用于行星輪式耦合裝置的鎖止離合器動力學(xué)分析

黃 東

(奇瑞汽車股份有限公司， 安徽 蕪湖 241006)

用于行星輪式耦合裝置的鎖止離合器動力學(xué)分析

黃 東

(奇瑞汽車股份有限公司， 安徽 蕪湖 241006)

確保純電動行駛中快速、平穩(wěn)地啟動發(fā)動機，是P2構(gòu)型混合動力系統(tǒng)的技術(shù)難點之一。行星輪耦合式混合動力系統(tǒng)應(yīng)用鎖止離合器的分離或接合，以實現(xiàn)行星輪裝置的差速運動或同速運動，可實現(xiàn)混合動力不同模式間的切換。通過行星輪鎖止離合器的動力學(xué)分析，以啟動沖擊最小化為目標(biāo)，推導(dǎo)了純電動行駛中啟動發(fā)動機時鎖止離合器的力矩計算公式。

行星輪； 沖擊； 耦合裝置； 鎖止離合器

從1997年第一代豐田Prius上市銷售以來，豐田汽車公司搭載THS混合動力系統(tǒng)的車型銷售量逐年攀升。THS技術(shù)的核心零部件為雙電機、發(fā)動機及行星輪裝置，可使汽油機和電力兩種動力系統(tǒng)通過串聯(lián)、并聯(lián)相結(jié)合的形式進(jìn)行工作，以實現(xiàn)低排放的目標(biāo)[1]。

P2構(gòu)型混合動力系統(tǒng)，常見的有離合器耦合式和行星輪耦合式。離合器耦合式混合動力系統(tǒng)利用離合器的分離或接合，實現(xiàn)發(fā)動機和電機的動力耦合。行星輪耦合式混合動力系統(tǒng)應(yīng)用鎖止離合器的分離或接合，可實現(xiàn)行星輪裝置的差速運動或同速運動，使混合動力在不同模式間切換。P2構(gòu)型混合動力系統(tǒng)的技術(shù)難點是，如何實現(xiàn)純電動行駛中快速、平穩(wěn)地啟動發(fā)動機。張俊智等人對離合器耦合式的混合動力車輛純電動行駛中啟動發(fā)動機的沖擊度及離合器動力學(xué)計算進(jìn)行了研究，未針對行星輪耦合式混合動力系統(tǒng)的鎖止離合器進(jìn)行分析，缺乏針對性[2]。劉振軍等人對離合器耦合式混合動力系統(tǒng)純電動行駛中啟動發(fā)動機的沖擊度進(jìn)行了研究，但未對行星輪耦合式鎖止離合器動力學(xué)進(jìn)行分析[3]。

1 鎖止離合器動力學(xué)分析

本次研究中的混合動力系統(tǒng)采用P2構(gòu)型的單排行星輪耦合形式，系統(tǒng)主要由電機、發(fā)動機、鎖止離合器、太陽輪、行星齒輪、行星架及齒圈等構(gòu)成(見圖1)。發(fā)動機與太陽輪相連并互傳動力，電機與齒圈相連并互傳動力，行星架作為動力輸出端與變速器輸入軸相連并互傳動力。鎖止離合器設(shè)置在齒圈和行星架之間，通過控制該離合器的分離或接合，實現(xiàn)混合動力不同模式間的切換。

1—發(fā)動機；2—電機；3—變速器；4—行星架；5—鎖止離合器；6—齒圈；7—太陽輪。

混合動力系統(tǒng)不同工作模式下的各部件工作狀態(tài)見表1。通常，行星輪系統(tǒng)3個軸的速度具有下列關(guān)系：

ωS·rS+ωR·rR=ωC·(rS+rR)

(1)

式中：ωS表示太陽齒輪軸的轉(zhuǎn)速；ωR表示齒圈軸的轉(zhuǎn)速；ωC表示行星架軸的轉(zhuǎn)速；rS表示太陽齒輪S的半徑；rR表示齒圈R的半徑。

表1 混合動力系統(tǒng)不同工作模式下各部件工作狀態(tài)

注：○表示分離；●表示接合。

當(dāng)其中任意2軸的速度已知，則第3軸的轉(zhuǎn)速是確定的，可根據(jù)式(1)計算得出。式(1)可以用直觀的杠桿圖來表示(見圖2)，3條水平線段的長度分別代表太陽齒輪軸轉(zhuǎn)速ωS、齒圈軸轉(zhuǎn)速ωR和行星架軸轉(zhuǎn)速ωC，箭頭則分別指出了3個軸轉(zhuǎn)動的正方向。

圖2 太陽輪、齒圈、行星架轉(zhuǎn)速杠桿圖

行星輪系統(tǒng)3個軸的力矩存在下列關(guān)系：

TC=TS+TR

(2)

(3)

式中：TS表示太陽輪的扭矩；TR表示齒圈的扭矩；TC表示行星架扭矩；ZR表示齒圈的齒數(shù)；ZS表示太陽輪的齒數(shù)。

當(dāng)其中某一個軸的扭矩已知，則另外2軸的扭矩是確定的，可以通過式(2)、(3)計算得出。式(2)、(3)也可以用直觀的杠桿圖來表示(見圖3)，3條水平線段的長度分別代表電機作用在齒圈軸上的扭矩TM、發(fā)動機作用在太陽輪軸S上的扭矩TS和行星架軸輸出的扭矩TC，其箭頭則分別指出了3個軸正向扭矩的方向。

