多功能并联式混合动力系统性能测试台架

1.本发明属于混合动力测试设备技术领域，具体涉及多功能并联式混合动力系统性能测试台架。


背景技术：

2.随着汽车保有量的持续增长，环境污染日益严重，能源匮乏日趋紧张，车辆排放控制与能耗减少受到越来越多的关注。纯电动车辆具有相当优势，但由于受电池等关键技术的限制，导致纯电动车尚不能满足人们的需要。混合动力车辆兼顾燃油和纯电动车辆的优点，是目前解决环保、能源和里程焦虑问题的较佳选择。
3.混合动力系统是一个复杂的系统，研发过程中需要解决的关键技术包括参数匹配的设计、电力驱动、能量存储与管理、动力传输及整车控制策略等。其开发平台主要有计算机仿真平台、台架试验平台和实车开发平台。计算机仿真平台具有适应性强、费用低、开发周期短等优点，但由于受动力系统复杂的数学模型的制约，仿真结果的真实性需要通过试验来检验。实车平台能够为开发对象提供真实的运行环境，但成本高，周期较长，适应性差。混合动力试验台架的研究与开发，一方面通过零部件试验功能支持计算机仿真平台的开发，另一方面可以取代实车平台进行除可靠性能以外的整车试验。更进一步，可以通过在台架试验平台上进行多能源控制器性能试验，支撑多能源控制器开发平台的建设。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供多功能并联式混合动力系统性能测试台架，能有效降低新能源汽车测试台架的搭建成本，改造完成后不会影响传统内燃机台架试验。
5.本发明所采用的技术方案是，多功能并联式混合动力系统性能测试台架，包括发动机、测功机和电动机，发动机和测功机之间通过耦合装置连接，电动机和测功机之间通过耦合装置连接；耦合装置包括箱体、输入齿轮轴、输出齿轮轴、同步器、电机齿轮轴、过渡齿轮轴；输出齿轮轴、输入齿轮轴、电机齿轮轴、过渡齿轮轴分别通过角接触球轴承安装在箱体上，同步器安装在输出齿轮轴上；发动机的输出轴与输入齿轮轴通过第一联轴器连接，输出齿轮轴通过第三联轴器与测功机连接；电动机的输出轴与电机齿轮轴通过第二联轴器连接。
6.本发明的特点还在于，
7.输出齿轮轴以及输入齿轮轴上均设置有齿轮；电机齿轮轴输出端设置有齿轮；过渡齿轮轴中部通过键安装有二档变速传动齿轮，并与电机齿轮轴和输出齿轮轴上的齿轮相啮合；过渡齿轮轴一端部安装常啮合齿轮，过渡齿轮轴另一端部设置有齿轮，常啮合齿轮与输入齿轮轴上的齿轮啮合。
8.输出齿轮轴的输出端通过键安装有一档变速传动齿轮，一档变速传动齿轮与过渡齿轮轴上的齿轮相啮合。
9.发动机的输出轴上还设置有离合器和第一扭矩传感器，第一扭矩传感器安装在第
一联轴器与离合器之间。
10.电动机的输出轴上还设置有第二扭矩传感器；第二扭矩传感器安装在第二联轴器与电动机的输出轴之间。
11.输出齿轮轴通过滚针轴承与输入齿轮轴相连。
12.本发明的有益效果是：
13.1.本发明的测试台架能有效降低新能源汽车测试台架的搭建成本，改造完成后不会影响传统内燃机台架试验；
14.2.本发明的台架所使用的耦合装置可以根据实验室具体的面积大小和设备布置进行设计，主要为利用行星齿轮更改输入输出轴的位置；由于采用机械式变速箱为基础进行改进得到耦合装置，传动效率高，结构简单，改装较少，成本低，既集成动力合成变速功能又减少过渡传动部分，缩小整体空间尺寸，减少整体质量；
15.3.本发明的输入齿轮轴、过渡齿轮轴、电机齿轮轴可作为转矩轴与发电轴兼用，以适应工作要求，从而实现了多种工作模式，以及多自由度工作；
16.4.在发动机模式下，测试台架可以标定发动机功率，进行发动机自然特性、低/额定负荷特性、调速特性、部分和使用外特性、万有特性、排放特性等试验。利用获得的数据为整车控制策略提供制定依据，同时为计算机仿真平台提供真实的试验数据和为混合动力发动机的评价提供改进依据；
