一种新型混合动力传动装置的行星轮系设计[1]

（ 1 ） 同心条件 Zr － Zp Zs + Zp = cos α sp cos α rp （ 1）
与分解， 具有 2 个自由度和多种工作模式， 在没有变 矩器和主离合器的 情 况 下， 可以很好地实现发动机 与变速器的衔接， 完 成 车 辆 起 步、 换 挡 过 渡、 纯发动 机驱动， 纯电机驱动 、 混合驱动和电制动回馈等各种 功能 。 该混合动力传动装置由动力传动机构和集成 在其中的 ISG 电机两部分组成， 如图 2 所示 。 其中， 动力传动机构除单排行星齿轮机构 （ 太阳轮 S ， 齿圈 R， 行星架 H ） 之外， 还 包 括 了 一 个 离 合 器 C、 一个制 动器 B 、 两个单向离合器 F 1 和 F 2 。 若以发动机输出 的旋转方向为正， 则 单 向 离 合 器 F1 和 F2 均 为 正 向 分离 、 反向制动的 单 向 离 合 器 。 根 据 表 1 所 示 的 混 合动力传动装置的基本性能指标进行设计 。 2 2. 1 行星轮系设计与校核 配齿计算 行星排配齿条件
09 22 收稿日期： 2009 作者简介： 刘 钊 （ 1958 － ） ， 教 授， 博 士， 研究方向为车辆传动及其
liuzhao@ tongji． edu． cn 控制技术， 工程机械及其关键技术，
图1
传动方案结构简图
第 10 期
刘
钊等： 一种新型混合动力传动装置的行星轮系设计
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动力传动装置模型和设计参数 新型混合动力传动装置完成两个动力源的合成
October Vol． 29
2010 No． 10
一种新型混合动力传动装置的行星轮系设计
刘 钊， 黄海涛 ， 吴 强， 朱玉田
201804 ）
（ 同济大学 机械工程学院， 上海
刘
钊
摘
要： 在作者之前提出的一种 新 型 混 合 动 力 传 动 方 案 中， 动力传动装置是以行星轮系为基本结
— 行星轮系进行设计， — 构、 采用多个离合控制元件的复杂机构 。 笔者对其中的关键部件 — 给出了参 数设计方法， 得到了各零件的最大转速 、 最大扭矩和几何参数， 并进行了校核计算 。 关 键 词： 混合驱动； 动力传动装置； 行星轮系； ISG 文献标识码： A 8728 （ 2010 ） 10128203 文章编号： 1003中图分类号： TH132
Abstract ： In Reference［ 1］ ， we present a new scheme of hybrid transmission whose power split unit is a complex mechanism and is composed of a planetary gear train and brakes and clutches ； its power split unit model and design parameters were introduced． In this paper ，we present the design of its planetary gear train． The analytical method of gear match is given． The maximum revolution and moment of the sun gear ，gear ring ，planetary gear carrier and planetary gear is obtained under different operation modes． To check the calculation and analysis results ，the surface load capacity of gears and the bending load capacity of gears are tested． Test results show that it meets the requirements for hybrid vehicles． Key words ： Hybrid drive ； Power split unit ； Planetary gear train 随着能源危机 和 环 境 污 染 问 题 日 益 显 著， 各国 先后发展混合动力 汽 车 技 术， 改善能量利用效率的 同时降低了排放 。 典型的混合动力传动方案有丰田 的 THS
动力传动装置模型和设计参数新型混合动力传动装置完成两个动力源的合成与分解具有2个自由度和多种工作模式在没有变矩器和主离合器的情况下可以很好地实现发动机与变速器的衔接完成车辆起步换挡过渡纯发动机驱动纯电机驱动混合驱动和电制动回馈等各种功能
2010 年 第 29 卷
10 月 第 10 期
机 械 科 学 与 技 术 Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering
［8］ 本行 星 齿 轮 机 构 为 2K-H 型 行 星 齿 轮 机 构 ，Fra bibliotek发动机输入
最大扭矩： 135 N · m /3500 r / min 最高转速： 6000 r / min 额定功率： 20 kW
ISG 电机输入 最大扭矩： 30 N · m 最高转速： 10000 r / min
其基本运动学方程为 ω S + p × ω R － （ 1 + p） × ω H = 0 转速； p 为行星排特性参数 。 混合动力传动装置通过不同离合元件的结合或 分离能够实现行星齿轮传动机构不同的动力传递模 式 。 将离合器 / 制动器结合方式代入（ 4 ） 。 ωR 1 + p ； 离合器 C 结合时， 制动器 B 结合时， = p ωH ωs ω s = ω R = ω H ； 单 向 离 合 器 F 1 作 用 时， = － p ； F 2 ωR ωs 作用时， = 1 + p ； 行 星 排 的 理 论 内 扭 矩 关 系 式 为 ωH T s ： T R ： T H = 1 ： p： － （ 1 + p） 。 （ 2 ） 行星排各零件转速和扭矩 当发动机及 ISG 电机以最高转速或最大扭矩作 为输入时， 通过上述 关 系 可 以 计 算 出 行 星 排 中 各 零 （ 4） ωH 、 ωR 分 别 代 表 太 阳 轮、 式中： ω S 、 行 星 架、 齿圈的
