混合動(dòng)力汽車耦合裝置閉鎖離合器動(dòng)力學(xué)分析

黃 東，周之光，劉永剛，景 楓，趙 軍

(1.奇瑞汽車股份有限公司， 安徽 蕪湖 241006； 2.重慶大學(xué) 汽車工程學(xué)院， 重慶 400044；3.重慶理工大學(xué)， 重慶 400054)

混合動(dòng)力汽車耦合裝置閉鎖離合器動(dòng)力學(xué)分析

黃 東1，周之光1，劉永剛2，景 楓1，趙 軍3

(1.奇瑞汽車股份有限公司， 安徽 蕪湖 241006； 2.重慶大學(xué) 汽車工程學(xué)院， 重慶 400044；3.重慶理工大學(xué)， 重慶 400054)

并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車耦合裝置是混合動(dòng)力汽車的關(guān)鍵部件，其性能決定了模式切換過程的平順性和快捷性。而閉鎖離合器的設(shè)計(jì)開發(fā)是混合動(dòng)力耦合裝置的難點(diǎn)之一。研究了混合動(dòng)力汽車耦合裝置閉鎖離合器動(dòng)力學(xué)特性，通過對(duì)混合動(dòng)力汽車工作模式進(jìn)行分析，并結(jié)合行星輪的動(dòng)力學(xué)特性、行星輪杠桿受力分析圖，推導(dǎo)出行星輪閉鎖離合器的力矩計(jì)算公式，提出了混合動(dòng)力耦合裝置閉鎖離合器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，為閉鎖離合器設(shè)計(jì)提供了必要的理論依據(jù)。

混合動(dòng)力汽車；耦合機(jī)構(gòu)；閉鎖離合器

隨著全球能源危機(jī)和溫室效應(yīng)的日益嚴(yán)重，混合動(dòng)力汽車的發(fā)展越來越受到重視。目前混合動(dòng)力汽車的耦合系統(tǒng)主流構(gòu)型主要有P2構(gòu)型和行星輪動(dòng)力分流構(gòu)型，在行星輪動(dòng)力分流構(gòu)型的混合動(dòng)力耦合裝置中，多數(shù)匹配閉鎖離合器用以實(shí)現(xiàn)不同工作模式之間的切換。閉鎖離合器的設(shè)計(jì)開發(fā)屬于混合動(dòng)力耦合裝置的難點(diǎn)之一，核心技術(shù)基本掌握在國(guó)外核心專家手中，國(guó)內(nèi)鮮有閉鎖離合器的設(shè)計(jì)資料及經(jīng)驗(yàn)。

杜波等[1]對(duì)基于行星齒輪機(jī)構(gòu)的新型并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)工作模式及能量分配策略進(jìn)行了研究，但未對(duì)閉鎖離合器的力矩容量進(jìn)行分析，具有一定的局限性。肖敏[2]對(duì)行星齒輪變速箱閉鎖離合器摩擦力矩的計(jì)算進(jìn)行了研究，其未應(yīng)用于行星輪式混合動(dòng)力系統(tǒng)閉鎖離合器力矩的設(shè)計(jì)，缺乏針對(duì)性。伊海霞等[3]對(duì)混合動(dòng)力用行星輪耦合機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩特性進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析。劉釗等[4]用杠桿模擬法建立了行星變速器的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩動(dòng)力學(xué)模型，未對(duì)閉鎖離合器的力矩容量進(jìn)行推導(dǎo)。

本文通過對(duì)混合動(dòng)力汽車工作模式進(jìn)行研究，并結(jié)合行星輪的動(dòng)力學(xué)特性、行星輪杠桿受力分析圖，推導(dǎo)出行星輪閉鎖離合器的力矩計(jì)算公式，提出了混合動(dòng)力耦合裝置閉鎖離合器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，為閉鎖離合器設(shè)計(jì)提供了必要的理論依據(jù)。

