液压混合动力汽车动力单元设计.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ N o ． 0 2 ． 2 0 1 3 液压混合动力汽车动力单元设计 姚 凯 ， 李 阳， 金 健 ， 邢科礼 上海大学 机 电工程与 自动化学院 ， 上海2 0 0 0 7 2 摘要 为 了减少 能量 损耗 及液压噪声 ， 对其液压泵／ 马达进行 改造 ， 并设计 了与其配套 的大 E l 径 常开型高速充液 阀， 从而完成动力单 元 的设计 。 在 A N S Y s ／ F L U E N T下对 内部流场进行数值模拟 ， 并在 A N S Y S ／ L S D Y N A下对 阀芯与 阀座的接触应力进行 了分析。 根据仿真 结果 ， 对动力单元进行了优化设计 。试验显示系统产生 的噪声 明显下降 。 关键词 高速充液阀 ； 噪声 ； 液压混合动力汽车 ； C F D； C A E 中图分类号 T H1 3 7 文献标识 码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 0 2 0 0 5 5 0 4 De s i g n o f t h e Po we r Un i t f or t he Hy d r a u l i c Hy b r i d Ve h i c l e YA0 Ka i ， L I r a n g。 J I N J i a n， XI NG Ke l i S c h o o l o f Me c h a t r o n i c E n g i n e e r i n g a n d A u t o ma t i o n ， S h a n g h a i U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 7 2 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o r e d u c e t h e e n e r g y c o n s u mp t i o n a n d t h e h y d r a u l i c n o i s e ， t h e p a p e r mo d i fi e s t h e h y d r a u l i c p u mp ／ mo t o r a n d d e s i g n s a n o v e l h i g h s p e e d fi l l i n g v a l v e f o r t h e s y s t e m， w h i c h i s n o r ma l l y o p e n a n d l a r g e - d i a me t e r ． T h e mo d i fi e d p u mp ／ mo t o r a n d t h e v a l v e c o n s t i t u t e t h e p o we r u n i t ． I n t h e ANS YS ／ F L UE NT ， t h e p a p e r s i mu l a t e s n u me ri c a l l y t h e fl o w fie l d i n t h e h i g h s p e e d fi l l i n g v a l v e ． B y t h e u s e o f ANS YS ／ I ．S - DYNA t h e p a p e r a n a l y z e s t h e i mp a c t s t r e s s o f t h e v a l v e c o r e ． Ac c o r d i n g t o t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s ， t h e p o we r u n i t i s o p t i mi z e d ． T e s t s s h o w t h a t t h e n o i s e d e c r e a s e s s i g n i fi c a n t l y i n t h e v e h i c l e u t i l i z i n g t h e p o we r u n i t ． Ke y wo r d s h i g h - s p e e d fi l l i n g v a l v e； n o i s e ； h y d r a u l i c h y b ri d v e h i c l e； C F D； C AE 0 引言 液压混合动力汽车具有功率密度大 、成本低等优 收稿 日期 2 0 1 2 一 O 8 一 O 6 作者简介 姚凯 1 9 8 7 一 ， 男 ， 河 南濮 阳人 ， 硕 士研究生 ， 主要研 究方 向为 流体传动与控制 、 机械电子工程。 