在純電驅(qū)動下需要啟動發(fā)動機時，必須通過接合鎖止離合器來使行星輪系鎖定，并由太陽輪軸拖動發(fā)動機軸轉(zhuǎn)動。在離合器耦合之前，發(fā)動機處于靜止?fàn)顟B(tài)，其軸轉(zhuǎn)速為零，而電機和變速箱輸入軸(連行星架)高速轉(zhuǎn)動。這3個軸各自具有轉(zhuǎn)動慣量，轉(zhuǎn)速不同。若此時將3個軸鎖在一起，行星齒輪系的3個軸就要進(jìn)行一個完全非彈性的轉(zhuǎn)動碰撞。這個轉(zhuǎn)動碰撞會在行星架上產(chǎn)生沖擊負(fù)扭矩，而負(fù)扭矩傳遞到車輪上時會使車輛產(chǎn)生振動，并使乘車者感到難受，更甚者可能導(dǎo)致機械結(jié)構(gòu)的損壞而發(fā)生安全事故。

圖3 太陽輪、齒圈、行星架3軸的力矩圖

圖4 離合器耦合時行星齒輪受力及角加速度示意圖

(4)

圖5 離合器耦合時齒圈受力及角加速度示意圖

分析行星齒輪C受力情況(見圖6)。小行星齒輪P的質(zhì)量和慣性矩較小，故忽略不計。圖中，F(xiàn)S表示太陽齒輪S對行星齒輪P的作用力；FR表示齒圈R對行星齒輪P的作用力；FC表示行星架對小行星齒輪的作用力；r表示小行星齒輪的半徑。其動力學(xué)方程為：

FR·r′=FS·r′

(5)

圖6 離合器耦合時小行星齒輪受力及角加速度示意圖

(6)

由式(5)得：

F=FS=FR

(7)

由式(6)、(7)可得出

FC=2FS=2FR

(8)

(9)

圖7 離合器耦合時行星架受力及角加速度示意圖

分析行星架軸C受力情況(見圖7)，TFV為整車阻力矩對行星架作用力矩。由由式(8)、(9)得：

(10)

(11)

圖8 離合器耦合時太陽輪受力及角加速度示意圖

行星輪系統(tǒng)3個齒輪的速度關(guān)系為：

ωS·rS+ωR·rR=ωC·(rS+rR)

對上述速度方程求導(dǎo)，可得3軸的加速度方程：

(12)

根據(jù)上述行星齒輪機構(gòu)3個齒輪的受力分析和3個齒輪軸加速度方程的推導(dǎo)，可得到如下4個方程：

由式(11)得：

(13)

由式(10)得：

(14)

由方程(13)、(14)得：

(15)

由式(4)得：

(16)

由式(13)、(16)得

(17)

2 應(yīng)用舉例

(1) 整車和系統(tǒng)參數(shù)：JS=0.131 3 kg·m2，rR=0.071 55 m，rS=0.039 7 m，JR=0.036 7 kg·m2，TFE=20 N·m；車重1 690 kg，車輪半徑0.307 m。

(5) 根據(jù)公式(1)，可得：

(6)根據(jù)式(15)計算得到

=6.06×0+8.01+(0.071 55+0.039 7)×

=167(N·m)

(7)根據(jù)公式 (17)，計算得到

=167+0.036 7×(-155.36)-0.071 55×

=59(N·m)

3 結(jié) 語

本次研究中，通過對行星輪耦合式混合動力系統(tǒng)純電動行駛中啟動發(fā)動機時鎖止離合器的動力學(xué)分析，結(jié)合行星輪的杠桿分析圖，推導(dǎo)出行星輪鎖止離合器的力矩計算公式。將力矩公式用于實例計算，驗證了其可靠性。

[1] 張金柱. 豐田第二代混合動力系統(tǒng)(THSⅡ)[J]. 內(nèi)燃機, 2005(3):6-9.

[2] 張俊智, 李波, 薛俊亮,等. 混合動力電動汽車沖擊度的試驗[J]. 機械工程學(xué)報, 2008, 44(4):87-91.

[3] 劉振軍, 史波, 趙江靈,等. 強混CVT轎車模式切換控制[J]. 重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2013, 27(7):1-7.

[4] 戴一凡, 羅禹貢, 李克強,等. 單電機強混合動力電動車輛的動態(tài)協(xié)調(diào)控制[J]. 汽車工程, 2011, 33(12):1007-1012.

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DynamicAnalysisoftheLockingClutchinHybridCouplingMechanismwithPlanetaryGearSet

HUANGDong

(Chery Motor Limited, Wuhu Anhui 241006, China)

It is one of the technical difficulties of the P2 hybrid system to start the engine smoothly and stably in the course of pure electric driving. In the planetary gear coupled hybrid system, the separation or engagement of the locking clutch is applied to realize the differential motion or simultaneous motion of the planetary gear, so that the switching between the different modes of the hybrid system can be realized. Through dynamic analysis of planetary gear locking clutch, formula for calculating torque of lock clutch is deduced for starting the engine during pure electric driving, to minimize the impact of start shock.

planetary gear; impact; coupling mechanism; locking clutch

2017-09-27

國家財政部、工業(yè)和信息化部、科技部新能源汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新工程項目“奇瑞插電式混合動力汽車技術(shù)開發(fā)”；國家“863”計劃項目“電動汽車關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)集成”(2011AA11A226)

黃東(1978 — )，男，工程師，研究方向為新能源汽車混合動力系統(tǒng)。

TH113

A

1673-1980(2017)06-0095-04