【正文】 .................................. 35 致 謝 ............................................................. 37 參 考 文 獻 ........................................................ 38中南林業(yè)科技大學本科畢業(yè)設計 電動汽車離合系統(tǒng)的設計與分析 1 1 緒論 研究背景 隨著科學技術的進步和經(jīng)濟的發(fā)展，作為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚拇胶瓦\輸工具，汽車發(fā)揮了巨大的作用 ，對我們生活產(chǎn)生了深遠影響 。電動汽車是以車載儲能裝置為能量源，以電機 通過傳動系統(tǒng) 驅(qū)動車輛行駛。 汽車動力傳動系統(tǒng)的任務是傳遞動力，并在 動力的傳遞過程中改變傳動比，以調(diào)節(jié)或變換動力輸出裝置的特性，同時通過變速來適應不同的駕駛要求。本文研究的是離心式離合器， 離心離合器通過摩擦力來傳遞扭矩，它的基本結(jié)構(gòu)由三個元件組 成：主動件、離心中南林業(yè)科技大學本科畢業(yè)設計 電動汽車離合系統(tǒng)的設計與分析 2 體和從動件。 離心離合器靠原動機本身的轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)兩軸自動接合或斷開的離心離合器 ,形成了它固有的一些特點 : （ 1） 離合器的接合取決于離心力 ,因此不能傳遞大于額定扭矩的負荷。 （ 4）當原動機未達到額定轉(zhuǎn)速之前，離心體相對于從動件要打滑，從而產(chǎn)生摩擦熱，消耗一部分能量，因此離心離合器不造于在頻繁起動的場合使用，也不宜在起動過程太長的地方應用。采用錐形離合器的方案一直延續(xù)到 20 世紀 20年代中葉，對當時來說，錐形離合器的制造比較簡單，摩擦面容易修復。無論錐形離合器或蹄 —— 鼓式離合器，都容易造成分離不徹底甚至出現(xiàn)主、從動件根本無法分離的自鎖現(xiàn)象。采用純粹的金屬的摩擦副，把它們浸在油中工作，能達到更為滿意的性能。因為在當時，許多其他離合器還在原創(chuàng)階段，性能很不穩(wěn)定。 早期的單片干式離合器由與錐形離合器相似的問題，即離合器接合時不夠平順。第一次世界大戰(zhàn)后初期，單片離合器的從動盤金屬片上是沒有摩擦面片的，摩擦面片是貼附在主動件飛輪和壓盤上的，彈簧布置在中央，通過杠桿放大后作用在壓盤上。 如今單片干式離合器在結(jié)構(gòu)設計方面相當完善。 對于重型離合器，由于商用車趨于大型化，發(fā)動機功率不 斷加大，但離合 器允許加大尺寸的空間有限，離合器的使用條件日酷一日，增加離合器傳遞扭矩 能力，提高使用壽命 ，簡化操作，已成為重型離合器當前的發(fā)展趨勢。 近年來濕式離合器在技術上不斷改進，在國外某些重型車上又開始采用多片濕式離合器。 本文研究的目的及意義 隨著科學技術的發(fā)展及人們生活水平的不斷提高，帶有離心式離合器自動變速系統(tǒng)的車輛以其方便舒適以及安全性，易于操作的特點將會受到人們的青睞。 本文的研究內(nèi)容 本文介紹了一種以離心式離 合器與行星齒輪機構(gòu)相結(jié)合的新型自動換擋機構(gòu)。 （ 2）對離心式離合器的自動換擋機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作原理進行了介紹，明確了離心式離合器的工作特性及自動換擋的實現(xiàn)方式。 2 離心式離合器的電動汽車自動換擋機構(gòu) 隨著科學技術的發(fā)展，自動變速系統(tǒng)以其操縱方便等優(yōu)點越來越多的贏得了廣大消費者的青睞，但傳統(tǒng)的自動換擋機構(gòu)結(jié)構(gòu)復雜、造價高、重量大。應用較多的剛性閘塊式離心體是指離心體在離心力場中保持原來的形狀，離心力只存在于接觸體的公法線上。彈簧閘塊離心式離合器是以離心力和回位彈簧的拉力自動控制的摩擦式離合器，這種離合器結(jié)合平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)上可布置成有周向彈簧、徑向彈簧、片簧、橡膠彈簧等不同形式。徑向結(jié)合離心式離合器的特點是離心體與從動件周向內(nèi)壁接觸，其作用力與離心力一樣均沿徑向作用，主動件通過摩擦帶動從動件轉(zhuǎn)動，從而傳遞轉(zhuǎn)矩。主動盤由電動機帶動，離心塊在旋轉(zhuǎn)過程中以離心體固定端為支點，活動端外張但會受到彈簧的制約。如果從動端負載大于離合器能夠傳遞的轉(zhuǎn)矩時，主從動盤便會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，從而限制了動力的傳遞。 (3)無需專門的操縱機構(gòu)。傳遞同樣的轉(zhuǎn)矩和功率時，轉(zhuǎn)速越低所需離合器的尺寸和質(zhì)量越大，造成機構(gòu)臃腫并使制造成本增加，因此離心式離合器不宜用于轉(zhuǎn)速過低的場合。因此離心式離合器所能傳遞的轉(zhuǎn)矩 cT 為： ccccc RPFzT ?)( m a x?? （ 23） 式中， cT —— 離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩 / mN? z—— 離心塊的個數(shù) cR —— 從動盤摩擦面半徑 /m c? —— 摩擦副摩擦系數(shù) maxcP —— 回位彈簧徑向最 大拉力 /N 離心塊受到的徑向拉力 maxcP 由彈簧剛度 ck 和離心塊的和從動盤之間的徑向位移 maxcl 決定，可由下式表示 : maxmax ccc lkP ? (24) 式中， ck —— 回位彈簧剛度 /(N/m) maxcl —— 離心塊與從動盤之間的徑向位移 /m 將式 (24)代入 (23)中可得離心式離合器工作特性為 : )9 0 0( m a x2 cccccccc lknrGzRT ?? ? (25) 令 900 cccc zrGRB ?? （ 26） m axcccc lkzRD ?? （ 27） 則式 (25)可表示為 : DBnT cc ?? 2 (28) 中南林業(yè)科技大學本科畢業(yè)設計 電動汽車離合系統(tǒng)的設計與分析 9 令 m a x m a x0 9 0 0 9 0 0c c cc c c ck l PDn B G r G r? ? ? (29) 由式 (28)可知當 n? 0n 時，離合器不傳遞轉(zhuǎn)矩，當 0nn? 時，離合器開始工作，因此 0n 即為離心式離合器的結(jié)合轉(zhuǎn)速。 離心式離合器的結(jié)合過程分析 根據(jù)離心式離合器的工作特性可知其結(jié)合過程可以分為主從動盤完全結(jié)合、完全分離和滑摩階段三個狀態(tài)。根據(jù)離心式離合器的結(jié)構(gòu)可知，靜止狀態(tài)下其主動盤與從動盤之間存在一定的間隙，因此 OA 階段屬于間隙越來越小的階段，在這個階段，離合器主動盤和從動盤處于分離的狀態(tài)，不傳遞轉(zhuǎn)矩。此階段主從動盤之間產(chǎn)生滑摩，離心式離合器從動盤轉(zhuǎn)速從 0 上升到與主動盤同轉(zhuǎn)速。此換擋機構(gòu)主要由五部分組成 :行星齒輪機構(gòu)、離心式離合器、電磁制動器、主減速器和差速器，如圖 23 所示 : 1 電機 2內(nèi)齒圈支架 3內(nèi)齒圈 4行星齒槍 5太陽輪 6行星架 7一級主動齒輪 8電磁制動器 9單向軸承 10離心式離合器從動 盤 11離心式離合器主動盤 12連接套 13電機中心軸 14二級主動齒輪 15二級從動齒輪 16一級從動齒轉(zhuǎn) 圖 23 自動換檔機構(gòu) 中南林業(yè)科技大學本科畢業(yè)設計 電動汽車離合系統(tǒng)的設計與分析 16 電機輸出軸上緊固連接著內(nèi)齒圈支架和離心式離合器主動盤，內(nèi)齒圈又與內(nèi)齒圈支架緊固相連，因此電機中心軸帶動離心式離合器主動盤、內(nèi)齒圈支架、內(nèi)齒圈同速轉(zhuǎn)動，電機輸出的轉(zhuǎn)矩全部轉(zhuǎn)遞到內(nèi)齒圈和離心式離合器主動盤上。 電動汽車自動換擋機構(gòu)的工作原理 電機轉(zhuǎn)速較小時，即離心式離合器主動盤轉(zhuǎn)速小于結(jié)合轉(zhuǎn)速時，主動盤產(chǎn)生的離心力不足以克服彈簧對離心體 的拉力，離心體保持收縮狀態(tài)，不會帶動從動盤一起轉(zhuǎn)動，不傳遞轉(zhuǎn)矩，因此電機輸出的驅(qū)動力矩全部作用在內(nèi)齒圈上。 當電機轉(zhuǎn)速增大到離心式離合器的結(jié)合轉(zhuǎn)速時，即離合器的主動盤轉(zhuǎn)速達到其結(jié)合轉(zhuǎn)速時，離心體受到離心力的作用克服彈簧的拉力與從動盤結(jié)合，通過摩擦帶動從動盤與主動盤一起轉(zhuǎn)動，從動盤通過連接套帶動太陽輪與其同速轉(zhuǎn)動。 中南林業(yè)科技大學本科畢業(yè)設計 電動汽車離合系統(tǒng)的設計與分析 17 倒擋時，電機反轉(zhuǎn)，在電磁制動器的作用下，連接套帶動太陽輪和離心式離合器停止轉(zhuǎn)動。因此，改善車輛的換擋品質(zhì)，不但可以改善汽車的乘坐舒適性，對提高零部件的可靠性和工作壽命也有著十分重要的意義。因此應對這兩個方面進行折中，以滿足車輛換擋品質(zhì)的綜合要求。 從根本上說， 沖擊是由于轉(zhuǎn)矩的擾動引起的，經(jīng)研究證實換擋操作時對平穩(wěn)性影響比較大的是離合器結(jié)合分離時引起的轉(zhuǎn)矩波動所產(chǎn)生的沖擊，可以用研究機械振動量的方法來研究沖擊特性的評價方法。