動力仍存在一些問題，其中主要的問題是動力耦合困難，其表現(xiàn)有:串聯(lián)式混合動力發(fā)動機只能靜態(tài)時充電，而在行駛的過程中充電不穩(wěn)定。并聯(lián)式和混聯(lián)式還沒有采用行星齒輪，而齒輪式離合器在車速到達一定值時存在嚴(yán)重的打齒現(xiàn)象。存在這些問題主要還是國內(nèi)的控制水平落后于國外。對于串聯(lián)式來說，如何解決在動態(tài)時發(fā)動機充電的穩(wěn)定，是串聯(lián)式動力耦合存在的問題。目前對于并聯(lián)式和混聯(lián)式的動力耦合來說主要采用行星齒輪式和離合器式兩種。目前，日本豐田Prius混合動力汽車THSⅡ系統(tǒng)是公認(rèn)的最為成熟的動力系統(tǒng)之一，其核心元件就是一個行星齒輪機構(gòu)動力合成裝置。它采用行星齒輪變速結(jié)構(gòu)，變速器內(nèi)置動力分離裝置，行星齒輪機構(gòu)巧妙地將減速器、發(fā)電機和電動機等動力部件耦合在一起，同時行星齒輪又起到無級變速器的功能，結(jié)構(gòu)十分緊湊，形成一個集成化混合動力總成系統(tǒng)。但到目前為止，國內(nèi)采用的行星齒輪動力耦合裝置還不能達到較好的動力藕合的目的。而對于離合器式來說，目前采用的是齒輪式離合器，但當(dāng)齒輪式離合器車速達到40—50km/h以上時，齒輪結(jié)合就會打齒。但是，以行星齒輪機構(gòu)的動力耦合能實現(xiàn)復(fù)雜的工作條件需求，因此將會是今后研究和發(fā)展的重點。 1.2 動力合成裝置簡介 混合動力汽車控制所期望達到的目標(biāo)：最大燃油經(jīng)濟性，最小排放，較好的加速性能、爬坡性能和較低的噪聲及較大的續(xù)駛里程?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)該包括：動力分配系統(tǒng)、發(fā)動機運轉(zhuǎn)控制、傳動控制系統(tǒng)、電池管理控制及車輛駕駛控制等。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1—1所示。在結(jié)構(gòu)上，它允許有兩個輸入，如圖中所示，一個為電動機輸入，一個為發(fā)動機輸入，有一個輸出，這樣的結(jié)構(gòu)要能滿足混合動力汽車在只有一個動力源和兩個動力源同時輸入的情況下的輸入。 圖1-1 結(jié)構(gòu)基本原理圖 本設(shè)計的動力合成裝置的核心是一套行星齒輪系統(tǒng)[3][4]，它除了能夠進行動力合成與切換外，還能實現(xiàn)小范圍變速的可能，同時，由于考慮到在汽車上的使用條件，所有齒輪均采用斜齒齒輪，以增加齒輪系統(tǒng)傳動的平穩(wěn)性，降低其在傳動中產(chǎn)生的噪聲。由于使用的的要求，有的部分材料采用加強硬度的工藝，此外，用于混合動力汽車動力合成裝置的行星齒輪機構(gòu)還應(yīng)具有以下的特點： （1）能實現(xiàn)不同輸入轉(zhuǎn)速和動力的合成； （2）有可靠的能量分流，能量流方向的變更； （3）結(jié)構(gòu)緊湊，方便控制，而且有效，可靠； （4）與傳統(tǒng)的動力傳動技術(shù)緊密結(jié)合； （5）支持多種工作模式。 對動力合成與切換裝置的設(shè)計，主要是基于其行星齒輪機構(gòu)的設(shè)計。國外將行星齒輪機構(gòu)用作動力合成與切換裝置比較成熟的有豐田的Prius，在我國，對混合電動汽車動力合成與切換裝置的研究起步比較晚，但是發(fā)展迅速。 1.3 混合動力的發(fā)展趨勢 混合動力是發(fā)展的趨勢，國外的混合動力已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化了，而目前國內(nèi)混合動力仍存在一些問題，其中主要的問題是動力耦合困難，其表現(xiàn)有:串聯(lián)式混合動力發(fā)動機只能在靜態(tài)時充電，在行駛的過程中充電不穩(wěn)定。并聯(lián)式和混聯(lián)式還沒有采用行星齒輪機構(gòu)，而齒輪式離合器在車速到達一定值時存在嚴(yán)重的打齒現(xiàn)象。存在這些問題主要還是國內(nèi)的控制水平落后于國外。對于串聯(lián)式來說，如何解決在動態(tài)時發(fā)動機充電的穩(wěn)定，是串聯(lián)式動力耦合存在的問題。目前對于并聯(lián)式和混聯(lián)式的動力耦合來說主要采用行星齒輪和離合器式兩種。日本豐田Prius的行星齒輪是成熟的動力耦合部件，而對于離合器式來說，目前采用的是齒輪式離合器，但齒輪離合器式在車速40—50km/h以上齒輪結(jié)合時就會打齒。采用行星齒輪機構(gòu)，盡管在結(jié)構(gòu)上要顯得復(fù)雜，但是有利于實現(xiàn)其傳動速比要求，同時能滿足的不同工作狀態(tài)下的使用要求。因此，采用行星齒輪機構(gòu)的動力耦合裝置將會是今后發(fā)展的主要方向。 