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南京工程學(xué)院車(chē)輛工程系本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
第二章 混合動(dòng)力城市客車(chē)的參數(shù)匹配
2.1 城市客車(chē)運(yùn)行工況分析
在車(chē)輛的選型、設(shè)計(jì)、匹配和性能測(cè)試中，要選擇能夠較好反映車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行條件的駕駛循環(huán)，通過(guò)軟件仿真、臺(tái)架試驗(yàn)和道路試驗(yàn)，對(duì)車(chē)輛的性能進(jìn)行全面評(píng)價(jià)。國(guó)內(nèi)在此方面已進(jìn)行了一些工作。文獻(xiàn)[16-18]對(duì)北京、上海、武漢等城市的車(chē)輛運(yùn)行條件進(jìn)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(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力客車(chē)，國(guó)內(nèi)制定了北京市兩條小公共汽車(chē)、武漢兩條典型公交車(chē)線(xiàn)路的駕駛循環(huán)。文獻(xiàn)[19]以某段道路為例，對(duì)車(chē)輛的實(shí)際運(yùn)行駕駛循環(huán)與ECE十五工況等駕駛循環(huán)進(jìn)行了對(duì)比分析。
依據(jù)歐洲市區(qū)駕駛循環(huán)、中國(guó)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(duì)混合動(dòng)力城市公交車(chē)(HEB)的能量經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了預(yù)測(cè)，分析了產(chǎn)生不同結(jié)果的原因。這些工作對(duì)車(chē)輛的選型、整個(gè)動(dòng)力傳動(dòng)系的匹配、控制策略的確定和相關(guān)零部件的設(shè)計(jì)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(jì)圖
首先分析駕駛循環(huán)對(duì)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)性能的影響。城市客車(chē)駕駛循環(huán)的特點(diǎn)是人多、車(chē)多、道路擁擠、車(chē)速低。歐洲ECE駕駛循環(huán)是適合城市公交特點(diǎn)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(wú)停車(chē)、道路寬，行駛速度高，城市公交汽車(chē)循環(huán)主要是市區(qū)循環(huán)。
駕駛循環(huán)工況對(duì)汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性有很大影響，武漢是我國(guó)混合動(dòng)力汽車(chē)的示范運(yùn)營(yíng)區(qū)之一，為使混合動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配的結(jié)果更適合實(shí)際運(yùn)營(yíng)工況，有針對(duì)性地自主開(kāi)發(fā)了武漢公交實(shí)際駕駛循環(huán)。如圖2.2所示，該循環(huán)的最高車(chē)速為62 km/h,平均車(chē)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(shí)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(jì)圖
2.2 混合動(dòng)力城市客車(chē)的選型
根據(jù)混合動(dòng)力城市客車(chē)的運(yùn)行特點(diǎn)和發(fā)動(dòng)機(jī)功率使用情況，同時(shí)考慮到盡量對(duì)現(xiàn)有客車(chē)底盤(pán)改動(dòng)小以及控制混合動(dòng)力系統(tǒng)成本等問(wèn)題，決定采用并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)。它的主要特點(diǎn)是在電機(jī)的輔助驅(qū)動(dòng)下，同樣底盤(pán)的城市客車(chē)在滿(mǎn)足動(dòng)力性的前提下可以采用更小的發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)“小馬拉大車(chē)”，同時(shí)降低客車(chē)的油耗和排放。
并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)有多種方式實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(mǎn)足在保證整車(chē)的動(dòng)力性指標(biāo)前提下提高整車(chē)經(jīng)濟(jì)性的排放性能。所以設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)是滿(mǎn)足車(chē)輛的動(dòng)力性能，可以用以下三個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)[20]：
(1)起步加速性能，即車(chē)輛能在設(shè)定時(shí)間內(nèi)由靜止持續(xù)加速到額定車(chē)速的性能。
(2)以額定車(chē)速穩(wěn)定行駛的能力。對(duì)于并聯(lián)混合動(dòng)力車(chē)輛來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)該
能夠提供車(chē)輛以額定車(chē)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(chē)速穩(wěn)定行駛的能力。在并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)上，電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的
輸出功率總和應(yīng)能滿(mǎn)足車(chē)輛以最高車(chē)速行駛時(shí)需求的功率。
本章將根據(jù)以上三條原則對(duì)動(dòng)力總成的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，完成混合動(dòng)力總成元件的參數(shù)設(shè)計(jì)和匹配。
本文以6120城市客車(chē)為基礎(chǔ)車(chē)型，其基本性能參數(shù)如表2-1所示。
表2-1 6120整車(chē)參數(shù)
整車(chē)型號(hào)
6120