一 一 一 一 一 一 一 - -- 1 5 2 1 5 2 l 5l l 5l l 5 0 l 5 O 1 4 9 图 9 3 0 2 3 0 2 3 O1 3 Ol 3 0 0 3 0 0 2 9 9 液压缸初 始位 置为 1 5 0的调 平曲线 点【 。其 中并联式液压混合动力汽车利用与原车辆传 动装置相并联的主要由液压泵／ 马达和蓄能器组成的液 压系统达到储能放能 的功能 。虽然该系统简单 、 可靠 ， 但 由常规元件组成 的能量 回收装 置具有 吸油性差 ， 噪 声大的缺点。为此 ， 本文根据系统工况 ， 设计了适应该 - 一 - - 一- 十一 - - 一 一 十一 一 一 一 一 - - 一- 一 一 - - 一 - 一 - 一 一 - 一 介绍 ， 采用 E A S Y 5软件建立 了液压系统模型并进行了 仿真分析 ， 对影响调平结果的因素作了分析 ， 仿真结果 可以作为设计与试验的参考依据。 参 考 文 献 图 1 0 液压缸初始位置为 3 0 0的调平 曲线 4 结束语 本文 以玻璃 钢制 品压机 四角调平 系统为研 究对 象 ，对 四角调平 的机械结构布置与液压系统原理作 了 【 1 】 刘基权． 玻璃 钢制品液 压机 的关 键技 术研 究【 D 】 ． 重 庆 重庆大 学， 2 0 1 1 ， 7 ． 【 2 】 曾红 丰 ， 孙旭． E A S Y 5仿真技术及其在液压系统 中的应用【 J J ． 流体传动与控制， 2 0 0 8 ， 3 ． 【 3 】 张卫 东 ， 莫旭辉 ． 基于 MS C ． E a s y 5的 1 8 0 t 平板车液压 自动调 平系统仿真计算机辅助工程【 J ] ． 计算机辅助工程 ， 2 0 0 8 ， 6 ． 【 4 】 韩其 义 ， 张英男 ． 等温锻造液 压机的四角调平控制系统[ J ] ． 锻 压装备与制造技术 ， 2 0 1 0 ． 6 ． [ 5 ] 陈庆华． 大型液压设备 四角调平控 制系统 的研究与应用[ J ] ． 机 械设计 ， 2 0 1 1 ， 6 ． 【 6 ] 王 占海 ， 等． 基于 E A S Y 5的飞机起落架滑跑试验 台液压系统 建模与仿真【 J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 0 9 ， 6 ． 【 7 ] 陈跃 坡 ， 等． E A S Y 5仿真技术及其在液压系统 中的应用[ J ] ． 机 床与液压 ， 2 0 0 8 ， 4 ． 液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 3年 第 0 2期 系统的动力单元 ， 满足了高速充液 、 快速蓄能的要求。 l 混合动力汽车液压系统工作原理 液压混合动力汽车的液压系统工作原理如图 l所 示 。该系统应用闭式油箱 ， 既避免油液污染 ． 又提高泵 的吸油性能。 图中液压泵／ 马达是能量转换元件 ， 在能量 储存 阶段 ， 即汽车制动 阶段 ， 作为动力元件 ， 将制动过 程中的汽车动能以液压能的形式 回收到蓄能器 中， 而 在汽车起动阶段 ， 即能量释放阶段 ， 作为执行元件 ， 将 蓄能器中的液压能释放 ． 用于车辆的起步或加速。比例 溢流阀 8调节 系统压力 ， 在能量储存 阶段 。 提供背压 ， 完成减速刹车及能量 回收过程 在能量释放阶段 ． 使其 卸荷 ， 从而实现回油。系统使用二位二通 电磁换向阀 7 和比例溢流阀 8来控制系统的工作方式 。储能时 ， 电磁 换向阀 7关闭 ， 比例溢流阀 8压力调节为高压 ， 液压泵／ 马达工作在泵工况下 。放能时 ， 电磁换向阀 7打开 ， 比 例溢流阀 8压力调为低压 ，液压泵／ 马达工作在马达工 况下 1 一 油 箱 2 一 截 止 阀 3 一 过 滤 器4一 单 向阀 5 一 液 压 泵／ 马 达 6 一 机械耦合装置7 - 二位二通电磁换向阀 8 一 比例溢流阀9 一 蓄能器 l O 一 压力表 图 1 混合动力汽车液压系统原理 图 由上述过程可看 出． 