H EV 动力合成装置的虚拟样机建模与仿真
谢进利, 张维强
(南京农业大学工学院, 江苏南京210031)
Virtual M odeling and Simulation Study of H EV Pow er Coupling
X IE Jin -li , ZHANG Wei -qiang
(Enginee ring Co lleg e , N anjing A gricultural U niver sity , Nanjing 210031, China )
摘要:设计了一种2K -H 型差动行星轮系作为混合动力电动汽车的动力合成装置, 利用So lid -Wo rks 完成3D 建模和虚拟装配后, 以中间数据交换格式Paraso lid 将模型导入到ADA MS 软件中进行虚拟样机建模, 并通过仿真分析对该动力合成装置的动力匹配效果进行验证和评估.
关键词:差动行星齿轮; 数据交换; 虚拟样机; 虚拟装配; 仿真
中图分类号:TH 132. 4文献标识码:A
文章编号:1001-2257(2010) 02-0017-03A bstract :In order to study the efficiency of the pow er co upling of parallel hy brid electric vehicle (PHEV ) , this ar ticle designs a kind of 2K -H type differential planetary g ears to be used , and com -pletes the 3D model of the pow er coupling and its virtual assembly in SolidWo rks softw are . Then the assembly is impo rted to the ADAMS through Para -solid form at fo r dy namical simulation . The results of sim ulation indicate that this kind of pow er co u -pling w o rks v ery w ell .
Key words :differential planetary gears ; data e xchange ; virtual m odel ; virtual assembly ; sim ula -tion
到了很重要的作用. 本文设计的太阳轮与发动机输出轴直接相连, 内齿圈通过一对外齿轮与电动机输
出轴连接, 行星架作为动力合成装置的输出轴. 整个机构具有2个自由度, 可以通过控制发动机轴和电动机轴的启停来实现在2自由度和单自由度输入之间的转换. 此外, 发动机的转矩与作用在齿圈上的转矩是成一定比例的, 传到驱动轴上的转矩是由齿圈上得到的转矩与发动机输出转矩合成而得到, 2个动力总成之间的转速分配较为灵活, 可以有非常灵活的控制策略, 可实现对混合动力能量流的最优控制
[1]
.
1 三维建模与虚拟装配
1. 1 动力合成装置的结构
混合动力电动汽车的动力合成装置为2K -H 型差动行星轮系, 如图1所示
.
图1 动力合成装置的结构
0 引言
在并联混合动力电动汽车中, 发动机与电动机/发电机所提供的多股动力需要由某种结构的动力合成装置进行匹配, 再转化为一股动力传递给驱动桥, 从而驱动车辆行驶. 在这个过程中, 动力合成装置起
收稿日期:2009-10-26
1. 2 三维模型的建立
要建立动力合成装置的虚拟样机模型, 需要先建立机械系统的三维模型. 由于ADAM S 软件在三维造型方面的功能较弱, 为得到精确的机械系统模型和提高仿真计算的精度, 采用SolidWorks 软件进行系统的三维建模.
系统中的主要零部件都是渐开线齿轮结构, 而SolidWorks 软件中没有可直接生成渐开线齿廓的
«
命令. 利用CAXA 电子图版中的齿轮绘制命令生成标准渐开线齿轮的轮廓曲线, 然后将其以草图的形式导入到SolidWorks 软件中以建立零件的三维模型. 具体实现步骤如下:
a . 在CAXA 电子图版中利用齿轮绘制命令绘制齿轮轮廓, 进行相关参数设置, 显示全部齿数, 然后将文件另存为＊.dw g 格式待用.
b . 在SolidW orks 软件以草图的形式导入上述保存的＊.dw g 文件. 其中需特别注意数据单位要设置成与CAXA 电子图版中的一致, 其余选项可视情况设定.
c . 对导入到SolidWo rks 中的草图进行拉伸, 即可得到所需的渐开线齿轮三维模型.
用同样的方法可以完成其余齿轮的三维建模, 然后建立其它零件的三维模型. 1. 3
虚拟装配
建立了各零件的三维实体模型后, 可根据各零部件之间相对运动和配合关系, 利用SolidWo rks 提供的装配功能及其丰富的装配配合命令, 准确地模拟各零部件在实际工作中的相对运动关系. 建立装配体的关键问题是实现行星轮系各部件之间的无干涉装配. 参考文献[2]中给出了一种简便有效地实现行星轮系快速装配的方法, 本文按照这种方法实现了行星轮系各部件之间的无干涉装配, 如图2所示. 最后建立了动力合成装置的虚拟装配模型, 利用这一虚拟装配模型可以进行静态干涉检查和运动干涉检查, 进而可对行星轮系配齿计算及装配的正确性进行检验. 干涉检查的结果表
明, 所建立的装配体不图2 行星轮系无干涉装配存在过约束和干涉.
