專利名稱：混合動(dòng)力系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及并聯(lián)混合動(dòng)力汽車領(lǐng)域，尤其涉及并聯(lián)混合動(dòng)力汽車的混合動(dòng)力系統(tǒng)
及其模式切換方法。
背景技術(shù)：
能源的匱乏和內(nèi)燃機(jī)汽車對(duì)大氣的嚴(yán)重污染推動(dòng)了混合動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展。在結(jié)構(gòu)方面，混合動(dòng)力系統(tǒng)是由兩種或兩種以上動(dòng)力源組成，這兩種動(dòng)力源一般是發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)。最常見的并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)是在發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器之間設(shè)置電機(jī)，該電機(jī)既可以作為電動(dòng)機(jī)用來(lái)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)或驅(qū)動(dòng)車輛，又可以作為發(fā)電機(jī)，在回饋制動(dòng)或行車發(fā)電模式下為動(dòng)力電池提供電能。這樣，通過(guò)合適的控制策略，混合動(dòng)力系統(tǒng)可以充分發(fā)揮內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)的優(yōu)
點(diǎn)，在大幅度改善能耗和排放的同時(shí)，獲得內(nèi)燃機(jī)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)同樣的性能，極具市場(chǎng)化前
旦豕。 而在并聯(lián)混合動(dòng)力汽車領(lǐng)域，目前存在兩種較常用的結(jié)構(gòu)形式。其一為雙離合器混合動(dòng)力系統(tǒng)，其二為僅有模式離合器的混合動(dòng)力系統(tǒng)。雙離合器混合動(dòng)力系統(tǒng)除了在電機(jī)與變速器之間設(shè)置換擋離合器外，在發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)之間還設(shè)置了另外一個(gè)離合器，在該離合器結(jié)合的情況下，汽車處于混合動(dòng)力模式；而在該離合器分離的時(shí)候，汽車可以以純電動(dòng)模式運(yùn)行，我們稱此離合器為模式離合器。如圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)10經(jīng)由模式離合器11連接電機(jī)12，而電機(jī)12經(jīng)由換擋離合器13連接到變速器14。雙離合器混合動(dòng)力系統(tǒng)以純電動(dòng)模式起步，使用電機(jī)用變速器一檔驅(qū)動(dòng)車輛加速至某一車速，然后緩慢結(jié)合模式離合器，直接將發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)至最低啟動(dòng)轉(zhuǎn)速，再進(jìn)行噴油點(diǎn)火；或者為了省去發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的加濃噴油過(guò)程過(guò)程，直接將發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)至怠速，可以明顯降低排放，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。在結(jié)合模式離合器時(shí)，為了減小發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)整車的沖擊，以及對(duì)電機(jī)功率的需求，可以先切斷動(dòng)力系統(tǒng)和整車之間的動(dòng)力連接，對(duì)于雙離合器混合動(dòng)力系統(tǒng)可以通過(guò)分離換擋離合器來(lái)實(shí)現(xiàn)。 僅有模式離合器的混合動(dòng)力系統(tǒng)，就是在電機(jī)和變速器之間省卻換擋離合器，電機(jī)和變速器直接相連，以模式離合器充當(dāng)換擋離合器用，或采用無(wú)離合器換擋技術(shù)。在這種混合動(dòng)力系統(tǒng)中，在結(jié)合模式離合器時(shí)，為了減小發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)整車的沖擊，以及對(duì)電機(jī)功率的需求，可以通過(guò)變速器摘檔來(lái)實(shí)現(xiàn)。 在上述兩種混合動(dòng)力系統(tǒng)中，模式離合器一般采用干式摩擦離合器，當(dāng)然也可以采用濕式摩擦離合器或電磁離合器。為了方便，我們以干式摩擦離合器為例進(jìn)行說(shuō)明。模式離合器分為兩部分，一部分由大慣量的飛輪和離合器壓盤組成，另一部分為慣量很小的離合器摩擦盤。如圖2所示，對(duì)于采用內(nèi)燃機(jī)的混合動(dòng)力汽車來(lái)說(shuō)，飛輪21安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出端23上，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上設(shè)置有用來(lái)承受飛輪傳遞過(guò)來(lái)的推力的推力軸承，離合器壓盤28安裝在飛輪21上，而離合器摩擦盤29通過(guò)扭轉(zhuǎn)減震器22安裝在電機(jī)輸入軸25的花鍵上，在電機(jī)輸入軸25上還設(shè)置有分離軸承26。這樣就形成了，大慣量部分都與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系連成整體，而小慣量部分與電機(jī)輸入軸連接。在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)要多做許多功來(lái)建立大慣量件的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，這一方面造成了過(guò)多的能量浪費(fèi)，增加了啟動(dòng)時(shí)間；另一方 面，由于大慣量件而造成的大慣性阻力矩，增加了電機(jī)的負(fù)荷和沖擊，同時(shí)增加了模式離合 器的滑磨，降低了離合器的壽命；再者，離合器分離時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，不僅發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng) 動(dòng)能，而且飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能，都要通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)自身的摩擦慢慢消耗掉。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種新的混合動(dòng)力系統(tǒng)，以克服目前混合動(dòng)力汽車
