采用鍵合圖理論的HEV雙行星排動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)功率流分析

張絢瑋，陳 龍

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

采用鍵合圖理論的HEV雙行星排動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)功率流分析

張絢瑋，陳 龍

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

針對雙行星排式混合動(dòng)力汽車由于動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)循環(huán)功率而導(dǎo)致的系統(tǒng)功率損失和傳遞效率下降現(xiàn)象，基于鍵合圖理論，對雙行星排式動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。從雙行星排式動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)功率傳遞路徑和分配比重角度，分析系統(tǒng)循環(huán)功率流的產(chǎn)生機(jī)理，建立動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)不同驅(qū)動(dòng)模式下的動(dòng)力學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，研究了各驅(qū)動(dòng)模式下行星排特征參數(shù)對系統(tǒng)內(nèi)部功率流的影響規(guī)律，確定了避免產(chǎn)生系統(tǒng)循環(huán)功率的一般條件，為雙行星排式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和參考。

混合動(dòng)力汽車；雙行星排；功率循環(huán)；鍵合圖

隨著石油資源的漸趨匱乏、環(huán)境污染日益嚴(yán)重，開發(fā)新能源汽車逐漸成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的緊迫任務(wù)[1]?；旌蟿?dòng)力汽車因其兼有高效率、低排放、良好的動(dòng)力性和續(xù)駛里程的優(yōu)點(diǎn)成為當(dāng)今研究熱點(diǎn)[2]?；旌蟿?dòng)力汽車為多動(dòng)力源的耦合輸出，動(dòng)力耦合裝置的性能直接影響整車性能[3-5]。雙行星排式動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)由于質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、能匯集多種耦合方式，已成為汽車工程界的關(guān)注重點(diǎn)[6-7]。但由于其具有多個(gè)輸入輸出端口，傳輸功率存在多條路徑，當(dāng)系統(tǒng)中支路傳動(dòng)比或其他參數(shù)選擇不合理時(shí)，可能會(huì)在耦合機(jī)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)功率循環(huán)[8]，從而導(dǎo)致一系列缺陷，如噪音、磨損、壽命減少、傳動(dòng)效率降低等。

目前，國內(nèi)外對雙行星排結(jié)構(gòu)已有一定的研究。國外通過對具體案例調(diào)查分析出避免功率循環(huán)的主要條件[9-10]。我國張木青、朱新軍等[11-12]分析了2排行星齒輪系剛性連接時(shí)功率流方向與功率分配系數(shù)的關(guān)系，確定了功率循環(huán)對系統(tǒng)傳動(dòng)效率的影響。但這些研究僅確定了在單個(gè)功率輸入情況下的功率傳動(dòng)情況，未對多功率輸入情況進(jìn)行分析。本文介紹了一種新型雙行星排齒輪耦合機(jī)構(gòu)，將對其不同功率輸入情況下的耦合機(jī)構(gòu)功率流進(jìn)行分析，并分析合理選擇的單元傳動(dòng)比對傳動(dòng)效率的影響。

1 雙行星排式動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)

1.1 基本結(jié)構(gòu)

雙行星排耦合機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)多樣，但現(xiàn)已應(yīng)用在Prius、Lexus車型上的結(jié)構(gòu)有工作模式過少、增速效果不明顯、對電機(jī)要求過高等缺點(diǎn)[13]。國內(nèi)研究的GEF結(jié)構(gòu)[14]工作模式過多、控制復(fù)雜。因此，本研究選擇的動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)是一套雙行星排式齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，由2排簡單的行星輪系、1個(gè)離合器、2個(gè)制動(dòng)器組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其中，在第1個(gè)行星排中，行星架C1通過離合器CR、制動(dòng)器CB1與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，太陽輪S1通過制動(dòng)器CB2與電機(jī)MG1相連；在第2個(gè)行星排中，齒圈R2與第1排的行星架相連，太陽輪S2與電機(jī)MG2相連，行星架C2與第1排的齒圈R1相連接并作為輸出。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)工作模式

系統(tǒng)通過控制1個(gè)離合器、2個(gè)制動(dòng)器的分離與接合，實(shí)現(xiàn)多種工作模式的切換，從而完成不同行駛工況下發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的動(dòng)力合成。根據(jù)混合動(dòng)力汽車的實(shí)際運(yùn)行工況，可以提煉出7種工作模式，如表1所示。