传送. 而且, 与STEP , IGES 等格式只能一个个输入零件不同, Parasolid 格式允许将整个装配体输入到ADAM S 中, ADAMS 将自动识别装配体中的零件. 另一方面, ADAM S 软件和SolidWo rks 都是采用Parasolid 核心进行三维建模. 因此, 在ADAM S 和SolidWorks 之间通过Parasolid 格式进行数据交换简便易行[3].
2. 2 行星轮系运动副的定义
将So lidWo rks 中建立的装配体导入到AD -AMS 中后, 各零部件的相对位置固定不变, 但需要重新定义它们之间的相对运动关系(即运动副) , 其中关键问题是相互啮合的齿轮之间齿轮副的定义. 普通外啮合齿轮在运动过程中, 其啮合点相对于机架(g round ) 是固定不动的, 在建立齿轮副时齿轮啮合的MA RKER 点可直接固定于机架上. 但行星轮与太阳轮、内齿轮之间的啮合点是随着行星轮的公转而转动的, 因此, 在定义行星轮与太阳轮、内齿轮之间的齿轮副时, 必须将其齿轮啮合的M A RKER 点定义在行星架上, 使其啮合点能够随着行星架的运转而转动[4]. 在本例中, 给行星轮1(图3中中间直接可见的行星轮) 与太阳轮、内齿轮之间分别施加行星齿轮副, 其余2个齿轮与行星架固定连接, 不添加行星轮副, 否则会形成冗余约束.
完成机构中齿轮副的定义之后, 再施加其余必需的各种运动副关系, 保证各零部件之间的正确相对运动关系, 并定义各部件的质量属性. 通过指定部件的材料种类来定义其质量属性[5]. 如图3所示为最终建立的虚拟样机模型. 为了简化模型和方便仿真运动的观察, 在装配体导入前已经将不重要的基座隐去
.
2 虚拟样机建模与仿真分析
2. 1 SolidWorks 与ADAMS 的数据交换
ADAMS 与常用的CAD 软件的数据接口模块ADAMS /Exchange 所支持的图形交换格式包括IGES , ST EP , DXF /DWG , Parasolid 等. 其中, Para -solid 格式可提供精确的几何边界表达, 通过其容错造型(tolerrant modeling ) 技术, 可实现数据的无缝
图3 动力合成装置的虚拟样机模型
2. 3 仿真分析
在进行正式仿真前, 可对所建立的虚拟样机模
型的正确性进行初步的检查. 在Too ls 下拉菜单中选择Mo del Verify (即模型检验) , 即可显示模型检
)
验的信息报告. 检验结果表明, 该虚拟样机模型的自由度为2, 模型定义是正确的. 2. 3. 1 启动加速阶段
在车辆的启动加速阶段, 需要较大驱动力和驱动力矩以克服行驶阻力, 此时混合动力汽车的发动机与电动机同时工作来提供车辆行驶所需动力. 这一阶段三者转速的绝对值均逐渐增大, 行星架的转速线性增大, 表明动力合成装置能够很好地运转. 其中电动机转速为负值, 表示其转速方向与发动机转速方向相反. 2. 3. 2 匀速行驶阶段
混合动力汽车以稳定车速行驶时, 发动机工作在燃油消耗较低的状态, 电动机提供辅助动力, 汽车工作在混合动力模式下. 此时三者的转速均较稳定, 电动机转速与发动机转速相反. 此时, 三者转速曲线近似为水平直线, 受篇幅限制将其省去. 2. 3. 3 制动阶段
车辆制动时, 动力合成装置输出转速迅速降低, 发动机和电动机的转速也随之降低. 此时, 电动机转向仍与发动机相反但其绝对值逐渐减小, 电动机工作在发电机的状态, 利用发动机的输出功率向蓄电池充电, 三者的转速如图4所示. 以下各转速图中, sun shaft ang vel , m otor shaft ang vel 和pg hand ang vel 分别表示发动机、电动机(发电机) 和行星架的转速
.
2. 3. 4 EUDC 循环工况
EUDC (extra urban driving cy cle ) 循环工况, 即城郊道路循环工况, 它的单个循环时间为400s , 循环中平均车速62. 4km /h , 最高车速120km /h . EUDC 工况常被用于兼顾市内低速行驶及城郊较高车速行驶的车辆动力性及经济性研究. 本例中将EUDC 工况的车速-时间数据换算成转速-时间数据, 然后在ADAMS 中施加转速驱动, 进行E UDC 工况的仿真研究. 图5给出了发动机、电动机和行星架的转速曲线. 由图5可以看出, 在循环的初始阶段, 行星架输出转速为零(即被制动) , 而发动机转速迅速增大, 电动机转速为正值逐渐增大随后方向反转. 这一阶段中, 由于行星架被制动, 动力合成装置自由度为1, 电动机工作于发电机模式, 利用发动机的输出能量向电池充电. 在循环的结束阶段, 车辆减速, 行星架的转速逐渐降低, 发动机关闭以减少燃油消耗, 电动机转速的绝对值也逐渐减小, 电动机再次工作于发电机模式, 利用行星架的制动能量向电池充电. 整个循环工况过程中, 动力合成装置都能够正常运转
.
