微型清洁观光车动力集成单元的设计

2016-07-23向建军燕建行王泽民

中国新技术新产品 2016年14期

关键词：设计

向建军燕建行王泽民

（中国石油大学（华东），山东青岛 266580）

微型清洁观光车动力集成单元的设计

向建军燕建行王泽民

（中国石油大学（华东），山东青岛 266580）

摘要：清洁、节能和专业化是这一时期汽车设计发展的重要方向，针对当前旅游观光车因速度太快、乘客太多、不环保等无法满足游客需求的特点，本文借鉴当前混合动力电动汽车设计理念，根据常规情况下人体所能提供的能量，结合电能、太阳能设计一款微型清洁观光车。本文总结前人经验，提出了微型清洁观光车动力系统设计的总体方案，并详细介绍了根据总体方案设计的人体动力耦合系统、耦合变速系统。

关键词：微型清洁观光车；动力集成单元；设计

1. 总体方案设计

结合实际需求，该观光车拟可提供4个乘坐位置，运行最高车速初步定为30km/h～40km/h，4个位置均可作为动力源向汽车提供驱动力。参考现代汽车电气化设计思想，拟提出动力传动系统方案，如图1所示。

如图1所示的方案，驱动汽车行驶的动力源由两条路径提供，第一条路径是将来自人体的动力经人体动力耦合系统耦合，通过机械连接的方式将动力传递至耦合变速机构的直接档，通过差速器，驱动汽车行驶；第二条路径是将来自电网或太阳能电池板的电能存储在动力电池中，动力电池触发驱动电机，将动力输送至耦合变速机构的低速档，通过差速机构，驱动汽车行驶。从而使汽车具有3种工作模式：纯人体动力驱动、纯电机驱动和人体动力与电机同时驱动。欲实现这一设计目标，本文将着力于人体动力耦合系统的设计和耦合变速机构的设计。

2. 人体动力耦合系统的设计

将来自多个方向大小不同的动力集成到一起，统一输出。在当前的动力耦合装置中，电力集成装置是其中的一类，它的特点是使用效率高、方便、但成本相对较高，且由于技术问题，其可靠性难以保证。在常见的耦合装置中，以机械式动力耦合为主，常见的耦合机构有行星齿轮机构、逆向差速机构、逆向分动机构等。设计中，考虑将来自人体的动力两两集成，通过3个相同的小单元，将来自4个人的动力耦合输出，充分考虑各种机构的特点和设计需求，本次设计采用逆向差速机构对人体动力进行集成，设计一种基于多动力源的传动机构，它克服了传统汽车传动机构不能同时接收多个动力源的弊端，其采用的技术方案如图2所示。

如图2所示的动力耦合单元，它的作用是耦合两个动力，并进行统一的输出。其工作原理为：来自左侧轴1和右侧轴8的旋转运动，通过机械连接，将图示轴1与左侧半轴齿轮2、轴8与右侧半轴齿轮7刚性连接，使半轴齿轮2和7沿轴1和8旋转运动。半轴齿轮的转动使行星齿轮5产生运动，当来自左侧输入轴1的转速n1与来自右侧输入轴8的转速n2相等时，行星齿轮5仅围绕轴1（或轴8）公转；当来自左侧输入轴1的转速n1与来自右侧输入轴8的转速n2不等时，行星齿轮5既围绕轴1（或轴8）公转，又沿着行星轮本身轴线方向自转。行星轮的公转使行星架绕轴1（或轴8）旋转，而行星架的两端固接与差速器壳体，带动壳体绕轴1（或轴8）做圆周运动，壳体上铸有一锥齿轮，通过外接一个圆锥齿轮与壳体上的锥齿轮啮合，将动力由动力耦合输出轴输出。

设计小车包含4个人体动力源，通过上述动力耦合单元可以将两个人体动力耦合，以此类推，通过同样的动力耦合单元可将另外两个人体动力耦合集成并经过一动力输出轴输出，如此4个动力源便即成为两个。同样的思想，将经过一级耦合的动力源再次耦合，最终耦合为单一动力源，进行输出。具体实施情况如下：

如图3所示，来自4个人体的不同动力源n1、n2、n3、n4经过第1集合单元和第2集合单元的一级耦合变为两个动力源，再经过总成单元进行的二级耦合，将第一集合单元的输出和第二集合单元的输出耦合为系统唯一输出。从而实现了对4个不同人体动力源的耦合。

3. 耦合变速系统的设计

耦合变速机构是微型清洁观光车的关键，一方面，它要对来自动力电机的动力和来自人体动力耦合系统动力的一个集成与耦合；另一方面，它还要实现对来自动力电机高速旋转运动的减速。所以完成的耦合变速系统需要具有动力耦合和变速的功能。设计考虑到如何高效而平顺的耦合来自电机的高转速和来自人体动力耦合系统的低转速，摒弃了人体动力耦合系统中的使用锥齿耦合的方法，借鉴现代混合动力汽车动力耦合系统的设计思路，采用行星齿轮机构融入设计，具体实施和设计方案如图4所示。

工作原理：如图4所示的耦合变速系统，鉴于系统较为复杂，可将其划分为3个单元，即图示中红色方框圈出的3个单元，1-动力耦合单元、2-变速单元、3-差速单元。

动力耦合单元1，单独或同时接受来自驱动电机或人体动力耦合系统的动力，将其直接或耦合集成后输入变速单元，其具体工作形式如下：来自驱动电机（或人体动力耦合系统）的动力驱动驱动电机输入轴1（或人体动力耦合系统输入轴6）转动，动力经太阳轮3（或5）传至大齿圈4，大齿圈外侧壳体固接动力输出齿轮8，进而将动力输出。

变速单元2，其作用是接受来自动力耦合单元1的动力，经变速单元变速（减速或直接输出）输出给差速器单元。其具体工作模式为：当只有驱动电机提供动力（或驱动电机人体动力耦合系统并行运行）时，由于输出转速较快，变速器的低速级与差速器的壳体齿轮啮合，将动力输送给差速器，实现减速增扭，驱动汽车行驶；当只有人体动力耦合系统运行时，变速器将切换至直接档，驱动汽车行驶。