液驱混合动力车辆液压系统设计与参数匹配研究.pdf

7 4 2 0 1 0年 6月 中国制造业信息化第 3 9卷第 1 1 期 液驱混合动力车辆液压 系统设计与参数 匹配研究 张庆永 ． 一 ， 常思勤 1 ． 湖北汽车工业学院 汽车工程系， 湖北 十堰4 4 2 0 0 2 2 ． 南京理工大学 机械工程学院， 江苏 南京2 1 0 0 9 4 摘要 提 出了液驱混合动力车辆液压系统的设计准则和设计思想， 介绍 了一种采用液压混合动力 的新型节能车辆的原理。结合车辆的性能指标， 对其液压系统中的关键元件的参数匹配关系进 行了分析 ， 并对气囊式蓄能器的充气压力、 容积等参数对 系统压力变化、 车辆制动能量回收及制 动性能的影响进行 了详细阐述。由此得 出了一些有益的结论 ， 可为 系统设计和合理选择参数提 供理论依据和参考。 关键 词 液驱混合 动 力 ； 设计 ； 蓄能 器 中图分类号 U 4 6 3 ． 2 2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 21 6 1 6 2 0 1 0 1 1 0 0 7 40 5 液驱混合动力技术利用液压蓄能器功率密度 大和双向变量马达可以工况互逆的优点 ， 构建了以 液压蓄能器和双向变量马达为核心的能量再生系 统。能量再生系统可以充分回收车辆制动能量并 用于汽车的起动和加速 ， 在城市行驶工况下能提高 车辆的动力性能， 降低油耗， 减少有害气体的排放， 延长刹车装置和发动机的使用寿命 j 。 对液驱混合动力车辆液压传动系统的设计准 则和评价不同于传统车辆 ， 本文对此进行一些有益 的探讨 ， 并对系统中的关键元件参数匹配关系及其 特性进行 了着重分析。 1 液驱混合动力车辆液压 系统的设 计 1 ． 1 设计要 求 总结国内外研究机构对液驱混合动力车辆的 研究经验 ， 参考传统车辆性 能指标 ， 提出了对液驱 混合动力车辆液压传动系统的设计要求。 a ． 具有前进、 后退、 驱动、 制动的车辆调速驱动 装置应能工作在转矩 一转速平面的 4 个象限之 内。 b ． 系统效率要高 ， 包括系统能量利用效率、 能 量回收与重新利用效率等。 c ． 所设计的液压传动系统可以满足车辆的动 力性能 ， 即达到汽车的最高车速要求 、 加速时间要 求和最大坡度要求。 d ． 经济性能好， 使发动机在高负荷、 高效率下 运转， 节省燃料 ， 能回收系统制动能量。 e ． 可以改善系统的排放性能， 达到 国家要求的 排放标准。 f ． 稳定性要求 要求所设计液压系统阻尼大 ， 稳定性好 ， 无振荡或振荡小。在马达排量变化时 ， 车辆系统无明显的不舒适感 。在制动时马达排量 能够迅速换向， 响应及时。液压传动装置应能对车 辆的动态随机负荷具有滤波抑制的功能。 g ． 液压系统的结构尺寸要小， 体积紧凑 ， 重量 轻 ， 便于在车辆底盘系统中安装和布置， 同时要保 证车辆的通过性指标。 h ． 液压系统性能可靠 ， 无泄漏， 维修方便， 同时 安全性能好 ， 具有限压和紧急情况下快速泄流的能 力 ； 应设置压力测量点 、 油温测量点和工作油液取 样点。应在系统的制高点设置排气口。 i ． 采用工业上成熟产品， 适应机电一体化的要 求 ， 系统的监测和控制方便。 j ． 尽可能地减少成本 ， 在不影响工作性能和精 度的前提下 ， 选用经济适宜的液压泵、 双向变量马 达和阀件等产品。 1 ． 2 设计思 想 根据以上要求总结 出混合液驱车辆设计的基 本思想。 a ． 设计液压回路使液压传动系统经主减速器 收稿 日期 2 O L O一0 3 2 9 基金项 目 江苏省六 大人才高峰计划 0 4 D1 6 ； 湖北汽车工业学院博士科研启动基金资助项 目 作者简介 张庆永 1 9 8 0 ～ ， 男， 山东枣庄人， 湖北汽车工业学院讲师， 博士， 主要研究方向为液驱混合动力技术。 应用研究 张庆永常思勤液驱混合动力车辆液压系统设计与参数匹配研究 7 5 后驱动后桥， 使车辆获得足够 的动力 ， 满足 车辆 的 动力性能要求 ， 选择性价 比适宜的具有较高传动效 率的液压元件。 b ． 保 留原有制动装置， 在紧急情况下或者蓄能 器压力已经充满 的情况下使用原有制动装置 ， 确保 安全。 c ． 选用双向变量马达 ， 完成 车辆 的前进 、 后 退 和制动功能。 d ． 利用 电子控制单元使 发动机始终工作于经 济油耗 区域 ， 实现发动机和负荷 的解耦 ， 同时 由于 蓄能器 的辅助驱动作用 ， 可以选用较小排量的发动 机 。 e ． 去掉传统的变速器 ， 简化传动机构。 