劉亞波

(華銳風電科技(集團)股份有限公司，北京 100872)

基于封閉式行星齒輪的并聯(lián)式混合動力傳遞裝置的研究

劉亞波

(華銳風電科技(集團)股份有限公司，北京 100872)

目前并聯(lián)式混合動力傳遞裝置一般是在現(xiàn)有AT、DCT或者CVT基礎上增加電動機和離合器來實現(xiàn)，而這種技術存在結構復雜、難以實現(xiàn)小型化和輕量化的不足。針對這一問題，提出一種基于定軸式封閉式行星齒輪單元的混合動力專用傳遞裝置HDT，并對其結構原理和特點進行分析。HDT采用定軸齒輪變速機構來封閉行星齒輪組成多級傳動單元，以功率分流輸出、功率分流輸入和封閉式行星齒輪傳動等3種模式來實現(xiàn)發(fā)動機驅動、混合動力驅動和電力驅動等3種運行工況，具有傳遞效率高、結構緊湊等諸多優(yōu)點。同時指出目前尚待解決的問題并展望其應用前景。

并聯(lián)式；混合動力傳遞裝置;封閉式行星齒輪

0 引言

現(xiàn)代汽車在為人們出行提供便利的同時加劇了對不可再生石油資源的依賴，并且傳統(tǒng)燃油汽車在使用過程中產(chǎn)生的大量有害廢氣造成了空氣質量的進一步惡化。因此，世界各國不斷加大力度推動混合動力技術及電動汽車技術的開發(fā)和應用。目前電動汽車受限于動力電池的能量密度和成本原因，普遍續(xù)航能力不高。而插電式混合動力(Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV)汽車的油耗和排放方面相較于傳統(tǒng)燃油汽車有明顯的優(yōu)勢，并且在續(xù)航能力方面不存在問題。因此在動力電池技術取得突破之前，插電式混合動力技術是降低油耗和排放的有效途徑之一。

目前并聯(lián)式混合動力汽車一般采用AT(Automatic Transmission)、CVT(Continuously Variable Transmission)或DCT(Dual Clutch Transmission)等自動變速器并聯(lián)一個電動/發(fā)電機并布置相應的離合器來實現(xiàn)。這種技術的優(yōu)點是技術繼承度高，結合現(xiàn)有自動變速器技術較易實現(xiàn)；缺點是原有自動變速器的結構已經(jīng)比較復雜，再增加電機之后整套系統(tǒng)尺寸將會進一步增加，難以實現(xiàn)小型化、輕量化。因此，針對插電式混合動力汽車的特點開發(fā)一種結構緊湊且效率較高的專用動力傳遞裝置(Hybrid Drive Transmission，HDT)是有必要的。進而提出的傳遞裝置方案(HDT)采用了定軸式封閉行星齒輪單元組成的多級傳動結構，在原理上具備結構緊湊、傳動效率高的優(yōu)點，可以一定程度上解決現(xiàn)有單電機并聯(lián)混合動力傳遞裝置技術的一些不足之處。

1 HDT結構和原理

1.1 HDT的結構

HDT的簡化結構如圖1所示，它主要由摩擦式離合器、差動機構、變速機構、電動/發(fā)電機以及相應的連接元件組成；其中電動/發(fā)電機可以作為電動機提供驅動力,也可以作為發(fā)電機利用外部動力進行發(fā)電；變速機構包含輸入軸和輸出軸，以及布置在輸入軸與輸出軸之間不同傳動比的擋位齒輪副；差動機構具有太陽輪、行星架和行星輪以及內(nèi)齒圈，且內(nèi)齒圈外圓布有外齒輪用于輸出動力。其中變速機構各擋位齒輪副通過牙嵌式離合器實現(xiàn)連接或者斷開。

變速機構的輸入軸通過摩擦式離合器與發(fā)動機的輸出軸連接，變速機構的輸出軸通過齒輪組與電動/發(fā)電機的旋轉軸連接；差動機構的太陽輪通過齒輪組與電動/發(fā)電機的旋轉軸連接，行星架與變速機構輸入軸連接，內(nèi)齒圈通過其外齒輪輸出動力。