啟動(dòng)能耗大，啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，電機(jī)負(fù)荷和沖擊大等缺陷，并提高模式離合器的使用壽命，降低
模式離合器分離時(shí)的能耗，改善混合動(dòng)力汽車舒適性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性。 所述混合動(dòng)力系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)、模式離合器、電機(jī)及變速器，所述模式離合器包括
作為大慣量部分的飛輪和離合器壓盤以及作為小慣量部分的離合器摩擦盤，作為小慣量部
分的離合器摩擦盤通過(guò)扭轉(zhuǎn)減震器安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸輸出端上，而作為大慣量部分的飛
輪和離合器壓盤安裝到電機(jī)的輸入軸上，在電機(jī)的輸入軸上還設(shè)置有承受軸向力的軸承。 采用上述混合動(dòng)力系統(tǒng)后，當(dāng)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，將大大減小啟動(dòng)時(shí)間和啟動(dòng)能量，同
時(shí)降低了沖擊，減少了離合器的磨損。而且，飛輪等大慣量部件安裝到了扭轉(zhuǎn)減震器之后，
降低了扭轉(zhuǎn)減震器前的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高了扭轉(zhuǎn)減震器的減震效果，進(jìn)一步有效地隔離了發(fā)
動(dòng)機(jī)的震動(dòng)，從而提高了整車的舒適性。再者，飛輪后置后，飛輪和電機(jī)轉(zhuǎn)子連接在一起，由
于電機(jī)轉(zhuǎn)子本身具有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可以減小飛輪的尺寸。 而且，這樣的設(shè)計(jì)克服了現(xiàn)有技術(shù)中的存在的慣性思維，帶來(lái)了有益的技術(shù)效果。 具體地，首先，發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)離不開飛輪，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出端上安裝飛輪，而飛輪作為離合 器的主動(dòng)盤，是所有傳統(tǒng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)所采用的安裝方式，是現(xiàn)有技術(shù)中的一種慣性思維。其 次，在現(xiàn)有技術(shù)中，在發(fā)動(dòng)機(jī)出廠時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸輸出端上都定好了要裝飛輪。但是，發(fā)明 人沒(méi)有拘泥于這樣的慣性思維，在深入研究后發(fā)現(xiàn)，對(duì)于混合動(dòng)力汽車來(lái)說(shuō)，在純電動(dòng)模式 下，并不需要發(fā)動(dòng)機(jī)的工作，所以發(fā)動(dòng)機(jī)完全可以脫開飛輪；而在需要發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，卻是 在混合動(dòng)力模式或發(fā)電模式，這時(shí)模式離合器是結(jié)合的，即飛輪是和發(fā)動(dòng)機(jī)一體的。由此， 提出了上述新型的混合動(dòng)力系統(tǒng)。 針對(duì)上述混合動(dòng)力系統(tǒng)，優(yōu)選地，所述離合器摩擦盤通過(guò)扭轉(zhuǎn)減震器連接到轉(zhuǎn)接 軸一端的花鍵上，而該轉(zhuǎn)接軸的另一端連接到發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸輸出端上。 或者，所述發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸輸出端上設(shè)置有花鍵，所述離合器摩擦盤通過(guò)扭轉(zhuǎn)減震 器直接安裝到該花鍵上。 具體地，所述飛輪通過(guò)鍵連接方式或螺栓連接方式安裝到所述電機(jī)的輸入軸上。
在從純電動(dòng)模式向混合動(dòng)力模式切換時(shí)，合理的設(shè)定切換時(shí)的車速，可以實(shí)現(xiàn)零 電能啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)至最低啟動(dòng)轉(zhuǎn)速(如200rpm左右)，這樣可以更加節(jié)省啟動(dòng)能量。
或者更合理的設(shè)定切換時(shí)的車速，可以零電能拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)至怠速(如700rpm左 右)，從而取消啟動(dòng)加濃過(guò)程，進(jìn)而降低排放，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。 更優(yōu)選地，在從純電動(dòng)模式向混合動(dòng)力模式切換時(shí)，結(jié)合變速器加擋，利用換擋間 隔啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，可以更加節(jié)省啟動(dòng)時(shí)間，提高動(dòng)力性。 更進(jìn)一步，合理設(shè)定變速器一、二檔傳動(dòng)比之間的比值，可以實(shí)現(xiàn)直接同步換二 檔，節(jié)省同步時(shí)間，減小同步器的磨損。