f ． 蓄能器作为能量储存元件 ， 除了回收制动能 量外 ， 还可吸收利用系统高频动态压力波动 ， 改善 系统的动态特性 。 g ． 尽可能使用集成块 的设计 ， 一方面可以节省 空间， 使改装方便 ； 另一方面减少 了液压管路 的使 用 ， 减少 了压力损失。 h ． 采用较先进 的控制技术 ， 完善 系统控制功 能 ， 提高系统操作 的方便性和可靠性。 i ． 考虑与车辆其他系统 的结合 ， 如转 向、 悬架 系统的设计 ， 在液压系统中预留接口。 2液驱 混合 动 力车辆 方案 及其 工作 原理 应用上述 的设计要求和设计思想 ， 对系统进行 设计开发。选用方案如图 1所示 。 1 一油箱 ； 2 一 滤清器； 3 一 变量泵 ； 4 --单 向阀； 5 --蓄能器 ； 6 --双向变量马达 ； 7 一 驱动桥 ； 8 --车轮 图 1 液驱混合动 力车辆原理 图 由电控单元控制发动机 间歇工作于最佳经济 变量泵驱动马达工作 ， 同时向蓄能器充油储能。因 性能区域及其附近 ， 由发动机驱动液压泵 3 ， 在需 此液压泵的选择必须考虑发动机的影响。 要时为液压蓄能器 5提供高压油。液压马达装在 根据发动机的最大转矩 ， 由下式可以求得液压 车辆驱动桥上与差速器相联接 ， 实现驱动与制动车 泵的理论排量 辆 的功能。电控单元接收车轮角速度、 油门踏板位 置、 制动踏板位置、 发动机转速、 液压蓄能器压力等 传感器信号并进行处理， 根据控制策略控制发动机 的运转以及通过 电磁阀控制与调节液压 马达的转 向和流量。在驱动时由液压蓄能器提供高压油， 以 所需的转矩驱动液压马达及车轮转动 ， 在制动时将 动能通过液压马达转换为高压油存入液压蓄能器。 取消常规车辆中的变速器 、 驱动桥等部件_ 2 J 。 3 整车动力性／ 垒 至 济性对泵、 阀等 的 要求 3 ． 1 液压泵的选择 在液驱混合动力车辆中， 发动机和液压泵直接 连接 ， 与蓄能器组成混合动力源 。发动机可以带动 中 1 式中 为发动机的最大转矩 ， N‘ m； t p 为液 压泵的总效率 ； A p为液压泵进出油 口的压力差 ， l I P a ；V。 为液压泵的排量 ， mL ／ r 。 根据发动机的最大功率 ， 由下式可以求得液压 泵 的理论 流量 q r h p 2 p z ， 式中 P 。 为发动机的最大功率 ， k W； q 。 为液压 泵的流量 ， L ／ mi n 。 由下式可以求得液压泵在理论流量及排量下 的转速 3 p 一 j 7 6 2 0 1 0年 6月 中国制造业信息化第 3 9卷第 1 1 期 式中 为液压泵在给定的流量及排量下的转速， r ／ rai n。 综合考虑 V ， q p 和 n 与发动机特性的匹配 性 ， 选择合适的液压泵。 3 ． 2 双向变量马达的选择 为了满足汽车的最大驱动力和制动时的最大 制动力 ， 双向变量马达和液压蓄能器最低工作压力 应满足 ≤ F R 4 、／ ， 、 ＼r n ＼ 0 二 丁 【 其中车轮的附着力 F 5 式中 。一 为双向变量马达最大排量 ， 1 7 1 ／ r ；P 2 为液压蓄能器最低工作压力 ， P a ； i是汽车主传动 比； R 为车轮工作半径 ， m； G为汽车总重量， N； 是附着系数。 同时要满足驱动条件 厂 ≥ Ff F Fi 6 厶 儿 式中 为双向变量马达工作排量 ， I T ／ ／ r ； P为液 压系统工作压力 ， P a ； F， 为滚动阻力 ， N； F 为空 气阻力 ， N； F； 为坡度阻力 ， N。 同时参考原车型的性能要求 ， 确定液驱车的预 期动力性能要求， 即 车辆的最高车速、 最大爬坡度 及车辆的加速性能。选择几个待选的马达排量 ， 综 合考虑各种因素， 最终确定实际所选马达排量。 3 ． 3 蓄能器参数确定与特性分析 对蓄能器容积及充气压力的选择 ， 要考虑回收 的动能可以被蓄能器有效容积吸收 ， 也考虑回收效 率的影响。在制动时， 蓄能器与双向变量马达一起 提供 了车辆的制动力矩， 所以也要根据车辆的制动 性能要求来选择蓄能器的容积。城市微型客车由 于城市 交通 环 境 的 限制， 最 高时 速并 不 大。取 3 5 k m／ h的速度作为车辆的平均时速。那么液压 蓄能 器 的公 称 容积 应 该 能 够符 合 回收车 辆 从 3 5 k m／ h的速度制动到停止时的动能和车辆制动 要求 ， 同时液压蓄能器体积也不能太大。 3 ． 3 ． 1 液压蓄能器充气压力和容积对系统回收或 释放能量时压力变化幅度的影响 液驱混合动力车辆使用了二次调节技术 ， 其要 求双向变量马达工作于准恒压系统， 且准恒压系统 的压力变化应比较小。