如圖1所示，差動機構的行星架和太陽輪通過變速機構的定軸傳動進行連接組成了封閉式行星齒輪單元，其傳動比由差動機構和定軸傳動共同決定，當變速機構傳遞動力的齒輪副發(fā)生變化時封閉式行星齒輪單元的傳動比隨之改變。

圖1 HDT的簡化結構

1.2 HDT的傳動比分配

封閉式行星齒輪單元傳動比一般計算公式如下：

(1)

結合圖1所示的封閉結構得出：iβδ=1，則：

(2)

式中：Za為太陽輪齒數(shù)；Zb為內(nèi)齒圈齒數(shù)。

(3)

(4)

HDT的傳動比分配相較于傳統(tǒng)變速器有明顯的區(qū)別。一般情況下Za/Zb<0.6，基于公式(4)可見，如果要達到傳統(tǒng)變速器傳動比范圍(itotal=5～7)，并且全部以封閉式行星齒輪單元形式分配傳動比，其變速機構的傳動比范圍將明顯增加。基于以上原因，提出的HDT方案將傳動比分為高低兩個部分：將變速機構設置為空擋，差動機構不被封閉而作為功率分流結構發(fā)揮作用，通過控制電動/發(fā)電機轉速實現(xiàn)多個模擬擋位作為低速擋部分；高速擋部分通過采用不同傳動比的封閉式行星齒輪單元來實現(xiàn)。

功率分流結構輸出轉速依照以下公式求出：

(5)

進而：

(6)

以六擋分配方案舉例，如表1所示，該方案傳動比范圍為6.03，可以達到傳統(tǒng)變速器傳動比范圍。

表1 HDT傳遞裝置六擋傳動比分配案例

1.3 HDT的工作原理

采用HDT的車輛可以有電力驅動、發(fā)動機驅動和混合驅動3種工作模式。車輛蓄電池電量充足時車輛啟動以及較低速度行駛兩個工況設置為電力驅動模式；當蓄電池電量不足或者車輛以較高速度行駛時設置為發(fā)動機驅動模式；車輛加速換擋時設置為混合驅動模式。以下結合表1的傳動比分配方案對這兩種情況分別進行說明。

(1)蓄電池電量充足時。車輛在靜止狀態(tài)下設置摩擦式離合器斷開與發(fā)動機的連接，設置變速機構中的牙嵌式離合器狀態(tài)使差動機構和變速機構組成5th擋封閉式行星齒輪傳動單元。電動/發(fā)電機可以作為電動機利用車輛蓄電池的電能來驅動所述封閉式行星齒輪傳動單元，此時車輛在電動機的驅動下可以實現(xiàn)啟動、前進和倒車。當車輛以較高速度運行時，啟動發(fā)動機，設置摩擦式離合器與發(fā)動機連接，此時，發(fā)動機驅動車輛以5th擋固定傳動比行駛。當車輛需要加速時，此時電動/發(fā)電機作為電動機來發(fā)揮作用。通過設置變速機構中的牙嵌式離合器斷開連接，差動機構作為功率分流輸入機構，設置發(fā)動機轉速不增大，而依靠電動機驅動太陽輪轉速增大來實現(xiàn)車輛的加速，這個過程中發(fā)動機和電動機的動力通過差動機構匯合后輸出到車輪。隨著太陽輪的轉速增加，變速機構輸出軸的轉速與6th擋齒輪副的從動齒輪轉速會逐漸接近至幾乎相等，此時設置牙嵌式離合器的位置，完成5th擋升6th擋過程，發(fā)動機繼續(xù)驅動車輛以6th擋固定傳動比行駛。

