杠桿法普銳斯動(dòng)力系統(tǒng)分析

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摘要：在全球汽車市場，豐田堪稱是混合動(dòng)力的鼻祖，混合動(dòng)力技術(shù)是豐田的核心技術(shù)，行星齒輪機(jī)構(gòu)杠桿分析法就是把行星齒輪機(jī)構(gòu)用垂直布置的一根或多根杠桿等效的代替，這樣行星齒輪機(jī)構(gòu)復(fù)雜的動(dòng)力分析轉(zhuǎn)化為平面垂直布置的杠桿系統(tǒng)的分析。本課題就是以豐田普銳斯汽車為基礎(chǔ)，清晰的分析其傳動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)部件的工作情況，并運(yùn)用便于直觀理解的杠桿法分析其各個(gè)工況發(fā)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)以及行星齒輪的動(dòng)力分配。

關(guān)鍵詞：杠桿法；普銳斯；動(dòng)力分配

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新的不斷升級(jí)。數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)控制等高新技術(shù)在汽車上的運(yùn)用，使汽車高科技含量的比重越來越大。與傳統(tǒng)的汽油或柴油汽車相比，混合動(dòng)力汽車所運(yùn)用的電子技術(shù)更加先進(jìn)，這就促使汽車維修人員的技術(shù)要求越來越高，與之相對(duì)應(yīng)對(duì)汽車維修人員的培訓(xùn)的教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)方法和教學(xué)手段都要做出相應(yīng)的改善。在全球汽車市場，豐田堪稱是混合動(dòng)力的鼻祖，混合動(dòng)力技術(shù)是豐田的核心技術(shù)。本課題就是以豐田普銳斯汽車為基礎(chǔ)，清晰的分析其傳動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)部件的工作情況，并運(yùn)用便于直觀理解的杠桿法分析其各個(gè)工況發(fā)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)以及行星齒輪的動(dòng)力分配，為大家學(xué)習(xí)混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成以及工作狀態(tài)與工作原理提良好的平臺(tái)。

1普銳斯混合動(dòng)力系統(tǒng)的類型及驅(qū)動(dòng)橋

1.1混合動(dòng)力汽車的分類。混合動(dòng)力汽車綜合了傳統(tǒng)燃油車和電動(dòng)車的優(yōu)點(diǎn)，使用內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)[3]。這兩種動(dòng)力源裝置—內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)，從能量傳遞的角度看，既可以以串聯(lián)的方式連接也可以同過并聯(lián)的方式連接。當(dāng)這兩種動(dòng)力源串聯(lián)時(shí)，就是串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車，這時(shí)只有電動(dòng)機(jī)為車輪提供動(dòng)力，而內(nèi)燃機(jī)只是將其產(chǎn)生的機(jī)械能通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作，串聯(lián)式結(jié)構(gòu)可使發(fā)動(dòng)機(jī)不受汽車行駛工況的影響始終在最佳的工作區(qū)域穩(wěn)定運(yùn)行，但是發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出需全部轉(zhuǎn)化為電能再變?yōu)轵?qū)動(dòng)汽車的機(jī)械能，由于機(jī)電能量轉(zhuǎn)換和電池充放電的效率較低使得燃油能量的利用比較低；并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)可以共同驅(qū)動(dòng)或者是各自單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輪，另外電動(dòng)機(jī)也可以作為發(fā)電機(jī)回收內(nèi)燃機(jī)的部分能量或者制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能。與串聯(lián)式的混合動(dòng)力系統(tǒng)相比，發(fā)動(dòng)機(jī)直接通過機(jī)械裝置與車輪相連，使得其能量的利用效率相對(duì)較高，所以燃油經(jīng)濟(jì)性比串聯(lián)式的好；并聯(lián)式的混合動(dòng)力汽車，綜合了串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn)，既能以串聯(lián)模式工作，又能以并聯(lián)模式工作，因此根據(jù)車輛的行駛工況，能夠優(yōu)化它的燃油經(jīng)濟(jì)性和駕駛性能，是現(xiàn)在最常見的一種布置形式。本課題所研究的豐田普銳斯混合動(dòng)力汽車就是采用的混聯(lián)式的混合動(dòng)力系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)以及最高電壓500V的交流永磁電動(dòng)機(jī)（MG2）作為動(dòng)力，動(dòng)力合成裝置采用行星齒輪機(jī)構(gòu)。車輛平穩(wěn)起步、低速、低負(fù)荷時(shí)車輪主要由電動(dòng)機(jī)（MG2）驅(qū)動(dòng)，當(dāng)HV蓄電池電量不足時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)將驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)（MG1）發(fā)電為其充電，在高速大負(fù)荷時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)，車輛減速或者制動(dòng)時(shí)MG2做為發(fā)電機(jī)工作回收車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在HV蓄電池中，使得燃油經(jīng)濟(jì)性排放性能等都得到了很大的改善。1.2普銳斯混合動(dòng)力汽車的變速驅(qū)動(dòng)橋。普銳斯混合動(dòng)力汽車采用P112型混合動(dòng)力變速驅(qū)動(dòng)橋，主要由變速驅(qū)動(dòng)阻尼器、MG1、MG2、行星齒輪機(jī)構(gòu)和減速裝置（包括鏈條、中間軸主動(dòng)齒輪、中間軸從動(dòng)齒輪、主減速器主動(dòng)齒輪、主減速器從動(dòng)齒輪）以及差速器組成，行星中心長軸一端連接變速驅(qū)動(dòng)橋阻尼器，另一端連接油泵；MG1與行星齒輪機(jī)構(gòu)的太陽輪連接；MG2通過機(jī)械裝置與齒圈相連；傳動(dòng)鏈通過機(jī)械裝置與齒圈相連。