隨著豐田Prius混合動力汽車的推出，采用行星差速機構(gòu)的混合動力系統(tǒng)逐漸流行，這種型式通過行星機構(gòu)可以實現(xiàn)多個部件轉(zhuǎn)速的復(fù)合，而各個部件間的轉(zhuǎn)矩保持一定的比例關(guān)系，這種功率復(fù)合形式被稱為速度復(fù)合，這種行星機構(gòu)有兩個自由度，但通過不同離合器和制動器的作用，可以實現(xiàn)單自由度，固定傳動比的傳動，目前對于這種混合動力系統(tǒng)的研究很多，也出現(xiàn)了許多種結(jié)構(gòu)。 日本豐田新一代Prius混合動力汽車的THSⅡ（Toyota Hybrid System Ⅱ）系統(tǒng)[5]是目前公認(rèn)的最為成熟的動力系統(tǒng)之一，其核心元件就是一個行星齒輪機構(gòu)動力耦合裝置，如圖1—2所示，在此裝置中，發(fā)動機與行星架相聯(lián)，通過行星齒輪將動力傳給外圈的齒圈和內(nèi)圈的太陽輪，齒圈軸與電動機和傳動軸相聯(lián)，太陽輪軸與發(fā)電機相聯(lián)，動力分配裝置將發(fā)動機一部分轉(zhuǎn)矩(大約為70%)直接傳遞到驅(qū)動軸上，將另一部分轉(zhuǎn)矩傳送到發(fā)電機上，發(fā)電機發(fā)出的電將根據(jù)指令或用于給電池組充電，或用于驅(qū)動電動機以增加驅(qū)動力。它采用的是一種串并聯(lián)混合的混合動力系統(tǒng)，即混聯(lián)式動力驅(qū)動系統(tǒng)，用該行星齒輪機構(gòu)動力分離裝置[6]將動力分為兩條路徑：一條路徑是從發(fā)動機直接發(fā)出動力到車輪；另一條路徑（電路）是通過電機轉(zhuǎn)化電能驅(qū)動汽車或給電池充電。當(dāng)汽車正常行駛時切斷發(fā)動機線路，使用電機驅(qū)動，從而避免了能量在傳輸過程中由于離合器和變速器而引起的損失。因此，對這方面的研究探討意義深遠?；诖耍驹O(shè)計將參考豐田Prius的相關(guān)數(shù)據(jù)，設(shè)計一適合于混合動力汽車用的行星齒輪機構(gòu)動力合成裝置。 圖1-2 豐田Prius混合動力汽車THSⅡ結(jié)構(gòu)簡圖 第2章 動力合成裝置設(shè)計 2.1 設(shè)計內(nèi)容和要求 試為某混合動力汽車動力合成裝置設(shè)計所需的行星齒輪機變速機構(gòu)[7]，其基本參數(shù)如表2-1所示?，F(xiàn)已知該行星傳動的最大輸入功率P1=96kw,最大輸入轉(zhuǎn)速r/min,傳動比=3.55，允許的傳動比偏差△=0.01，要求使用壽命5年，且要求該行星齒輪傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、外廓尺寸較小和傳動效率高。 表2-1 某款混合動力汽車基本參數(shù) 項目 參數(shù) 總質(zhì)量（kg） 4375 發(fā)動機排量（L） 4.214 發(fā)動機最大功率（kw / rpm） 96 / 5000 發(fā)動機最大扭矩（N.m / rpm） 420/ 4000 電動機最大功率（kw / rpm） 50 / 1200~1540 電動機最大扭矩（N.m / rpm） 400 / 0~1200 變速器最大傳動比 3.55 2.2 選取傳動類型和傳動簡圖 根據(jù)上述設(shè)計要求：傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、外廓尺寸較小和傳動效率高，查常用行星齒輪傳動的類型及其主要特點可知，2Z-X( A )型差動行星齒輪能滿足設(shè)計要求。該傳動類型效率高，體積小，質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便。適用于任何工況下大小功率的傳動，且廣泛地應(yīng)用于動力及輔助傳動中，工作制度不限，可作為增速、減速和差速裝置?？紤]到應(yīng)用于汽車上要求壽命長、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、工作噪聲低等要求，故選用漸開線斜齒圓柱齒輪傳動較為合理，其傳動簡圖如圖2-1所示。 a—太陽輪（中心輪） b—齒圈（內(nèi)齒輪） c—行星輪 x—行星架（懸臂） 圖2-1 2Z-X( A )型差動行星齒輪 2.3配齒計算 2Z-X( A )型行星傳動比和其配齒公式如下 （2-1） （2-2） （2-3） （2-4） 角度變時， （2-5） 當(dāng)為偶數(shù)時，取 當(dāng)為奇數(shù)時，取 注：為行星排特性參數(shù)，即齒圈與太陽輪齒數(shù)之比。 現(xiàn)考慮到該行星輪傳動的外廓尺寸較小，承載能力較高等要求，選擇太陽輪a的齒數(shù)和行星輪數(shù)目。 按公式(3-3)可得齒圈b的齒數(shù)為 按公式(3-5)可得行星輪c的齒數(shù)為 再按公式( 3-1 )驗算實際的傳動比 其傳動比誤差為 故滿足傳動比誤差的要求，即得該行星傳動的實際的傳動比。 最后，確定該行星傳動各輪的齒數(shù)為，，。 另外也可根據(jù)傳動查機械設(shè)計手冊[8]直接得到上述各輪齒數(shù)。 2.4 初步計算齒輪的主要參數(shù) 行星齒輪傳動中太陽輪同時與幾個行星輪嚙合，載荷循環(huán)次數(shù)最多，因此，在一般情況下，應(yīng)選用承載能力較好的合金鋼，并采用表面淬火、滲碳、滲氮等熱處理方法，增加其表面硬度。