向建軍 燕建行 王澤民

（中國(guó)石油大學(xué)（華東），山東 青島 266580）

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微型清潔觀光車動(dòng)力集成單元的設(shè)計(jì)

向建軍 燕建行 王澤民

（中國(guó)石油大學(xué)（華東），山東 青島 266580）

摘 要：清潔、節(jié)能和專業(yè)化是這一時(shí)期汽車設(shè)計(jì)發(fā)展的重要方向，針對(duì)當(dāng)前旅游觀光車因速度太快、乘客太多、不環(huán)保等無(wú)法滿足游客需求的特點(diǎn)，本文借鑒當(dāng)前混合動(dòng)力電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)理念，根據(jù)常規(guī)情況下人體所能提供的能量，結(jié)合電能、太陽(yáng)能設(shè)計(jì)一款微型清潔觀光車。本文總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)，提出了微型清潔觀光車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案，并詳細(xì)介紹了根據(jù)總體方案設(shè)計(jì)的人體動(dòng)力耦合系統(tǒng)、耦合變速系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：微型清潔觀光車；動(dòng)力集成單元；設(shè)計(jì)

1. 總體方案設(shè)計(jì)

結(jié)合實(shí)際需求，該觀光車擬可提供4個(gè)乘坐位置，運(yùn)行最高車速初步定為30km/h～40km/h，4個(gè)位置均可作為動(dòng)力源向汽車提供驅(qū)動(dòng)力。參考現(xiàn)代汽車電氣化設(shè)計(jì)思想，擬提出動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)方案，如圖1所示。

如圖1所示的方案，驅(qū)動(dòng)汽車行駛的動(dòng)力源由兩條路徑提供，第一條路徑是將來(lái)自人體的動(dòng)力經(jīng)人體動(dòng)力耦合系統(tǒng)耦合，通過(guò)機(jī)械連接的方式將動(dòng)力傳遞至耦合變速機(jī)構(gòu)的直接檔，通過(guò)差速器，驅(qū)動(dòng)汽車行駛；第二條路徑是將來(lái)自電網(wǎng)或太陽(yáng)能電池板的電能存儲(chǔ)在動(dòng)力電池中，動(dòng)力電池觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，將動(dòng)力輸送至耦合變速機(jī)構(gòu)的低速檔，通過(guò)差速機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)汽車行駛。從而使汽車具有3種工作模式：純?nèi)梭w動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、純電機(jī)驅(qū)動(dòng)和人體動(dòng)力與電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)。欲實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)目標(biāo)，本文將著力于人體動(dòng)力耦合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和耦合變速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

2. 人體動(dòng)力耦合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

將來(lái)自多個(gè)方向大小不同的動(dòng)力集成到一起，統(tǒng)一輸出。在當(dāng)前的動(dòng)力耦合裝置中，電力集成裝置是其中的一類，它的特點(diǎn)是使用效率高、方便、但成本相對(duì)較高，且由于技術(shù)問(wèn)題，其可靠性難以保證。在常見(jiàn)的耦合裝置中，以機(jī)械式動(dòng)力耦合為主，常見(jiàn)的耦合機(jī)構(gòu)有行星齒輪機(jī)構(gòu)、逆向差速機(jī)構(gòu)、逆向分動(dòng)機(jī)構(gòu)等。設(shè)計(jì)中，考慮將來(lái)自人體的動(dòng)力兩兩集成，通過(guò)3個(gè)相同的小單元，將來(lái)自4個(gè)人的動(dòng)力耦合輸出，充分考慮各種機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)需求，本次設(shè)計(jì)采用逆向差速機(jī)構(gòu)對(duì)人體動(dòng)力進(jìn)行集成，設(shè)計(jì)一種基于多動(dòng)力源的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它克服了傳統(tǒng)汽車傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不能同時(shí)接收多個(gè)動(dòng)力源的弊端，其采用的技術(shù)方案如圖2所示。

如圖2所示的動(dòng)力耦合單元，它的作用是耦合兩個(gè)動(dòng)力，并進(jìn)行統(tǒng)一的輸出。其工作原理為：來(lái)自左側(cè)軸1和右側(cè)軸8的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)機(jī)械連接，將圖示軸1與左側(cè)半軸齒輪2、軸8與右側(cè)半軸齒輪7剛性連接，使半軸齒輪2和7沿軸1和8旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。半軸齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)使行星齒輪5產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，當(dāng)來(lái)自左側(cè)輸入軸1的轉(zhuǎn)速n1與來(lái)自右側(cè)輸入軸8的轉(zhuǎn)速n2相等時(shí)，行星齒輪5僅圍繞軸1（或軸8）公轉(zhuǎn)；當(dāng)來(lái)自左側(cè)輸入軸1的轉(zhuǎn)速n1與來(lái)自右側(cè)輸入軸8的轉(zhuǎn)速n2不等時(shí)，行星齒輪5既圍繞軸1（或軸8）公轉(zhuǎn)，又沿著行星輪本身軸線方向自轉(zhuǎn)。行星輪的公轉(zhuǎn)使行星架繞軸1（或軸8）旋轉(zhuǎn)，而行星架的兩端固接與差速器殼體，帶動(dòng)殼體繞軸1（或軸8）做圓周運(yùn)動(dòng)，殼體上鑄有一錐齒輪，通過(guò)外接一個(gè)圓錐齒輪與殼體上的錐齒輪嚙合，將動(dòng)力由動(dòng)力耦合輸出軸輸出。