圖1為雙離合器混合動(dòng)力系統(tǒng)示意圖； 圖2為傳統(tǒng)混合動(dòng)力系統(tǒng)中模式離合器的安裝方式； 圖3為本發(fā)明的混合動(dòng)力系統(tǒng)中模式離合器的安裝方式； 圖4為建立發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程阻力模型時(shí)所用的曲柄連桿結(jié)構(gòu)示意圖及活塞的受力分析圖； 圖5為建立離合器模型時(shí)所用的系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型； 圖6為傳統(tǒng)混合動(dòng)力系統(tǒng)中啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間與本發(fā)明的混合動(dòng)力系統(tǒng)中啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間的比較示意圖； 圖7為傳統(tǒng)混合動(dòng)力系統(tǒng)中啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)能量與本發(fā)明的混合動(dòng)力系統(tǒng)中啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)能量的比較示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖3所示，在本發(fā)明的混合動(dòng)力系統(tǒng)中，模式離合器是這樣安裝的，作為小慣量部分的離合器摩擦盤39通過(guò)扭轉(zhuǎn)減震器32安裝到轉(zhuǎn)接軸30 —端的花鍵上，而該轉(zhuǎn)接軸30的另一端連接發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出端33，在模式離合器的靠近發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出軸33 —側(cè)的轉(zhuǎn)接軸30上設(shè)置有分離軸承36。在另一側(cè)，離合器壓盤38安裝在飛輪31上，這樣作為大慣量部分的離合器壓盤38和飛輪31就安裝到電機(jī)輸入軸35上了 。具體地，飛輪是通過(guò)自身結(jié)構(gòu)上的平鍵、花鍵結(jié)合電機(jī)輸入軸，或通過(guò)螺栓連接電機(jī)輸入軸的。為了承受軸向力，在電機(jī)輸入軸35上設(shè)置有角接觸軸承34，當(dāng)然也可以設(shè)置推力軸承。 本發(fā)明的工作原理如下汽車起步時(shí)，分離模式離合器，變速器掛一檔，使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛起步。當(dāng)加速至某一車速后，緩慢結(jié)合模式離合器，直接將發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)至最低啟動(dòng)轉(zhuǎn)速，再進(jìn)行噴油點(diǎn)火；或者為了省去發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的加濃噴油過(guò)程過(guò)程，直接將發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)至怠速，可以明顯降低排放，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。在結(jié)合模式離合器時(shí)，為了減小發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)整車的沖擊，以及對(duì)電機(jī)功率的需求，可以先切斷動(dòng)力系統(tǒng)和整車之間的動(dòng)力連接，對(duì)于雙離合器混合動(dòng)力系統(tǒng)可以通過(guò)分離換擋離合器來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于僅有模式離合器的混合動(dòng)力系統(tǒng)可以通過(guò)變速器摘檔來(lái)實(shí)現(xiàn)。 當(dāng)從純電動(dòng)模式向混合動(dòng)力模式切換時(shí)，電機(jī)斷電，同時(shí)分離換擋離合器或變速
器置空擋，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速為"。；然后結(jié)合模式離合器，當(dāng)模式離合器主從動(dòng)盤(即離合器
壓盤和離合器摩擦盤)同步后，電機(jī)轉(zhuǎn)子和模式離合器的大慣量部分以存儲(chǔ)的動(dòng)能直接將
發(fā)動(dòng)機(jī)拖至轉(zhuǎn)速"p w。和A之間的關(guān)系式為<formula>formula see original document page 6</formula> 整理后可得
<formula>formula see original document page 6</formula>
式中Ie_發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； Im-電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； I?！改Ｊ诫x合器小慣量部分摩擦盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； I。2-模式離合器大慣量部分(飛輪和壓盤)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； E「啟動(dòng)過(guò)程中由于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部摩擦和壓縮空氣產(chǎn)生的能量損失，可通過(guò)試驗(yàn)領(lǐng) 定； Em-啟動(dòng)過(guò)程中由于電機(jī)內(nèi)部摩擦產(chǎn)出的能量損失，可通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定； E。_結(jié)合過(guò)程中模式離合器滑摩產(chǎn)生的能量損失。 電機(jī)轉(zhuǎn)速"。與車速之間的關(guān)系式為