在NGW傳動中，行星輪c同時與太陽輪a和齒圈b嚙合，齒輪受雙向彎曲載荷，所以常選用與太陽輪相同的材料和熱處理。齒圈強度一般裕量較大，可采用稍差一些的材料。齒面硬度也可低些，通常只調(diào)質(zhì)處理，也可表面淬火和滲碳。 齒輪材料和熱處理的選擇：太陽輪a和行星輪c均采用20CrMnTi，滲碳淬火齒面硬度58~62HRC，接觸疲勞極限，彎曲疲勞極限，太陽輪a和行星輪c的加工精度為6級；齒圈b采用40Cr，調(diào)質(zhì)硬度250~290HBS，，，加工精度為7級。 對于閉式硬齒面齒輪傳動（HBS≥350），其抗點蝕能力較高，所以一般先按彎曲疲勞強度進行計算，再校核其接觸疲勞強度。 按齒根彎曲強度初算齒輪法向模數(shù)的公式為 （2-6） 現(xiàn)已知小齒輪（行星輪）的齒數(shù)，彎曲疲勞極限，小齒輪名義轉(zhuǎn)矩 ；取算式系數(shù),綜合系數(shù),彎曲強度的行星輪間載荷不均勻系數(shù),齒形系數(shù)，齒寬系數(shù)。 則得小齒輪法向模數(shù) 圓整后取小齒輪標(biāo)準(zhǔn)法向模數(shù)mm 初選螺旋角，則a-c嚙合齒輪副的中心距mm 圓整后取mm 則實際螺旋角 由于實際螺旋角與前設(shè)螺旋角很接近，故上面確定的參數(shù)可以使用，否則應(yīng)重設(shè)β或調(diào)整齒數(shù)后再進行確定。 2.5嚙合參數(shù)計算 在兩個嚙合齒輪副a-c和b-c中，其非變位標(biāo)準(zhǔn)中心距分別為 mm 圓整后取mm mm 由此可見，兩齒輪副的非變位標(biāo)準(zhǔn)中心距不相等，且有，因此該行星輪傳動不能滿足非變位的同心條件。為了是該行星傳動既能滿足給定傳動比的要求，又能滿足嚙合傳動的同心條件，既應(yīng)使各齒輪副的實際嚙合中心距′相等，則必須對該2Z-X( A )型差動行星傳動進行變位。 根據(jù)兩標(biāo)準(zhǔn)中心距之間的關(guān)系,現(xiàn)取其實際中心mm作為各齒輪副的公用中心距。 現(xiàn)已知，，mm，mm；取標(biāo)準(zhǔn)法向壓力角，則端面壓力角=，對各齒輪副的嚙合參數(shù)計算結(jié)果如表2-2所示。 表2-2 2Z-X( A )型差動行星傳動嚙合參數(shù)計算 項目 計算公式 a-c齒輪副 b-c齒輪副 法向中心距變動系數(shù) 端面 嚙合角 法向變位系數(shù)和 法向齒頂高變動系數(shù) 注：1.表中下角標(biāo)2、1分別代表齒輪副中大、小齒輪。 2.有“”或“”處，上面符號用于外嚙合，下面符號用于內(nèi)嚙合。 2.5.1 a-c齒輪副變位系數(shù)分配 在a-c齒輪副中，，，中心距。據(jù)此可知，該齒輪副變位的目的是為了湊合中心距和改善嚙合性能，其變位方式采用角度變位的正傳動，即。 可按下式計算小齒輪的法向變位系數(shù)的值，即 （2-7） 若該小齒輪為輸入齒輪時，；若小齒輪為輸出齒輪時，。 然后按下式可求得大齒輪的法向變位系數(shù)的值，即 （2-8） 式中，“+”適用于內(nèi)嚙合，“－”適用于外嚙合。 現(xiàn)已知，，，，取。 按公式（2-7）可求得行星輪c的法向變位系數(shù)為 按公式（2-8）可得太陽輪a的法向變位系數(shù)為 2.5.2 b-c齒輪副變位系數(shù)分配 在b-c齒輪副中，，，mm。由此可知，該齒輪副變位的目的是為了改善齒輪副的嚙合性能和修復(fù)嚙合齒輪副，故其變位方式采用高度變位，即，則可得齒圈b的法向變位系數(shù)為 2.6 幾何參數(shù)計算 對于該2Z-X( A )型差動行星傳動可查手冊的計算公式進行其幾何尺寸的計算。各齒輪副的幾何尺寸的計算結(jié)果如表2-3所示。 表2-3 2Z-X( A )型差動行星傳動幾何尺寸計算 項目 計算公式 a-c齒輪副 b-c齒輪副 變位系數(shù)x 分度圓直徑d 基圓直徑 節(jié)圓直徑 齒 頂 圓 直 徑 外嚙合 內(nèi)嚙合 （插齒） （） 齒 根 圓 直 徑 外嚙合 內(nèi)嚙合 用插齒刀加工： 端面重合度 注：1.表內(nèi)公式中，為齒頂壓力角；為插齒刀的齒頂圓直徑；為插齒刀與被加工齒輪之間的中心距。 2.表中的徑向間徑，其中。 關(guān)于用插齒刀加工內(nèi)齒輪（即齒圈b），其齒根圓直徑的計算 已知法向模數(shù)mm，插齒刀齒數(shù)，齒頂高系數(shù)，變位系數(shù)（中等磨損程度）。試求被插制內(nèi)齒輪的齒根圓直徑。 齒根圓直徑按下式計算，即 （2-9） 式中 —插齒刀的齒頂圓直徑； —插齒刀與被加工內(nèi)齒輪的中心距。 則mm 現(xiàn)對內(nèi)嚙合齒輪副b-c計算如下。 已知，，則有 invinv inv 查漸開線函數(shù)表[8]得 。 加工中心距為 mm 按公式（2-9）計算內(nèi)齒輪b齒根圓直徑為 mm。 2.7 裝配條件的驗算 對于所設(shè)計的上述行星齒輪傳動應(yīng)滿足如下的裝配條件。 （1）鄰接條件 即 已知，，。代入上式，則得 39.457mm<2×42mm 即滿足鄰接條件。 （2）同心條件 即 已知各齒輪副的端面嚙合角和，且知、和。代入上式，則得 即滿足同心條件。 （3）安裝條件 即（整數(shù)） 現(xiàn)已知、和。代入上式，則有 所以，滿足其安裝條件。 第3章 傳動效率計算 本設(shè)計的2Z-X(A)型差動行星齒輪為一個基本構(gòu)件輸入，另兩個基本構(gòu)件輸出，即行星架X輸入，太陽輪a與齒圈b輸出?，F(xiàn)已知行星架的轉(zhuǎn)速r/min，太陽輪的轉(zhuǎn)速 r/min，各齒輪齒數(shù)為、和，試求該差動行星齒輪傳動的效率值[7][9]。 首先求其行星排特性參數(shù) 齒圈的轉(zhuǎn)速為 r/min，可知，則可按下式計算其傳動效率值，即 （3-1） 上式中，損失系數(shù) （3-2） 式中，—轉(zhuǎn)化機構(gòu)中太陽輪a與行星輪c之間的嚙合損失系數(shù) —轉(zhuǎn)化機構(gòu)中齒圈與行星輪c之間的嚙合損失系數(shù) 按公式求嚙合損失系數(shù)，即 （3-3） 現(xiàn)取其嚙合摩擦因數(shù)。 故 可得 則其傳動效率值為 考慮到滾動軸承的摩擦損失，則得其傳動效率值為 第4章 齒輪強度校核 在對各基本構(gòu)件進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計之后，就應(yīng)該對該行星齒輪傳動中的各個齒輪進行強度驗算[8][13]，在驗算行星齒輪傳動的強度時，其基本的原始參數(shù)為：齒輪的材料及其力學(xué)性能和熱處理，齒數(shù)比，幾何參數(shù)b、 、m、和等。 行星齒輪傳動的承載能力一般是根據(jù)其齒面接觸強度和齒根彎曲強度條件來決定的。硬齒面（HBS≥350）的鋼制齒輪的承載能力主要取決于齒根彎曲強度，故應(yīng)按齒根彎曲強度餓初算公式計算齒輪的模數(shù)m，然后按齒面接觸強度條件公式對其強度進行驗算。對斜齒輪來說，模數(shù)m應(yīng)為其法向模數(shù)。 由于該2Z-X(A)型差動行星齒輪傳動具有短期工作的特點，且具有結(jié)構(gòu)緊湊、外廓尺寸較小和傳動平穩(wěn)的特點。針對其工作特點，只需按其彎曲應(yīng)力的強度條件公式進行校核計算，即 （5-1） 首先按齒根應(yīng)力計算公式計算齒輪的齒根應(yīng)力，即 （5-2） 式中 —使用系數(shù)； —動載荷系數(shù)； —計算彎曲強度的齒向載荷分布系數(shù)； —計算彎曲強度的齒間載荷分配系數(shù)； —計算彎曲強度的行星輪間載荷分配不均勻系數(shù)； —齒根應(yīng)力的基本值，N/，對大小齒輪應(yīng)分別確定。 其中，齒根應(yīng)力的基本值可按以下公式計算，即 （5-3） 式中 —載荷作用于齒頂時的齒形系數(shù)； —載荷作用于齒頂時的應(yīng)力修正系數(shù)； —計算彎曲強度的重合度系數(shù)； —計算彎曲強度的螺旋角系數(shù)； —工作齒寬，mm；若大小齒輪不同時，寬輪的計算工作齒寬不應(yīng)大于窄輪齒寬加上一個模數(shù)。 許用齒根應(yīng)力可按下式計算，對大小齒輪的要分別確定。 （5-4） 式中 —試驗齒輪的齒根彎曲疲勞極限，N/; —試驗齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)，??； —計算彎曲強度的壽命系數(shù)； —相對齒根圓角敏感系數(shù)； —相對齒根表面狀況系數(shù)； —計算彎曲強度的最小安全系數(shù)。 —尺寸系數(shù) 現(xiàn)將該2Z-X(A)型差動行星齒輪傳動按照兩個齒輪副a-c和b-c分別驗算如下。 （1）a-c齒輪副 （1）名義切向力 太陽輪a的切向力可按下式計算，即 （5-5） 現(xiàn)已知N.m，和，則可得 N （2）有關(guān)系數(shù) a. 使用系數(shù) 使用系數(shù)按中等載荷沖擊查表得。 b. 動載荷系數(shù) 先按齒輪計算輪太陽輪a相對于行星架X的速度，即 （5-6） 其中，r/min = 1047.2 m/s，r/min = 523.6m/s 所以 m/s 已知太陽輪a和行星輪c的精度等級為6級，即精度系數(shù)C=6；再按公式計算動載荷系數(shù)，即 （5-7） 式中 則得 即太陽輪a和行星輪c的動載荷系數(shù) c. 齒向載荷分布系數(shù) 齒向載荷分布系數(shù)可按下式計算，即 （5-8） 式中 —齒輪相對行星架X的圓周速度及大齒輪齒面硬度對于的影響系數(shù)。 —齒寬和行星輪數(shù)對的影響系數(shù) 由圖取，，則可得 d. 齒間載荷分配系數(shù) 由表查的齒間載荷分配系數(shù) e. 行星輪間載荷分配不均勻系數(shù) 行星輪間載荷分配不均勻系數(shù)可按下式計算，即 （5-9） 現(xiàn)已取，則可得 f. 齒形系數(shù) 由圖可查得， g. 應(yīng)力修正系數(shù) 由圖查得， h. 重合度系數(shù) 重合度系數(shù)可按下式計算，即 （5-10） 當(dāng)量齒輪的端面重合度 基圓螺旋角 則 故 i. 