电动汽车行星齿轮式无级变速器建模与仿真

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1
=
1 J1
#
(M 1 -
1 kp
#
M
3
)
( 7)
由式 ( 3)可推出:
M3
=
kp kp +
1#
(JH #
H - MH )
( 8)
将式 ( 7)、( 8)带入式 ( 6)可得
H
=
JH
+
kp + 1 J 1 # ( kp +
1)2 (M 1
+
kp
1 +
1# MH
+
ຫໍສະໝຸດ Baidu
J1 #
kp #
3)
( 9)
式 ( 9)即为 P CVT 的动力学方程, 式中
的转速。
由式 ( 1)可以看出, 当主电机转速固定时, 可 以通过调 节 n3 的转 速, 从 而达 到无 级变 速的 目 的, 这样便可以让主电机尽可能地工作在高效区;
此外, 在行星架与太阳轮转向相同的情况下, 若 n3 的转向与 n1 相同, 则 i1H 减小, 实现增速, 此时齿圈 输入功率, 若 n3 的转向与 n1 相反, 则 i1H 增大, 实 现减速。主电机输入的 功率, 有一部分从齿圈 输
D1
行星架 主电机
3
齿圈
D2 调速电机 /
发电机
4 齿轮
1. 2 P CVT 的工作原理 从图 1中可看出, 单排行星轮具有 3个自由
度, 即太阳轮、齿圈和行星架。在普通的行星齿轮 式自动变速器中, 通过固定其中 1个自由度, 剩余 的 2个自由度 1个作为输入, 1个作为输出, 从而 得到 1个固定的传动比, 通过改变固定端及输入、 输出端, 能得到几种不同的组合方式, 也就是几个 档位。如果将限制的一个自由度放 开, 让其也作 为一个输入或者输出端, 则 有如表 2 所示的 6种 组合方式。
出, 此时调速电机起发电机的作用, 将由齿圈输出 的能量回收。
表 2 单 排行星齿轮基本构件组合方式
方案
太阳轮
齿圈
行星架
1
输入
输入
输出
2
输入
输出
输出
3
输入
输出
输入
4
输出
输入
输入
5
输出
输出
输入
6
输出
输入
输出
2 变速器模型的建立
在无能量损失的条件下得出 P CVT 的动力学 方程如式 ( 2)、( 3)所示 [ 2] :
王德伦, 张石静, 许南绍, 李 鑫
( 重庆理工大学 重庆汽车学院, 重庆 400050)

要: 提出一种差动式行星齿轮式无级变速器, 对其结构和原理进行了介绍, 推导了其数
学模型, 结合某电动汽车, 在 M at lab的 Sim u link环境下, 对此电动汽车的动力性能进行了仿真。
仿真结果验证了本变速器和所建模型的可行性和正确性, 为产品设计开发提供参考。
W ANG D e lun, ZHANG Shi jing, XU N an Shao, L I X in
( Chongqing Au tom ible Co llege, Chongq ing U n iversity of T echno logy, Chongq ing 400050, Ch ina)
第 24卷 第 11期 Vo .l 24 No. 11
重 庆 理 工 大 学 学 报 (自然科学 )
Journa l of Chongqing U niversity of T echno logy( N atural Science)
2010年 11月 N ov. 2010
电动汽车行星齿轮式无级变速器建模与仿真
关 键 词: 电动汽车; 行星齿轮式无级变速器; 数学模型
中图分类号: U463. 212
文献标识码: A 文章编号: 1674- 8425( 2010) 11- 0007- 05
M odeling and Simulation of P lanetary G ear type Continuously Variable T ransm ission of E lectric V eh icle
[ 7] 肖平. 混合动 力电动 汽车整车 匹配 与电机 控制 系统 研究 [ D ]. 合肥: 安徽农业大学, 2002.
[ 8] 钟虎, 杨林, 张毅, 等. 混合动力无级变速运行 模式的 试验 研 究 [ J]. 汽 车 工 程 学 报, 2005, 27 ( 4) : 434 - 437.
