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2 2 技 术 纵横 轻 型汽车技 术2 0 1 2 5 ／ 6 总 2 7 3 ／ 2 7 4 基于液压控制的机电耦合系统 姜朋昌 张 涌 吴海啸 南京汽车集团有 限公司汽车工程研究院 摘要 本文提 出了一种新型的机电耦合 系统， 分析 了其工作模式 ， 并着重介绍 了该机电耦 合装置的液压控制系统。 该系统新颖独特、 控制方便 ， 可以应用于混合动力汽车和纯电动 汽车， 很容 易使车辆实现各种工作模 式， 节能环保效果显著。 关键词 机电耦合装置液压控制系统节能环保 前 言 随着全球能源危机的不断加深 ，石油资源的 日 趋枯竭以及大气污染 、 全球气温上升的危害加剧 ， 汽 车动力系统 电动化和能源多元化 已成为今后汽车发 展的必然趋势l 1 l 。 目前各大汽车企业已推 出了多款混 合动力汽车和纯电动汽车。动力系统集成 已成为电 动汽车设计 的一大难题 ， 如发动机与电机集成 、 电机 与变速器集成等 ，本文设计的基于液压控制的机电 耦合系统 ， 将巧妙解决机械集成和电控集成的难题。 1 一种新型的机 电耦合装置 如图 1 所示 的一种新型的机 电耦合系统 ，采用 1 ． 发动机 、 2 ． I S G、 3 ． 驱动电机、 4 ． 行星齿轮机构、 5 ． 传动联结轴、 6 ． 离合器 c l 、 7 ． 离合器 c 2 、 8 ． 变速器 、 9 ． 传动联结轴 图 1 机 电耦合 系统 行星齿轮机构和两个湿式离合器机构 。发动机接 I S G的转子 ， I S G通过传动联结轴与离合器 1相连 ， 离合器 1 联结于双行星齿轮机构的太阳轮 ，驱动电 机与双行星齿轮机构的行星架相连 ，双行星齿轮机 构的齿圈与变速器输入轴相联结。 离合器 C 1 用于连 接或断开发动机与 I S G的动力 ， 离合器 c 2用于联结 或分离行星齿轮机构的太阳轮和行星架 ，使其是双 自由度结构或一体 的单 自由度 ，从而实现不同的丁 作模式。 1 ． 1 转矩耦合模式 设耦合装置输出轴 这里是齿圈 的转矩 、 转速 分别为 T 、 n ；发动机的转矩 、转速分别为 T 、 n ； I S G 电机的转速和转矩分别为 T n ；主驱动电机的转 速和转矩分别为 T n ； 行星轮特性参数为 k 齿圈 齿数与太阳轮齿数的比值 。 当离合器 c 2结合时 ，太阳轮与行星架结合 ， 由 行星轮机构的特点可知圜 ， 当行星轮系三元件中有两 个元件速度相等时 ，第三个元件 的速度必然与另外 两个元件速度相同， 故此时行星轮机构变为一体 ， 此 耦合系统是单 自由度系统 ， 系统输入输 出转矩 、 转速 关系为 T T T 1 T 1 n n n 1 n 2 由上面两式可知 ，耦合系统的输出转矩是发动 机和电机转矩的线性和 ，而耦合 系统的输出转速与 发动机及电机转速之间成 固定 比例关系 ，也就是说 轻 型汽 车技 术2 0 1 2 5 ／ 6 总 2 7 3 ／ 2 7 4 技 术纵横 2 3 较好的经济性 ； 而转速不能解耦 ， 即此种模式下 ， 发 T Tm 2 k r r m 1 3 I n e n m 1 1n 电动汽车中， 比使用单个电机的电动汽车来说 ， 降低 2 液压控制 系统 上述机 电耦合装置工作模式的实现是通过控制 两个湿式离合器实现的。图 2是为控制两个离合器 而设计的液压控制系统 ，同时还考虑了齿轮和轴承 的润滑及冷却。该液压控制系统主要包括主压力回 路 、 离合器控制 回路 、 润滑冷却控制 回路 、 蓄能与安 全监测 回路四个回路 。 2 ． 1 主压 力 回路 主压力回路包括电机、 油泵、 单向阀、 比例溢流 阀、 一级滤清器和液压动力油箱 。 电机带动油泵泵出 的液压油打开单 向阀经 比例溢流阀控制在 比例溢流 阀的入 口建立起系统的主压力。 比例溢流阀为电磁 比例调压阀，它由溢流 阀阀 l 1 电机、 l 2 油泵、 1 3 单向阀、 1 4比例溢流阀、 l 5 一级滤清器、 1 6 液压动力油箱、 2 1 二级滤清器、 2 2 减压阀、 2 3 高速开关阀、 2 4 控制滑阀、 2 5 离合安全阀、 2 6 节流孔、 3 1 冷却器、 3 2 润滑阀、 3 3润滑安全阀 、 4 1蓄能器 、 4 2安全 与截止控制模块 、 5离合器 、 6被润滑冷却件 。 