1 不同工作模式下閉鎖離合器扭矩求解

某款混合動(dòng)力汽車耦合裝置采用單排行星齒輪機(jī)構(gòu)，形式如圖1所示。行星齒輪機(jī)構(gòu)主要由太陽(yáng)輪、行星齒輪、行星架及齒圈構(gòu)成，所述的行星齒輪機(jī)構(gòu)太陽(yáng)輪軸和齒圈軸作為力矩輸入軸，行星架軸作為力矩輸出軸。從圖1中可知：發(fā)動(dòng)機(jī)與太陽(yáng)輪相連并互傳動(dòng)力、電機(jī)與齒圈相連并互傳動(dòng)力、行星架與變速器輸入軸相連并互傳動(dòng)力。在齒圈和行星架間設(shè)置了閉鎖離合器，同時(shí)，為防止純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式下發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，可在太陽(yáng)輪與殼體間設(shè)置制動(dòng)器或單向離合器；通過離合器和制動(dòng)器的分離或接合的狀態(tài)組合，可實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力車輛的純電動(dòng)行駛、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、并聯(lián)驅(qū)動(dòng)、行駛中啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)以及制動(dòng)能量回收等功能模式。

在行星機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，為了確定傳動(dòng)件計(jì)算載荷和閉鎖離合器設(shè)計(jì)容量，要對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)的分析和計(jì)算。其中，閉鎖離合器摩擦力矩的計(jì)算是重要的內(nèi)容之一[2]。

混合動(dòng)力耦合裝置的不同工作模式下的各部件工作狀態(tài)見表1。

1.發(fā)動(dòng)機(jī)；2.電機(jī)；3.變速器；4.行星架；5.閉鎖離合器；6.齒圈；7.太陽(yáng)輪

工作模式動(dòng)力源發(fā)動(dòng)機(jī)電機(jī)離合器狀態(tài)變速器擋位駐車offoff○P/N純電動(dòng)offon○D/R發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)onoff●D/R并聯(lián)驅(qū)動(dòng)onon●D/R制動(dòng)能量回收offon○D/R

○：分離； ●：接合

根據(jù)行星齒輪動(dòng)力學(xué)特性及行星輪杠桿分析法可得圖2，由圖2得出太陽(yáng)輪、齒圈、行星架之間的力矩關(guān)系式如下：

(1)

TC=TS+Tr

(2)

式中：Ts、Zs分別表示太陽(yáng)輪力矩及對(duì)應(yīng)齒數(shù)；Tr、Zr分別表示齒圈力矩及對(duì)應(yīng)齒數(shù)；TC分別表示行星架力矩。

圖2 行星齒輪機(jī)構(gòu)系統(tǒng)杠桿原理

根據(jù)式(1)(2)可得出

(3)

(4)

1.1 并聯(lián)驅(qū)動(dòng)

并聯(lián)驅(qū)動(dòng)有2種工作模式，分別為閉鎖離合器接合與分離情況下耦合裝置的工作狀態(tài)。當(dāng)離合器接合時(shí)，行星齒輪機(jī)構(gòu)處于鎖死狀態(tài)，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力和發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力直接疊加后，輸出給變速器，用于驅(qū)動(dòng)整車，圖3為并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式下的能量流。

1.發(fā)動(dòng)機(jī)；2.電機(jī)；3.變速器；4.行星架；5.閉鎖離合器；6.齒圈；7.太陽(yáng)輪

根據(jù)行星齒輪機(jī)構(gòu)工作原理，當(dāng)整車在并聯(lián)驅(qū)動(dòng)工作模式下，電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)對(duì)行星機(jī)構(gòu)輸出驅(qū)動(dòng)扭矩，即電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩方向相同，設(shè)定為正方向，建立如圖4、圖5的行星輪杠桿受力分析圖，可知齒圈受到的力矩Tr由電機(jī)力矩Tem和閉鎖離合器力矩Tcl組成，太陽(yáng)輪受到的力扭矩等于發(fā)動(dòng)機(jī)力矩Tice。根據(jù)式(3)可得

(5)

式中：Tem表示電機(jī)的力矩；Tice表示發(fā)動(dòng)機(jī)的力矩；Tcl表示閉鎖離合器的力矩，整理后可得

(6)