"。=0.377， (3)




式中U"汽車行駛速度；
r_車輪半徑；
ig-變速器傳動(dòng)比；
i。_主減速器傳動(dòng)比。
將公式(2)代入公式(3)可得
w =0.377丄(々'+人,+ 4, + D",2 + 2(《+ + A) (4)
。' V。V 乙+L
要使發(fā)動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)后的轉(zhuǎn)速"工須滿足關(guān)系式
A > (5) 式中-發(fā)動(dòng)機(jī)的最低啟動(dòng)轉(zhuǎn)速。 優(yōu)選地，為了降低發(fā)動(dòng)機(jī)的排放，取消發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的加濃噴油，發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)后的
轉(zhuǎn)速c^須滿足關(guān)系式 co ! > co !" (6) 式中"/'-發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速值。 將=帶入公式(4)可求得 =1!/，即要實(shí)現(xiàn)零電能拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)至最低 啟動(dòng)轉(zhuǎn)速"/，啟動(dòng)車速須滿足關(guān)系式
ua > ua， ； (7) 將"工="/，帶入公式(4)可求得ua = ua"，即要實(shí)現(xiàn)零電能拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)至怠速 o /'，啟動(dòng)前車速須滿足關(guān)系式
ua > ua"。 (8) 以上設(shè)計(jì)只能應(yīng)用在正常情況下，即由純電動(dòng)模式起步加速至車速大于等于ua'， 然后再切換至混合動(dòng)力模式，這樣可以實(shí)現(xiàn)零電能啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)然零耗能也是相對(duì)來(lái)說(shuō) 的，用來(lái)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能也是以前耗能建立的。在其他情況時(shí)，如切換時(shí)車速 達(dá)不到ua'，電機(jī)轉(zhuǎn)子加飛輪和壓盤的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能不足以將發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)至最低啟動(dòng)轉(zhuǎn)速"/， 這時(shí)可使電機(jī)進(jìn)入調(diào)速模式而強(qiáng)制滿足公式(7)。 在結(jié)合模式離合器時(shí)，為了減小發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)整車的沖擊，以及對(duì)電機(jī)功率的需求，可以先切斷動(dòng)力系統(tǒng)和整車之間的動(dòng)力連接，對(duì)于雙離合器混合動(dòng)力系統(tǒng)可以通過(guò)分離換擋離合器來(lái)實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于僅有模式離合器的混合動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)變速器摘檔來(lái)實(shí)現(xiàn)。雙離合器混合動(dòng)力系統(tǒng)，采用換擋離合器及MT變速器，由人工進(jìn)行換擋。在由純電動(dòng)模式向混合動(dòng)力模式切換時(shí)，可以通過(guò)分離換擋離合器或變速器摘檔來(lái)切斷動(dòng)力系統(tǒng)與整車的動(dòng)力連接，更優(yōu)選地，可以結(jié)合變速器加擋利用換擋間隔來(lái)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，即純電動(dòng)模式時(shí)，以變速器一檔行駛，加速到車速Ua，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速為"。，然后電機(jī)斷電，變速器摘檔，結(jié)合模式離合器，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的轉(zhuǎn)速降為更優(yōu)選地，合理設(shè)計(jì)變速器一檔和二檔的傳動(dòng)比之間的比例關(guān)系，可使發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后的轉(zhuǎn)速剛好等于變速器輸出軸的轉(zhuǎn)速，這時(shí)變速器可以不需要同步器工作而直接掛二檔。要實(shí)現(xiàn)直接同步換二檔，
變速器一檔和二檔的傳動(dòng)比須滿足關(guān)系式.叫. zi =一b (9)L 」 w
式中"。-模式切換前電機(jī)轉(zhuǎn)速
" r模式切換后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速
i「變速器一檔傳動(dòng)比；
i2-變速器二檔傳動(dòng)比。 這種設(shè)計(jì)采用換擋間隔啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，節(jié)省了啟動(dòng)時(shí)間，提高了動(dòng)力性。并通過(guò)合理設(shè)計(jì)變速器一檔和二檔的傳動(dòng)比之間的比例關(guān)系，實(shí)現(xiàn)直接同步換二檔，同時(shí)也相對(duì)縮短了換擋時(shí)間，減小了同步器的磨損。然而，要保證啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)前的車速等于Ua，并利用換擋間隔啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，需要駕駛員準(zhǔn)確的判斷力以及熟練的操縱能力。而對(duì)于僅有模式離合器的混合動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)就更容易了。僅有模式離合器的混合動(dòng)力系統(tǒng)取消了換擋離合器，并采用AMT變速器，由換擋控制器控制換擋機(jī)構(gòu)來(lái)自動(dòng)換擋。換擋規(guī)律和起步控制策略都是事先在程序中固定的。即規(guī)定以純電動(dòng)模式一檔起步，加速到車速Ua，即電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到"。，開始模式切換，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，變速器直接換二檔以混合動(dòng)力模式繼續(xù)行駛。