2基于杠桿法分析普銳斯混合動(dòng)力汽車工作原理

2.1杠桿法原理。行星齒輪機(jī)構(gòu)杠桿分析法就是把行星齒輪機(jī)構(gòu)用垂直布置的一根或多根杠桿等效的代替，這樣行星齒輪機(jī)構(gòu)復(fù)雜的動(dòng)力分析轉(zhuǎn)化為平面垂直布置的杠桿系統(tǒng)的分析。一個(gè)行星排由行星輪、太陽輪、行星架、齒圈組成，根據(jù)此結(jié)構(gòu)把一個(gè)行星排簡化為一個(gè)垂直杠桿和三個(gè)支點(diǎn)，三個(gè)支點(diǎn)分別代表齒圈R、太陽輪S和行星架P[4]。對(duì)于單行星的行星齒輪機(jī)構(gòu)太陽輪和齒圈相對(duì)于行星架的運(yùn)動(dòng)方向相反，所以中間支點(diǎn)是行星架P，兩端支點(diǎn)是齒圈R和太陽輪S。對(duì)于有兩個(gè)行星輪的行星齒輪機(jī)構(gòu)，齒圈和太陽輪相對(duì)于行星架的運(yùn)動(dòng)方向相同，所以支點(diǎn)R（齒圈）和支點(diǎn)S（太陽輪）位于支點(diǎn)P（行星架）的同一側(cè)。齒圈R和太陽輪S支點(diǎn)S和支點(diǎn)R到支點(diǎn)P的距離（力臂）分別與齒圈數(shù)ZR和太陽輪齒數(shù)ZS成正比，即LSP/LRP=ZR/ZS。前邊我們介紹了普銳斯混合動(dòng)力汽車變速驅(qū)動(dòng)橋采用的是一排單行星行星齒輪機(jī)構(gòu)，它的太陽輪、行星架、齒圈分別與電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1、發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2機(jī)械連接，設(shè)ZR/ZS=Ρ，其等效杠桿圖如圖1（a），其中X軸表示轉(zhuǎn)速的大小，X軸正向?yàn)檎蛐D(zhuǎn)，反向?yàn)槟嫦蛐D(zhuǎn)，過各個(gè)支點(diǎn)平行于X軸的線表示各個(gè)支點(diǎn)的轉(zhuǎn)速。普銳斯混合動(dòng)力系統(tǒng)采用發(fā)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)兩個(gè)動(dòng)力源，根據(jù)其行駛條件的不同會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)動(dòng)力源同時(shí)輸入的情況，與傳統(tǒng)的自動(dòng)變速器相比不存在始終有一個(gè)元件被鎖止的慣例。因此為了便于理解，本文在傳統(tǒng)杠桿法的基礎(chǔ)上加入一些箭頭，MG1、MG2的充放電狀態(tài)，以及他們與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的主從動(dòng)關(guān)系。當(dāng)MG1、MG2作為主動(dòng)輸入時(shí)，其箭頭背離垂直杠桿，消耗電能處于放電狀態(tài)；反之，箭頭指向垂直杠桿，作為發(fā)電機(jī)處于充電狀態(tài)。例如圖1（b）所示，行星架（發(fā)動(dòng)機(jī)）轉(zhuǎn)速大小為其橫坐標(biāo)，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎颍鲃?dòng)輸出驅(qū)動(dòng)車輛；太陽輪（MG1）轉(zhuǎn)速大小為其橫坐標(biāo)，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎颍粍?dòng)輸出，作為發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能；齒圈（MG2）靜止。2.2系統(tǒng)工作狀態(tài)分析。根據(jù)行駛條件的不同，在汽車在穩(wěn)定運(yùn)行中，為了最大程度的適應(yīng)車輛的行駛狀況，系統(tǒng)可能處于以下工作狀態(tài)。①只有MG2驅(qū)動(dòng)車輛，此時(shí)HV蓄電池的電能輸出給電動(dòng)機(jī)（MG2），其產(chǎn)生的動(dòng)力用來驅(qū)動(dòng)車輪，系統(tǒng)各部件工作狀態(tài)如圖2，設(shè)MG2輸出的動(dòng)力為1，等效杠桿圖如圖3。②發(fā)動(dòng)機(jī)、MG2同時(shí)驅(qū)動(dòng)車輪，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)通過行星齒輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)車輛，同時(shí)帶動(dòng)MG1旋轉(zhuǎn)為MG2提供電能，使MG2也能驅(qū)動(dòng)車輪。系統(tǒng)工作狀態(tài)如圖4，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力分為兩部分，一部分用來驅(qū)動(dòng)車輛，另一部分經(jīng)過機(jī)械能到電能再到機(jī)械能的轉(zhuǎn)變也用來驅(qū)動(dòng)車輪，設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力為1，其等效杠桿圖如圖5。③齒圈不輸出動(dòng)力，發(fā)動(dòng)機(jī)通過行星齒輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1旋轉(zhuǎn)，給HV蓄電池充電，系通工作狀態(tài)和等效杠桿如圖6、圖7。④車輛減速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，車輪的動(dòng)能被回收轉(zhuǎn)化為電能，并通過電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2為HV蓄電池再次充電，系統(tǒng)工作狀態(tài)圖和等效杠桿圖分別如圖8、9。HVECU根據(jù)車輛的行駛狀態(tài)在①、②、③、①+②+③或④工作模式間轉(zhuǎn)換，但是，一旦HV蓄電池的SOC（Stateofcharge，充電狀態(tài)）較低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)帶動(dòng)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1旋轉(zhuǎn)，為HV蓄電池充電。與傳統(tǒng)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車相比，該系統(tǒng)具有更高的燃油經(jīng)濟(jì)性和低尾氣排放量的特性，并且這種動(dòng)力系統(tǒng)不需要外部的充電設(shè)備，避開了一些電動(dòng)汽車的局限性。