所以， 在能够完全 回收汽车 制动能的条件下 ， 应采取措施使液压蓄能器工作时 压力变化幅度尽量小 。 图 2为车辆在 3 5 k m／ h的初速下制动 ， 不同蓄 能器的充气压力下蓄能器工作压力的变化。 1 一充气压力 P o1 2 MP a ； 2 --充气压力 P o1 4 MP a ； 3 一充气压力 P 01 8 MP a 图 2 车辆在不 同的充气压 力下， 车速和压 力变化的曲线 由图 2可以看 出， 液压蓄能器容积一定 ， 则充 气压力选择得越大 ， 回收同样数值的汽车动能 ， 系 统压力的变化幅度越小。 图 3为不同蓄能器容积 ， 车辆在 3 5 k m／ h的初 速下制动 ， 蓄能器的工作压力变化 。 1 运 ／ k m’h 。 。 1 一蓄能器容积 V 4 0 L ； 2 --蓄能器容积 V 6 3 L 图 3 车辆在不 同的蓄能器容积时 车速和压力变化 的曲线 由图 3可以看出， 其他条件相同的情况下， 液 压蓄能器 的容积越 大， 回收相同大小的汽车动能 ， 系统压力 的变化幅度就越小。 3 ． 3 ． 2 蓄能器容积对制动能量 回收效率的影响 液压蓄能器贮存能量为 E 一 d 一 P o d [ 一 ] 式中 P 0 为蓄能器充气压力， P a ；Vo 为蓄能器容 积， 1T I 3 ； P 为制动初始状态下的蓄能器气体压力 ， P 2 为制动结束状态时的蓄能器气体压力 ， P a ；V1 应用研究 张庆永常思勤液驱混合动力车辆液压系统设计与参数匹配研究 7 7 和 V2 为 Pl 和 P 2 对应 的蓄能器体积 ， m3 ； 为气体 N r n 。 多变指数 。T p V ／ 2 丌 ’ 1 0 在车辆制动时， 车辆动能转化为液压蓄能器的 液压能 ， 由式 6 有 1 “ o 一 一 ” ]㈦ 式中叩为能量 回收效率 ； 0 为车辆制动初始时刻 的速度 m／ s ；“为车辆在时刻 t的速度 ， m／ s 。 以某 一微 型客 车 为例 ， 车 轮滚 动半 径 R 0 ． 2 7 8 m， 滚动 阻力 系数 f 0 ． 0 1 4 ， 满 载总 质量 1 5 0 0 k g ， 蓄能器的充气压力 P 01 8 MP a ， 最 高工作压力 P 23 0 MP a 。文中的结果均 以此参数 值为基础进行计算 。假设车辆在 3 5 k r n ／ h的初速 度下制动 ， 则在不同的蓄能器容积下 回收的能量及 回收效率见表 1 。 表 1 车辆制动时能量回收效率计算 由式 7 、 8 及表 1可 以看出， 蓄能器充气压 力和容积是影 响能量 回收效率的主要 因素。充气 压力越高 ， 蓄能器容积越大 ， 其 回收能量越大。因 此在满足系统要求的情况下 ， 应尽可能地选用大容 积的蓄能器。但随着蓄能器容积 的增 大其体积和 重量也随之增大 ， 同时也影响车辆制动时系统压力 的增长率以及在车辆上的布置。因此 ， 选择蓄能器 的容积要结合车型及使用要求综合考虑。 3 ． 3 ． 3 蓄能器容积和充气压力对车辆制动性能的 影响 在汽车制动减速时， 主要由双向变量马达和蓄 能器共 同提供车辆所需 的制动扭矩 ， 并通过双 向变 量马达将动能回收转变为蓄能器的液压能。在制 动过程中， 产生制动减加速度的力矩 ， 除制动扭矩 外 ， 还包括滚动阻力矩和空气阻力矩。在制动过程 中， 根据汽车理论 ， 汽车行驶方程式为_ 3 j r r r1一 △ 乱 0 一a t G U 3 m a 9 r r } T 十 r 乱 。 一a t 厂十 L 式 “ 0 为车辆制动时的初始速度， k in h ；叩 T为系 统效率 ； C n为空气阻力系数 ； A 为车辆迎风面积 ， m 2；厂 为滚动阻力系数 ； 为汽车旋转质量换算系 数 ； T 为 双 向变 量 马 达 输 出轴 上 的制 动扭 矩 ， 式中 P为系统压力 ， P a ；V 一 为液压马达总排 量 ， m3 ／ r 。 在液驱混合动力车辆液压系统 中， 当汽车制动 时 ， 发动机处于停机或怠速状态 ， 并与传动系处于 完全解耦状态。因此 ， 此时发动机及其相关运动件 的旋转惯性质量对系统无影响。 当车速较低“ 3 5 k m／ h 时， 对于空气阻力 可以忽略不计。因此制动减加速度与制动力矩 的 关系式为 口一 T mr r ] y 口 十 上 地 mg fr r } 3 T 1 1 m r r l 一、 2 n 。 