表1 整車工作模式

2 功率循環(huán)機(jī)理

若不考慮行星齒輪能量傳遞效率，行星齒輪的基本特性方程為：

ωS+k·ωR-(1+k)ωC=0

(1)

TS+TR+TC=0

(2)

TSωS+TRωR+TCωC=0

(3)

式中：ωS、ωR、ωC分別是太陽輪、齒圈和行星架的角速度；TS、TR、TC分別是作用于太陽輪、齒圈和行星架的扭矩；k為太陽輪對齒圈的傳動(dòng)比。

根據(jù)以上方程可以得到扭矩的關(guān)系式：

(4)

分析不同工作模式，可知該耦合系統(tǒng)工作時(shí)主要分為1個(gè)功率輸入和2個(gè)功率輸入2種情況。為了更加清楚地表示功率流的流動(dòng)方向，把動(dòng)力系統(tǒng)圖簡化為方塊圖，如圖2、3所示。

圖2 單輸入工作狀態(tài)

圖3 雙輸入工作狀態(tài)

圖2中由構(gòu)件1輸入功率，由構(gòu)件3、6輸出功率。輸入功率P1利用雙路徑傳遞，其中一部分功率P3通過第一排行星輪系由構(gòu)件3直接傳遞給輸出軸，另一部分功率P2繞過第2排行星輪傳遞給輸出軸。圖3中構(gòu)件1端口輸入的功率與圖2中一致，另一端口的輸入功率P4同理也分為P5、P6輸出。

P1=P2+P3

(5)

P4=P5+P6

(6)

可以設(shè)：

P2=X1·P1

(7)

P5=X2·P4

(8)

P3=(1-X1)·P1

(9)

P6=(1-X2)·P4

(10)

其中X1、X2為輸入功率在支路上的分配系數(shù)。根據(jù)分配系數(shù)的大小可以判斷系統(tǒng)中是否存在功率循環(huán)。

由表2中3個(gè)循環(huán)圖可以看出：當(dāng)功率分配系數(shù)X<0時(shí)，功率P2、P3呈逆時(shí)針方向循環(huán)；當(dāng)分配系數(shù)01時(shí)，功率P2、P3呈順時(shí)針方向循環(huán)。

表2 行星齒輪單輸入內(nèi)部功率流循環(huán)方向

由表3中的循環(huán)圖看出：雖然有兩端都輸入的功率流流向大致可以分為12種，但只有在4種情況下會(huì)產(chǎn)生功率循環(huán)，并且可以合并概括為：當(dāng)2個(gè)輸入分配系數(shù)中一個(gè)大于1另一個(gè)小于1的情況下會(huì)產(chǎn)生功率循環(huán)。

表3 行星齒輪雙輸入內(nèi)部功率流循環(huán)方向

續(xù)表(表3)

3 鍵合圖功率流分析

為對所研究的雙行星排式動(dòng)力耦合裝置進(jìn)行功率流分析，基于鍵合圖理論[11]建立各個(gè)模式下系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，使功率的流向及扭矩清楚的表達(dá)出來，并僅針對HEV驅(qū)動(dòng)模式進(jìn)行分析，忽略制動(dòng)工況。

1) 當(dāng)CR結(jié)合時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)與MG2共同向耦合器輸入功率，處于復(fù)合驅(qū)動(dòng)模式，所建立的功率鍵合圖如圖4所示，其中：k1、k2分別為第1排、第2排行星輪傳動(dòng)比；α為兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速比。

圖4 復(fù)合驅(qū)動(dòng)模式鍵合圖

得到狀態(tài)方程：

ωS2=α·ωS1

(11)

ωC1·(k1+1)-ωS1-ωR1·k1=0

(12)

(13)

(14)

(15)

由狀態(tài)方程得到分配系數(shù)：

(16)

(17)

根據(jù)鍵合圖列出的狀態(tài)方程計(jì)算，分別得到X1、X2的關(guān)系式。由表3可知：在X1<1的情況下，只有當(dāng)X2>1時(shí)系統(tǒng)才會(huì)產(chǎn)生功率循環(huán)。