為了驗(yàn)證本發(fā)明的實(shí)施方案相對(duì)于傳統(tǒng)混合動(dòng)力系統(tǒng)的進(jìn)步，讓我們采用Matlab/simulink建立仿真模型，通過(guò)仿真結(jié)果來(lái)對(duì)比飛輪換位前后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的影響。我們主要建立發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程阻力模型、模式離合器模型和電機(jī)模型。
1.發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程阻力模型 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的阻力矩主要來(lái)自三部分，一部分是通過(guò)活塞、連桿作用到到曲軸曲柄上而產(chǎn)生的阻力矩，包括活塞、活塞銷、連桿小頭等部件的往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的往復(fù)慣性阻力，活塞壓縮氣體時(shí)產(chǎn)生的氣體作用力，活塞裙部、活塞環(huán)與氣缸之間的滑動(dòng)摩擦而產(chǎn)生的摩擦阻力；另一部分是由于曲軸和連桿軸承產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦阻力矩。第三部分是通過(guò)齒輪或正時(shí)皮帶傳遞到曲軸上的阻力矩，包括氣門機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的摩擦阻力以及發(fā)動(dòng)機(jī)附屬部件產(chǎn)生阻力。由于發(fā)動(dòng)機(jī)剛開始啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速較低，氣門機(jī)構(gòu)以及附屬部件產(chǎn)生的阻力矩可以忽略不計(jì)。 1. 1由活塞連桿作用到曲軸上的阻力矩 活塞的往復(fù)變速直線運(yùn)動(dòng)通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的轉(zhuǎn)動(dòng)，曲柄連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，連桿的運(yùn)動(dòng)是隨活塞平移的牽連運(yùn)動(dòng)和繞活塞銷擺動(dòng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的復(fù)合，為了便于計(jì)算，將連桿進(jìn)行質(zhì)量代換，以離散質(zhì)量系來(lái)代替實(shí)際連桿，把連桿質(zhì)量集中于三點(diǎn)(小頭孔中心、大頭口中心、質(zhì)心位置)，并認(rèn)為這些質(zhì)量是由無(wú)質(zhì)量的剛性連桿 連接起來(lái)。由于連桿的質(zhì)量大部分都集中于大頭和小頭部分，將質(zhì)心位置的質(zhì)量分配到兩 頭上對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很小，因此一般都采用雙質(zhì)量代換系統(tǒng)。即認(rèn)為曲柄連桿機(jī)構(gòu)是由無(wú) 質(zhì)量的剛性連桿把兩個(gè)集中質(zhì)量聯(lián)系起來(lái)的非自由質(zhì)點(diǎn)系。
1. 1. 1往復(fù)慣性力 活塞的速度v和加速度j分別為 sin(" + / )
v = rw- J =，'
cos "
cos(a + / )
(10)
+義
cos2 or










式中
COS / COS-'
發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；
(11)
d<2
a _曲軸轉(zhuǎn)角；
P-連桿與中心線夾角；
a 、 P滿足關(guān)系式
sin P =入sin a
入-連桿比，
義=二 /
r-曲柄半徑， l-連桿長(zhǎng)度。 故活塞的往復(fù)慣性阻力為
Fj = _ (mh+mA) j
(12)
式中mh-活塞、活塞銷、活塞銷卡環(huán)、和活塞環(huán)的總質(zhì)量； mA-連桿通過(guò)雙質(zhì)量代換以后，集中于小頭的質(zhì)量。 1.1.2氣體作用力
壓縮空氣直接作用在活塞頂部，推動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞處于壓縮與排氣行程時(shí)，
壓縮空氣作負(fù)功，成為發(fā)動(dòng)機(jī)的阻力矩。Fg計(jì)算公式為 [畫]Fg= (Pgas-Po)Sp (13) 式中Pgas-氣缸內(nèi)的壓力； P。-大氣壓力； Sp_活塞頂部的有效面積。 1. 1. 3摩擦阻力 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的機(jī)體溫度和潤(rùn)滑油流動(dòng)狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)可分為冷起動(dòng)與熱 起動(dòng)。對(duì)應(yīng)不同的起動(dòng)過(guò)程，活塞摩擦阻力是不同的?；钊Σ磷枇τ苫钊h(huán)摩擦阻力Fr 和活塞裙部摩擦阻力Fs構(gòu)成。 1. 1. 3. 1冷起動(dòng)時(shí)活塞摩擦阻力 在發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)的過(guò)程中，潤(rùn)滑機(jī)油粘度大、流動(dòng)性差，需要幾分鐘到十幾分鐘才
9能完全達(dá)到各摩擦部件，另外在低溫情況下，活塞環(huán)與氣缸，活塞與氣缸之間間隙較大，不可能形成潤(rùn)滑油膜。因此發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)時(shí)的潤(rùn)滑狀態(tài)為邊界潤(rùn)滑，摩擦阻力系數(shù)可視為常數(shù)。