(2)蓄電池電量不足時。低速工況下，啟動發(fā)動機，變速機構中的牙嵌式離合器設置為斷開，設置摩擦式離合器與發(fā)動機連接，這樣由于差動機構沒有被減速機構封閉，它將作為功率分流輸出結構來發(fā)揮作用。電動/發(fā)電機可以作為發(fā)電機來發(fā)揮作用，通過控制其轉速來調(diào)整太陽輪的轉速，表1中1st～4th為虛擬擋位，隨著發(fā)電機的轉速降低，車速不斷增加，進而實現(xiàn)車輛的低速運行。在發(fā)動機驅動加速過程中，當發(fā)電機的轉速降為0之后，電動/發(fā)電機將反向旋轉作為電動機發(fā)揮作用，與發(fā)動機一同驅動車輛繼續(xù)加速，差動機構作為功率分流輸入結構來發(fā)揮作用，直至變速機構的牙嵌式離合器可以切換到5th擋。之后過程與蓄電池電量充足時的過程相同，不再進行分析。

2 HDT的特點

2.1 動力傳遞效率高

HDT總體結構為差動機構和定軸齒輪傳動通過不同的組合方式來實現(xiàn)，由于定軸齒輪傳動效率較高，因此在分析HDT傳動效率時主要關注差動機構在不同工況下的傳遞效率。并且在一般情況下，對于行星齒輪傳動，多個行星輪的均載結構設計使基本構件所用軸承的摩擦損失可以忽略不計，僅考慮行星輪軸承的摩擦損失。

結合上面的案例，HDT的傳遞效率按照驅動模式可以分為3種結構來進行分析：

(1)功率分流輸出結構傳動效率：

(7)

式中：φh為行星傳動損失系數(shù)。

得出：μh(ab)>1-φh

(8)

行星傳動損失系數(shù)采用下式進行計算：

(9)

行星輪與太陽輪或與內(nèi)齒圈的齒輪嚙合損失系數(shù)均可采用下式進行計算：

式中：Z1為嚙合齒輪中的小齒輪齒數(shù)；Z2為嚙合齒輪中的大齒輪齒數(shù)；fm為嚙合摩擦因數(shù)，取0.06。

為簡化計算過程，行星輪軸承的摩擦損失系數(shù)采用0.02進行估算。

代入公式(9)得出：φh=0.035。

代入公式(8)得出：μh(ab)>96.5%。

(2)功率分流輸入結構傳動效率：

(10)

μ(ab)h>1-φh

(11)

將φh=0.035代入公式(11)得出：

μ(ab)h>96.5%

(3)封閉式行星齒輪結構傳動效率由下式計算：

(12)

變速機構為三級定軸傳動，摩擦損失系數(shù)按照0.03估算。

將以上結果代入公式(12)得出5th擋和6th擋的傳動效率分別為98%和97.5%。

文中提出的封閉機構工作時不存在循環(huán)功率，傳動效率較高。其本質上是部分功率通過變速機構的功率分流輸入結構，因此其傳動效率：

μδγ>96.5%×(1-0.03)

得出：μδγ>93.6%

另外，在HDT傳動過程中還存在潤滑油的液力損失，目前在潤滑油液力損失方面尚無成熟的方法進行理論計算，然而可以推斷的是文中提出的HDT結構在各種工況下的液力損失相對于多排行星齒輪自動變速器(AT)有明顯減少。綜合以上結果可見，HDT具有較高的傳遞效率。

2.2 結構簡單緊湊

HDT是針對混合動力特征而設計的。如表1案例所示：一方面，在1st～4th擋發(fā)動機驅動工況下采用發(fā)電機調(diào)速，省去了機械變速機構；另一方面，車輛在5th和6th擋的高速運行工況下變速機構只有部分功率通過，結構緊湊。且換擋采用電動機輔助同步，相對于目前存在的并聯(lián)式混合動力傳遞裝置，省去了復雜的執(zhí)行機構，換擋機構簡單。