[ 9] 颜志鹏, 秦大同. 双离合器自动变速器换挡过 程仿真 分析 [ J]. 重庆工学 院学 报: 自 然科 学版, 2009( 4) : 1 - 6.
本文所提及的变速器, 采用的是第 1种和第 2 种组合方式, 其连接方式是: D1 ( 主电机 ) 与太阳 轮相连, 作为主要的动力输入端, 行星架作为输出 端, 将动力传递给驱动车轮, 齿圈加工成内齿和外
齿的形式, 内齿与 3个行星轮啮合, 外齿与齿轮 4 啮合, 齿轮 4与 D2( 调速电机 /发电机 ) 相连, 齿圈
参考文献:
[ 1] 郑文维, 吴 克坚. 机 械原 理 [ M ]. 7 版. 北 京: 高等 教 育出版社, 2007.
[ 2] [ 波兰 ]安东尼 # 所左 曼诺夫 斯基. 混合动 力城市 公 交车 系 统 设 计 [ M ]. 北 京: 北 京 理 工 大 学 出 版 社, 2007.
[ 3] 余 志生 . 汽车 理 论 [M ]. 4 版. 北 京: 机 械 工业 出 版 社, 2004.
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重庆理工大学学报
1 P CVT 的结构及原理
1. 1 P CVT 的结构 图 1是 P CVT 的一个结构示意图, 它由一个
行星齿轮系和一个蜗杆蜗轮机构 组成, 各编号零 部件的名称如表 1所示。
图 1 P CVT 的结构 示意图
编号 名称 编号 名称
表 1 各编号零部件的名称
1 太阳轮
H
2 行星轮 ( ∀ 3)
Abstract: T h is paper presents a p lanetary gear type Cont inuously V ar iab le transm ission ( the follow ing called P CVT ), introduces its structure and princ iple, derives its m athem at ical m ode,l then applies it to an electr ic car, and fina lly, sim u lates its dynam ic perform ance in the Sim u link ofM atlab. The sim u lation result ind icates that th is transm ission and its m odel are feasib le and correc,t w hich offer re fer ence for the production exp lo itation. K ey words: electric veh icle; planetary gear type continuously variable transm ission; m athemat ical mode
电机 参数 额 定功率 /kW 额 定扭矩 /( N# m ) 峰 值扭矩 /( N# m ) 最 高稳定转速
主电机
7. 5 48 120 5 500
调速电机
2. 5 12 30 6 000
10
重庆理工大学学报
3. 3 结果分析 1) 从图 3可以看出, 本电动汽车可达到的能
长时间使用的最高车速为 90 km / h。 2) 从图 4和图 5可以看出, 匹配变速器之后,
本电动汽车的最大爬坡度可以达到 25% , 且在坡 度为 20% 时, 其最高行驶车速可以达到 40 km / h。
3) 图 6~ 8是加速性能, 从图 8中可以看出, 0~ 50 km /h的加速时间约为 7 s, 0~ 80 km /h的加 速时间约为 14 s。
王德伦, 等: 电动汽车行星齿轮式无级变速器建模与仿真
结合某电动汽车, 对其起步 加速过程进行仿 真。某电动汽车整车参数如表 3所示。
图 2 整车模型
表 3 某电动汽车整车参数
满载质 量 ma /kg
空气阻 力 系数 CD
迎风面 积 A /m2
1 000 0. 335 1. 88
整备质量 mo /kg
车轮滚动 半径 r /m
滚动阻力 系数 f
8 33 0. 281 0. 015
由式 ( 1)可得
n1 + kp # n3 - ( kp + 1) # nH = 0 ( 4) 则
1 + kp # 3 - ( kp + 1) # H = 0 ( 5) 对式 ( 5)的等号两边同时取导, 得
1 + kp # 3 - ( kp + 1) # H = 0 ( 6) 由式 ( 2)可推出:
面对日益贫乏的自然资源、越来越恶劣的地 球环境, 节能环保 !已成为未来社会发展的一大 主题。节能环保汽车同时也得到了越来越多的国 家、汽车厂商, 以及消费者的青睐与重视。电动汽 车作为节能环保汽车的一种, 也将会有很好的发 展前景。变速器是汽车传动系统中的重要组成部 分, 直接影响汽车的动力性、经济性。电动汽车的
由于本变速器的特殊性, 即其在稳定时, 3 个 基本部件之间的扭矩成固定关系, 所以, 主电机的 扭矩及功率是根据 最大爬坡度来选择, 而调速 电 机的扭矩及功率则是根据最高车速确定的。针对 此电动车 的整车 参数, 选用 的电机 如表 4 所示。 仿真结果如图 3至图 9所示。
表 4 所选电机参数
[ 10] 陈宁, 王云超. 基于 D SP 的液 力自 动变速 器 ECU 的 硬件设 计 [ J]. 重庆 工 学 院学 报: 自 然 科学 版, 2009 ( 11) : 6- 10.