螺旋角系數(shù) 由表查得 3）計算齒根彎曲應(yīng)力 按公式（5-2）計算齒根彎曲應(yīng)力，即 4）計算許用齒根應(yīng)力 按公式（5-4）計算許用齒根應(yīng)力，即 已知齒根彎曲疲勞極限，由表查得最小安全系數(shù)。 式中各系數(shù)、、、和取值如下。 應(yīng)力系數(shù)，按所給定的區(qū)域圖取時，取 壽命系數(shù)可按下式計算，即式中 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 則得 取齒根圓角敏感系數(shù)，相對齒根表面狀況系數(shù) 尺寸系數(shù) 將以上各系數(shù)代入（5-4）可得許用齒根應(yīng)力為 即有。所以，a-c齒輪副滿足齒根彎曲條件。 （2）b-c齒輪副 在內(nèi)嚙合齒輪副b-c中只需要校核內(nèi)齒輪b的齒根彎曲強度，即仍需按公式（5-2）計算其齒根彎曲應(yīng)力及按公式（5-4）計算許用齒根應(yīng)力?，F(xiàn)已知，。 仿上，通過查圖表或采用相應(yīng)的計算公式，可得到取值與外嚙合不同的系數(shù)為、、、、、、、、、和，代入公式，可得 可見，，故b-c齒輪副也滿足強度條件。 第5章 結(jié) 論 動力合成裝置是混合動力汽車上的核心組成之一，它實現(xiàn)了多個能量之間的耦合與分配，對混合動力整車的性能有很大的影響。因此，對混合動力汽車動力合成裝置的研究有重大的意義。 本設(shè)計的混合動力汽車動力合成裝置的核心結(jié)構(gòu)是一個差動行星齒輪機構(gòu)，它主要由太陽輪、行星輪、行星架和環(huán)齒圈四個基本構(gòu)件組成。通過它能實現(xiàn)不同輸入轉(zhuǎn)速和動力的合成，有可靠的能量分流，而且結(jié)構(gòu)緊湊，方便控制，將它與傳統(tǒng)的動力傳動技術(shù)緊密結(jié)合，能支持多種工作模式。 將近半年的本科畢業(yè)設(shè)計，使我頗獲收益。通過查閱相關(guān)文獻資料，親身實踐設(shè)計，使我對混合動力汽車的功能和結(jié)構(gòu)有較深的理解。在設(shè)計完成過程中，我大學(xué)四年所學(xué)的汽車構(gòu)造、力學(xué)分析、機械制圖和機械設(shè)計等方面的知識得到了一次很好的鍛煉和升華，從而為我今后更好地學(xué)習(xí)工作打下了堅實的基礎(chǔ)。當(dāng)然，由于時間和能力有限，本設(shè)計難免有些地方有考慮不周或是遺漏，借此希望得到各位老師的指正，以便于今后的改進。 參考文獻 [1] Antoni Szumanowski（波蘭）原著，陳清泉，孫逢春編譯.混合電動車輛基礎(chǔ)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2001.11 [2]任勇，秦大同等.混合動力電動汽車的研發(fā)實踐[J] .重慶大學(xué)學(xué)報，2004.4 [3]魏躍遠，林逸等.雙排行星齒輪機構(gòu)在混合動力汽車上的應(yīng)用研究[J] .汽車技術(shù)，2005 .8 [4]步曦，杜愛民，薛鋒.混合動力汽車用行星齒輪機構(gòu)的理論研究與仿真分析[J] .汽車工程，2006.9 [5]張金柱.豐田第二代混合動力系統(tǒng)（THSⅡ）[J] .內(nèi)燃機，2005.3 [6]周少穎.混合動力電動汽車動力合成與切換裝置的速比與動力匹配規(guī)律研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)汽車工程系，2007.5 [7] 饒振剛.行星齒輪傳動設(shè)計[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.7 [8] 機械設(shè)計手冊編委會.機械設(shè)計手冊新版第三卷[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.8（2006.4） [9]朱元，田光宇等.行星齒輪機構(gòu)的混合動力汽車的系統(tǒng)效率[J] .汽車工程，2004.3 [10] 王望予.汽車設(shè)計第四版[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2004.8 [11] 劉維信.汽車設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001.7 [12] 陳家瑞.汽車構(gòu)造第四版下冊[M].北京：人民交通出版社，2002.2 [13] 李秀珍.機械設(shè)計基礎(chǔ)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.4  致謝 經(jīng)過半年的忙碌和工作，本次本科畢業(yè)設(shè)計已接近尾聲，作為一個本科生，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周的地方，如果沒有導(dǎo)師的敦促指導(dǎo)，以及周圍同學(xué)的大力支持，想要如期完成這個設(shè)計是較為困難的。 在這里首先我要感謝我的導(dǎo)師郭新華老師。