图2 机电耦合装置液压系统原理图 4 3 体和比例电磁铁两部分组成， 其特性是反比例的， 本 项 目所采用的反 比例溢流阀外形如图 3 a 所示 。1 连 通液压泵的出油口， 提供主压力 ， 并为主阀和离合器 压力控制 回路提供压力 ， 2提供润滑回路 的压力 ， 3 为泄油 口。它的结构工作原理如图 3 b ， 主要由弹簧 1 、 阀体 2 、 阀芯 3 、 电磁线圈 4和衔铁 5等部分组成 ， P口连接液压泵出口， 0口为泄油口。正常工作的过 程中， 泄油口 都处于关和开的临界点。 当电磁铁不工 作时 ，溢流阀油路 中的最大压力为与弹簧 1 平衡时 的压力 ，此时油路压力处在所能调节的最大压力状 态， 若压力再增大则打开了泄油引起压力下降。 在整 个工作过程中，液压力与衔铁推力之和与弹簧 1 的 力动态平衡 ， 由于阀芯移动量极小 ， 作用在阀芯上的 弹簧力的变化也极小， 根据力平衡关系可知， 液压回 路中的压力和电磁 阀的推力成反 比例关系。故 比例 电磁铁在根据输入 电流的大小线性改变电磁力的大 小时 ， 油路中的压力也线性变化 ， 而且随着电磁铁 电 信号的增大而减小网 。 2 _ 2 离合器控制回路 离合器控制回路包括二级滤清器 、 减压阀 、 高速 开关阀和控制滑阀。所述比例溢流阀建立起 的系统 主油压通过二级滤清器进入到减压阀的人 口，高速 开关阀的压力油 口和控制滑阀的压力油 口并联后与 减压阀的出口连通 ，高速开关阀的工作油 口与控制 2 4 技术纵横 轻型汽车技术2 0 1 2 5 1 6 总 2 7 3 ／ 2 7 4 图 a反比例溢流阀的外形 图 图 h反 比例溢流阀结构原理 图 3 反 比例电磁 阀 滑阀的液控油孔相连，控制滑阀的工作油 口与离合 器油腔相连通。系统主压力油经减压阀向高速开关 阀供应稳定压力的液压油 ，以便使高速开关阀调制 出相应的控制压力从而使控制滑阀动作使离合器的 活塞运动实现离合器结合或分离。 一 次油源 图 4 直动减压 阀原理图 减压阀是直动式减压阀 ， 图 4为其原理 图， 其原 理为一次油源的压力经过节流 口后变为二次压力。 减压后压力的大小取决于阀右侧的弹簧力 ，阀的输 出流量取决于二次油路的实际需求。当二次油路的 流量为零时， 减压阀的节流关闭。当二次油路需要较 大流量 ， 节流口开度增加 ， 以适应流量的变化问 。 2个高速开关阀为两位三通 电磁阀，通过脉宽 调制信号 P WM 方式进行控制。 所述的控制滑阀为 液控减压阀。 2 ． 3 润滑冷却控制回路 润滑冷却控制回路包括冷却器和润滑阀，润滑 阀的入 口与比例溢流阀的出口相连 ，润滑阀的出 口 与冷却器的进口 相连，润滑阀的入口与被润滑冷却 件并联。 润滑阀用作背压阀提供一个稳定的油压，与用 作安全阀的溢流阀 图 2中的 3 4润滑安全阀 和润 滑用节流孔等构成润滑冷却 回路 ， 2 ． 4蓄能与安全监测回路 蓄能与安全监测 回路包括蓄能器 、安全与截止 控制模块 ，油泵的出油口通过单向阀与安全与截止 控制模块相连 ， 蓄能器和安全与截止控制模块相连 。 通过使用蓄能器， 系统可使用较小的液压泵 ， 装机功 率低 、发热更少 ，如系统所需流量小于泵的输出流 量，则小部分泵的流量就可在运行期问对蓄能器进 行充液 。 如果系统需要最大的流量输 出， 则超出泵输 出流量的那一部分就由蓄能器产生。 此外， 还可缓冲 压力冲击和脉动， 因而延长了整个系统的使用寿命 ， 通过使用蓄能器， 能量耗用得到了节省。 安全与截止 控制 阀块主要由截止阀和可调压力 的溢流 阀组成 ， 当蓄能器达到容许 的最大压力时或液压 回路堵塞 时 ， 对蓄能器和执行机构起保护作用【 引。 3 结 论 本文论述了一种机电耦合动力传动装置， 该装 置采用双行星齿轮机构和双湿式离合器的机构 ， 结 构巧妙 ， 功能全面。 使用该机电耦合动力传动的混合 动力汽车具备串联 、并联和混联结构的混合动力汽 车的优点 ， 能够实现发动机 S t a r t S t o p 、 纯电动驱动 、 联合驱动 、行车发电、制动能量回收等各种工作模 式 ； 该机电耦合装置应用在纯 电动汽车上 ， 双电机和 机电耦合装置的一体化设计与制造，可 以降低对单 个 电机功率、 扭矩的需求 ， 提高整车的性能。 在介绍机电耦合装置结构的基础上 ，着重介绍 了其液压控制系统 ，该液压控制系统主要包括主压 力回路 、 离合器控制回路 、 润滑冷却控制 回路 、 蓄能 与安全监测回路这个 四个 回路。