設(shè)計(jì)小車包含4個(gè)人體動(dòng)力源，通過(guò)上述動(dòng)力耦合單元可以將兩個(gè)人體動(dòng)力耦合，以此類推，通過(guò)同樣的動(dòng)力耦合單元可將另外兩個(gè)人體動(dòng)力耦合集成并經(jīng)過(guò)一動(dòng)力輸出軸輸出，如此4個(gè)動(dòng)力源便即成為兩個(gè)。同樣的思想，將經(jīng)過(guò)一級(jí)耦合的動(dòng)力源再次耦合，最終耦合為單一動(dòng)力源，進(jìn)行輸出。具體實(shí)施情況如下：

如圖3所示，來(lái)自4個(gè)人體的不同動(dòng)力源n1、n2、n3、n4經(jīng)過(guò)第1集合單元和第2集合單元的一級(jí)耦合變?yōu)閮蓚€(gè)動(dòng)力源，再經(jīng)過(guò)總成單元進(jìn)行的二級(jí)耦合，將第一集合單元的輸出和第二集合單元的輸出耦合為系統(tǒng)唯一輸出。從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)4個(gè)不同人體動(dòng)力源的耦合。

3. 耦合變速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

耦合變速機(jī)構(gòu)是微型清潔觀光車的關(guān)鍵，一方面，它要對(duì)來(lái)自動(dòng)力電機(jī)的動(dòng)力和來(lái)自人體動(dòng)力耦合系統(tǒng)動(dòng)力的一個(gè)集成與耦合；另一方面，它還要實(shí)現(xiàn)對(duì)來(lái)自動(dòng)力電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的減速。所以完成的耦合變速系統(tǒng)需要具有動(dòng)力耦合和變速的功能。設(shè)計(jì)考慮到如何高效而平順的耦合來(lái)自電機(jī)的高轉(zhuǎn)速和來(lái)自人體動(dòng)力耦合系統(tǒng)的低轉(zhuǎn)速，摒棄了人體動(dòng)力耦合系統(tǒng)中的使用錐齒耦合的方法，借鑒現(xiàn)代混合動(dòng)力汽車動(dòng)力耦合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，采用行星齒輪機(jī)構(gòu)融入設(shè)計(jì)，具體實(shí)施和設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

工作原理：如圖4所示的耦合變速系統(tǒng)，鑒于系統(tǒng)較為復(fù)雜，可將其劃分為3個(gè)單元，即圖示中紅色方框圈出的3個(gè)單元，1-動(dòng)力耦合單元、2-變速單元、3-差速單元。

動(dòng)力耦合單元1，單獨(dú)或同時(shí)接受來(lái)自驅(qū)動(dòng)電機(jī)或人體動(dòng)力耦合系統(tǒng)的動(dòng)力，將其直接或耦合集成后輸入變速單元，其具體工作形式如下：來(lái)自驅(qū)動(dòng)電機(jī)（或人體動(dòng)力耦合系統(tǒng)）的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸入軸1（或人體動(dòng)力耦合系統(tǒng)輸入軸6）轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)力經(jīng)太陽(yáng)輪3（或5）傳至大齒圈4，大齒圈外側(cè)殼體固接動(dòng)力輸出齒輪8，進(jìn)而將動(dòng)力輸出。

變速單元2，其作用是接受來(lái)自動(dòng)力耦合單元1的動(dòng)力，經(jīng)變速單元變速（減速或直接輸出）輸出給差速器單元。其具體工作模式為：當(dāng)只有驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供動(dòng)力（或驅(qū)動(dòng)電機(jī)人體動(dòng)力耦合系統(tǒng)并行運(yùn)行）時(shí)，由于輸出轉(zhuǎn)速較快，變速器的低速級(jí)與差速器的殼體齒輪嚙合，將動(dòng)力輸送給差速器，實(shí)現(xiàn)減速增扭，驅(qū)動(dòng)汽車行駛；當(dāng)只有人體動(dòng)力耦合系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，變速器將切換至直接檔，驅(qū)動(dòng)汽車行駛。

結(jié)語(yǔ)

本文從實(shí)際出發(fā)，根據(jù)設(shè)計(jì)需求和現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)理念，提出了微型清潔觀光車動(dòng)力系統(tǒng)模型的總體方案，根據(jù)提出的方案，本文對(duì)人體動(dòng)力耦合系統(tǒng)和耦合變速系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單地設(shè)計(jì)，提出了兩個(gè)不同的動(dòng)力耦合方式，為后續(xù)相關(guān)設(shè)計(jì)者提供相關(guān)思路。

參考文獻(xiàn)

［1］向建.一種基于多動(dòng)力源的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：中國(guó)，ZL201520242010.6［P］.

［2］邱宣懷.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京：高等教育出版社，2011.

中圖分類號(hào)：U462

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A