一 I 、 假设车辆在初速为 3 5 k m／ h时制动， 在充气压 力为 1 8 MP a ， 蓄能器容积分别为 4 0 L和 6 3 L的情 况下制动， 得到的制动减加速度和系统压力的关系 如图 4所示。 吕 赵 曩 瓷 1 一 蓄能器答积为 4 0 L； 2 -- 蓄能器 容积为 6 3 L 图 4 减加速 度随 系统压力的变化 由式 1 1 和图 4可知 ， 对于给定 的车辆 ，当液 压马达的排量确定的情况下 ， 制动减加速度只是系 统压力和系统效率的函数 ， 与蓄能器的容积关系不 大。由图 4可以看 出， 由于效率 的差别 ， 容积不同 的蓄能器在制动时的减加速度略有不 同， 但大体一 致 ， 与系统压力成线性关系。若忽略压力损失， 系 统压力就是蓄能器的压力。在设计时， 可以根据车 辆制动性能要求， 适当提高蓄能器的充气压力和工 作压力 。 表 2列 出了不 同充气压力和不 同容积下 以初 速 3 5 k m／ h制动的时间。由表 2可知 ， 在有预见的 制动中， 仅由泵制动产生 的减加速度 的条件下， 当 制动车速为 3 5 k m／ h ， 制动时间最短仅需要 1 1 ． 6 s ， 只有在紧急的情况下才需要使用传统制动器制动， 7 8 2 0 1 0 年6 月 中国制造业信息化第 3 9 卷第 1 1 期 这样可大大减少制动系统的耗损， 提高制动器的使 用寿命。计算表明， 可以在减速与非紧急制动时 ， 由液压马达 回收制动能量， 从 而取代常规制动系 统。此外 ， 可考虑采用辅助制动装置或再适当加大 液压马达的排量等措施来进一步提高紧急制动时 的性 能 。 表 2 蓄能器容积和 充气压力对制动时间的影响 4 结论 a ． 新型液驱混合 动力车辆为液压传动系统在 车辆系统上的具体应用 ， 与传统液压系统相比， 有 着不同的设计要求和评价标准。 b ． 液压泵的选择要根据发动机的特性 ， 综合考 虑液压泵与发动机特性的匹配性 ， 选择合适的产 品。 c ． 要根据汽车车轮的附着力、 车轮半径、 主传 动比及系统最低工作压力选择 双向变量马达的排 量 ， 以满足汽车的最大驱动力和制动时的最大制动 力 。 d ． 液压蓄能器容量要根据汽车制动惯性能大 小、 系统允许压力变化的幅度和汽车允许的安装空 间来选定。蓄能器容积越大， 系统压力在回收能量 的过程中变化幅度就越小 ， 制动能量 回收率也越 高。但随着蓄能器容积 的增 大其体积和重量也随 之增大 ， 同时也影响车辆制动时系统压力的增长率 以及在车辆上的布置。因此选择蓄能器的容积要 结合车型及使用要求综合考虑。 e ． 液压蓄能器充气压力根据液压 蓄能器容量 和双向变量马达排量选定 ， 应综合考虑三者间的匹 配 。 f ． 系统制动性能决定 于双向变量 马达的排量 和压力 ， 与蓄能器的容积无关。 参考文献 [ 1 ] L u mk e s J H J r ． D e s ig n ， S imu l a t i o n ，a n d T e s t i n g o f An E n e r g y S t o r a g e H y d r a u l i c Ve h i c l e Tr a n s mi s s i o n and C o n t r o l l e r[ D] ． US A Ma d i s o nC oll e g e o f e n g i n e e n g，Un i v e r s i t y o f W i s c o n s i n - M a d i s o n， 1 9 9 7． [ 2 ] 常思勤． 一种新型电控液 驱车辆 的性能仿真与分析 [ J ] ． 南京 理工大学学报 ， 2 0 0 4 ， 2 8 4 1 6 9 1 7 3 ． [ 3 ] 余志 生 ． 汽车 理论 第 3版 [ M] 北 京 机 械工业 出版 社 ， 2 0 0 】 3 85 6 De s i g n a n d Pa r a me t e r M a t c hi n g o f Hy dr a u l i c S y s t e m Fo r Hy d r a u l i c Hy b r i d Ve h i c l e Z HANG Qi n gy o n g 一． CHANG S i q i n 2 1 ． Hu b e i Un i v e r s i t y o f A u t o mo t i v e T e c h n o l o g y ． Hu b e i S h i y a n ， 4 4 2 0 0 2 ， C h i n a 2 ． Na n j i n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Na