其液压控制系统在 结构上采用集成化设计 ，所有元件集 中组装在一块 阀体上设有外部连接管道，结构紧凑，使用安全可 靠， 降低了电控设计的难度及对控制技术的要求， 很 容易使车辆实现各种工作模式， 节能环保。 下转第 2 7页 轻型汽车技 术2 0 1 2 5 ／ 6 总 2 7 3 ／ 2 7 4 技 术纵横 2 7 6 6．S 7 7．5 8 压缩 比 图 7 压缩 比对燃 油消耗率的影响 由仿真结果可得 ， 在高转速 、 大负荷工况 ， 最大 燃烧压力随着压缩 比的减小而降低 ，即能够有效地 防止爆震发生。另外 ， 随着缸 内压力的降低 ， 缸 内温 度也下降， 使得 N O 排放量减少。 但是， 由图7 可得， 当压缩 比过小时 ，燃油消耗率会过高并超 出增压汽 油机的要求。综合以上 因素， 在该工况下 ， 压缩 比为 6 ． 5时 ， 增压汽油机的性能最佳 。因此 ， 在高转速、 大 负荷工况 ， 适当减小压缩比， 以避免增压汽油机发生 爆燃 ， 从而保证其正常工作。 3 结论 利用 R i c a r d o WA V E建立 了增压汽油机的模型 ， 并研究了不同工况下 ，压缩 比对增压汽油机性能的 影响， 得出结论如下 1 对于增压汽油机而言 ， 在低转速 、 小负荷工况 下， 应该适当地提高压缩比， 从而增大进气量， 提高 汽油机的热效率，以改善增压汽油机的动力性和燃 油经济性。另外 ， 由于进气量充足， 可以保证燃烧过 程中氧气充足， 从而降低了 C O排放量 ， 改善其排放 性能。 2 对于增压汽油机而言 ， 在高转速 、 大负荷工况 下， 应该适当地减小压缩 比， 从而避免缸 内压力和温 度过高， 导致汽油机发生爆震燃烧 ， 从而保证汽油机 稳定工作。另外 ， 由于缸 内温度得到控制 ， 使得燃烧 过程温度 降低 ， 从 而降低 了 N O 排放量 ， 其排放性 能得到改善。 3 在增压汽油机 的加速过程 中， 采用可变压缩 比技术可以使压缩 比随着汽油机转速和负荷的变化 而改变 ， 从而使得汽油机最大限度地发挥其潜力 ， 从 而提高汽油机的综合性能。 参考文献 1 崔彪， 常思亲， 李子非．一种可变压缩比汽油 机方案技术与性能仿真研究Ⅱ 1 ．拖拉机与农 用运输 车， 2 0 1 1 1 0 ． 2 刘克呜， 杨伟红， 李志强． 变压缩比活塞结构 设计与仿真[ 『 】 ． 机械科学与技术， 2 0 1 0 3 ． 3 牛钊文， 周斌， 展靖华， 王浩杰． 可变压缩比技 术的展 望与研 究Ⅱ 1 ． 内燃机 ， 2 O L O 8 ． 4 周龙保． 内燃机 学【 M】 ． 北京 机械工业出版 社． 2 0 0 5 ． 5 朱大鑫． 涡轮增压与涡轮 增压 器【 M】 ． 北京 机械 工业 出版社 ， 1 9 9 2 ． 乖 扬 乖 绵 尔 乖 尔 乖 出秘J ， 场 乖 不 希 乖 乖 ． ． 乖 ． ． ． 不 ． 2 上接第 2 4页 参考文献 1 陈清泉 ， 孙逢春 ， 祝嘉光． 现代 电动汽车技术 【 M】 ． 北京 北京理工大学出版社， 2 0 0 7 1 2 4 ． 2 饶振纲， 行 星齿轮传动设计l M] ． 北京 化 学 工业 出版社 ， 2 0 0 3 2 9 7 3 2 3 ． 3 姜朋昌， 张涌， 吴海啸 ， 崔波亮． 基于 A MT的 具有双 离合 器的机 电耦合 系统．中国汽车工程学会 论 文集 ， 2 0 0 9 1 3 7 8 - 1 3 8 1 4 c ． W ． A y e r s ， J ． S ． Hs u L ． D． Ma r h n o ． E v a l u a - t i o n o f 2 0 0 4 To y o t a Pr i u s y b r i d El e c t r i c Dr i v e S y s t e m I n t e r i m R e p or t ， OR NL／ TM 一2 0 0 4 ／ 2 4 7 ． 5 吴海啸． 基 于 DS P的无级变速器电液控制 系 统的研究【 D】 ， 镇江 江苏大学， 2 0 0 8 2 0 2 4 6 H．E x n e r ， R． F r e i t a g ． 液 压传 动与 液压 元件 ， 博世力士 乐液压培训教材第一册， 2 0 0 3 2 2 0 2 2 7 S 3 5 9 5 8 S 7 S 6 舯 船 O O O O O