可以根据需要, 通过调速电机, 实现动力输入或者 能量回收。在此机构中, 太阳轮和行星架之间 的 速比如式 ( 1)所示 [ 1] :
i1H
=
( kp + 1) # n1 n1 + kp # n3
( 1)
其中: i1H 为太阳轮与行星架的速比; kp 为行星轮系
的特征参数, 其值为 z3 z1; n1, n3 为太阳轮及齿圈
[ 4] 饶振刚. 行星齿轮 传动设 计 [ M ] . 北京: 化学 工业 出 版社, 2002.
[ 5] 步曦, 杜爱民, 薛锋. 混合 动力汽 车用 行星齿 轮机 构 的理论 研 究 与 仿真 分 析 [ J]. 汽 车 工 程 学 报, 2006 ( 9): 834- 838.
[ 6] 段钦华. 行星齿 轮变速 器传动方 案的 设计方 法研 究 [ J]. 机械传动, 2007( 1) : 50- 53.
3
=
1# J3
( i43 # M 2 - M 3 )
( 10)
其中: M 2 为调速电机的输出扭矩; J3 为换算到齿
圈上的转动惯量; i43为齿轮 4 与外齿圈之间的传
动比。
3 仿真分析
3. 1 S im ulink建模 本文在 M atlab 的 S imu link 环境下, 建立了变
速器模型、阻力模型、控制器 模型以及整车模型, 如图 2所示。 3. 2 仿真结果
动力源是电机, 由于电机的特性与发动机的特 性 有着很大的区别, 因此, 针对电动汽车进行变速器 的设计与匹配, 有着很重要的意义。
本文提出一种差动式的行星齿轮无级变速器 ( P CVT ), 相对于传统的 CVT, 它具 有结构简单、 成本低、承载能力强以及变速范围广等多方面 的 优点。
收稿日期: 2010- 08- 10 作者简介: 王德伦 ( 1954 ), 男, 教授, 主要从事汽车现代设计理论与方法研究。
11
4) 图 9为是太阳轮固定, 仅采用调速电机驱 动时能够达到的最高车速, 从图中可以看出, 此车 速为 26 km / h左右。
4 结束语
综上可知, 配备 P CVT 之后, 此电动汽车的最 高车速、最大爬坡度 及加速时间都可以满足使用 需要; 同时, 仅使用调速电机驱动时的最高车速约 为 26 km /h, 可以在倒车时采用此种驱动方式; 此 外, 从仿真结果可以看出, 以最大爬坡度确定主电 机参数, 最高车速确定调速电机参数的方法可行。
J1 ∀
1 =M1-
1 kp
∀M 3
( 2)
JH

H
=
MH
-
kp + kp
1 ∀M 3
( 3)
其中: M 1, M 3, MH 分别为作用在太阳轮、齿圈及行
王德伦, 等: 电动汽车行星齿轮式无级变速器建模与仿真
9
星架上 的转 矩 ( 以太 阳轮 的输 入扭 矩 的方 向为 正 ); J1 为太阳轮及关联旋转部件等效到太阳轮轴 上的总转动惯量; JH 为行星架及关联旋转部件等 效到行星架轴上的总转动惯量。
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