幅值是 指沖擊特性的最大值和最小值，是評定換擋過程沖擊特性的主要指標，幅值越大則換擋沖擊越大。在整車參數(shù)給定的情況下，主減速器傳動比及各擋傳動比的大小應根據(jù)電機特性、動力性能及經(jīng)濟性能的要求來選定。德國推薦值 3/10|| smj ? ，前蘇聯(lián)推薦值為 3/ smj ? ，我 國推薦值為3/ smj ? 。 離合器開始結(jié)合時，主、從動盤的轉(zhuǎn)速差最大，隨著結(jié) 合行程的逐漸增加，離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩也逐漸增大，主、從動盤的轉(zhuǎn)速差逐漸減小，直到完全同步?；υ叫。囕v的功率損失越小，離合器溫度增加越慢，摩損中南林業(yè)科技大學本科畢業(yè)設計 電動汽車離合系統(tǒng)的設計與分析 20 越小 。 (3)減小滑摩時間 在離合器結(jié)合前通過對電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，使離合器主從動盤轉(zhuǎn)速差盡可能小，而在離合器結(jié)合過程中，通過加快離合器的結(jié)合速度來提高離合器從動盤的轉(zhuǎn)速，進一步減小轉(zhuǎn)速差，從而盡快實現(xiàn)主從動盤轉(zhuǎn)速的同步。引入換擋品質(zhì)對自動換擋機構(gòu)進行評價，通過對換擋品質(zhì)的分析，明確換擋品質(zhì)的影響因素。 自動換擋過程理論模型的推導 自動換擋過程是通過離心式離合器改變行星齒輪機構(gòu)的運動狀態(tài)從而實現(xiàn)擋位的自動切換，因此應對行星齒 輪機構(gòu)進行分析，結(jié)合前面提到的離心式離合器的工作特性建立換擋過程的數(shù)學模型。內(nèi)齒圈與行星齒輪 為內(nèi) 嚙合， 所以 兩者 的 旋轉(zhuǎn)方向相同，即行星齒輪也順時針轉(zhuǎn)動。 m nT —— 內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)矩 /N離合器從動盤與太陽輪皆與連接套緊固相連，因此從動盤與太陽輪轉(zhuǎn)速相同。 根據(jù)式 (212)可知，沖擊度為換擋過程中汽車縱向加速度的變化量，因此由式 (323)可得到基于離心式離合器的電動汽車自動換擋機構(gòu)在換擋過程中沖擊度隨時間的變化關系 : 220 2120 213 220 0 21 213 2 2 321 21 21100 ( 1 )( 1 ) ( )200 ( ) 2( 2 )( 2 ) ( 2 ) ( 2 )Bi ii i v Di i i Bv gf vr t ijm r m r t i t i t i??? ? ??? ?????? ?? ? ? ?? ? ??? （ 324） 由式 (324)可知，當整車參數(shù)給定時，電動汽車自動換擋 機構(gòu)在換擋過程中沖擊度隨時間的變化關系與換擋過程中的車速及離心式離合器特性曲線參數(shù)B,D 有關。好的換擋品質(zhì)是自動換擋機構(gòu)所追求的目標，根據(jù)上述分析可知離心式離合器特性對換擋品質(zhì)影響很大，因此應對原有的離心式離合器進行分析。 根據(jù)上述方法測得離心式離合器的工作特性如表 32 所示 : 中南林業(yè)科技大學本科畢業(yè)設計 電動汽車離合系統(tǒng)的設計與分析 29 表 32 離心式離合器試驗數(shù)據(jù) Table 32 Experiment data of centrifugal clutch 轉(zhuǎn)速 (r/min） 轉(zhuǎn)矩 /(N根據(jù)汽車動力性能要求，本車選擇某廠永磁直流無刷電機，其基本參數(shù)及本車的動力性能要求如表 33 所示 : 表 3— 3 動力性能要求及電機參 數(shù) 類別 參數(shù)值 最高車速 /(km/h) 70 最大爬坡度 (15km/h) 15% 常用車速 /(km/h) 50～ 70 峰值轉(zhuǎn)矩 / mN? 70 額定轉(zhuǎn)矩 / mN? 19 最高轉(zhuǎn)速 /(r/min) 4000 額定電壓 /V 72 峰值功率 /kW 15 中南林業(yè)科技大學本科畢業(yè)設計 電動汽車離合系統(tǒng)的設計與分析 31 額定功率 /kW 5 為了得到電機在工作過程中的輸出特性，驗證初選的離心式離合器是否與其相匹 配，從而滿足汽車動力性能要求。 (2)試驗過程 :在額定電壓下，從 0 到最大轉(zhuǎn)矩逐步對電機進行加載，當電機速度穩(wěn)定時記錄如下數(shù)據(jù) :電機輸出轉(zhuǎn)速，輸出轉(zhuǎn)矩，控制器輸入電流和電池