2) 當(dāng)CB2結(jié)合、CB1與CR都分離時(shí)，第1排行星輪中的太陽輪被鎖住，處于純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式，功率鍵合圖如圖5所示。

圖5 純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式鍵合圖

得到功率分配系數(shù)：

(18)

由表2可得：當(dāng)X2<0或X2>1時(shí)會(huì)產(chǎn)生功率循環(huán)。

3) 當(dāng)CR結(jié)合時(shí),第1行星輪中行星架與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，MG1、MG2分別與兩排行星輪中的太陽輪相連，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。此時(shí)處于發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)模式，所建立的功率鍵合圖如圖6所示。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)模式鍵合圖

得到功率分配系數(shù)：

(19)

(20)

當(dāng)功率分配系數(shù)X=0或者X=1時(shí)，可以看出：功率流只流經(jīng)支路中其中一條，不會(huì)產(chǎn)生功率循環(huán)。

4 仿真分析

由于其他模式不會(huì)產(chǎn)生功率循環(huán)，所以只分析純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)與聯(lián)合驅(qū)動(dòng)2種模式。一般簡單行星排的傳動(dòng)比為(1.13，13.7)[12]。

圖7為純電動(dòng)模式下功率分配系數(shù)關(guān)系。圖中，不論k2為何值，X2都隨k1值增大而增大。若要滿足X2<1的條件，需要：k2=1.5，k1∈(1.13,5)；k2=5，k1∈(1.13,1.5)；k2=9，k1∈(1.13,1.25)；k2=13.5，k1∈(1.13,1.16)。k2越大，滿足X2<1的k1值域越小，越易產(chǎn)生功率循環(huán)。所以，在設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，單個(gè)行星排參數(shù)與兩行星排參數(shù)關(guān)系都需考慮，選定的傳動(dòng)比越小越能避免或減小循環(huán)功率。

圖7 X2、k1、k2關(guān)系分布曲線

圖8中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分別表示α=0.1、α=0.5、α=1、α=5、α=10時(shí)X2與k1、k2的關(guān)系分布。在5個(gè)圖中α=10時(shí)的X2最大值約為126，α=0.1時(shí)的X2最大值約為7.2?？梢钥闯觯篨2隨α的增大而增大，且只有在α<1時(shí)能滿足X2<1的條件，不存在功率循環(huán)。當(dāng)α<1時(shí)X2的值隨k1、k2的值增大而增大；當(dāng)α=1時(shí)，X2不隨k1的值變化而變化，只隨k2的值增大而增大；當(dāng)α>1時(shí)X2的值隨k1的值增大而減小，但隨k2的值增大而增大。

根據(jù)分析可以得出：功率分配系數(shù)X2不僅取決于2個(gè)行星排的特征參數(shù)，還取決于2個(gè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之比。當(dāng)α=1時(shí)，k2的值越大越容易產(chǎn)生循環(huán)功率；當(dāng)α<1時(shí)，k1、k2的值越大越容易產(chǎn)生循環(huán)功率；當(dāng)α>1時(shí)，k1的值越大、k2的值越小越容易產(chǎn)生循環(huán)功率。在參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，α的取值盡量小于1。

圖8 X2、k1、k2、α關(guān)系分布曲線

5 結(jié)束語

根據(jù)汽車驅(qū)動(dòng)時(shí)的功率輸入情況，闡述了動(dòng)力耦合裝置由于功率分配不當(dāng)而導(dǎo)致功率流循環(huán)的產(chǎn)生機(jī)理。

基于鍵合圖理論，建立了動(dòng)力耦合裝置在不同驅(qū)動(dòng)工作模式下的功率分配模型，分析了系統(tǒng)各元件間的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，建立了基于雙行星排機(jī)構(gòu)的功率分流機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了系統(tǒng)內(nèi)部功率流分析。以單元傳動(dòng)比k為橫坐標(biāo)，功率分配系數(shù)X為縱坐標(biāo)，繪出傳動(dòng)比及功率分配系數(shù)關(guān)系圖，通過圖像可直觀地看出傳動(dòng)比對功率流是否產(chǎn)生循環(huán)的影響。

研究了各驅(qū)動(dòng)模式下行星排特征參數(shù)對系統(tǒng)內(nèi)部功率流的影響規(guī)律，并確定了避免系統(tǒng)產(chǎn)生循環(huán)功率的一般條件。確定功率流比主要取決于3個(gè)參數(shù)：2個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速比α、行星排傳動(dòng)比k1、k2。傳動(dòng)比與電機(jī)轉(zhuǎn)速比大小越小越易避免功率循環(huán),提高機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率。該研究為雙行星排式動(dòng)力耦合裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

[1] LI D Q，XU H.Analysis on the development of new energy vehicles in china[J].Advanced Materials Research，2013，805:1636-1640.

