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南京工程學(xué)院車輛工程系本科畢業(yè)設(shè)計（論文）
第二章 混合動力城市客車的參數(shù)匹配
2.1 城市客車運行工況分析
在車輛的選型、設(shè)計、匹配和性能測試中，要選擇能夠較好反映車輛實際運行條件的駕駛循環(huán)，通過軟件仿真、臺架試驗和道路試驗，對車輛的性能進行全面評價。國內(nèi)在此方面已進行了一些工作。文獻[16-18]對北京、上海、武漢等城市的車輛運行條件進行了調(diào)查，分別制定了上海市普通城區(qū)道路和高架橋的駕駛循環(huán)。為了開發(fā)電動汽車和混合動力客車，國內(nèi)制定了北京市兩條小公共汽車、武漢兩條典型公交車線路的駕駛循環(huán)。文獻[19]以某段道路為例，對車輛的實際運行駕駛循環(huán)與ECE十五工況等駕駛循環(huán)進行了對比分析。
依據(jù)歐洲市區(qū)駕駛循環(huán)、中國城市四工況駕駛循環(huán)、北京城市公交駕駛循環(huán)以及武漢城市公交典型駕駛循環(huán)，對混合動力城市公交車(HEB)的能量經(jīng)濟性進行了預(yù)測，分析了產(chǎn)生不同結(jié)果的原因。這些工作對車輛的選型、整個動力傳動系的匹配、控制策略的確定和相關(guān)零部件的設(shè)計有重要的意義。
圖2.1 (a) ECU_EDUC_low駕駛循環(huán)
圖2.1 (b) ECU_EDUC_low 駕駛循環(huán)統(tǒng)計圖
首先分析駕駛循環(huán)對內(nèi)燃機汽車性能的影響。城市客車駕駛循環(huán)的特點是人多、車多、道路擁擠、車速低。歐洲ECE駕駛循環(huán)是適合城市公交特點駕駛循環(huán)，如圖2.1所示，ECE Ⅰ是一市區(qū)循環(huán)，ECE Ⅱ 是一市郊循環(huán)，循環(huán)Ⅰ代表繁華路段，循環(huán)Ⅱ全程無停車、道路寬，行駛速度高，城市公交汽車循環(huán)主要是市區(qū)循環(huán)。
駕駛循環(huán)工況對汽車的燃油經(jīng)濟性有很大影響，武漢是我國混合動力汽車的示范運營區(qū)之一，為使混合動力系統(tǒng)參數(shù)匹配的結(jié)果更適合實際運營工況，有針對性地自主開發(fā)了武漢公交實際駕駛循環(huán)。如圖2.2所示，該循環(huán)的最高車速為62 km/h,平均車速16.5 km/h，平均加速度0.39 m/s2，平均減速度-0.48 m/s2，循環(huán)時間1314 s,行駛距離6.01 km。
圖2.2 (a) 武漢市區(qū)典型城市公交駕駛循環(huán)
圖2.2 (b) 武漢城市公交駕駛循環(huán)統(tǒng)計圖
2.2 混合動力城市客車的選型
根據(jù)混合動力城市客車的運行特點和發(fā)動機功率使用情況，同時考慮到盡量對現(xiàn)有客車底盤改動小以及控制混合動力系統(tǒng)成本等問題，決定采用并聯(lián)混合動力系統(tǒng)。它的主要特點是在電機的輔助驅(qū)動下，同樣底盤的城市客車在滿足動力性的前提下可以采用更小的發(fā)動機，實現(xiàn)“小馬拉大車”，同時降低客車的油耗和排放。
并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)有多種方式實現(xiàn)動力合成，而部件參數(shù)匹配的任務(wù)是協(xié)調(diào)部件間的關(guān)系，合理確定各部件的參數(shù)，以滿足在保證整車的動力性指標(biāo)前提下提高整車經(jīng)濟性的排放性能。所以設(shè)計的首要目標(biāo)是滿足車輛的動力性能，可以用以下三個指標(biāo)來評價[20]：
(1)起步加速性能，即車輛能在設(shè)定時間內(nèi)由靜止持續(xù)加速到額定車速的性能。
(2)以額定車速穩(wěn)定行駛的能力。對于并聯(lián)混合動力車輛來說，發(fā)動機應(yīng)該
能夠提供車輛以額定車速穩(wěn)定行駛的全部功率，并能克服坡度大于3%的路面阻
力。
(3)以最高車速穩(wěn)定行駛的能力。在并聯(lián)混合動力汽車上，電機和發(fā)動機的
輸出功率總和應(yīng)能滿足車輛以最高車速行駛時需求的功率。
本章將根據(jù)以上三條原則對動力總成的相關(guān)參數(shù)進行計算，完成混合動力總成元件的參數(shù)設(shè)計和匹配。
本文以6120城市客車為基礎(chǔ)車型，其基本性能參數(shù)如表2-1所示。
表2-1 6120整車參數(shù)
整車型號
6120
車輛外形尺寸（長×寬×高）
11990mm×2500mm×3200mm
軸距
6100mm
前懸/后懸
2620mm/3230mm
前輪距/后輪距
2037mm/1860mm
接近角/離去角
7/7
廠定最大總質(zhì)量
整車
17700kg
前軸
6200kg
后軸
11500kg
整車整備質(zhì)量
整車
11000kg,11500kg
前軸
11500kg
后軸
11500kg