17.5.在纯电动模式下，测试台架可以测试电动机的外特性；进行驱动外特性、再生制动能力、电动发电效率变化、可靠性等试验。试验结果数据为电动机及混合动力汽车计算机仿真分析服务，同时为设计动力系统的控制策略服务；
18.6.利用测功机进行加载，模拟汽车行驶时驱动轮的受力情况，改变动力系统的负荷及转速，从而达到在试验台上模拟车辆的不同工况。
附图说明
19.图1为本发明多功能并联式混合动力系统性能测试台架的总体装配图；
20.图2为本发明多功能并联式混合动力系统性能测试台架中耦合装置的结构示意图。
21.图中：1、发动机，2、离合器，3、第一扭矩传感器，4、电动机，5、第二扭矩传感器，6、联轴器，7、耦合装置，8、测功机，9、输入齿轮轴，10、输出齿轮轴，11、同步器，12、一档变速传动齿轮，13、电机齿轮轴，14、过渡齿轮轴，15、二档变速传动齿轮，16、常啮合齿轮，17、滚针轴承，18、第二联轴器，19、第三联轴器。
具体实施方式
22.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
23.实施例1
24.本发明多功能并联式混合动力系统性能测试台架，如图1所示，包括发动机1、电动机4和测功机8，发动机1和测功机8之间通过耦合装置7连接，电动机4和测功机8之间通过耦合装置7连接。
25.实施例2
26.如图2所示，耦合装置7包括箱体、输入齿轮轴9、输出齿轮轴10、同步器11、一档变速传动齿轮12、电机齿轮轴13、过渡齿轮轴14、二档变速传动齿轮15、常啮合齿轮16；
27.输出齿轮轴10、输入齿轮轴9分别通过角接触球轴承安装在耦合装置7的箱体上，输出齿轮轴10通过滚针轴承17与输入齿轮轴9相连；输出齿轮轴10以及输入齿轮轴9上均设置有齿轮；
28.电机齿轮轴13、过渡齿轮轴14分别通过角接触球轴承安装在耦合装置7的箱体上；电机齿轮轴13一端与箱体之间设置有空隙，另一端伸出箱体，电机齿轮轴13输出端设置有齿轮；
29.输出齿轮轴10、输入齿轮轴9、电机齿轮轴13、过渡齿轮轴14位于同一水平面上，且输入齿轮轴9、输出齿轮轴10一端均伸出箱体；
30.二档变速传动齿轮15通过键安装在过渡齿轮轴14中部，并与电机齿轮轴13和输出齿轮轴10上的齿轮相啮合；过渡齿轮轴14一端部安装常啮合齿轮16，过渡齿轮轴14另一端部设置有齿轮，常啮合齿轮16与输入齿轮轴9上的齿轮啮合；一档变速传动齿轮12通过键安装在输出齿轮轴10的输出端，一档变速传动齿轮12与过渡齿轮轴14上的齿轮相啮合；同步器11安装在输出齿轮轴10上。
31.发动机1的输出轴与输入齿轮轴9通过第一联轴器6连接，发动机1的输出轴上还设置有离合器2和第一扭矩传感器3，第一扭矩传感器3安装在第一联轴器6与离合器2之间，用以测量发动机1的扭矩；
32.电动机4的输出轴与电机齿轮轴13通过第二联轴器18连接，电动机4的输出轴上还设置有第二扭矩传感器5；第二扭矩传感器5安装在第二联轴器18与电动机4的输出轴之间，用以测量电动机4的扭矩。
33.输出齿轮轴10通过第三联轴器19与测功机8连接；
34.本发明的测试台架选用通用型扭矩传感器，可单独对发动机和电动机两个输出端采集转矩转速数据。其测量方式主要有以下两种：在测量角度，位移和低转速等参数的情况下，利用增量式编码器的原理进行设计。在高转速的测量中，利用光电，码盘原理进行测量，具有测量转速准确度高，工作稳定可靠和使用寿命长的特点。
35.实施例3
36.本发明多功能并联式混合动力系统性能测试台架，能够测试的功能包括以下几个方面：