[2] CHAU K T,CHAN C C.Emerging energy-efficient technologies for hybrid electric vehicles[J].Proceedings of the IEEE，2007，95(4):821-835.

[3] 謝海明，黃勇，王靜，等.插電式混合動(dòng)力汽車能量管理策略綜述[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2015(7):1-9.

[4] 楊陽，趙新富，秦大同，等.新型混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工作模式耦合特性分析[J].汽車工程，2013 (11)：968-975.

[5] 葉明，彭江，任洪，等.搭載機(jī)電控制CVT的混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)工況調(diào)速策略[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2015(9):13-19.

[6] 高建平，何洪文，孫逢春.混合動(dòng)力電動(dòng)汽車機(jī)電耦合系統(tǒng)歸類分析[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008,28(3)：197-201.

[7] MUCINO V H，LU Z，SMITH J E，et al.Design of conti-nuously variable power split transmission systems for automotive applications[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part D Journal of Automobile Engineering，2001，215(4):469-478.

[8] GUPTA A K，RAMANARAYANAN C P.Analysis of circulating power within hybrid electric vehicle transmissions[J].Mechanism & Machine Theory，2013，64(64):131-143.

[9] MSCHULZ D F，POBOX S.Circulating Mechanical power In A power-split Hybrid Electric Vehicle Transmission[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part D Journal of Automobile Engineering，2004，218(12):1419-1425.

[10] VILLENEUVE A.Dual mode electric infinitely variable transmission，SAE 04CVT-19，2004.

[11] 朱新軍，段福海，胡青春.封閉行星齒輪內(nèi)部功率流與系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系研究[J].機(jī)械，2007，34(4):14-16.

[12] 張木青，胡青春，朱新軍,等.封閉行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的功率流分析及效率計(jì)算[J].機(jī)械傳動(dòng)，2007，31(5):94-96.

[11] 王哲.雙行星排式混合動(dòng)力汽車構(gòu)型分析與控制研究[D].長春：吉林大學(xué)，2014.

[12] 趙博聞，馬東兵.一種雙排行星輪系動(dòng)力耦合方案設(shè)計(jì)與仿真[J].傳動(dòng)技術(shù)，2014，28(1):20-25.

[13] 潘亞東.鍵合圖概論： 一種系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，1990.

[14] 黃茂林.機(jī)械原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

AnalysisofCirculatingPowerofDual-PlanetaryGearHybridElectricVehicleBasedonBondGraph

ZHANG Xuanwei, CHEN Long

(School of Automobile and Traffic Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang 212013， China)

Since internal circulating power of the power coupling device leads to power loss and transmission efficiency decline, an optimized design based on bond graph theory was carried out in the designing of the power coupling device. From the standpoint of power transmission paths and the power partition density, the generation mechanism of system circulating power flow was analyzed. And the dynamic model of the power coupling device in different driving modes was further established on the basis bond graph theory. In addition, the impacts of the planetary characteristic parameters on the system internal power flow were investigated, and the conditions to avoid circulating power were decided. The study provided the theoretical basis and guide for the optimization design of dual-planetary gear sets in hybrid electric vehicle.

hybrid electric vehicle; dual-planetary gear; power cycle; bond graph

2017-02-20

張絢瑋(1991—)，女，碩士研究生，主要從事汽車傳動(dòng)系統(tǒng)研究，E-mail:476682964@qq.com。

張絢瑋，陳龍.采用鍵合圖理論的HEV雙行星排動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)功率流分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(12):22-27,46.

formatZHANG Xuanwei, CHEN Long.Analysis of Circulating Power of Dual-Planetary Gear Hybrid Electric Vehicle Based on Bond Graph[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(12):22-27,46.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.12.004

U469.72

A

1674-8425(2017)12-0022-06

(責(zé)任編輯劉 舸)