微型清潔觀光車動力集成單元的設計

向建軍 燕建行 王澤民

（中國石油大學（華東），山東 青島 266580）

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微型清潔觀光車動力集成單元的設計

向建軍 燕建行 王澤民

（中國石油大學（華東），山東 青島 266580）

摘 要：清潔、節能和專業化是這一時期汽車設計發展的重要方向，針對當前旅游觀光車因速度太快、乘客太多、不環保等無法滿足游客需求的特點，本文借鑒當前混合動力電動汽車設計理念，根據常規情況下人體所能提供的能量，結合電能、太陽能設計一款微型清潔觀光車。本文總結前人經驗，提出了微型清潔觀光車動力系統設計的總體方案，并詳細介紹了根據總體方案設計的人體動力耦合系統、耦合變速系統。

關鍵詞：微型清潔觀光車；動力集成單元；設計

1. 總體方案設計

結合實際需求，該觀光車擬可提供4個乘坐位置，運行最高車速初步定為30km/h～40km/h，4個位置均可作為動力源向汽車提供驅動力。參考現代汽車電氣化設計思想，擬提出動力傳動系統方案，如圖1所示。

如圖1所示的方案，驅動汽車行駛的動力源由兩條路徑提供，第一條路徑是將來自人體的動力經人體動力耦合系統耦合，通過機械連接的方式將動力傳遞至耦合變速機構的直接檔，通過差速器，驅動汽車行駛；第二條路徑是將來自電網或太陽能電池板的電能存儲在動力電池中，動力電池觸發驅動電機，將動力輸送至耦合變速機構的低速檔，通過差速機構，驅動汽車行駛。從而使汽車具有3種工作模式：純人體動力驅動、純電機驅動和人體動力與電機同時驅動。欲實現這一設計目標，本文將著力于人體動力耦合系統的設計和耦合變速機構的設計。

2. 人體動力耦合系統的設計

將來自多個方向大小不同的動力集成到一起，統一輸出。在當前的動力耦合裝置中，電力集成裝置是其中的一類，它的特點是使用效率高、方便、但成本相對較高，且由于技術問題，其可靠性難以保證。在常見的耦合裝置中，以機械式動力耦合為主，常見的耦合機構有行星齒輪機構、逆向差速機構、逆向分動機構等。設計中，考慮將來自人體的動力兩兩集成，通過3個相同的小單元，將來自4個人的動力耦合輸出，充分考慮各種機構的特點和設計需求，本次設計采用逆向差速機構對人體動力進行集成，設計一種基于多動力源的傳動機構，它克服了傳統汽車傳動機構不能同時接收多個動力源的弊端，其采用的技術方案如圖2所示。

如圖2所示的動力耦合單元，它的作用是耦合兩個動力，并進行統一的輸出。其工作原理為：來自左側軸1和右側軸8的旋轉運動，通過機械連接，將圖示軸1與左側半軸齒輪2、軸8與右側半軸齒輪7剛性連接，使半軸齒輪2和7沿軸1和8旋轉運動。半軸齒輪的轉動使行星齒輪5產生運動，當來自左側輸入軸1的轉速n1與來自右側輸入軸8的轉速n2相等時，行星齒輪5僅圍繞軸1（或軸8）公轉；當來自左側輸入軸1的轉速n1與來自右側輸入軸8的轉速n2不等時，行星齒輪5既圍繞軸1（或軸8）公轉，又沿著行星輪本身軸線方向自轉。行星輪的公轉使行星架繞軸1（或軸8）旋轉，而行星架的兩端固接與差速器殼體，帶動殼體繞軸1（或軸8）做圓周運動，殼體上鑄有一錐齒輪，通過外接一個圓錐齒輪與殼體上的錐齒輪嚙合，將動力由動力耦合輸出軸輸出。

設計小車包含4個人體動力源，通過上述動力耦合單元可以將兩個人體動力耦合，以此類推，通過同樣的動力耦合單元可將另外兩個人體動力耦合集成并經過一動力輸出軸輸出，如此4個動力源便即成為兩個。同樣的思想，將經過一級耦合的動力源再次耦合，最終耦合為單一動力源，進行輸出。具體實施情況如下：

如圖3所示，來自4個人體的不同動力源n1、n2、n3、n4經過第1集合單元和第2集合單元的一級耦合變為兩個動力源，再經過總成單元進行的二級耦合，將第一集合單元的輸出和第二集合單元的輸出耦合為系統唯一輸出。從而實現了對4個不同人體動力源的耦合。

3. 耦合變速系統的設計

耦合變速機構是微型清潔觀光車的關鍵，一方面，它要對來自動力電機的動力和來自人體動力耦合系統動力的一個集成與耦合；另一方面，它還要實現對來自動力電機高速旋轉運動的減速。所以完成的耦合變速系統需要具有動力耦合和變速的功能。設計考慮到如何高效而平順的耦合來自電機的高轉速和來自人體動力耦合系統的低轉速，摒棄了人體動力耦合系統中的使用錐齒耦合的方法，借鑒現代混合動力汽車動力耦合系統的設計思路，采用行星齒輪機構融入設計，具體實施和設計方案如圖4所示。

工作原理：如圖4所示的耦合變速系統，鑒于系統較為復雜，可將其劃分為3個單元，即圖示中紅色方框圈出的3個單元，1-動力耦合單元、2-變速單元、3-差速單元。

動力耦合單元1，單獨或同時接受來自驅動電機或人體動力耦合系統的動力，將其直接或耦合集成后輸入變速單元，其具體工作形式如下：來自驅動電機（或人體動力耦合系統）的動力驅動驅動電機輸入軸1（或人體動力耦合系統輸入軸6）轉動，動力經太陽輪3（或5）傳至大齒圈4，大齒圈外側殼體固接動力輸出齒輪8，進而將動力輸出。

變速單元2，其作用是接受來自動力耦合單元1的動力，經變速單元變速（減速或直接輸出）輸出給差速器單元。其具體工作模式為：當只有驅動電機提供動力（或驅動電機人體動力耦合系統并行運行）時，由于輸出轉速較快，變速器的低速級與差速器的殼體齒輪嚙合，將動力輸送給差速器，實現減速增扭，驅動汽車行駛；當只有人體動力耦合系統運行時，變速器將切換至直接檔，驅動汽車行駛。

結語

本文從實際出發，根據設計需求和現代汽車設計理念，提出了微型清潔觀光車動力系統模型的總體方案，根據提出的方案，本文對人體動力耦合系統和耦合變速系統進行了簡單地設計，提出了兩個不同的動力耦合方式，為后續相關設計者提供相關思路。

參考文獻

［1］向建.一種基于多動力源的傳動機構：中國，ZL201520242010.6［P］.

［2］邱宣懷.機械設計［M］.北京：高等教育出版社，2011.

中圖分類號：U462

文獻標識碼：A