最小轉(zhuǎn)彎直徑
22m
最大爬坡度
36%
最小離地間隙
350mm
最高車速
70km/h
底盤主要配置
發(fā)動機
型號
YC6G240-20
額定功率
177/2200kw
最大扭矩
950/1400~1600
離合器
420螺旋彈簧，JL420IF
變速箱
QJ805/i=1.00~5.82 R=4.97
懸架
多片（可選少片）
前橋
6.5T
后橋
13T,i=4.875
輪胎
樣車：275/70R22.5
制動
氣壓雙管路，氣管用尼龍管，不帶ABS，可選國產(chǎn)自動調(diào)整臂
輔助制動
不帶排氣制動，不帶緩速器。
轉(zhuǎn)向
樣車：ZF8098
傳動軸
車架
五段式
油箱
160L
上海柴油機股份有限公司
SC8DK230Q3型柴油機主要技術(shù)指標(biāo)
用途：車用 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：Q/SC1617-2007
排放滿足：GB1769-2005(第三階段) 標(biāo)定功率：170（15%）kW
試驗標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 18297 標(biāo)定轉(zhuǎn)速：2200r/min
柴油標(biāo)準(zhǔn)：GB252 或 GB/T 19147 最大扭矩：830（16%）
機油標(biāo)準(zhǔn)：Q/SC 677 上柴專用機油（API CF-4）
最大扭矩轉(zhuǎn)速：13001500r/min
2.3 總體方案分析
本文以YBL6110GH車型為基礎(chǔ)，使軸距加長400mm，后懸加長160 mm，發(fā)動機相對于后軸后移82 mm，發(fā)動機角度為3度。車架前段及中段在YBL6110GH基礎(chǔ)上軸距縮短10 mm，該縮短尺寸各用兩塊5 mm鋼板塞和車架中段與外連接板中間來補償。在此基礎(chǔ)上選用上海柴油機股份有限公司SC8DK230Q3型柴油機為發(fā)動機，對變速器、主減速器和差速器進行了重新設(shè)計并進行強度校核。
基于城市公交車輛運行工況復(fù)雜，需頻繁啟停而造成大量的能量消耗于車輛制動，本文提出一種機電復(fù)合制動能量回收理論，得用飛輪、電機、蓄電池協(xié)同工作，在控制系統(tǒng)控制下進行機械能的轉(zhuǎn)移和機械能與電能的相互轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)制動能量的回收利用和二次牽引功能，達到起步助力的目的。
機電復(fù)合制動能量回收系統(tǒng)設(shè)置在汽車驅(qū)動橋，結(jié)構(gòu)如圖2.3所示[21]。系統(tǒng)通過連接齒輪1與公交車傳動軸6相連，連接齒輪1通過升速機構(gòu)5、離合器4與飛輪2連接，飛輪與電機3連接。其工作原理為：其工作過程可以分為4個狀態(tài)，即制動能量回收、飛輪保持高速轉(zhuǎn)動、飛輪釋放能量及飛輪為自由狀態(tài)。具體如下：檢測到車輛制動時，離合器接合，飛輪被整車驅(qū)動，飛輪的比功率大，可以以短時間內(nèi)吸收大量的能量，并以高速轉(zhuǎn)動形式存儲能量，因此原消耗于制動器的動能就被轉(zhuǎn)移為飛輪的動能;電機采用發(fā)電機工況，吸收飛輪的動能，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艽嬗谛铍姵?，?dāng)飛輪轉(zhuǎn)速下降到設(shè)定閡值，電機采用電驅(qū)動模式，保持飛輪穩(wěn)定在該轉(zhuǎn)速，以準(zhǔn)備供給車輛起步時輔助能量;根據(jù)車速和飛輪的轉(zhuǎn)速情況，在合適的時間離合器分離，飛輪吸收制動能量的過程結(jié)束:檢測到車輛起步，接合離合器，飛輪釋放其動能，實現(xiàn)起步助力的功能;若車輛小需再次加速或起步(例如可通過檢測車輛停車后較長時間沒有起步)，則由電機吸收飛輪能量，直到最后飛輪轉(zhuǎn)速低于一較小值。
城市公交車在制動時其動能由于制動器摩擦片摩擦轉(zhuǎn)化為熱能耗散入周圍環(huán)境，而采用本系統(tǒng)，部分制動能量直接轉(zhuǎn)移為飛輪的動能，該動能短時間內(nèi)在車輛起步時又轉(zhuǎn)移為整車的動能，沒有能量形式的轉(zhuǎn)化，因此能量效率高。
圖2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖
1.連接齒輪 2.飛輪 3.電機
4.離合器 5.升速機構(gòu) 6.傳動軸
當(dāng)汽車至停車狀態(tài)開始重新起動時，由飛輪吸收能量所提供的動力有一定限度，為了提高車輛起動時的制動能量利用率，在飛輪和連接齒輪之間接入兩排行星排作為升速機構(gòu)，通過速度傳感器與電子控制單元的自動控制，在離合器主、從動盤轉(zhuǎn)速達到相同時進行兩級提速，可以進一步提高制動能量的回收利用率。
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