37.纯电动模式：离合器2脱开，发动机1停止运转，电动机4处于驱动状态，带动电机齿轮轴13旋转，电机齿轮轴13上的齿轮与二档传动齿轮15相啮合，二档传动齿轮15与输出齿轮轴10上的齿轮相啮合，实现功率输出。此时为二档传动，电动机4为整车提供动力。可进行驱动外特性、再生制动能力、电动发电效率变化、可靠性等试验。试验结果数据为电动机及混合动力汽车计算机仿真分析服务，同时为设计动力系统的控制策略服务。
38.发动机模式：离合器2啮合，发动机1工作，同步器11向右啮合，电动机4为空载，输入齿轮轴9上的齿轮与常啮合齿轮16相啮合，过渡齿轮轴14上的齿轮与一档变速传动齿轮12相啮合，此时为一档传动，实现功率的输出。可进行发动机基础试验，包括：发动机自然特性、低/额定负荷特性、调速特性、部分和使用外特性、万有特性、排放特性等。利用获得的数据为整车控制策略提供制定依据，同时为计算机仿真平台提供真实的试验数据和为混合动
力发动机的评价提供改进依据。
39.并联混合动力模式：离合器2啮合，发动机1工作，同步器11向左啮合，电动机4工作。输入齿轮轴9上的齿轮与常啮合齿轮16相啮合，电机齿轮轴13上的齿轮与二档传动齿轮15相啮合，输入齿轮轴9上的齿轮与常啮合齿轮16的传动比等于电机齿轮轴13上的齿轮与二档传动齿轮15的传动比，实现速度和转矩的耦合输出。可进行动力、经济、牵引及排放性能等相关试验。得到最大速度、最大爬坡度、额定功率等性能指标。
40.减速时制动能力回收：离合器2脱开，同步器11向左侧啮合，输出齿轮轴10上的齿轮与二档变速传动齿轮15相啮合，二档变速传动齿轮15与电机齿轮轴13上的齿轮相啮合，电动机4处于发电状态。
41.起动发动机：离合器2与同步器11位于中央，由电动机4驱动。二档变速传动齿轮15与电机齿轮轴13上的齿轮相啮合，输入齿轮轴9上的齿轮与常啮合齿轮16相啮合。电动机4启动了发动机1，当发动机1达到起动转速时，供油系统会启动并点燃发动机，接着将电动机4转换为空载或发电状态。
42.倒车：离合器2脱开，同步器11向左啮合，电动机4反方向转动，输出齿轮轴10上的齿轮与二档变速传动齿轮15相啮合，二档变速传动齿轮15与电机齿轮轴13上的齿轮相啮合。
43.停车：离合器2脱开，同步器11居中。
44.本发明试验台架通过对传统内燃机实验室发动机台架进行改造，能有效降低新能源汽车测试台架的搭建成本，而且改造完成后不会影响传统内燃机台架试验。
45.本发明的台架所使用的耦合装置可以根据实验室具体的面积大小和设备布置进行设计，主要为利用行星齿轮更改输入输出轴的位置；由于采用机械式变速箱为基础进行改进得到耦合装置，传动效率高，结构简单，改装较少，成本低，既集成动力合成变速功能又减少过渡传动部分，缩小整体空间尺寸，减少整体质量。
46.输入齿轮轴、过渡齿轮轴、电机齿轮轴可作为转矩轴与发电轴兼用，从而实现了多种工作模式，以及多自由度工作。
47.该耦合装置全部为机械传动，传动效率很高，内部零件以齿轮和轴为主，因此能够实现较低的加工成本。耦合装置中利用同步器换档，可以确保齿轮不会出现换档冲击现象，在操作便携的前提下减少换档所需时间，并相应地增加耦合装置运行的经济性和行使的安全性，通过对同步器的控制，可以实现发动机模式的模拟、纯电动模式的模拟以及混合动力模式的模拟。
48.在发动机模式下，测试台架可以标定发动机功率。进行发动机自然特性、低/额定负荷特性、调速特性、部分和使用外特性、万有特性、排放特性等试验。利用获得的数据为整车控制策略提供制定依据，同时为计算机仿真平台提供真实的试验数据和为混合动力发动机的评价提供改进依据。
49.在纯电动模式下，测试台架可以测试电动机的外特性。进行驱动外特性、再生制动能力、电动发电效率变化、可靠性等试验。试验结果数据为电动机及混合动力汽车计算机仿真分析服务，同时为设计动力系统的控制策略服务。