在能量储存 阶段 ． 液压泵／ 马达 将从油箱中吸取较大流量 的油液。若采用常规的单向 阀。 存在供油不足 、 自吸性差和噪声大等缺点 。在能量 释放阶段 ， 传统液压泵吸油 口尺寸较大 ， 从蓄能器 中释 放出来的高压油会造成较大的冲击和泄漏等。 针对以上 问题 ， 本文在 对液压 泵／ 马 达进 行改 进 的基础 上 ， 自行设 计并开发了大 口径 的常开型高速充液 阀，以改善液压 泵／ 马达的工作性能， 从而完成该系统动力单元的设计。 2 液压泵／ 马达改造 液压泵／ 马达的主要参数为额定压力与排量 。依据 本制动能量再生系统的元件情况 ，同时根据汽车质量 及车速初步选定系统压力为 2 8 MP a 。并且 由能量守恒 粗略计算其排量 ， 得到液压泵， 马达的排量为 8 3 m L ／ r ， 圆 5 6 整后 ， 取其额定排量为 8 0 m L ／ r 。 最终选用的液压泵／ 马达 的型号 为 A 2 F 8 0 。 液压泵／ 马达是能量转换元件， 是该系统的核心。在 泵工况下， 作为动力元件将汽车动能回收到蓄能器中， 以 液压能的形式储存。 在马达工况下， 作为执行元件将液压 能释放， 用于车辆的起步或加速。 将其应用到制动能量再 生系统中 ， 必须使其同时满足泵和马达两种_ l 二 况。 液压泵／ 马达工作于低速区域时容积效率低 ．回收 的制动能量随泄漏而损失较大，所以从变速箱输出轴 上取力 。 其转速约为 1 0 0 0 r ／ rai n ， 在这个转速下可以实现 较短时间内储存制动能量 。而选用的 A 2 F 8 0型泵的吸 油 口直径只有 2 5 mm，易产生较大噪声及吸空现象， 无 法满足在制动阶段快速吸油的需要。为此 ， 对斜轴式柱 塞泵／ 马达进行改造， 设计 了专用后盖。 图 2为专用后盖 的结构图。专用后盖的吸油 口S ， 使外侧通道直径大于 内侧通道直径 ， 其外侧通道直径设计 为 6 2 m m． 远远大 于原来的吸油 口直径 ， 提高了通油能力 ， 从而保证在制 动阶段能够快速大流量充油 ， 而不产生吸油真空。图 3 为配油盘结构示意图。由于在汽车储能及放能时液压 泵／ 马达是沿同一方向旋转 ，为了减少吸油和压油交替 时产生的冲击和噪声 ， 在配油盘吸油腰形槽 P d和压油 腰形槽 P H之间 ， 添加了非对称减震槽。通过 以上设计 使液压泵／ 马达满足了泵工况下的需要。 B ＼ ． ＼ ／ 图 2泵／ 马 达 后端 盖 结 构 图 图 3泵／ 马达 配油 盘 结 构 图 由于储能和放能阶段 ，液压泵／ 马达转向不变。所 以， 在能量释放阶段高压油作用在吸油 口上 ， 吸油 口尺 寸较大 ，会产生较大 的冲击。为了满足马达工况的需 要 ， 设计了常开型高速充液阀， 在能量储存阶段与能量 释放阶段 ， 实现不同的通流能力 ， 从而避免液压冲击。 3 高速充液 阀设计及分析 3 ． 1 高速充液阀的结构设计 由液压系统原理图可知 液压泵／ 马达的吸油 口根 据不同工况来分别与油箱和蓄能器高压油相连 ，并实 现不同的同流能力。在泵工况下 ， 该阀必须能够完成快 速大流量充液功能 ； 在马达工况下 ， 又能够有效地避免 高压油对液压泵／ 马达产生的冲击。 为此 ， 设计 了大口径 Hv d r a ul i c s Pn e u ma t i c s Se a l O．02． 2 01 3 的常开型高速充液阀。图 4为高速充液阀结构示意图。 低气穴发生的可能性。 B I I 高 压 i 帕 低压油 l 一 高 压 阀芯 2 一 弹簧3 一 低 压 闽 芯4 一 阀 座5 一 弹簧 图 4高速 充液 阀结构示意图 A口接液压泵／ 马达后盖 的吸油 口／ 高压油 口， B口 接蓄能器的进／ 出口， C口接油箱 。B、 C口同轴 ， 且 C口 通径远大于 B口。在泵工况下 ， 油液由 C至 A； 在马达 工况下 ， 油液 由 B至 A。自然状态下 ， 由于弹簧 5的弹 性 系数较大 ， 则在 弹簧 5的作用下 ， 将 阀芯 1压紧 ， 阀 芯 3和阀座 4保持常开状态 。 即 A与 C连通。 泵工况时 ， 油箱中油液通过 C口为液压泵供油。由 于 C口尺寸很大 ， 使得油箱可以大量快速供油 ， 避免了 吸空现象减少了噪声 。