郭老師平日里工作繁忙，但在我作畢業(yè)設(shè)計的各個階段，從設(shè)計方案的確定、修改，到以后的中期檢查，后期的詳細設(shè)計、裝配草圖及零件圖繪制等，郭老師都給予了我悉心的指導(dǎo)。除了敬佩郭老師的專業(yè)水平外，他嚴(yán)謹(jǐn)求實的治學(xué)態(tài)度和科學(xué)研究的精神使我受益匪淺，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。 最后衷心感謝在百忙中抽出時間來為我審閱本次設(shè)計的各位老師。 附錄 1 At present, the widespread use of motor vehicle fuel there are all sorts of ills, statistics show that 80% of road conditions, an ordinary car to use only the power potential of 40% in urban areas also dropped to 25%, is more serious Emissions from polluting the environment. Since the 1990s, countries in the world to improve the environmental voice rising, a wide range of electric vehicles stand out. While it is generally agreed that the future of the world for electric vehicles, but the battery had technical problems hinder the application of electric vehicles. As the energy density of batteries and gasoline, compared to 100 times worse, it fell far short of the required values, experts estimate that within 10 years of electric vehicles can not replace the motor vehicle fuel (fuel cell technology unless there is a major breakthrough). Reality forced the engineers to come up with a way to the best of both worlds, to develop a hybrid power unit (Hybrid-ElectricVehicel, the initials HEV) vehicles. The so-called hybrid motor is installed with the auxiliary power unit in the combination of car do the driving force, the auxiliary power unit is in fact a small fuel or engine power generators. The image is that the tradition is to do as much as possible of small engines, so that part of the power from the battery - motor system to bear. This hybrid device not only played an engine continued to work long hours, the power of good advantages, but also to play a non-polluting electric motor, the benefits of low-noise, the two "shoulder to shoulder to fight" each other, the car can increase the thermal efficiency of more than 10%, Emissions can be improved more than 30%. Hybrid electric vehicles according to the source of energy in the form of synthesis into the main Series (SHEV) and Parallel (PHEV) two. Series momentum from the engine, generator and electrical power train consists of three parts, between them in series with the way the composition of SHEV power unit system. Load