0097] 活塞環(huán)-缸套間摩擦力為
0098] Fr = PR = ii (Pgas+P。)Sr (14)
00"] 活塞裙部_缸套摩擦力為
s_fi 2_tanp+l/p tanp+l/jx
0101] 式中N「活塞環(huán)與缸套間的壓力；
0102] N2-活塞裙部與缸套間的壓力；
0103] il _活塞與氣缸之間的摩擦系數(shù)；
01(H] P「活塞環(huán)對(duì)氣缸的彈性壓力；
0105] S「活塞環(huán)與氣缸的接觸面積；
0106] P。-大氣壓力；
0107] Mh_活塞及活塞銷的質(zhì)量；
0108] j-活塞的往復(fù)加速度；
O109] g-重力加速度。
cmo] 1. 1.3.2熱起動(dòng)時(shí)活塞摩擦阻力
0111] 發(fā)動(dòng)機(jī)熱起動(dòng)時(shí)，機(jī)體溫度高，機(jī)油還未冷卻下來(lái)，各活塞環(huán)槽中的機(jī)油保有量多；另外活塞環(huán)與缸套間的間隙較小，潤(rùn)滑較好，處于彈性潤(rùn)滑狀態(tài)?；钊h(huán)-缸套間摩擦力為
0112]
0113]0114]0115]0116]0117]0118]0119]
0120]
Fr =a, D(n。 +0.化阜(Pe +Pgas) w (16)
式中a「活塞環(huán)形狀系數(shù)；
nv-潤(rùn)滑機(jī)油的運(yùn)動(dòng)粘度；
w-活塞環(huán)厚度；
D-氣缸直徑；n。-油環(huán)個(gè)數(shù)；n。-氣環(huán)個(gè)數(shù)。
活塞裙部_缸套摩擦力對(duì)曲軸的阻力為
s 、 (17)
式中a2油膜厚度的影響系數(shù)；h-油膜厚度；
M-活塞裙部的長(zhǎng)度。1.1.4活塞受力分析
對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)用達(dá)倫原理，對(duì)活塞的受力進(jìn)行分析，如圖4所示，活塞受力平
0121]0122]0123]0124]0125]衡方程為
0126] & = (Pgas+Pe)Sr， (18)0127] FLsine+N「N2 = 0 (19)0134] 該混合動(dòng)力汽車采用4JB1型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，型式為直列4缸4沖程。發(fā)動(dòng)機(jī)中4個(gè) 缸之間的相位角相差180。。單缸連桿作用到曲軸上的阻力矩TL1為曲軸轉(zhuǎn)角和曲軸轉(zhuǎn)速 "的函數(shù)，記為f(a，")，則4個(gè)缸連桿作用到曲軸上總的阻力矩為
0128] FLcos P +Fj+ (mh+mA) g+Fg-Fr_Fs 0129] 聯(lián)立式(18)-(20)求解可得
0， (20)
0130] Fl =
Fr+Fs—Fi—^'+mH'
0131] 0132]
0133]
COS
式中Tf連桿對(duì)活塞銷的作用力。 故單缸連桿作用到曲軸上的阻力矩為
(21)
, , 、「 i sin( +釣 (mh +mA)g — FK]~^~~^
cos
0135] & =Z/(a + z.f",(y)
One] 1. 2由滑動(dòng)軸承產(chǎn)生的摩擦阻力矩
0137] 在發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)的過(guò)程中，溫度低，潤(rùn)滑機(jī)油粘度大、流動(dòng)性差，需要幾分鐘到十 幾分鐘才能完全達(dá)到各摩擦部件，無(wú)法形成潤(rùn)滑油膜。因此發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)時(shí)曲軸連桿軸承 的潤(rùn)滑狀態(tài)為邊界潤(rùn)滑，摩擦阻力系數(shù)可視為常數(shù)?；瑒?dòng)軸承的摩擦阻力矩為
0138] TB =E ii WR
0139] 式中ii -滑動(dòng)摩擦系數(shù)；
0M0] W-軸承載荷；
0141] R-軸承滑動(dòng)面半徑。
0142] 發(fā)動(dòng)機(jī)熱起動(dòng)時(shí)，機(jī)體溫度高，機(jī)油還未冷卻下來(lái)，各軸承中的機(jī)油保有量多，潤(rùn) 滑較好，處于彈性潤(rùn)滑狀態(tài)?；瑒?dòng)軸承的摩擦阻力矩為
2 ，C
0143]
0144] 0145]
0146]
0147] 0148] 0149]
0150]
0151] 0152] 0153] 0154] 0155]
2 (l-s2)'/2
式中C-軸承半徑間隙；
e _偏心率；
￡ =—— C
e-偏心距；
小_偏位角；
s-索莫菲爾德數(shù)；
~ C
N-轉(zhuǎn)速；
L-軸承長(zhǎng)度。
1. 3發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程的總阻力矩的計(jì)算
作用在曲軸上的總阻力矩為
Tz = TL+TB (22)0156] 2離合器模型
0157] 離合器結(jié)合過(guò)程中，系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型如圖5所示。
0158] 在離合器主動(dòng)盤和從動(dòng)盤同步前的動(dòng)力學(xué)方程為
0159] (Je + Jcl)^ = Tc — T'
0160](J + j _T T 卞J。 乂_j _丄m 丄e dt
0161]CO e0 = 0
0162]0 = wo
0163]CO e! = Wml = A
0164]式中"e-發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；0165]CO加_電機(jī)轉(zhuǎn)速；
0166]Tc-離合器傳遞的摩擦轉(zhuǎn)矩；
0167]T — i z發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)阻力矩；
0168]Tm-電機(jī)轉(zhuǎn)矩；
0169]Je-發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
0170]Jm-電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