马达工况时， 起初蓄能器的压力 油作用在阀芯 1 上 ， 克服弹簧 5的作用 ， 将阀芯 3和阀 座 4压紧 ， C口关闭。接着进一步克服弹簧 2的弹力将 阀芯 1打开。蓄能器的压力油通过 B口与液压泵／ 马达 相连， 从而满足马达工况的需求 。 3 ． 2高速充液阀流场仿真 液压阀的内锥 口处通流面积小 ， 接触应力大， 易产 生内部流道能量损失大 、 效率低 、 噪声 大和寿命短等缺 点f 3 ’4 1 。以马达工况作为分析对象 ， 不 同尺寸下的阀口产 生 的压降 和噪声 不 同 。为 了优 化设 计 阀 口尺 寸 。 在 AN S Y S ／ F L U E N q x 5 、6 1 下对不同尺寸的阀口进行流场分析。 在 A N S Y S ／ F L U E N T下 建 立 模 型 ，模 型 单 元 选 用 F L U I D 1 4 1 单元。 实际工况下 ， 雷诺数 R e -- v D ／ v 4 6 9 6 。 大于临界雷诺数 ， 流体处于紊流状态。工况设置为 最 大 流 量 1 6 0 L ／ mi n ，介 质 密 度 9 0 0 k g ／ m ，动 力 粘 度 0． 0 41 Pa s 。 通过对不 同尺寸 的阀 口进行仿真及仿真结果的对 比， 完成对阀 口的优化设计 。根据仿真结果 ， 最终优化 的阀口处尺寸选为 1 6 mm， 而与其连接的蓄能器油管 内径为 西3 4 m m。 当不同流量的液压油通过该尺寸的阀 口时 ， 压力分布如图 5 、 图 6 、 图 7所示 。其流量分别为 1 3 0 L ／ m i n 、 1 6 0 L ／ mi n和 1 8 0 L ／ m i n ， 基本涵盖 了整个工作 流量范围。由仿真图可以看出该尺寸下， 产生的压力损 失 0 ． 0 1 5 MP a ， 而且避免了阀口处负压值的产生 ． 从而降 图 5流量为 1 3 0 L ／ mi n压力分布图 图 6流量为 1 6 0 L ／ rai n压力分布图 图 7流 量 为 1 8 0 Umi n压 力 分布 图 3 ． 3高速充液阀应力分析 高速充液阀的通断过程 中，阀芯在高压油 的作用 下会对阀座产生冲击作用。A N S Y S ／ L S D Y N A t 下对冲 击作用进行分析 ， 得到阀座和阀芯上的应力 。 为了方便地观察阀的内部应力 ，利用模型及载荷 的对称性 ， 对实体沿中心线剖分后建模 。模型单元选用 3 D S O L I D 1 6 4 。模型材料参数为 质量密度 7 8 0 0 k s ／ m ， 弹性模量为 2 ． 0 7 1 0 “ P a ， 泊松 比为 0 ． 3模型形状不 规则 ， 所 以在 网格划分时 ， 选取 四面体单元进行 自由划 分 。模型网格划分如图 8所示 。边界条件设定为 剖分 面上的所有节点的 U Z自由度和 阀座底 面的所有节点 A L L D O F设定为 0 。通过设定的边界条件保证了模型 的对称性。模拟高压油对阀芯的作用 ， 在阀芯顶端的单 元施加 P R E S载荷， 载荷值为 2 ． 8 x l O 7 p a 。 使用 L S D Y N A求解器对模型进行求解 。 后处理过 程 中， 获得冲击瞬间阀芯和阀座产生的应力。应力分布 如 图 9所 示 。由 图可 知 ，冲击产 生 的最 大 应力 为 1 9 6 MP a ， 该应力会极大地降低 阀的使用寿命。为此 。 在 阀芯底部施加力载荷 F Y方 向与 P R E S相反 。大小为 5 0 N。 通过力载荷 F Y的作用减少阀芯的冲击作用 。 进而 减小应力。 其应力分布如图 1 0所示 。 由图可知， 冲击产 生的最大应力降低为 5 2 MP a 。证明了在阀芯底部增加 作用力 ， 对降低应力有着明显效果。所以在阀座底部加 装二级弹簧 ， 用于提供缓冲所需的作用力 ， 从而减少冲 击应力。 5 7 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 3年 第 0 2期 图 8阀座 阀芯模型网格划分 图 9改 善前 压 力 分 布 图 圈 1 O改 善 后压 力分 布 图 4 动力单元装配 高速充液阀与改造过的液压泵／ 马达构成液压混合 动力汽车的动力单元 ， 完成液压系统的蓄能和放能。高 速充液阀实现了液压泵／ 马达的单 向供油 ， 而不需泵／ 马 达不断地正反 向旋转 ， 从而使得采用不对称配油盘 ， 降 低噪声成为可能。