hours by the battery-powered motor drive the wheels turning, big load when driven by the engine-driven generator motor. When electric vehicles such as the Department started to accelerate, climbing the case, the engine - motor and batteries to provide electric power to the common; when the low-speed electric vehicles, taxiways, the idle condition, the battery-driven electric motors, By the engine - generating units to the battery charge. This series of electric vehicles no matter under what conditions, are ultimately driven by electric motors to the wheels. For example, Ford, "a new level -2010" SHEV, its fuel-cell batteries used in urban cities in motion by the fuel cell-driven electric motors, motor reducer through the (transmission) and drive axle wheel drive, to achieve a "zero emission" request . When high-speed and climbing, from the engine - motor and fuel cell-powered electric motor to a common group, the drive wheel. Parallel installation of the engine and electrical machinery in order to be able to overlay the way car drivers, engines and electric motors belong to the two systems, and can be independently provided to the automotive power train torque at different roads can not only co-driver can drive alone. Motor can be used for both motor and generator can be used, also known as electric - power generation plant. In the absence of a separate generator, the engine can drive the wheels through the transmission mechanism, so the device closer to the traditional vehicle drive system, a more widely used. For example, Volkswagen's Golf PHEV, the engine through a clutch of electric drive - generators, torque output through the other side of the clutch 2-driven vehicles. Stationary start, the electric battery - power generators, electrical at this time - is the engine starter generator. Start the engine, motor vehicles, on the one hand, as a separate source of power-driven wheels, on the other hand, electric drive - power generator to recharge the battery, this time with the traditional car. In urban traffic, shut down the engine, the clutch was torn off and used as the sole energy to the battery-powered electric motors, engines replaced by motor-driven wheels. When electric cars need high-speed or high load, start the engine