3結(jié)論

通過上邊的分析根據(jù)車輛的行駛狀態(tài)銳斯會(huì)提供不同的控制方法。當(dāng)車輛因?yàn)槎萝嚩l繁起停時(shí)，普銳斯有純電動(dòng)模式，使車輛在純電模式下行駛，解放發(fā)動(dòng)機(jī)，降低燃油消耗；當(dāng)車輛在路況相對(duì)較好的城市道路上行駛時(shí)，混合動(dòng)力系統(tǒng)根據(jù)駕駛員的操作意圖自動(dòng)在低負(fù)荷和微加速兩個(gè)工況變化，此時(shí)混合動(dòng)力系統(tǒng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳工作范圍內(nèi)，并通過行星齒輪機(jī)構(gòu)將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力進(jìn)行分配可以得出以下結(jié)論：①M(fèi)G2不工作，MG1作為動(dòng)力源時(shí)，可以啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。②發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，MG2作為動(dòng)力源，其產(chǎn)生的動(dòng)力用于驅(qū)動(dòng)車輪。③發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源時(shí)，既可以驅(qū)動(dòng)車輪，也可以帶動(dòng)MG1工作，從而給蓄電池充電或者給MG2供電。④行星齒輪機(jī)構(gòu)是驅(qū)動(dòng)橋的核心部分，不僅將發(fā)動(dòng)機(jī)、MG1、MG2連接起來，并且當(dāng)有動(dòng)力輸入時(shí)可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、MG1、MG2的動(dòng)力進(jìn)行分配。⑤齒圈作為行星齒輪機(jī)構(gòu)的輸出原件，將動(dòng)力傳遞給傳動(dòng)鏈，然后經(jīng)過中間軸齒輪、主減速器、差速器最終將動(dòng)力傳遞給車輪。

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作者:劉兵 單位:鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院