n j i n g J i a n g s u ， 2 1 0 0 9 4 ，C h i n a Ab s t r a c t I t p r e s e n t s t h e d e s i g n c r i t e r i o n o f h y d r a u l i c s y s t e m f o r h y d r a u l i c h y b r i d v e h i c l e a n d i n t r o d u c e s a n e w t y p e o f e n e r g ys a v i n g v e h i c l e wh i c h a d o p t s h y d r a u l i c h y b r i d p o we r ．C o mb i n e d wi t h v e h i c l e p e r f o r ma n c e ，i t a n a l y z e s t h e p a r a me t e r ma t c h i n g o f k e y c o mpo n e n t s o f i t s h y d r a u l i c s y s t e m，a n d s h o ws d e t a i l e d l y t h e i n fl u e n c e o f c h a r g i n g p r e s s u r e a n d v o l u me o f t h e a c c u mu l a t o r o n p r e s s u r e c h a n g e ，b r a k i n g e n e r g y r e c o v e r y a n d b r a k i n g p e rfo r man c e ．I t o b t a i n s S o me s i g n i f i c a n t c o n c l u s i o n s ，wh i c h c a n b e a g u i d e t o s y s t e m d e s i g n a n d p a r am e t e r s s e l e c t i o n ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c Hy b r i d P o we r ；De s i g n；Hy d r a u l i c Ac c u mu l a t o r 上接第 7 3页 App l i c at i o n o f CAXA 3 D Ba l l i n M e c h a n i ca l De s i g n S HE NG Qu a nj u n J i n h u a L o n g x i a n g T o o l Ma n u f a c t u r e L t d ． C o ． ， Z h e j i a n g J i n h u a ， 3 2 1 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t I t d e s c r i b e s t h e d e s i g n me c h a n i c a l c o mpo n e n t s a n d a p p l i c a t i o n o f 3 D h all t o o 1 ．By o p e r a t i o n o f 3 D b a l l a n d ma n i p u l a t i o n h a n d l e s ，i t c a n r e a l i z e t o mo v e t h e o p t i o n s me n u mo v e me n t ，r o t a t i o n ，t h e mi r r o r ，a r r a y ，a n d a c c u r a t e l y p o s i t i o n f o r a n y me c h an i cal s p a c e 3 D o b j e c t ，d e s i g n a n d mod i f y t h e p art s ． Ke y wo r d s 3 D Ba l l ；Mo v e me n t ；Ro t a t i o n ；Co p y ；Mi r r o r ；Ab r u p t i o n；At t a c h me n t