50.测试混合动力驱动下试验台架的能量消耗规律和效率特性。得到最大速度、最大爬坡度、额定功率等性能指标。
51.利用测功机进行加载，模拟汽车行驶时驱动轮的受力情况，改变动力系统的负荷及转速，从而达到在试验台上模拟车辆的不同工况。

技术特征：
1.多功能并联式混合动力系统性能测试台架，其特征在于，包括发动机(1)、测功机(8)和电动机(4)，所述发动机(1)、电动机(4)和测功机(8)均通过耦合装置(7)连接，所述耦合装置(7)包括箱体、输入齿轮轴(9)、输出齿轮轴(10)、同步器(11)、电机齿轮轴(13)、过渡齿轮轴(14)；所述输出齿轮轴(10)、输入齿轮轴(9)、电机齿轮轴(13)、过渡齿轮轴(14)分别安装在箱体上，所述同步器(11)安装在输出齿轮轴(10)上；所述发动机(1)输出轴与输入齿轮轴(9)通过第一联轴器(6)连接，所述输出齿轮轴(10)通过第三联轴器(19)与测功机(8)连接；所述电动机(4)输出轴与电机齿轮轴(13)通过第二联轴器(18)连接。2.根据权利要求1所述的多功能并联式混合动力系统性能测试台架，其特征在于，所述输出齿轮轴(10)以及输入齿轮轴(9)上均设置有齿轮；所述电机齿轮轴(13)输出端设置有齿轮；所述过渡齿轮轴(14)中部通过键安装有二档变速传动齿轮(15)，并与电机齿轮轴(13)和输出齿轮轴(10)上的齿轮相啮合；所述过渡齿轮轴(14)一端部安装常啮合齿轮(16)，所述过渡齿轮轴(14)另一端部设置有齿轮，所述常啮合齿轮(16)与输入齿轮轴(9)上的齿轮啮合。3.根据权利要求2所述的多功能并联式混合动力系统性能测试台架，其特征在于，所述输出齿轮轴(10)的输出端通过键安装有一档变速传动齿轮(12)，所述一档变速传动齿轮(12)与过渡齿轮轴(14)上的齿轮相啮合。4.根据权利要求1所述的多功能并联式混合动力系统性能测试台架，其特征在于，所述发动机(1)的输出轴上还设置有离合器(2)和第一扭矩传感器(3)，所述第一扭矩传感器(3)安装在第一联轴器(6)与离合器(2)之间。5.根据权利要求1所述的多功能并联式混合动力系统性能测试台架，其特征在于，所述电动机(4)的输出轴上还设置有第二扭矩传感器(5)；所述第二扭矩传感器(5)安装在第二联轴器(18)与电动机(4)的输出轴之间。6.根据权利要求1所述的多功能并联式混合动力系统性能测试台架，其特征在于，所述输出齿轮轴(10)、输入齿轮轴(9)、电机齿轮轴(13)、过渡齿轮轴(14)分别通过角接触球轴承安装在箱体上。7.根据权利要求1所述的多功能并联式混合动力系统性能测试台架，其特征在于，所述输出齿轮轴(10)通过滚针轴承(17)与输入齿轮轴(9)相连。

技术总结
本发明公开了多功能并联式混合动力系统性能测试台架，包括发动机、测功机和电动机，发动机、电动机与测功机均通过耦合装置连接，耦合装置包括箱体、输入齿轮轴、输出齿轮轴、同步器、电机齿轮轴、过渡齿轮轴；输出齿轮轴、输入齿轮轴、电机齿轮轴、过渡齿轮轴分别安装在箱体上，同步器安装在输出齿轮轴上；发动机的输出轴与输入齿轮轴通过第一联轴器连接，输出齿轮轴通过第三联轴器与测功机连接；电动机的输出轴与电机齿轮轴通过第二联轴器连接。本发明有效降低新能源汽车测试台架的搭建成本，改造完成后不会影响传统内燃机台架试验；由于采用机械式变速箱为基础进行改进得到耦合装置，传动效率高，结构简单，减少整体质量。减少整体质量。减少整体质量。


技术研发人员：王金海 刘笑 王轶石 李刚 李宁
受保护的技术使用者：西北农林科技大学
技术研发日：2023.07.10
技术公布日：2023/10/11