（ 2）
Zr 为齿圈固定时太 Zs
阳轮对行星架的传动比 。 （ 2 ） 相邻条件 2 a' sin 180 ° ＞ d pa nω （ 3）
式中： d pa 为 行 星 轮 齿 顶 圆 直 径； a' 为 太 阳 轮 与 行 星 轮中心距 。 进行配齿计算， 行星排特 征 参 数 4 / 3 ≤ p ≤ 4 ， 当 p 值超出此范围后将使行星排结构设计困难［9］ ， 取p = Zr Zr r = 3. 5 ， = 4. 5 。 取 行 星 轮 数 目 n ω 则 i sH = 1 + Zs Zs
［2］
笔者此前已提出的一种新型混合动力传动方 案， 包 括 发 动 机 模 块 （ Internal combustion engine ， ICE ） ， 集成启动 / 发 电 机 模 块 （ Integrated started generator ，ISG ） ， 混合动力传动装置模块 （ Power split unit ，PSU ） ， 机械 变 速 器 模 块 （ Transmission ） ， 蓄电池 模块（ Cell ） ， 基 本 结 构 如 图 1 所 示。 作 为 核 心 部 分 —行 星 轮 系 — 的动力传动装 置， 笔 者 对 其 关 键 部 件— 和离合器 / 致动器进行设计和校核， 给出了参数设计 步骤和方法， 以确保满足车辆在各种工况下的要求， 为继续进行其他结构设计提供了前提 。
表3 齿轮 太阳轮 行星轮 齿圈 1． 5 8． 9572 1． 5185 法向模数 m n （ mm ） 螺旋角 β （ ° ）
σ 槡
u
（ 5）
从表中得出行星排各零件在混合动力传动装置 工作时所需达到的最高转速和传递的最大扭矩 。 为 保证传动机构在满负荷工作情况具有足够的刚度和 强度， 将取上表中得 出 的 最 高 转 速 和 最 大 扭 矩 作 为 计算载荷来进行行星传动齿轮的设计及校核 。 2. 3 行星传动齿轮主要参数及几何尺寸确定 （ 1 ） 选取材料
Design of the Planetary Gear Train of a Newtype Hybrid Power Split Unit
Liu Zhao ，Huang Haitao ，Wu Qiang ，Zhu Yutian
（ College of Mechanical Engineering ，Tongji University ，Shanghai 201804 ）
3
B C F1 F2
－ 10000 2857
a ≥ 476 （ u + 1 ）
KT a
a 2 HP
式中： T a 为一对太阳轮 行 星 轮 之 间 传 递 的 扭 矩 。 选 载荷系 取太阳轮传递的最 大 扭 矩 作 为 输 入 扭 矩 T s ， 数 K 取 2. 3 。 齿 宽 系 数 a 取 0. 5 。 齿 数 比 u = 1. 25 ， 初取螺旋角 β 许用 接 触 应 力 σ HP = 1000 MPa ， = 9°， 初 算 法 向 模 数 m n = 1. 4901 ，中 心 距 a ≥ a = 41 mm 40. 734 ， m n = 1. 5 mm ， 将其分别取标准值， 后再精确计算螺旋 角， 将确定的行星排各齿轮几何 参数列于表 3 。
表1
［6 ～ 8］
式中： Z s 为 太 阳 轮 齿 数； Z r 为 齿 圈 齿 数； Z p 为 行 星 轮齿数； α sp 为 太 阳 轮 与 行 星 轮 的 啮 合 角； α rp 为 齿 圈 与行星轮的啮合角 。 （ 2 ） 装配条件 i rsH · Z s = C （ 整数） nω
r 式中： n ω 为行星轮个数，i sH = 1 +
第 29 卷
太阳轮： 20CrMnTi ， 渗碳 淬 火， 齿 面 硬 度 HRC56 ～ HRC62 。 行星 轮： 20CrMnTi ， 渗 碳 淬 火， 齿面硬度 HRC56 ～ HRC62 。 齿 圈： 42CrMo ， 调 质、 氮 化 处 理， 齿面硬度 HB ≥260 。 （ 2 ） 按接触强度初步确定中心距并初选主要参数 按下式计算太阳轮与行星轮的中心距
混合动力传动装置基本设计参数 最大功率： 69 kW /5500 r / min
= 3， 根据单排行星传动装配条件， 取 C = 36 ， 则 Zs = 24 ， Z r = 84 ， Z p = 30 ， 未 采 用 变 位， 变 位 系 数 j = 0， 啮 合角 α = 20 ° 。 2. 2 转速及扭矩计算 （ 1 ） 行星排动力学分析
（ Toyota Hybrid System ） ， 本田的 IMA （ Inte［3］
grated Motor Assist ）
和双模式完全混合动力系统
［4 ， 5］
AHS2 （ Advanced Hybrid System 2 ）
。 混合动力传
动系统应该具备的 基 本 功 能 包 括： 多 种 动 力 合 成 与 分解， 可实现发动 机 、 电 动 机 分 别 或 共 同 驱 动； 多 档 位变速器或无级变速器实现车速与发动机转速的良 好匹配， 使发动机运行在高效节油段； 多动力源输出 扭矩控制功能 。
图2
新型混合动力传动装置方案
件在不同的运行模式下可能达到的最高转速和传递 的最大扭矩， 如表 2 所示 。
1284 表2
机 械 科 学 与 技 术 行星排各零件在不同模式下的最大转速和扭矩 结合元件 太阳轮 0 39 6000 30 30 10000 30 齿圈 6000 135 6000 105 105 0 105 行星架 行星轮 4667 － 174 6000 － 135 0 － 135 2222 － 135 3733 0 0 0 8000 0 － 6222 0 转速（ r / min ） 扭矩（ N · m ） 转速（ r / min ） 扭矩（ N · m ） 转速（ r / min ） 扭矩（ N · m ） 转速（ r / min ） 扭矩（ N · m ）