混合電動汽車輪系機構的介紹與運動分析

孫金風，尹業宏，游 穎

（湖北工業大學 機械工程學院，武漢 430068）

0 引言

當前輪系機構除作為傳統傳動機構外，還在機器人機構和新型交通中開發應用，其中就有混合電動汽車傳動機構的開發應用，混合電動汽車通常有兩個動力源，一個是通常汽車所用的發動機（Engine），另一個是電動發動機（Electric Motor/Generator）。其中，Motor可以將電池儲存的能量用來驅動汽車的低速行駛；在汽車加速或爬山時，可以同時運用Engine和Motor來驅動汽車；而在下坡或輕載時，Motor將Engine多余的能量發電并儲存于電池中。這些工作模式在于對傳動系統構件的控制來得到，可以想象，達到這一要求的且結構緊湊的傳動機構只有復雜的輪系機構，文獻[1～4]在這些方面做了大量研究工作，其中文獻[1]通過理論和實驗研究推出了一款混合電動汽車輪系機構，如圖1所示。

圖1 混合電動汽車輪系機構

圖2 模式1和模式6

1 輪系機構工作模式

此混合電動汽車輪系機構有6和工作模式，如表1所示，此表中C1、B1、B2表示離合器，“×”表示離合器合上。每一種工作模式的實際輪系機構圖如圖2～圖6所示，為了方便進行分析，各圖中不同構件號在不同圖中可能表示相同的構件。

表1 圖1所示齒輪傳動機構的工作模式

圖3 模式2

圖4 模式3

圖5 模式4

圖6 模式5

模式1和模式6運用于汽車低速行駛和剎車的情況，此時只用Motor作為動力源來驅動汽車；模式2運用于汽車加速或爬山行駛的情況，此時同時用Engine和Motor來驅動汽車；模式3和模式4運用于汽車下坡或輕載、中速或高速平穩行駛的情況，此時用Engine作為動力源來驅動汽車，同時將多余的能量傳遞給Motor（此時Motor作為發電機發電并將能量儲存于電池中）；模式5運用于汽車高速非平穩行駛的情況，此時只用Engine作為動力源來驅動汽車，同時將Motor固定在機架上來節約能源。

2 運動分析

下面就模式2來進行輪系機構的運動分析。此時輪系基本回路單元組[5]為，

其中，Zij和Zji分別為i、j齒輪構件嚙合處i和j構件的齒輪齒數；FGmodeij=1為i、j齒輪構件的嚙合模式，外嚙合時FGmodeij=1，內嚙合時FGmodeij=-1；ωij為i、j齒輪構件所組成的輪系基本回路單元中的系桿轉速。

模式2下輪系機構各基本回路單元的線性方程組為：

假定該輪系機構的參數為Z15=Z16=42、Z61=Z63=26、Z51=Z57=26、Z36=Z75=94、Z34=25、Z43=89。模式2時，1和2構件為輸入力矩構件，4構件為輸出力矩構件；假定1構件的輸入轉速大小為7771r/min，2構件的輸入轉速大小為4058r/min。求解（3）式可得該輪系機構的運動分析結果：1構件的轉速大小是7771.00000r/min，2構件的轉速大小是4058.00000r/min，3構件的轉速大小是2399.58715r/min，4構件的轉速大小是-674.04133r/min，5構件的轉速大小是-6276.57692r/min，6構件的轉速大小是-1938.86169r/min，7構件的轉速大小是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。該結果與文獻[1]中的計算結果一致。

同理，可以知道其他模式下，該混合電動汽車輪系的運動分析結果。

3 結束語

以上介紹和分析計算過程有利于深入研究混合電動汽車輪系機構，為分析和開發新型輪系機構提供一定的參考。

[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,鄧群,饒建華.計算機平面輪系機構結構和運動分析[J].機械研究與應用,2001,14(3):16-17.