0171]Jd--離合器主動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣
0172]JC2--離合器從動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣
0173]CO e。_發(fā)動(dòng)機(jī)的初始轉(zhuǎn)速；
0174]。_電機(jī)的初始轉(zhuǎn)速；
0175]CO ep "^為同步后的轉(zhuǎn)速。
0176]3電機(jī)模型0177]電機(jī)采用永磁同步電機(jī)(PMSM電機(jī)體積小、質(zhì)量輕、效率高、布置靈活且容易控制。在對(duì)PMSM進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析時(shí)， 一般采用Park分解，將三相的電壓、電流、磁鏈變換為與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的d， q坐標(biāo)系統(tǒng)中的兩相矢量。經(jīng)過(guò)Park變換后的永磁同步電機(jī)的動(dòng)態(tài)微分方程為d . 1 ^ A,
~ ~ ~
".1 乙
廣 《
義=
人
+
7;=1.5^[義,:/+(^— 式中L,、Ld-q、d軸電感(H); R-定子繞組電阻(Q); iq、 id-q、 d軸的定子電流(A); Uq、 ud-q、 d軸的定子電壓(V); "r-轉(zhuǎn)子角速度(rad s—0 ; A -轉(zhuǎn)子永磁體在定子繞組上的耦合磁鏈(Wb) p-電機(jī)極對(duì)數(shù)。
12
通常針對(duì)永磁同步電機(jī)常采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制(id = O)，故轉(zhuǎn)矩關(guān)系式可以簡(jiǎn) 化為 Te=1.5pAiq (23) 通過(guò)仿真計(jì)算，得到在不同系統(tǒng)中啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間的比較示意圖(如圖6 所示)和啟動(dòng)能量的比較示意圖(如圖7所示)。在上述兩個(gè)圖中，曲線l為傳統(tǒng)的混合動(dòng) 力系統(tǒng)的的仿真結(jié)果，曲線2為本發(fā)明的混合動(dòng)力系統(tǒng)的仿真結(jié)果。從圖中可以看出，相對(duì) 于傳統(tǒng)的混合動(dòng)力系統(tǒng)，在本發(fā)明的混合動(dòng)力系統(tǒng)中，啟動(dòng)時(shí)間縮短了 44% ;啟動(dòng)能量減小 了 72%。
權(quán)利要求
一種混合動(dòng)力系統(tǒng)，其包括發(fā)動(dòng)機(jī)、模式離合器、電機(jī)及變速器，所述模式離合器包括作為大慣量部分的飛輪和離合器壓盤以及作為小慣量部分的離合器摩擦盤，其特征在于，作為小慣量部分的離合器摩擦盤通過(guò)扭轉(zhuǎn)減震器安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸輸出端上，而作為大慣量部分的飛輪和離合器壓盤安裝到電機(jī)的輸入軸上，在電機(jī)的輸入軸上還設(shè)置有能承受軸向力的軸承。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于，所述離合器摩擦盤通過(guò)扭轉(zhuǎn)減震器連接到轉(zhuǎn)接軸一端的花鍵上，而該轉(zhuǎn)接軸的另一端連接到發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸輸出端上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸輸出端上設(shè)置有花鍵，所述離合器摩擦盤通過(guò)扭轉(zhuǎn)減震器直接安裝到該花鍵上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一項(xiàng)所述的混合動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于，所述飛輪通過(guò)鍵連接方式或螺栓連接方式安裝到所述電機(jī)的輸入軸上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的混合動(dòng)力系統(tǒng)的模式切換方法，其特征在于，當(dāng)從純電動(dòng)模式向混合動(dòng)力模式切換時(shí)，先緩慢結(jié)合模式離合器，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)被拖動(dòng)至最低啟動(dòng)轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)噴油點(diǎn)火啟動(dòng)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的混合動(dòng)力系統(tǒng)的模式切換方法，其特征在于，在所述混合動(dòng)力系統(tǒng)為雙離合器混合動(dòng)力系統(tǒng)的情況下，當(dāng)從純電動(dòng)模式向混合動(dòng)力模式切換時(shí)，電機(jī)斷電，同時(shí)分離換擋離合器，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速為o。；然后結(jié)合模式離合器，當(dāng)模式離合器的離合器壓盤和離合器摩擦盤同步后，電機(jī)和模式離合器的大慣量部分以存儲(chǔ)的動(dòng)能直接將發(fā)動(dòng)機(jī)拖至最低啟動(dòng)轉(zhuǎn)速"p此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的轉(zhuǎn)速相同為"1;"。和之間滿足以下條件來(lái)實(shí)現(xiàn)零電能啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)其中，Ie為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Im為電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Icl為模式離合器小慣量部分摩擦盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，1。