圖4假設(shè)了閉鎖離合器的力矩Tcl與電機(jī)力矩Tem方向相反。如圖5所示，當(dāng)閉鎖離合器的力矩Tcl與電機(jī)力矩Tem方向相同時(shí)可得

( 7)

整理后可得

(8)

圖4 并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式行星機(jī)構(gòu)受力分析圖1

圖5 并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式行星機(jī)構(gòu)受力分析圖2

在做閉鎖離合器力矩容量計(jì)算時(shí)，只需要得出離合器力矩Tcl的數(shù)值大小即可，不需要做方向判斷，因此綜合式(6)和(8)可得

(9)

由式(5)可知

(10)

此時(shí)閉鎖離合器力矩Tcl與電機(jī)力矩Tem反向。

由式(7)可知

(11)

此時(shí)閉鎖離合器力矩Tcl與電機(jī)力矩Tem同向。

閉鎖離合器力矩Tcl方向及計(jì)算如表2所示。

表2 并聯(lián)驅(qū)動(dòng)閉鎖離合器力矩Tcl方向及計(jì)算表

1.2 行車充電

根據(jù)行星齒輪機(jī)構(gòu)工作原理，當(dāng)混合動(dòng)力車工作在行車充電模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸入到太陽(yáng)輪，一部分動(dòng)力分配至齒圈用于發(fā)電，一部分動(dòng)力分配至行星架用于驅(qū)動(dòng)車輛行駛，能量流如圖6所示。建立如圖7的行星輪杠桿受力分析圖，發(fā)動(dòng)機(jī)力矩設(shè)定為正方向，可知齒圈受到的力矩Tr由電機(jī)力矩Tem和閉鎖離合器力矩Tcl組成，太陽(yáng)輪受到的力扭矩等于發(fā)動(dòng)機(jī)力矩Tice，并且根據(jù)電機(jī)的特性可知電機(jī)力矩Tem為負(fù)方向，則離合器力矩Tcl必為正方向。根據(jù)式(3)可得

(12)

整理后可得

(13)

1.發(fā)動(dòng)機(jī)；2.電機(jī)；3.變速器；4.行星架；5.閉鎖離合器；6.齒圈；7.太陽(yáng)輪

圖7 行車充電模式行星機(jī)構(gòu)受力分析

閉鎖離合器力矩Tcl方向及計(jì)算如表3所示。

表3 行車充電閉鎖離合器力矩Tcl方向及計(jì)算表

1.3 閉鎖離合器最大力矩容量

通過本文閉鎖離合器的動(dòng)力學(xué)分析，可得出閉鎖離合器最大力矩容量需求計(jì)算公式：

( 14)

由于閉鎖離合器最大力矩容量需求在閉鎖離合器設(shè)計(jì)時(shí)，僅僅考慮其力矩值的大小，而不考慮其方向，同時(shí)，為了便于比較，因此式(14)中二者計(jì)算結(jié)果均為絕對(duì)值。

1.4 仿真及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文所推導(dǎo)的閉鎖離合器的力矩計(jì)算公式，應(yīng)用Matlab/Simulink軟件建立了混合動(dòng)力耦合系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型，對(duì)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式和行車充電模式下的閉鎖離合器力矩進(jìn)行分析，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 耦合裝置仿真結(jié)果

由圖8可以看出:發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)速由0逐漸增大至與電機(jī)轉(zhuǎn)速同步，該過程屬于發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程，不適用本文推導(dǎo)的閉鎖離合器力矩計(jì)算公式;在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)轉(zhuǎn)速同步后，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)控制階段，應(yīng)用本文推導(dǎo)的閉鎖離合器力矩計(jì)算公式經(jīng)過仿真得到圖8中的曲線4，策略控制的閉鎖離合器力矩為曲線3。當(dāng)閉鎖離合器的實(shí)際力矩大于等于計(jì)算力矩時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)轉(zhuǎn)速同步，與本文的閉鎖離合器動(dòng)力學(xué)分析結(jié)論吻合。