其次 ， 实现快速供油， 减少吸空现象 ， 同样起到了降低噪声的作用 。将设计意图在三维设计 软件 中以实体方式展现出来 。高速充液阀的模型如图 l 1所示。液压泵／ 马达与阀装配后组成动力单元。动力 单元的装配模型如图 l 2所示 。完成设计模型后 ， 经反 复修改后完成加工图纸。为保证设计 出的高速充液阀 具备 良好 的性能 ， 在高速充液阀中加装二级弹簧 ， 改进 密封处材质 ， 关键部位进行研磨等。 图 1 1 高速 充液 阀爆炸图 图 1 2动力单元装配图 5 试验 以装有液压混合动力的一汽 XQ 6 1 0 2 S H型客车为 试验对象。该车参数如下 发动机功率 1 9 9 k W， 额定转 速 2 2 0 0 r ／ m i n ， 整车质量 1 0 0 0 0 k g 。液压制动能量再生 装置质量为 3 5 0 k g ． 泵／ 马达额定排量 8 0 mL ／ r ， 额定扭矩 4 8 0 N m， 额定压力 3 1 ． 5 MP a ， 蓄能器容积 6 0 L ， 充气压力 为 1 2 MP a ， 溢流阀设定压力为 2 8 MP a 。试验在平直公路 上模拟公交车的行驶工况进行 。图 l 3所示为 1 0 mi n内 车辆连续运行情况下车速、 蓄能器压力的实时数据。 58 室 瑙 4 5 4 0 3 5 3 O 2 5 2 O l 5 1 O 5 --- flY----q n- 一 0 1 O 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 时间， S 图 1 3实 车 运 行试 验 车 速 、 压 力 曲线 图 1 3中所 示 A、 B、 C、 D段 为 四个完整 的制 动蓄 能 、 停止与放能起动 、 加速的过程 ， 其中 A段刹车前的 车速为 4 4 k m ／ h ， 能量再生系统使车辆制动至停止， 车辆 原刹车系统未投入工作， 制动蓄能时间为 1 8 ． 5 s ， 制动阶 段平均加速度为一 0 ． 6 m ／ s ， 制动距离为 1 2 5 m。该制动过 程符合公交车进站缓速制动的工况。在起步加速阶段 ， 蓄能器放能， 能量再生系统投入工作 ， 此时发动机不起 动， 车辆平稳起动， 经 9 s 后可达最大速度 1 8 k m ／ h ， 平均 加速度为 2 m ／ s 。 该过程使发动机进入经济性工作区域 ， 提高了发动机的燃油经济性。 安装该系统可节油 1 5 ％～ 2 0 ％。 整个过程 中， 噪声仪测得的噪声值为 6 4 ～ 6 6 d B ， 产 生的噪声 明显减少 ， 提高了操作的舒适性。 6总结 为了满足混合动力汽车的液压系统的一些工况要 求和性能要求 ，本文对液压泵／ 马达的后端盖进行 了改 造， 并设计了大 口径的常开型高速充液阀。通过对该阀 内流场的压力进行数值模拟及通断过程 中应力分析 。 对高速充液阀进行 了优化设计。高速充液阀与液压泵／ 马达构成 了该系统的动力单元。在实车试验 中验证 了 使用该动力单元后所带来 的经济性和舒适性。 参 考 文 献 【 1 ] 罗念宁， 张衡， 姜继海． 液压混合动力技术[ J J ． 液压气动与密封， 2 0 1 2 ， 2 ． 【 2 ] 于文鹏， 孙毅． 液 压混合动力 车辆 特点及技术研究『 J 1 ． 液压气 动与密封， 2 0 1 1 ， 1 1 ． [ 3 ] 李惟祥， 刘 晓红， 邓斌． 基于 C F D的液压锥 阀动态和静态性能 研究[J ] ． 液压气动与密封， 2 0 1 1 ， 6 ． [ 4 ] 郑 淑娟， 权 龙． 插装 型液压锥 阀内部 流场 的三维 动态仿 真分 析[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 7 ， 4 ． [ 5 ] 高殿荣， 王益群． 液 压控制锥 阀内流场的数值模 拟与试验 可 视化研究l J I． 机械工程学报， 2 0 0 2 ， 4 ． [ 6 ] 杨 国来 ， 司 国雷， 姬孝斌 ， 等． 用 A N S Y S对水压锥阀流场 的可 视化研究f J ] 机床与液压， 2 0 0 5 ， 1 O ． [ 7 ] 尚晓江， 苏建 宇． A N S Y S ／ L S D Y N A动力分析方法与工程实例 [ M】 ． 北京 中国水利水 电出版社，2 0 0 8 ． 一 、 、 、 、