2為模式離合器大慣量部分(飛輪和壓盤)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，^為啟動(dòng)過(guò)程中由于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部摩擦和壓縮空氣產(chǎn)生的能量損失，Em為啟動(dòng)過(guò)程中由于電機(jī)內(nèi)部摩擦產(chǎn)出的能量損失，E。為結(jié)合過(guò)程中模式離合器滑摩產(chǎn)生的能量損失。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的混合動(dòng)力系統(tǒng)的模式切換方法，其特征在于，在所述混合動(dòng)力系統(tǒng)為僅有模式離合器的情況下，當(dāng)從純電動(dòng)模式向混合動(dòng)力模式切換時(shí)，電機(jī)斷電，同時(shí)變速器摘檔，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速為o。；然后結(jié)合模式離合器，當(dāng)模式離合器的離合器壓盤和離合器摩擦盤同步后，電機(jī)和模式離合器的大慣量部分以存儲(chǔ)的動(dòng)能直接將發(fā)動(dòng)機(jī)拖至最低啟動(dòng)轉(zhuǎn)速"i，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的轉(zhuǎn)速相同為"1;"。和A之間滿足以下條件來(lái)實(shí)現(xiàn)零電能啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)Im為電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Icl為模式離合器小慣量部分摩擦盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，I。2為模式離合器大慣量部分(飛輪和壓盤)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，^為啟動(dòng)過(guò)程中由于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部摩擦和壓縮空氣產(chǎn)生的能量損失，Em為啟動(dòng)過(guò)程中由于電機(jī)內(nèi)部摩擦產(chǎn)出的能量損失，E。為結(jié)合過(guò)程中模式離合器滑摩產(chǎn)生的能量損失。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的模式切換方法，其特征在于，當(dāng)c^設(shè)定為^發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速值時(shí)，可省卻發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的加濃噴油。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6、7或8所述的模式切換方法，其特征在于，利用換擋間隔啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)以節(jié)省啟動(dòng)時(shí)間，即純電動(dòng)模式時(shí)，以變速器一檔行駛，加速到車速 ，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速為"。，然后電機(jī)斷電，變速器摘檔，結(jié)合模式離合器，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的轉(zhuǎn)速降為
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的模式切換方法，其特征在于，變速器一、二檔傳動(dòng)比之間的比值滿足以下關(guān)系時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)直接同步換二檔式中"。為模式切換前電機(jī)轉(zhuǎn)速"工為模式切換后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速t為變速器一檔傳動(dòng)比；12為變速器二檔傳動(dòng)比。
11. 一種混合動(dòng)力汽車，其包含權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的混合動(dòng)力系統(tǒng)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的混合動(dòng)力汽車，其特征在于，該混合動(dòng)力汽車的混合動(dòng)力系統(tǒng)采用權(quán)利要求5至10中任意一項(xiàng)所述的模式切換方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及并聯(lián)混合動(dòng)力汽車領(lǐng)域，尤其涉及并聯(lián)混合動(dòng)力汽車的混合動(dòng)力系統(tǒng)。所述混合動(dòng)力系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)、模式離合器、電機(jī)及變速器，所述模式離合器包括作為大慣量部分的飛輪和離合器壓盤以及作為小慣量部分的離合器摩擦盤，作為小慣量部分的離合器摩擦盤通過(guò)扭轉(zhuǎn)減震器安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸輸出端上，而作為大慣量部分的飛輪和離合器壓盤安裝到電機(jī)的輸入軸上，在電機(jī)的輸入軸上還設(shè)置有能承受軸向力的軸承。采用上述混合動(dòng)力系統(tǒng)后，當(dāng)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，將大大減小啟動(dòng)時(shí)間和啟動(dòng)能量，同時(shí)降低了沖擊，減少了離合器的磨損。
文檔編號(hào)H02K5/16GK101741172SQ20091026602
公開日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者何洪文, 孫逢春, 楊良會(huì) 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)