重度混合动力汽车耦合机构设计及模式切换控制

【摘要】：身处呼唤“低碳、绿色、环保”的时代，不但要求人们注重节约能源，而且要求更加注重绿色环保，以实现社会的可持续发展。相比传统汽车，新能源汽车普遍具有能耗低、污染小的优点，对于解决当今世界资源枯竭问题和严重的环境问题具有重要意义。在燃料电池汽车和纯电动汽车关键技术未取得突破性进展情况下，发展混合动力汽车成为解决当前问题最有效的方案。 混合动力汽车的核心部分是动力耦合机构，设计一种结构紧凑、工作模式齐全、控制方便的动力耦合机构是混合动力汽车成功的关键。本文通过对比分析国内外现有混合动力汽车所用的动力耦合机构的优劣，设计出一种新型耦合机构。然后针对所设计的耦合机构组成的混合动力系统，制定了模式切换控制策略，进行仿真分析和台架试验，以确定耦合机构的可靠性。 本文以单电机、CVT式重度混合动力轿车为研究对象，对由纯电动模式切换到发动机单独驱动的动态过程的控制策略和方法进行了研究。当需要起动发动机时，ISG电机在驱动整车行驶的同时必须提供适当扭矩起动发动机。此过程涉及离合器的接合过程，须控制各部件协调工作，以便平稳迅速地起动发动机。本文的研究内容主要体现在以下几个方面： ①首先介绍了几种典型的混合动力汽车动力耦合机构，分析了部分耦合系统的优缺点。然后根据混合动力汽车系统的功能要求，设计出一种新型的耦合机构，并对混合动力系统的各工作模式下的耦合特性进行了分析。 ②对动力耦合机构的湿式多片离合器、压盘、回位弹簧、输入轴、输出轴等进行了零部件设计、对轴承和花键进行了校核，并对关键零部件进行了三维建模。 ③基于重度混合动力轿车的系统进行了动力学分析，建立发动机模型、电机的动态模型、湿式多片离合器模型、耦合机构模型、转速模型和整车前向动力学模型等。 ④在模式切换控制策略方面，首先介绍了控制策略的实现方法。然后对重度混合动力轿车的运行区域进行划分，确定各运行模式的边界以及相应动力源的目标扭矩。设计了湿式多片离合器的模糊控制器、制定了CVT的速比控制策略。在能量管理策略的基础上，制定了纯电动向其它模式间切换的扭矩协调控制策略。 ⑤基于Matlab/Simulink的整车仿真模型，对重度混合动力模式切换过程进行仿真研究，以验证重度该混合动力系统能顺利的实现该过程。在测功机未加载、不同车速、不同坡度等不同条件下，对行进中电机起动发动机进行台架试验，验证所制定的扭矩协调控制策略对降低模式切换过程的扭矩波动与冲击度，提高汽车行驶的平顺性的有效性。 【关键词】：混合动力汽车 动力耦合机构 模式切换 扭矩协调控制 仿真与试验
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：U469.7
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 1 绪论10-20
• 1.1 课题背景10-12
• 1.2 混合动力汽车概述12-14
• 1.2.1 混合动力汽车的定义12
• 1.2.2 混合动力汽车的类型及特点12-14
• 1.3 新能源汽车目前面对的问题14-15
• 1.4 混合动力汽车动力耦合系统的研究15-16
• 1.5 混合动力汽车模式切换过程协调控制问题16-18
• 1.5.1 国内研究现状16-17
• 1.5.2 国外研究现状17-18
• 1.6 本文的主要研究意义和研究内容18-20
• 2 混合动力汽车动力耦合系统研究20-30
• 2.1 动力耦合系统的分类20-22
• 2.2 典型的混合动力动力耦合机构分析22-25
• 2.3 新型动力耦合机构结构及模式分析25-28
• 2.3.1 动力耦合机构的结构25-26
• 2.3.2 系统工作模式分析26-28
• 2.4 本章小结28-30
• 3 混合动力汽车动力耦合机构设计30-60
• 3.1 湿式多片离合器的设计30-33
• 3.1.1 离合器后备系数β30
• 3.1.2 摩擦片机械部分的计算30-32
• 3.1.3 摩擦片液压部分的计算32
• 3.1.4 摩擦片花键的设计32-33
• 3.2 压盘设计33-34
• 3.3 回位弹簧的设计选择34-37
• 3.3.1 弹簧平均直径 D 和钢丝直径 d 的确定34-35
• 3.3.2 确定弹簧圈数 n 和长度 l 及刚度35-36
• 3.3.3 确定安装极限和极限载荷36-37
• 3.4 轴的设计37-41
• 3.4.1 轴的材料37
• 3.4.2 输入轴的设计及校核37-39
• 3.4.3 输出轴的设计及校核39-41
• 3.5 密封及润滑41-43
• 3.5.1 密封41-42
• 3.5.2 湿式离合器的润滑42-43
• 3.6 轴承的校核43-45
• 3.6.1 轴承的选择43
• 3.6.2 轴承的失效形式43
• 3.6.3 深沟球轴承 7002 校核43-44
• 3.6.4 圆锥滚子轴承 32906 校核44-45
• 3.7 渐开线花键强度校核45-57
• 3.7.1 理论计算公式及系数45-49
• 3.7.2 输入轴处渐开线花键副强度校核49-53
• 3.7.3 输出轴处渐开线花键副强度校核53-54
• 3.7.4 转子花键毂外花键强度计算54-56
• 3.7.5 转子花键毂外沿梯形花键强度计算56-57
• 3.8 三维建模57-58
• 3.8.1 输入轴与输出轴建模57
• 3.8.2 压盘及回位弹簧的三维建模57
• 3.8.3 耦合机构转子整体的建模57-58
• 3.8.4 耦合机构的三维建模58
• 3.9 本章小结58-60
• 4 重度混合动力系统分析及部件建模60-76
• 4.1 重度混合动力系统参数60-61
• 4.2 模式分析61-62
• 4.3 重度混合动力系统部件建模62-75
• 4.3.1 发动机动态特性及建模62-66
• 4.3.2 电机模型66-68
• 4.3.3 湿式多片离合器模型68-70
• 4.3.4 耦合机构模型70-72
• 4.3.5 转速模型72-75
• 4.4 本章小结75-76
• 5 模式切换控制策略76-90
• 5.1 控制策略实现方法76
• 5.2 混合动力汽车模式切换品质分析76-77
• 5.3 扭矩管理策略77-82
• 5.3.1 模式切换条件的确定77-78
• 5.3.2 模式切换扭矩协调控制策略78-80
• 5.3.3 动力源扭矩控制方法80-82
• 5.4 湿式多片离合器接合过程控制82-87
• 5.5 CVT 速比控制策略87-89
• 5.5.1 目标速比的控制87-88
• 5.5.2 PID 控制88-89
• 5.6 小结89-90
• 6 仿真及试验90-104
• 6.1 重度混合动力轿车前向仿真模型90-92
• 6.2 仿真分析92-93
• 6.3 台架试验原理93-94
• 6.4 试验项目和方法94-102
• 6.4.1 测功机未加载情况下行进间起动发动机试验94-97
• 6.4.2 不同车速条件下行进间起动发动机97-99
• 6.4.3 不同坡度条件下行进间起动发动机99-102
• 6.5 发动机喷油点火时刻调试试验102-103
• 6.6 小结103-104
• 7 总结与展望104-106
• 7.1 全文内容总结104-105
• 7.2 研究展望105-106
• 致谢106-108
• 参考文献108-114
• 附录114
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录114
• B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目目录114

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