2 閉鎖離合器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

本文所述混合動(dòng)力耦合裝置，發(fā)動(dòng)機(jī)連接太陽(yáng)輪、電機(jī)連接齒圈、行星架連接變速器輸入軸，閉鎖離合器設(shè)置與齒圈和行星架之間，根據(jù)行星輪的動(dòng)力學(xué)特性推導(dǎo)得到閉鎖離合器力矩計(jì)算式(9)、(13)，閉鎖離合器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則如下：

① 根據(jù)混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型方案，制定不同工作模式下的各部件工作狀態(tài)表；

② 根據(jù)各部件工作狀態(tài)表篩選出閉鎖離合器工作狀態(tài)為接合的工作模式；

③ 根據(jù)行星輪杠桿分析方法建立各個(gè)工作模式下的行星輪受力分析杠桿圖；

④ 根據(jù)行星輪動(dòng)力學(xué)理論，推導(dǎo)各個(gè)工作模式下的閉鎖離合器力矩計(jì)算公式，并按式(14)選取最大計(jì)算值作為閉鎖離合器的最大力矩容量值。

⑤ 發(fā)動(dòng)機(jī)力矩在參與計(jì)算時(shí)需要放大，放大系數(shù)為齒圈齒數(shù)與太陽(yáng)輪齒數(shù)之比Zr/Zs；電機(jī)力矩在參與計(jì)算時(shí)系數(shù)為1。

⑥ 一般來說，并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式的閉鎖離合器力矩需求小于行車充電模式。

⑦ 為更好地保護(hù)閉鎖離合器，計(jì)算時(shí)應(yīng)采用安全系數(shù)，一般取1.2～1.3。

⑧ 試驗(yàn)研究表明：摩擦因數(shù)隨著溫度變化會(huì)有一定的差異，閉鎖離合器應(yīng)采用最小的摩擦系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)混合動(dòng)力汽車工作模式進(jìn)行分析，并結(jié)合行星輪的動(dòng)力學(xué)特性、行星輪杠桿受力分析法，推導(dǎo)出行星輪閉鎖離合器的力矩計(jì)算公式。本文所推導(dǎo)的動(dòng)力學(xué)公式可有效指導(dǎo)混合動(dòng)力汽車行星輪耦合裝置的閉鎖離合器的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)和計(jì)算，實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果與理論推導(dǎo)相符合。

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(責(zé)任編輯 劉 舸)

收稿日期：2016-12-25 基金項(xiàng)目：重慶市社會(huì)民生科技創(chuàng)新專項(xiàng)(cstc2016shmszx80019)

Dynamic Analysis of the Locking Clutch in a Hybrid Coupling Mechanism

HUANG Dong1, ZHOU Zhiguang1, LIU Yonggang2, JING Feng1, ZHAO Jun3

(1.Chery Automobile Co., Ltd.，Wuhu 241006, China; 2.School of Automotive Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China; 3.Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

Parallel hybrid vehicle coupling device is a key component of the hybrid electric vehicle, and its performance determines the smoothness and fast of mode switching processes. The design and development of the lockup clutch is one of the difficulties in the hybrid coupling device. According to the dynamics analysis of the locking clutch in a hybrid coupling mechanism, based on the research of the mode of hybrid vehicles and combined with the dynamic characteristics of planetary gear, and through the planetary gear lever force analysis, it derives the torque calculation formula for the locking clutch in the planetary gear set, and provides the necessary basis for the design of locking clutch.

hybrid vehicle；coupling mechanism；locking clutch

2017-04-19 基金項(xiàng)目：國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011AA11A226)；重慶市重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)共性關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新專項(xiàng) (cstc2015zdcy-ztzx60013)

黃東(1978—)，男，主要從事新能源汽車混合動(dòng)力系統(tǒng)研究和開發(fā)，E-mail:huangdong1@mychery.com。

黃東，周之光，劉永剛，等.混合動(dòng)力汽車耦合裝置閉鎖離合器動(dòng)力學(xué)分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(8):81-85.

format：HUANG Dong, ZHOU Zhiguang, LIU Yonggang,et al.Dynamic Analysis of the Locking Clutch in a Hybrid Coupling Mechanism[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(8):81-85.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.08.013

U469.72

A

1674-8425(2017)08-0081-05