2.3 動力傳遞能力強

與傳統(tǒng)CVT結構的混動傳遞裝置相比，在傳遞大扭矩時不存在打滑現(xiàn)象，可實現(xiàn)大扭矩、大功率的動力傳遞。理論上傳遞扭矩的大小只與封閉式行星單元的承載能力有關。

2.4 可實現(xiàn)無級變速

HDT本質上是一種差動式行星齒輪無級變速器，其傳動比的變化是通過控制電動/發(fā)電機的轉速或狀態(tài)進而調(diào)整差動機構中太陽輪的轉速來實現(xiàn)的，因此可以實現(xiàn)無級變速且調(diào)速非常方便。

2.5 成本低

相比傳統(tǒng)混合動力傳遞裝置，其零件數(shù)量少，制造容易，成本低。

3 HDT還需要解決的問題

與現(xiàn)有并聯(lián)式混合動力傳動裝置相比，HDT有諸多方面的優(yōu)點，但仍存在一些需要解決的問題：

(1)在車輛低速且發(fā)動機驅動的整個工況中，電動/發(fā)電機存在由發(fā)電機轉變?yōu)殡妱訖C的過程，此轉變過程中存在一個低轉速下的發(fā)電制動效率不高的問題。針對這個問題，可以考慮增加一個摩擦式制動器，并建立數(shù)學模型對功率分流輸出的整個過程進行仿真，以確定摩擦式制動器的最佳介入點和控制邏輯。

(2)制動能量回收問題。在低速發(fā)動機驅動工況以及混合驅動工況下，由于差動機構未封閉，此時車輛制動時能量將無法回收。針對這個問題，可以在太陽輪和行星架之間增加一個摩擦式離合器用來封閉差動機構，并建立相應的三維模型以優(yōu)化結構設計。

(3)發(fā)動機驅動與電力驅動相互切換時的靈活平順性。車輛低速運行時的動力來源取決于蓄電池電量的高低，存在發(fā)動機驅動和電力驅動工況的相互切換，而這個過程是否平順將直接影響車輛的舒適性。針對這個問題，可以建立整車傳動仿真模型對動力切換進行仿真，以確定最優(yōu)的發(fā)動機和電動/發(fā)電機參數(shù)以及二者的控制邏輯。

4 總結

HDT是一種由差動機構和變速機構組成的多級封閉式行星齒輪傳動系統(tǒng)。采用HDT的車輛在啟動和低速運行時，變速機構不工作，差動機構作為功率分流輸出或功率輸入結構來發(fā)揮作用；在電力驅動或者車輛高速行駛時，變速機構將差動機構封閉，以固定傳動比傳遞動力。相對于傳統(tǒng)并聯(lián)式混合動力傳遞裝置，HDT具有動力傳遞效率高、結構簡單緊湊、動力傳遞能力強、可實現(xiàn)無級變速和成本低等諸多優(yōu)點，可廣泛應用于汽車領域。

現(xiàn)階段對HDT的結構、工作原理、主要特點和技術問題的分析，為今后該傳動裝置的結構設計以及控制策略的研究并且推動其產(chǎn)業(yè)化奠定了良好的基礎。

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StudyonParallelHybridElectricSystemBasedonClosedPlanetaryGears

LIU Yabo

(Sinovel Wind Group Co.,Ltd., Beijing 100872,China)

Currently,parallel hybrid electric system is generally developed based on automatic transmission, dual clutch transmission or continuously variable transmission, but this solution concept has a complex structure,it is difficult to reduce the volume and weight. So, a hybrid electric system(HDT) based on closed planetary gears unit was proposed, and its run principle and characteristics were analyzed. HDT had three kinds of operation mode, with high transmission efficiency, compact structure and some other advantages. At the same time, the problems that had yet to be solved were pointed out.

Parallel type; Hybrid electric transmission; Closed planetary gears

U469.7

A

1674-1986(2017)09-037-04

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.09.008

2017-05-24

劉亞波(1984—)，男，本科,研究領域為汽車并聯(lián)式混合動力傳動系統(tǒng)。E-mail：liuyb_good@126.com。