車(chē)輛外形尺寸（長(zhǎng)×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(chǎng)定最大總質(zhì)量
整車(chē)
17700kg
前軸
6200kg
后軸
11500kg
整車(chē)整備質(zhì)量
整車(chē)
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(chē)速
70km/h
底盤(pán)主要配置
發(fā)動(dòng)機(jī)
型號(hào)
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(chē)：275/70R22.5
制動(dòng)
氣壓雙管路，氣管用尼龍管，不帶ABS，可選國(guó)產(chǎn)自動(dòng)調(diào)整臂
輔助制動(dòng)
不帶排氣制動(dòng)，不帶緩速器。
轉(zhuǎn)向
樣車(chē)：ZF8098
傳動(dòng)軸
車(chē)架
五段式
油箱
160L
上海柴油機(jī)股份有限公司
SC8DK230Q3型柴油機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)
用途：車(chē)用 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：Q/SC1617-2007
排放滿(mǎn)足：GB1769-2005(第三階段) 標(biāo)定功率：170（15%）kW
試驗(yàn)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(jī)油標(biāo)準(zhǔn)：Q/SC 677 上柴專(zhuān)用機(jī)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(chē)型為基礎(chǔ)，使軸距加長(zhǎng)400mm，后懸加長(zhǎng)160 mm，發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)于后軸后移82 mm，發(fā)動(dòng)機(jī)角度為3度。車(chē)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(chē)架中段與外連接板中間來(lái)補(bǔ)償。在此基礎(chǔ)上選用上海柴油機(jī)股份有限公司SC8DK230Q3型柴油機(jī)為發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)變速器、主減速器和差速器進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)并進(jìn)行強(qiáng)度校核。
基于城市公交車(chē)輛運(yùn)行工況復(fù)雜，需頻繁啟停而造成大量的能量消耗于車(chē)輛制動(dòng)，本文提出一種機(jī)電復(fù)合制動(dòng)能量回收理論，得用飛輪、電機(jī)、蓄電池協(xié)同工作，在控制系統(tǒng)控制下進(jìn)行機(jī)械能的轉(zhuǎn)移和機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收利用和二次牽引功能，達(dá)到起步助力的目的。
機(jī)電復(fù)合制動(dòng)能量回收系統(tǒng)設(shè)置在汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋，結(jié)構(gòu)如圖2.3所示[21]。系統(tǒng)通過(guò)連接齒輪1與公交車(chē)傳動(dòng)軸6相連，連接齒輪1通過(guò)升速機(jī)構(gòu)5、離合器4與飛輪2連接，飛輪與電機(jī)3連接。其工作原理為：其工作過(guò)程可以分為4個(gè)狀態(tài)，即制動(dòng)能量回收、飛輪保持高速轉(zhuǎn)動(dòng)、飛輪釋放能量及飛輪為自由狀態(tài)。具體如下：檢測(cè)到車(chē)輛制動(dòng)時(shí)，離合器接合，飛輪被整車(chē)驅(qū)動(dòng)，飛輪的比功率大，可以以短時(shí)間內(nèi)吸收大量的能量，并以高速轉(zhuǎn)動(dòng)形式存儲(chǔ)能量，因此原消耗于制動(dòng)器的動(dòng)能就被轉(zhuǎn)移為飛輪的動(dòng)能;電機(jī)采用發(fā)電機(jī)工況，吸收飛輪的動(dòng)能，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艽嬗谛铍姵兀?dāng)飛輪轉(zhuǎn)速下降到設(shè)定閡值，電機(jī)采用電驅(qū)動(dòng)模式，保持飛輪穩(wěn)定在該轉(zhuǎn)速，以準(zhǔn)備供給車(chē)輛起步時(shí)輔助能量;根據(jù)車(chē)速和飛輪的轉(zhuǎn)速情況，在合適的時(shí)間離合器分離，飛輪吸收制動(dòng)能量的過(guò)程結(jié)束:檢測(cè)到車(chē)輛起步，接合離合器，飛輪釋放其動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)起步助力的功能;若車(chē)輛小需再次加速或起步(例如可通過(guò)檢測(cè)車(chē)輛停車(chē)后較長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有起步)，則由電機(jī)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(chē)在制動(dòng)時(shí)其動(dòng)能由于制動(dòng)器摩擦片摩擦轉(zhuǎn)化為熱能耗散入周?chē)h(huán)境，而采用本系統(tǒng)，部分制動(dòng)能量直接轉(zhuǎn)移為飛輪的動(dòng)能，該動(dòng)能短時(shí)間內(nèi)在車(chē)輛起步時(shí)又轉(zhuǎn)移為整車(chē)的動(dòng)能，沒(méi)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(jiǎn)圖
1.連接齒輪 2.飛輪 3.電機(jī)
4.離合器 5.升速機(jī)構(gòu) 6.傳動(dòng)軸
當(dāng)汽車(chē)至停車(chē)狀態(tài)開(kāi)始重新起動(dòng)時(shí)，由飛輪吸收能量所提供的動(dòng)力有一定限度，為了提高車(chē)輛起動(dòng)時(shí)的制動(dòng)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(jī)構(gòu)，通過(guò)速度傳感器與電子控制單元的自動(dòng)控制，在離合器主、從動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速達(dá)到相同時(shí)進(jìn)行兩級(jí)提速，可以進(jìn)一步提高制動(dòng)能量的回收利用率。
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