混合电动汽车轮系机构的介绍与运动分析

孙金风，尹业宏，游 颖

（湖北工业大学 机械工程学院，武汉 430068）

0 引言

当前轮系机构除作为传统传动机构外，还在机器人机构和新型交通中开发应用，其中就有混合电动汽车传动机构的开发应用，混合电动汽车通常有两个动力源，一个是通常汽车所用的发动机（Engine），另一个是电动发动机（Electric Motor/Generator）。其中，Motor可以将电池储存的能量用来驱动汽车的低速行驶；在汽车加速或爬山时，可以同时运用Engine和Motor来驱动汽车；而在下坡或轻载时，Motor将Engine多余的能量发电并储存于电池中。这些工作模式在于对传动系统构件的控制来得到，可以想象，达到这一要求的且结构紧凑的传动机构只有复杂的轮系机构，文献[1～4]在这些方面做了大量研究工作，其中文献[1]通过理论和实验研究推出了一款混合电动汽车轮系机构，如图1所示。

图1 混合电动汽车轮系机构

图2 模式1和模式6

1 轮系机构工作模式

此混合电动汽车轮系机构有6和工作模式，如表1所示，此表中C1、B1、B2表示离合器，“×”表示离合器合上。每一种工作模式的实际轮系机构图如图2～图6所示，为了方便进行分析，各图中不同构件号在不同图中可能表示相同的构件。

表1 图1所示齿轮传动机构的工作模式

图3 模式2

图4 模式3

图5 模式4

图6 模式5

模式1和模式6运用于汽车低速行驶和刹车的情况，此时只用Motor作为动力源来驱动汽车；模式2运用于汽车加速或爬山行驶的情况，此时同时用Engine和Motor来驱动汽车；模式3和模式4运用于汽车下坡或轻载、中速或高速平稳行驶的情况，此时用Engine作为动力源来驱动汽车，同时将多余的能量传递给Motor（此时Motor作为发电机发电并将能量储存于电池中）；模式5运用于汽车高速非平稳行驶的情况，此时只用Engine作为动力源来驱动汽车，同时将Motor固定在机架上来节约能源。

2 运动分析

下面就模式2来进行轮系机构的运动分析。此时轮系基本回路单元组[5]为，

其中，Zij和Zji分别为i、j齿轮构件啮合处i和j构件的齿轮齿数；FGmodeij=1为i、j齿轮构件的啮合模式，外啮合时FGmodeij=1，内啮合时FGmodeij=-1；ωij为i、j齿轮构件所组成的轮系基本回路单元中的系杆转速。

模式2下轮系机构各基本回路单元的线性方程组为：

假定该轮系机构的参数为Z15=Z16=42、Z61=Z63=26、Z51=Z57=26、Z36=Z75=94、Z34=25、Z43=89。模式2时，1和2构件为输入力矩构件，4构件为输出力矩构件；假定1构件的输入转速大小为7771r/min，2构件的输入转速大小为4058r/min。求解（3）式可得该轮系机构的运动分析结果：1构件的转速大小是7771.00000r/min，2构件的转速大小是4058.00000r/min，3构件的转速大小是2399.58715r/min，4构件的转速大小是-674.04133r/min，5构件的转速大小是-6276.57692r/min，6构件的转速大小是-1938.86169r/min，7构件的转速大小是0.00000 r/min；即ωa=7771r/min，ωb=4058r/min，ωc=0r/min，ωd=2400r/min，ωe=-674r/min，ωf=-6277r/min，ωg=-1939r/min，ωh=0r/min。该结果与文献[1]中的计算结果一致。

同理，可以知道其他模式下，该混合电动汽车轮系的运动分析结果。

3 结束语

以上介绍和分析计算过程有利于深入研究混合电动汽车轮系机构，为分析和开发新型轮系机构提供一定的参考。

[1] L.W.Tsai,1996,Design of a Power Regulating Gearbox for Parallel Hybrid Electric Vehicles,Technical Research Report,Institute for Systems Research.

[2] Severinsky,A.J.,1994,Hybrid Electric Vehicle,United States Patent No.5343970.

[3] Eller,1990,United States Patent No.4923025.

[4] Berman,B.,Gelb,G.H.,Richardson,N.A.,and Wang,T.C.,1973,Power Train Using Multiple Power Sources, United States Patent No.3732751.

[5] 朱建霞,邓群,饶建华.计算机平面轮系机构结构和运动分析[J].机械研究与应用,2001,14(3):16-17.