clutch closed, and electric engine - driven generator system in the form of complex, with the greatest power-driven vehicles. Hybrid vehicles in developed countries has become more sophisticated, and some have entered the practical stage. Since the structure is complicated, and the relatively high electric vehicles in the era before the arrival of hybrid vehicles  附錄 2 當(dāng)前普遍使用的燃油發(fā)動機汽車存在種種弊病，統(tǒng)計表明在占80％以上的道路條件下，一輛普通轎車僅利用了動力潛能的40％，在市區(qū)還 會跌至25％，更為嚴(yán)重的是排放廢氣污染環(huán)境。20世紀(jì)90年代以來，世界各國對改善環(huán)保的呼聲日益高漲，各種各樣的電動汽車脫穎而出。雖然人們普遍認(rèn)為未來是電動汽車的天下，但是目前的電池技術(shù)問題阻礙了電動汽車的應(yīng)用。由于電池的能量密度與汽油相比差上百倍，遠未達 到人們所要求的數(shù)值，專家估計在10年以內(nèi)電動汽車還無法取代燃油發(fā)動機汽車（除非燃料電池技術(shù)有重大突破）。 現(xiàn)實迫使工程師們想出了一個兩全其美的辦法，開發(fā)了一種混合動力裝置（Hybrid-ElectricVehicel，縮寫HEV）的汽車。 所謂混合動力裝 置就是將電動機與輔助動力單元組合在一輛汽車上做驅(qū)動力，輔助動力單元實際上是一臺小型燃料發(fā)動機或動力發(fā)電機組。形象一點說，就是 將傳統(tǒng)發(fā)動機盡量做小，讓一部分動力由電池-電動機系統(tǒng)承擔(dān)。這種混合動力裝置既發(fā)揮了發(fā)動機持續(xù)工作時間長，動力性好的優(yōu)點，又可以 發(fā)揮電動機無污染、低噪聲的好處，二者“并肩戰(zhàn)斗”，取長補短，汽車的熱效率可提高10％以上，廢氣排放可改善30％以上?；旌蟿恿υ措妱榆嚢凑漳芰亢铣傻牡男问街饕譃榇?lián)式(SHEV）和并聯(lián)式（PHEV）兩種。串聯(lián)式動力由發(fā)動機、發(fā)電機和電動機三部分動力總成組成，它們之間用串聯(lián)的方式組成SHEV的動力單元系統(tǒng)。負荷小時由電池驅(qū)動電動 機帶動車輪轉(zhuǎn)動，負荷大時則由發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電驅(qū)動電動機。當(dāng)電動車處如啟動、加速、爬坡的工況時，發(fā)動機-電動機組和電池組共同 向電動機提供電能；當(dāng)電動車處低速、滑行、怠速的工況時，則由電池組驅(qū)動電動機，由發(fā)動機-發(fā)電機組向電池組充電。這種串聯(lián)式電動車不 管在什么工況下，最終都要由電動機來驅(qū)動車輪。例如福特“新能級－2010”SHEV，其電池采用燃料電池，在城市市區(qū)行駛時全部由燃料電池 驅(qū)動電動機，電動機通過減速器（變速器）和驅(qū)動橋驅(qū)動車輪，達到了“零排放”要求。當(dāng)高速及爬坡時，則由發(fā)動機-電動機組和燃料電池組 共同向電動機供電，驅(qū)動車輪。 并聯(lián)式裝置的發(fā)動機和電動機以機械能疊加的方式驅(qū)動汽車，發(fā)動機與電動機分屬兩套系統(tǒng)，可以分別獨立地向汽車傳動系提供扭矩，在 不同的路面上既可以共同驅(qū)動又可以單獨驅(qū)動。電動機既可以作電動機又可以作發(fā)電機使用，又稱為電動－發(fā)電機組。由于沒有單獨的發(fā)電機，發(fā)動機可以直接通過傳動機構(gòu)驅(qū)動車輪，因此該裝置更接近傳統(tǒng)的汽車驅(qū)動系統(tǒng)，得到比較廣泛的應(yīng)用。例如大眾汽車公司的高爾夫PHEV，發(fā)動機通過離合器1帶動電動－發(fā)電機，輸出扭力再通過另一邊離合器2驅(qū)動車輛行駛。靜止啟動時，電池向電動－發(fā)電機供電，此時電動－ 發(fā)電機就是發(fā)動機的起動機。發(fā)動機啟動后，發(fā)動機一方面作為車輛單獨的動力源驅(qū)動車輪，另一方面又帶動電動－發(fā)電機發(fā)電向電池充電， 此時與傳統(tǒng)汽車一樣。在市區(qū)行駛時，發(fā)動機關(guān)閉，離合器脫開，電池做為唯一能源向電動機供電，由電動機取代發(fā)動機驅(qū) 動車輪。當(dāng)電動車需要高速或高負荷時，發(fā)動機啟動離合器閉合，發(fā)動機與電動－發(fā)電機系統(tǒng)組成復(fù)合驅(qū)動形式，以最大功率驅(qū)動車輛?；旌蟿恿ζ囋诎l(fā)達國家已經(jīng)日益成熟，有些已經(jīng)進入實用階段。由于構(gòu)造復(fù)雜，成本較高，在電動汽車時代到來之前，混合動力型汽車