图5 EU DC 循环工况转速曲线
3 结束语
SolidWorks 软件具有丰富的数据交换接口, 可以方便地实现2D 与3D 图形数据之间的相互转换,
图4 制动阶段转速曲线
«以及So lidWorks 3D 模型与ADAM S 模型数据的
可变后掠翼机构设计与仿真
程 勇, 董二宝, 许 旻, 杨 杰
(中国科学技术大学精密机械与精密仪器系, 安徽合肥230027)
Structural Desig n and Kinematics Simulation for the Variable Sw ept Wing
CHENG Yong , DONG Er -bao , XU Min , YANG Jie
(Depa rtment of P recision M achinery and Pr ecision Instrument , U niver sity o f Scie nce and T echno lo gy of China ,
H efei 230027, China )
摘要:介绍了采用曲柄连杆机构实现机翼变后掠角的设计思想及其方案, 机构同步优化方法. 通过仿真实验验证了机构能够带动两侧机翼运动获得较
大的后掠角变化, 并具有较高的同步性. 在高速大后掠角和低速小后掠角状态时, 该可变机构能够自锁, 保证飞行器的稳定飞行.
关键词:连杆机构; 变后掠翼; 同步性; 仿真
中图分类号:V214. 19文献标识码:A
文章编号:1001-2257(2010) 02-0020-03A bstract :This paper intro duces the use o f crank -linkage mechanism to achieve the change o f sw ept ang le fo r both sides of the wing , and the methods to optimize its synchronizatio n . The simu -lation ve rified that this institution can g et a large sw ept angle and high sy nchronization . In the high -收稿日期:2009-09-08
speed larg e sw ept ang le and low speed small sw ept angle state , the v ariable institution can make itself lo cked , to ensure the stability flig ht .
Key words :linkage mechanism ; variable sw ept w ing ; sy nchronizatio n ; simulation
0 引言
大展弦比飞机有较好的低速性能, 升阻比较高, 但随着速度增加, 阻力也随之增加, 阻力与速度平方呈正比关系, 因此高速飞机多采用小展弦比、大后掠角设计
[1]
. 可变后掠翼飞机则综合了上述特点, 低速
飞行时机翼展开, 获得较好的低速性能, 高速飞行时机翼后掠, 降低飞行阻力, 提高高速性能. 变后掠翼的优点十分显著, 但其转动机构复杂, 使机翼的质量
增大, 可靠性也随之降低.
近年来, 后掠翼正被广泛应用到无人机当中, 通过其机翼后掠改变飞行状态. 传统的飞机后掠翼结
[2] 施洪生, 滕 健. So lidW orks 中行星齿轮传动的快速装
配[J ]. 中国制造业信息化, 2006, 35(11) :71-73. [3] 丁寿滨, 常宗瑜, 武雅洁, 谭登山, 朱春涛. A DA M S 与
常用CAD 软件之间的接口[J ]. 微计算机信息, 2005, 21(10) :202-204.
[4] 周永新. 基于A DA M S 的行星齿轮系统的仿真计算
[J ]. 电子机械工程, 2009, 25(3) :58-60.
[5] 郑建荣. A DA M S ———虚拟样机技术入门与提高[M ].
北京:机械工业出版社, 2005.
作者简介:谢进利 (1984-) , 男, 湖北鄂州人, 硕士研究生,
无缝传输, 提高了虚拟样机建模的精度和丰富了样机3D 建模的手段. 在CAD 与CAE 软件之间的数
据交换实践过程中, 要特别注意单位制的统一问题和因软件版本不同而造成的兼容性问题. 仿真结果表明, 2K -H 型差动行星轮系作为混合动力汽车的动力合成装置, 能够有效地实现将发动机输出动力与电动机输出动力的合理匹配. 该装置结构简单, 能够适应多种控制策略, 作为混合动力汽车的动力匹配装置, 具有较大的应用价值. 参考文献:
[1] 饶振纲. 行星齿轮传动设计[M ]. 北京:化学工业出版
社, 2003.
研究方向为混合动力电动汽车传动及其动力匹配; 张维强 (1956-) , 男, 江苏南京人, 教授, 研究方向为机械设计及理论.
)